解读中国V2X团体标准T/CSAE 53-2017

2018-05-02  |  By Clover  |  In 标准

2017年9月,我国V2X应用层标准《合作式智能运输系统 车用通信系统 应用层及应用层数据交互标准》经过编制组一年零七个月的努力正式诞生,并依托中国智能网联汽车产业创新联盟和中国智能交通产业联盟,形成双标号(T/CSAE 53-2017,T/ITS 0058-2017)的团体标准。

2017年9月,我国V2X应用层标准《合作式智能运输系统 车用通信系统 应用层及应用层数据交互标准》经过编制组一年零七个月的努力正式诞生,并依托中国智能网联汽车产业创新联盟和中国智能交通产业联盟,形成双标号(T/CSAE 53-2017,T/ITS 0058-2017)的团体标准。其中应用层数据集规范部分,目前已和网络层规范整合,形成国标草案《合作式智能运输系统 专用短程通信 第3部分:网络层和应用层规范》,亟待发布。

至此,我国的V2X智慧道路和车辆,真正拥有了统一而自主的“语言和文字”。

“LTE-V抑或DSRC,不能让底层技术与通信频段的困局,限制车企们对于V2X上层应用的探索”。

“我国有独特的交通环境和产业需求,需要制定我们自己的应用层标准”。

16年初,这些来自业界的呼声,促成了该应用层标准的立项。在中国汽车工程学会的指导下,由长安汽车、通用汽车和清华大学共同牵头,成立了标准编制组,并在短短的半年中,扩大到16家执笔单位以及33家支持单位的规模。辐射汽车、交通和通信三大行业,凝聚了来自车企、高校以及通信、智能交通、测试检验、终端制造等多个领域公司机构的智慧。

最终的标准包含了三部分主体内容:17个一期典型应用场景,支撑这些场景的应用层交互数据集,以及API、SPI接口。

标准虽然这样编写,但我们试图从整体上去认识V2X应用层,并理解和应用这样一个标准时,我建议将顺序反过来,从后往前地去解读。

在定义标准时,我们提出了一个“应用数据交换服务(ADS)层”的概念,如下图。它是应用层的一部分,并为应用层构筑了一个基础平台,负责应用数据的编解码以及交互控制,类似人脑中控制语言和听说的中枢神经。ADS层的存在,实现了具体应用场景与底层交互技术之间的隔离。

图:应用数据交换服务(ADS)层

ADS层往下,定义了一套SPI规范,能够适应LTE-V2X/DSRC甚至未来5G等多种技术。而发展至今,该SPI规范事实上就对应了国标草案《合作式智能运输系统 专用短程通信 第3部分:网络层和应用层规范》中的网络层部分,实现了对底层LTE-V2X和DSRC的兼容。

ADS层往上,则定义了一套参考性的API规范,以此向用户提供网联数据和操作接口,为用户封装繁琐的交互控制与数据编解码操作。于是,站在用户的视角看,V2X技术被封装成一个工具化的网联模块,真正变成了智能网联汽车与智慧道路的“嘴”和“耳”。当然,标准给出的是一个参考性的API设计模板,现实中网联技术的提供商势必会为用户提供更全面、更差异化的服务接口。

深入到ADS层内部,其核心就是应用层交互数据集,即V2X技术的“语言和文字”。标准定义了5种基本的V2X消息,以及构成这些消息的数据帧与数据元素。

相较美标SAE J2735定义的应用层数据字典,我们在基础的数据帧和数据元素层面,针对通用的车辆和道路属性、通用的数据单位做了尽可能的兼容与统一;但在构成具体应用场景的5种基本消息层面,标准基于我国智能网联汽车和智能交通产业的现状与需求,进行了量身定制。例如在路侧端,考虑传统ITS感知设施(如路侧雷达、视频)网联化后,能够为智能网联汽车提供更丰富的道路(特别是本车感知盲区)感知信息,标准创新性地提出了RSM消息,来对基于V2X的协同安全应用进行增强。

进一步,当我们试图理解应用层交互数据集的作用方式,我们需要从网联汽车的交互模式入手。如下图,站在网联汽车的视角,它所关注的其实就两件事:BSM消息的周期性或触发式广播;从周围网联交通环境中接收来自车端和路端的所有V2X消息,并解析。

图:网联汽车的交互模式

于是,我们可以大致得到如下图的网联汽车运行基本逻辑。事实上,ADS层进行了所有的网联数据交换工作,但并没有涉及任何具体的应用场景。ADS层一方面基于自身信息,将BSM编码后发送;另一方面如庖丁解牛般拆解周围网联交通环境中的V2X消息,并将其中的信息元素重新整合,处理成可用的格式,最后通过API供给上层的V2X应用。

用通俗的说法,在真实的交通系统中,外界环境对于智能网联汽车而言,其实是一个“黑箱”。网联汽车仅靠收到的所有V2X消息,来对“黑箱”进行建模,进而在模型上施展应用算法。因此,我们在利用标准数据集构建V2X应用系统时,对系统进行了横向的切割,以独立实现ADS层。任何从应用场景入手的V2X系统和设计,都容易陷入场景的局限,难以达到普适性;并且随着场景的丰富,开发也会举步维艰,最终难以产品化。

图:网联汽车的基本逻辑

在ADS层之上,标准定义了一期17个V2X典型应用场景。标准编制过程中,编制组通过提案投票的方式,依据技术成熟度、应用价值以及可实现性准则,选出了这些典型场景,它们为V2X系统应用场景的实现提供了一个可信的模板。

在对应用场景的讨论中,安全类场景总被提到最核心的位置。而在技术实现之前,能够明确V2X技术在智能网联汽车安全辅助中的定位,往往显得更为重要。相比于雷达、视觉等自主式感知手段,V2X技术的优势在于信息丰富且准确,并且对中远端以及盲区环境的感知能力尤为突出;缺点也很明显,信息交互毕竟是一个离散的过程,数据具有非实时性和间断性。

基于V2X的安全辅助技术,其核心可以概括为“防患于未然”,基于个体与环境之间的信息交互,将危险状况提前识别锁定,并尽早化解。对于那些眼前的威胁,则主要交给基于自主式感知的安全辅助系统解决,作为最后一道防线。正如人不可能仅通过“喊话”来确保所有的行动安全,V2X技术与自主感知技术在未来智能网联汽车的应用场景中,势必也会越来越融合与互补!

进而,就可以解答V2X应用领域一直在讨论的一个问题:标准中提出的100毫秒时延是否过大,难以满足安全类应用?诚然,交互时延肯定是越小越好,但用传统ADAS思维去考虑V2X的时延也不甚妥当。下图就给出了一个典型的基于V2V交互的碰撞预警模型。其最终结果是:主车利用t1时刻远车的运动数据和t2时刻自车的数据,在t5时刻进行运动预测和碰撞检验,并在t6时刻输出结果。信息交互环节和它的时延在这一过程中竟然没有任何作用!事实上,在该应用系统中,GNSS的采样频率、精准度,以及预测算法精度才是最核心的影响因素,而交互频率以及交互时延,则只要和GNSS采样大抵匹配即可。

图:基于V2V的碰撞预警时间轴模型

 一言以蔽之,本标准的意义在于建立了统一的V2X应用层“语言和文字”,使得相关车辆与车辆之间,车辆与道路设施、其他交通参与者之间能够无障碍地交流,实现不同品牌车辆及智能交通设施之间的互联互通。而标准提出的概念化的ADS层和API、SPI,以及基础应用场景,又给予不同的公司、不同的团队,在设计V2X应用层架构和打造V2X应用场景时,足够的创造空间。

我们相信,在标准背后的V2X技术,它对于未来的意义是使整个交通系统充分的网联化和智能化。不管对于智能网联汽车,还是对智能路侧系统而言,它都是一种强大的感知手段,一种新的信息聚合与发布的手段。V2X技术势必朝着更平台化和工具化的趋势演变,同时也日渐向更丰富的场景开放。

诚然,标准内容无法覆盖所有的细节,后来的开发者和研究者们需要基于标准主体,进行不断实践、探索与革新!

文章来源:智慧交通 作者:王易之

 



 

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