5G超級物聯網技術賦能智慧交通體系建設

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(1.陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

5G指的是第五代移動電話行動標準，也叫做第五代移動通訊技術[1]。5G網絡具有十分明顯的優勢，主要體現在傳輸速度、帶寬容量、網絡延遲等方面[2]。根據相關測試[3]，5G網絡帶寬容量將達到4G網絡的百倍以上，峰值理論傳輸速度能夠達到10.0 Gb/s，理論延時僅為1 ms，是4G延時的幾十分之一，基本達到了準實時的水平。物聯網設備、移動設備接入網絡不再需要等待，隨時隨地都能進行快速、大量的信息交換。5G網絡的上述性能對于物聯網設備運行十分有利，在交通路況、車輛檢測、無人駕駛、智能交通等方面都將發揮重大作用[4]。

工信部于2019年6月6日向中國移動、中國電信、中國聯通和中國廣播電視網絡有限公司正式頒發5G牌照，這意味著我國正式進入5G商用元年。在此之前，高通、華為、三星和聯發科技等公司均發布了支持5G通訊的基帶芯片，搭載上述芯片的5G智能手機業已推出近二十余款。從發展勢頭來看，整個5G上下游產業鏈完全商用的大幕正在全面開啟。

5G落地商用，將開啟互聯網加物聯網的全新時代。5G網絡的功能特性對物聯網具有強大的支撐作用。5G加速了萬物互聯，使得物與物、人與人、物與人之間的高質量、高效率聯網成為現實，為構建萬物互聯的智慧社會奠定了良好基礎[5]。

1 5G超級物聯網的概念

1.1 5G超級物聯網的概念

物聯網就是物物相連的互聯網[6]。利用射頻識別(RFID)技術、納米技術、傳感器技術及其智能終端，按照約定的協議，實現將所有物品彼此之間在任何時間、任何地點、無處不在的連接。

隨著應用場景不斷拓展，并網設備不斷豐富，物聯網內需實時傳輸海量數據，借助5G的超大容量、超低時延以及高傳輸速率，構建起能夠容納萬物互聯的超級物聯網系統，通過穩定高效的連接，人們可以實現對物體的識別、定位、追蹤、監控和管理。5G超級物聯網是對現有通訊技術、傳感器技術以及人工智能技術的綜合運用。

1.2 5G超級物聯網的層次結構

常規物聯網有3個層次，從下到上，依次是感知層、網絡層和應用層，整體架構如圖1所示。感知層就像是人的皮膚和五官，用來識別物體，采集信息。包括感知設備、各種傳感器、RFID及視頻采集設備等。網絡層就像是人的神經系統，將采集到的信息傳遞到大腦進行處理，包括移動通信網、有線電話網、有線寬帶網等。應用層類似人們從事的各種事情并完成的應用，主要是將數據進行管理和處理，并將這些數據應用到各行業，包括交通、農業、健康醫療、公共安全等。

5G超級物聯網則是將網絡層替換為5G通訊網絡，讓傳感器與終端服務器之間實時交流的海量數據進入“高速公路”，信息交換更加迅速高效。

圖1 5G超級物聯網的層次結構

2 5G超級物聯網的功能

2.1 5G超級物聯網的功能

5G超級物聯網主要有3大功能：智能識別、智能監控及對象跟蹤。借助于傳感器、RFID等技術對物體表面及內部進行智能識別，將獲取的信息依靠5G通訊網絡，傳輸到網絡層并進行智能化的數據分析，實現對行為對象的監測和控制，通過搭建應用層為人們提供直觀的可視化服務。類似的應用場景包括通過掃描RFID終端機就可以得知超市中肉的產地及流通信息，在外通過手機控制家里熱水器的水溫。

為提高感知層獲取信息的準確度，基于聲、光、電、磁等原理的各型傳感器層出不窮，不斷發展，輸出了愈加豐富的信息。超級物聯網中的海量信息只有借助5G通訊網絡才能實現低時延、高速度的交換，滿足自動駕駛、工業智能機器人等應用場景的需求。

2.2 5G超級物聯網的特點

相比于傳統的互聯網，5G超級物聯網具有3個主要特征。

a.它將各種感知技術廣泛應用。5G超級物聯網大量使用各類傳感器，實時獲取不同類別的信息內容和信息格式，并不斷進行更新。人們可以獲取最新的信息，并將其加以利用，提高和改善我們的生活和工作質量。

b.無處不在的高效網絡。當感知層獲取海量信息后，要通過網絡將信息實時準確地傳遞出去，同時將應用層的控制指令以極低時延發送至執行機構，這個過程需要穩定高效的網絡傳輸支持。所以，基于5G網絡通訊技術構建起的物聯網體系，與之前的各類物聯網具有本質區別，它通過各種有限和無線網絡與互聯網深度融合，能實現常規物聯網所無法完成的功能，滿足應用場景的更高要求。

c.具有智能處理的能力。近年來，隨著處理器架構及芯片工藝的更新迭代，物聯網芯片取得了長足發展。物聯網芯片是整個物聯網系統的“智慧大腦”，負責分析處理感知層獲取的海量數據，并給出控制指令。目前，以華為、高通、恩智浦和英特爾等產業巨擘為首的移動芯片制造商，研發出上百款低功耗、高效能芯片，日出貨量超過百萬片。借助上述智能芯片，搭建起完善的物聯網系統，可實現智能家居、自動駕駛和智能信號燈等應用。

3 基于5G超級物聯網的智能交通體系

隨著我國經濟的快速發展，汽車成為人們出行的重要交通工具。汽車產銷量逐年增加，交通系統面臨著交通擁擠、事故多發和汽車尾氣污染嚴重等問題。簡單地限制車輛數及擴大道路覆蓋率并不能從根本上解決問題。利用物聯網技術，借助5G超高速通訊網絡，搭建起新一代智能交通系統。

通過搭載激光雷達、測速雷達、加速度計和輪轂傳感器等，感知自身及周圍車輛的運行情況、交通基礎設施的使用情況以及區域內出行者的行為。通過單片機等處理器的智能處理，為用戶提供更加安全高效地出行策略，同時也實現了車輛智能化與物流運輸智能化，達到了安全高效、節能減排的目的。

3.1 智能交通的特征

智能交通系統利用無處不在的傳感器、5G網絡以及智能終端來實現交通運輸的智能化[7]。在這一系統中，車與車、車與人、車與路和車與交通信號燈等實現了實時互聯，交通活動中的參與者能夠獲得最優路線、安全提醒、周邊異常行為預警，從而安全高效地利用交通運輸設施、減少能源浪費和環境污染。

3.2 5G超級物聯網在智能交通建設中的應用

3.2.1 智能交通管理

智能交通管理系統是基于“人、車、路”等關鍵要素，利用各型傳感器，自動識別交通管理目標，智能分析目標并自動檢出違法行為[8]。以常見的十字路口交通指揮來說，由于當前大部分紅綠燈都是采用固定時長模式工作的，實際中會出現低效率疏導現象，即有時一個道路方向上車輛很少，綠燈卻處于點亮狀態，而另一條道路方向上車輛很多，紅燈時長還未結束，這就造成了道路資源的浪費。若更換為具有自適應功能的智能信號燈系統，就可以利用信號控制系統中的傳感器，檢測道路狀況和交通路口的紅綠燈狀態，根據實時車輛情況，動態調整路口各方向紅綠燈的持續時間，提高交通路口的使用效率。

3.2.2 交通信息服務

利用5G構建起的智能交通體系，具有對控制區域內實施廣播的功能[9]。基于物聯網的智能交通系統包括各類傳感器及網絡，并且借助信息設備將獲取到的有用信息及時傳達給出行者，如交通狀況信息、地鐵或者公交的換乘時間及方式、天氣情況等，出行者獲得出行前信息。對于自帶導航系統的車輛，智能交通系統可以進行路徑導航，規劃有利于出行者的行駛路線，并在行駛過程中獲取途中交通信息情況，確保安全。

3.2.3 自動駕駛

現階段，物聯網在車輛系統中的服務主要體現在自動駕駛，自動駕駛可以將司機從辛苦的駕駛工作中解脫出來，使出行更加便捷、可靠、高效、環保。自動駕駛主要包括感知、決策以及執行3個方面[10]。自動駕駛汽車在行進過程中感知周圍的駕駛環境，形成海量數據，借助5G通訊網絡，傳輸至交管指揮中心的服務器進行處理，如果用戶車輛與周圍車輛距離小于安全距離，綜合各車速情況，交管中心將利用廣播，給相關參與者發出安全預警，防止與車輛發生碰撞事故。

3.2.4 輔助監控

隨著我國物流行業的快速發展，商用車輛數不斷增加，由于商用車輛型號大、承載重，一旦發生交通事故，后果不堪設想。借助5G超級物聯網，可以實時獲取商用車輛的運營及管理情況，及時了解駕駛員的異常駕駛行為，對疲勞駕駛、超速行駛、急剎車等行為進行警示，防止交通事故的發生。

3.2.5 公共交通

公共交通智慧化是智慧城市建設的重要舉措之一，物聯網技術是實現公共交通智慧化不可或缺的技術。改善城市交通的一項重要內容就是要發展公共交通，建立公共交通信息服務系統，實時采集各類軌道交通運輸工具及地面公交的動態運行信息和客流情況，結合大數據分析，實現軌道交通與地面公交換乘信息發布。此外，借助于物聯網技術，可以獲取居民利用公共交通生成的出行數據、目的地信息，并進行處理和分析，為后續的城市基礎設施建設提供強有力的數據支撐。

3.2.6 應急管理

隨著現代城市交通的快速發展，交通安全也逐漸引起了人們的重視，加強安全管理，提高事故發生后的應急效率，對城市的發展尤為重要。

當城市出現安全問題時，借助5G超級物聯網搭建起的智能交管中心，交通運營管理者能夠及時利用智能視頻分析技術監控各路線人流量及密度，并且借助各類型傳感器，分析獲取的溫度計、煙霧信息，對危險品、火災、有毒氣體等各種異常情況進行檢測及預警，并及時向控制中心提供信息服務，便于救援力量及時反應，減少事故損失。

3.2.7 電子支付

物聯網技術在電子支付方面的主要應用場景為不停車電子收費系統(ETC)，該系統需要汽車安裝ETC車載器，車輛信息及車主信息都貯存在電子收費卡中，每輛車都有唯一的電子檔案。當裝有ETC裝置的車輛通過高速收費站時，借助快速的5G通訊網絡，車輛不需減速停車，即可實現讀卡裝置與ETC車載器間信息交換，完成扣款過程。該系統大大提高了高速公路或交通繁忙橋梁的通行能力，降低了現金收費的成本，以及車主停車繳費帶來的噪聲、尾期污染。

3.2.8 安全管理

交通安全是交通運輸業的生命線，一旦發生交通事故，將帶來無法彌補的生命和財產安全。車速是影響交通事故發生可行性和嚴重性的重要原因。因此，安全車速是出行的重要保障。借助5G超級物聯網搭建的智能交管系統，利用雷達和視頻流量攝像頭等傳感器，檢測各車輛的車速，并與安全值進行比較，及時提醒駕駛員調整車速。智能交管系統不僅可以防止交通安全事故的出現，還可以提高道路資源的利用效率。

4 結束語

目前，中國的智能交通系統處于起步階段，但是相信，隨著5G技術的大規模商用、大數據、云計算以及人工智能產業的發展，基于5G技術的超級物聯網功能必將越來越完善，智慧城市的核心—新一代智能交管系統呼之欲出。未來必將有更多的科研工作者投身于智能交通系統的研發當中，實現城市交通資源高效整合，改善現有的交通狀況，使之與快速發展的經濟狀況相適應，最終推動中國智慧城市的發展與建設。