一種面向車輛編隊通信系統的數據元設計思路

諶儀

（交通運輸部公路科學研究院，北京100088）

隨著中國智能交通領域相關技術應用的迅猛發展，智能駕駛等前沿應用技術已經在交通運輸行業中得到了極大的關注。近年來在智能駕駛技術的推動下，具備一定智能程度的貨運車輛的編隊行駛應用開始出現。這一應用方案通過智能化的設備和自動化的管理模式，在實際應用中有效解決了安全和效率方面的諸多問題。因此，貨運車輛的編隊行駛被業內普遍視為是貨運（物流）行業未來的重要應用場景之一，貨運卡車自動駕駛編隊被認為是最有可能率先成為自動駕駛規模商用的應用場景[1]。

目前國內車輛編隊行駛主要以卡車（貨運卡車）編隊行駛為主，其技術研發、演示驗證等工作的推進力量以車輛制造企業和自動駕駛技術研發企業為主。典型企業包括圖森未來、智加科技、西井科技、主線科技、贏徹科技、暢行智能等。雖然當前車輛編隊應用尚不成熟，但相關企業在貨運卡車自動駕駛編隊方面的技術研發、演示驗證等方面都進行了較大規模的投入。以東海大橋無人駕駛及車路協同編隊行駛項目為例，該項目可實現3輛以上卡車編隊行駛，并根據引導車工作狀態實行加減速、轉向、變道等操作，通過先期測試和估算，貨運卡車編隊可有效提升東海大橋及周邊物流樞紐運營和中轉效率，并有效降低重型卡車的司機成本和燃油損耗率。智加科技在2019年國際消費電子展（CES2019）上展示了其L4級自動駕駛卡車技術；展會期間，作為唯一一家在展會現場提供實景演示的自動駕駛卡車公司，智加科技還在附近的拉斯維加斯卡車專用車道上展示了搭載上述技術的“International LT”系列牽引車。此外，西井科技、主線科技等自動駕駛企業，也都先后推出了基于自有技術的高等級（L3級或更高級別）的自動駕駛貨運車輛。綜上所述，智能車輛編隊應用將在未來一段時間內進入快速發展階段，相關產品和應用也將不斷涌現。

1 車輛編隊應用與車輛通信系統特性

在諸多智能駕駛應用場景中，車輛編隊行駛是一類具有明顯特征的典型的應用場景。首先，車輛編隊主體是智能車輛，編隊行駛是基于智能駕駛功能之上的一種復雜程度更高的智能體協同功能[2]。因此，在車輛編隊行駛過程中所產生并需要被傳輸的信息也是非常復雜而多樣的。在上述信息中，可能包括車輛狀態信息、交通狀態信息、道路管控信息和駕駛環境信息等多種類別的信息數據。其次，車輛編隊行駛中的車輛位置與車輛通信系統的拓撲結構有著直接的關系。隨著車隊成員位置的變化、領航車變更等行為的出現，車隊無線通信系統的結構也會隨時發生改變[1]。最后，智能車輛編隊行駛對無線通信網絡的數據傳輸可靠性和時延指標要求很高。當支撐編隊的無線通信網絡的數據傳輸可靠性和時延指標無法達到要求的情況下，進入編隊的車輛將無法保持與車隊其他成員間的關聯關系，編隊行駛的基本功能將完全喪失。因此可以認為，智能車輛編隊應用是高度依賴于車輛無線通信系統的。

與此同時，由于車輛在正常狀態下是高速移動的，因此車輛無線通信系統的工作環境是復雜多變的。尤其是在有無線信號干擾、車距過遠等情況發生時，車輛無線通信系統的傳輸性能將會明顯降低。因此在實際應用中，車輛無線通信系統能夠提供給用戶的數據傳輸容量，要比理論計算的數據傳輸容量低很多。車輛無線通信系統的用戶面臨著壓縮精簡用戶數據的現實問題。

2 主要車輛通信應用層技術規范

車輛通信系統應用層相關的國際標準目前主要包括《3GPPTS22186-V2X用戶數據需求》《SAEJ273專用短程通信消息字典》和《ETSI 102.637車輛通信系統基本應用集》等[3]。在綜合考慮上述國際標準內容的基礎上，中國相關組織研究編制形成了團體標準，即T/CSAE 53—2017《合作式智能運輸系統 車用通信系統 應用層及應用數據交互標準》。該標準是目前中國智能汽車、通信等產業中認可度較高的一項標準規范。該標準從應用定義、主要場景、系統基本原理、通信方式、基本性能要求和數據交互需求6個方面對17個應用場景提出相關要求。其中所規定的消息層數據集是典型的車輛通信系統應用層數據集。

T/CSAE 53—2017消息層數據集用ASN.1標準進行定義，遵循“消息幀—消息體—數據幀—數據元素”層層嵌套的邏輯進行制定。數據集交互的編解碼方式遵循非對齊壓縮編碼規則UPER（Unaligned Packet Encoding Rules）。消息層數據集由1種消息幀格式和5種基本消息體（Message）組成[4]。5種基本消息體具體包括車輛基本安全消息、地圖消息、路側設備消息、路側安全消息、信號燈消息。各類基本消息體的具體說明如下。

車輛基本安全消息。車輛基本安全消息是使用最廣泛的一個應用層消息，用來在車輛之間交換安全狀態數據。車輛通過該消息的廣播，將自身的實時狀態告知周圍車輛，以此支持一系列協同安全等應用。

地圖消息。由路側單元廣播向車輛傳遞局部區域的地圖信息，包括局部區域的路口信息、路段信息、車道信息，道路之間的連接關系等。單個地圖消息可以包含多個路口或區域的地圖數據。

路側設備消息。該消息適用于由路側單元向周圍車載單元發布的交通事件信息以及交通標志信息。其中，交通事件信息當前支持國標GB/T 29100，交通標志信息當前支持國標GB 5768.2。

路側安全消息。路側單元通過路側本身擁有的相應檢測手段，得到的其周邊交通參與者的實時狀態信息（交通參與者包括路側單元本身、周圍車輛、非機動車、行人等），并將這些信息整理成本消息體所定義的格式，作為這些交通參與者的基本安全狀態信息，廣播給周邊車輛，支持這些車輛的相關應用。

信號燈消息。包含了一個或多個路口信號燈的當前狀態信息，結合地圖消息，為車輛提供實時的前方信號燈相位信息。

此外，規范還定義了構成基本消息體的53類數據幀，構成數據幀的各類涉及車輛運動、控制、道路環境等方面的各類數據要素。

3 實際應用問題與解決對策

T/CSAE 53—2017在目前的智能駕駛相關測試和示范應用被廣泛使用。雖然該規范所規定的17類應用場景中沒有明確包括車輛編隊行駛的應用場景，但其中的部分應用場景是有可能在智能車輛編隊應用中出現的。例如，T/CSAE 53—2017中對7個車-車協同應用場景進行了詳細地場景流程描述。通過場景過程描述分析可以發現，與車輛編隊控制直接關聯的有兩個場景，即“前向碰撞預警”和“緊急制動預警”。上述兩個場景也是車輛編隊控制中必須包含的應用場景，即在車輛編隊行駛過程中一定會存在“前向碰撞預警”和“緊急制動預警”情況，且這兩種場景將會頻繁出現。與此類似的還包括“道路危險狀況提示”和“限速提醒”等應用場景。基于上述原因，T/CSAE 53—2017在智能車輛編隊應用中是具有較高的使用參考價值的。同時考慮到智能車輛編隊應用中的成員車輛在一些特殊情況下，可能脫離編隊進入到單車智能駕駛狀態，智能車輛編隊應用采用共識度較高的T/CSAE 53—2017作為統一的應用數據標準將產生更好的工程實施效果。

但直接利用T/CSAE 53—2017的規范數據要素進行車輛編隊應用數據的設計是不合適的。T/CSAE 53—2017的數據要素設計是面向一般車輛通信應用場景的，并未考慮車輛編隊應用數據的復雜多樣、邏輯關聯關系多變、高可靠傳輸和低時延傳輸的需求。通過對與智能車輛編隊應用高度關聯的基本應用場景分析，可以發現T/CSAE 53—2017中所規定的可以支撐智能車輛編隊應用的消息體或數據幀，都是由數據格式固定、容量不變、精度統一的數據要素構成。如果直接使用T/CSAE 53—2017規定的數據要素構建智能車輛編隊應用數據，當車隊成員數量逐步增加時，車輛通信網絡的應用數據負載將與車隊成員數量成正比關系增加，這就直接限制了編隊車輛的數量。

為了解決上述問題，就要考慮在多車輛編隊行駛的應用場景下，如何既要滿足應用信息傳輸的需求，又要有效降低車輛無線通信網絡應用數據負載。通過對車輛通信一般應用場景的進一步研究發現，在很多情況下車輛通信系統所傳輸的信息包含了大量的冗余數據。以T/CSAE 53—2017車輛基本安全消息為例，該消息中包含了車輛位置、時間戳、車輛身份等重要信息。但在不同的應用場景中，對車輛位置、時間戳等信息的需求必要性和精度要求是有很大區別的。如果應用目標是對車輛進行準入判定，此時車輛位置就是不必要的冗余信息，而車輛身份則是應用的關鍵信息。如果應用目標是車輛行駛中的碰撞避讓，則情況與上述應用正好相反。

基于上述分析可知，由于現有規范數據要素的固化設計，導致了一定程度的應用層冗余數據傳輸。這就為解決車輛通信系統應用數據負載問題提供了一個較為可行的技術優化思路，即：通過改變原有數據要素的固化設計方法，通過格式可選、容量可變、精度可調的數據要素，構建具有一定載荷彈性的用戶數據，通過與應用場景的高度匹配，最大程度上降低冗余應用數據的出現，進而降低車輛通信網路的用戶數據負載量。

4 數據元彈性載荷設計思路

綜合考慮車輛編隊的應用需求、主要應用場景特點等因素，將車輛編隊通信系統所需要傳輸的應用數據進行抽象凝練后可以發現，任何應用數據都是至少由時間、地點、事件/指標值和信息質量構成的。因此可以認為車輛編隊通信系統應用層數據由時間數據要素、空間數據要素、事件/指標值數據要素和質量數據要素構成。

空間數據要素是指信息來源的平面位置，一般可以由絕對位置（經緯度數據）來表達，也可以由相對位置（相對距離）來表達[5]。考慮到不同應用的需求，空間數據要素應當至少能支持上述兩種表達方式。絕對位置不依賴位置參考點，其精度更優、適用場景更廣；相對位置依賴參考點，但可以簡化為整型數據并使用較少的數據位來準確表示目標位置。

與空間數據要素類似的，時間數據要素也可以面向不同應用場景的采用不同的表達方式。由于時間數據要素在不同的應用中的數據精度要求和范圍跨度要求差別巨大，時間數據要素可根據實際需求對年份、月份、日、小時，直至秒、毫秒等內容進行獨立使用或組合使用，以適應不同應用場景對時間數據跨度和精度的要求。

對時間、空間數據要素進行統一格式的規范后[6]，形成的時空數據元的基本邏輯內容和數據容量都可以根據實際使用要求進行調整。依照本設計思路形成的數據元邏輯內容示意及示意內容說明如表1所示。

表1 時間空間數據元邏輯內容設計示意

事件/指標值數據要素和質量數據要素，也可根據場景進行不同的表達方式設計，但設計過程中需要考慮的因素更多，如傳感設備的技術水平、事件檢測算法的可用性等。

本文僅以空間數據元和時間數據元設計方法為例說明彈性數據元設計方法的主要思路，具體設計內容不再贅述。根據空間數據元和時間數據元的邏輯內容和容量估算情況，可以看出上述兩類數據元所對應的數據要素，均是格式可選、容量可變、精度可調的數據要素。理論上看，使用上述結構設計的空間數據元和時間數據元就能夠構建形成具有彈性載荷的車輛通信應用數據，并有可能通過適當的應用場景匹配，達到“需要什么，傳輸什么”的應用效果。這也就意味著，彈性載荷數據元為降低冗余應用數據的傳輸提供了基本條件[7]。

5 應用展望

面向車輛編隊通信系統的彈性載荷數據元的設計方法，實際是從車輛編隊應用的面臨的實際問題出發，尋求到的一種更為靈活的數據元設計方法。該設計方法形成的彈性載荷數據元，不僅僅局限于智能車輛編隊通信系統的使用。在工業制造、無人機應用等任何多智能體協同應用中，彈性載荷數據元的設計和應用方法都具有一定的借鑒價值。