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万集科技王庆飞:车路协同创新应用--基于激光雷达的路侧智能感知

来源:佐思汽车研究 日期:2019年7月12日 17:38

2019年7月5日,由博闻创意和CCIA 智能网联专委会、佐智汽车举办的「2019中国汽车互联与车路协同大会」在深圳举行。北京万集科技北京研究院院长助理王庆飞先生在会上发表了题为“车路协同创新应用:基于激光雷达的路侧智能感知”的演讲。

尊敬的各位嘉宾、各位参会代表,大家下午好!我今天演讲的题目是“车路协同创新应用:基于激光雷达的路侧智能感知”。和大家分享基于激光雷达进行道路环境感知,构建动态高精度地图,通过5G车路协同,服务自动自动驾驶的一种创新方案。

今天的演讲主要分成四个部分,第一部分是从自动驾驶、车路协同和5G的行业痛点出发,分析路侧智能感知系统的现实需求。第二部分介绍路侧智能感知系统的架构和实现原理,第三部分分析一下关键技术问题,第四部分对分析系统的价值,并介绍一些典型应用案例。

今天来的有各个行业的代表,有些嘉宾可能对万集不是很了解,我简单介绍一下万集。

万集科技是一家传统的智能交通企业,成立于1994年,到现在已经有25年了。2016年10月21日在深交所挂牌上市,股票代码是300552。万集目前有北京和武汉两大研发中心,全国有10个分子公司,32个技术服务中心,有1000余人。

我们的主营业务主要是从事智能网联汽车和智能交通系统的技术研发、产品制造和技术服务,万集科技在车联网、大数据、云平台、边缘计算以及自动驾驶等多个领域积累了大量的创新技术,我们开发出了车路两端的激光雷达、V2X、ETC、动态称重、汽车电子标识等多种产品,为智能网联汽车、智能交通系统提供综合的解决方案、产品、系统及服务。

万集科技的战略布局分为“路生态”和“车生态”两个方面。“路生态”方面,万集科技在全国的动态称重领域是行业绝对领先的地位,在ETC领域也是处于行业领先,同时是国内首家把激光雷达应用在路上的公司。随着公司的发展,我们开始往车生态转型和发展。在车生态方面,我们在智能网联汽车的智能和网联两个方向上各取一支,主攻方向是智能化方向的核心传感器——3D激光雷达和网联化方向的核心通信终端——V2X。万集科技的智能交通企业背景,以及在智能网联汽车和智能车路协同方面的长期积累和深度探索,使我们对自动驾驶、车路协同和5G的行业痛点有着清晰的认识,下面分别进行介绍。

(一)路侧智能感知需求

在自动驾驶方面,高度自动驾驶面临着环境感知瓶颈。主要表象是,自动驾驶路线在港口、矿区、物流园区、高速公路等封闭和半封闭场景相继落地,但是在城市场景却实现困难。其主要原因在于,城市场景中,道路开放,结构复杂,机非混行,密度大,行为差异显著,这些变化对自动驾驶车辆的环境感知能力有着更高的要求。目前,自动驾驶车载核心传感器感知距离有限,且为视距的类人感知,无法满足超远距离及交叉口、遮挡区等非视距环境感知需求。

我们看上图,左侧图是一个超远距离感知需求,中间图是交叉路口感知需求,这是在城市里或者是国省道上非常普遍的事故。最右边这个动图,它是在一个高速路上的视距遮挡的情况下发生的事故。这些情况均是目前自动驾驶的痛点和难点。

前面讲的是车端,我们再看看路端。

在车路协同基础设施建设方面,其商业价值正在受到质疑。我们知道,车路协同被提出的初衷是实现主动安全,这也是其最重要的作用,但是这类功能主要基于车车通信实现,路侧基础设施除了辅助安全以外,更注重通行效率和信息服务的提供。这些功能的商业价值不明显,在投入大于产出的情况下,基础设施的建设存在困难。

然而,为了实现车路协同,路侧基础设施又必须比车载终端的普及先行一步,保证在车载终端漫长的普及过程前期,主动安全不能发挥显著的情况下,能通过路侧基础设施为已安装客户提供服务,促进终端的普及。因此,我们需要发掘不可替代的高价值数据和服务,打消对车路协同路侧基础设施的商业价值质疑。

再看看通讯,在5G方面,5G在垂直行业中的应用受到挑战。5G在车联网中的应用大致可以分为三类:

第一类是信息娱乐服务,4G即可满足网络需求;

第二类是安全与效率类服务,可通过LTE-V2X实现;

第三类是协同类业务,需要5G或者5G-V2X来实现,其中大部分业务是通过车车直接交互实现,5G的直接应用价值有限。

5G和5G-V2X仅仅实现这一块吗?肯定不是。总结起来,5G在垂直行业的长足发展,需要向三个方向发展:

首先,垂直行业需要深度参与,解决通信行业对垂直行业挖掘不深的难题;

第二,行业痛点与5G的结合需要进一步突破,探索共赢的全新商业模式;

第三,5G应用的发展要与5G网络商用、终端形态创新、计算处理能力提升协同推进,形成端到端的完整生态和解决方案。

前面我们从车、路、和通信端进行了分析,我们再看一下国家政策:中华人民共和国交通运输部办公厅  交办规划函【2018】265号  《交通运输部办公厅关于加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点的通知》,明确了六个重点方向,其中基础设施数字化、路运一体化车路协同是两个重要的方向。基础设施的数字化包括用三维可测的实景数据实现公路数字化采集、管理与应用。路运一体化车路协同也包含了5G拓展的应用,专用通讯技术在这个行业的应用。

分析了车、路、通讯、行业,基于这些年在路上应用的一些经验的积累和探索,我们提出了一个概念——智能道路分级。我们都知道自动驾驶分成了5级,我们何不把路也进行分级呢?这是万集提出的智能化道路的分级的策略,这个策略是在今年3月份在厦门召开的全国高速公路机电信息研讨会上提出的,我们把路也分成了L1到L5。

L1级是基础道路,道路设置交通标志、标线、信号灯等,这是最基础的道路。

L2是信息化道路,里面加入了道路的机电设施设备,可以实现交通流、交通事故、道路事件、天气条件等信息检测和推送。

L3是网联化的道路,这里面就覆盖了V2X车路协同,道路基础设施与V2X路侧单元紧密结合,通过V2X实现车-路-人-云互联互通,实现交通信息实时、快速、定向传递,为自动驾驶提供数字化道路信息。

L4是协同化的道路,在道路的关键路口和复杂路段安装高精度传感器,实时感知道路的信息、快速地传递给交通参与者,通过上帝视角的交通信息感知解决复杂路况下自动驾驶面临的超远视距或者是非视距、遮挡下的信息感知难题。这里面就引入了路基激光雷达、SLAM技术,还有5G的边缘计算。

L5是智能化的决策道路,在协同化道路的基础上实现所有道路覆盖高精度传感器,实现道路的信息全方位精确感知。在这里面的关键技术是激光雷达、SLAM、5G、5G-V2X、边缘计算、自动驾驶等。

为了突破自动驾驶车辆的远距离和非视距感知难题、提升车路协同基础设施的商业价值、实现5G与车联网的深度结合,万集科技提出了路基激光雷达+5G+边缘计算的路侧智能感知系统。

高精度地图是自动驾驶必不可少的,大家所了解的,是静态高精度地图,用于描述车道模型、道路部件和道路属性,实际上,自动驾驶还需要一张动态高精度地图,用来描述道路上目标物的动态属性,目前的单车智能驾驶使用车载传感器实现动态道路目标的扫描识别,本方案则通过路侧感知来构建,并通过5G/V2X实时提供。

在这个系统中,我们将激光雷达从车端移至路端,实现感知单元组网覆盖,赋予道路实时、精确、动态、无缝的交通环境感知能力,提升道路智能化水平;通过边缘计算平台,汇集区域感知信息,进行数据计算、存储、运营和服务,实现区域的有效协同;利用5G/V2X建立传输通道,实现高可靠、低时延的信息传递,用“网联”方式服务“智能”驾驶,通过提供高价值数据服务,革新5G在车联网领域的应用模式。

(二)系统架构和实现原理

这是我们的系统整体架构,路侧智能感知系统可以分解为基于路基3D激光雷达的道路环境感知系统、基于MEC的数据智能计算系统和基于5G/V2X的信息传输系统,简称感知系统、计算系统和传输系统。

在感知系统中,路基3D激光雷达是道路环境感知的主体,布设于道路关键和复杂的路口或路段,对所在区域道路进行精确感知;计算系统中,边缘阶段汇集一定区域内的道路环境感知信息,对海量数据进行计算、融合,将处理后的信息进行分发、存储和上报,实现动态高精度地图的构建;传输系统中,感知数据通过5G/V2X传输至边缘节点,并将环境感知数据分析结果通过5G/V2X,分发到交通参与者。

下面详细介绍这三个系统。

路基3D激光雷达是感知系统的核心,从实现原理上来讲,路基激光雷达与车载激光雷达并没有本质区别。万集科技推出了世界首款路基激光雷达,与车载激光雷达相比,更加适合道路环境下的使用,主要优势在于:

第一,同样是32线3D激光雷达,车载激光雷达的视场角为正负分布,有16条线不能作用于道路上,而路基激光雷达则是-37°到0°,32条线都作用于地面,有效线数多出一倍,感知精度更高,底部盲区更小;

第二,车载激光雷达的垂直视场角为均匀分布或疏密,线束近处密集远处稀疏,而路基激光雷达采用多级分辨率,可以使远处和近处一样,感知更均匀;

第三,激光雷达安装在路侧,由于安装高度高,视距条件更好,不容易被遮挡,拥有“上帝视野”;

第四,激光雷达可安装于交叉路口,感知多方向道路,视野更加开阔。

下一部分是我们的计算系统,计算系统的核心功能是汇集区域内激光雷达点云数据,进行计算处理,构建动态高精度地图。点云数据处理包括四个方面:

首先是道路建模,识别路侧激光雷达所在区域的固定结构;

第二是目标分割,识别道路环境中的非固定物体的存在情况;

第三是目标聚类,将感知目标划分为大型车辆、小型车辆、行人、非机动车等类型;

第四是目标的持续跟踪,输出目标的实时位置、大小、速度、方向,并推算目标轨迹。

MEC是5G的关键技术之一,路侧智能感知系统具有大带宽、低时延、高算力的需求和特点,与MEC的功能相匹配,引入MEC的必要性包括3个方面:

首先,采用集中式计算、存储、运营和服务,可以降低分布式计算平台建设的维护的成本;

第二,采用边缘计算,可以汇集一定区域内多感知终端数据,实现多传感器数据融合拼接,实现区域协同;

第三,采用边缘计算,可以将服务和功能脱离核心网,降低传输时延,优化流量,降低核心网负荷。

下一部分就是传输系统。传输系统比较好理解,对于道路环境感知数据,将采用5G或5G NR-V2X进行传输。数据传输环节包括两大部分:第一部分是路侧激光雷达原始点云数据在边缘侧的汇集,以及处理后结果的下发;第二部分是服务请求的发起和服务的提供。

目前,V2X路侧终端的通信制式是LTE-V2X+4G,未来将会融合LTE-V2X、5G、5G NR-V2X等多种通信制式。

(三)路侧智能感知关键技术问题

刚才提到,今天介绍的重点是感知部分,下面将对感知系统的关键技术问题进行介绍。

为了更好地服务于自动驾驶,系统感知能力需要不断提升,可以从两个方面寻找解决方案,一方面是路侧激光雷达本身的改进,另一方面是多传感器融合。

在路侧激光雷达改进方面,改进方向有3点:

首先,针对激光雷达的底部盲区问题,可以通过光机结构改进设计,扩大垂直视场角,也可以采用传感器融合,补偿盲区信息缺失;

第二,可以通过增加扫描线数的方式,比如,将激光雷达从32线提高到48线、64线,提升角分辨率,增加数据采样点,提升感知精度;

第三,通过不断优化垂直视场角分辨率,可提升远端识别效果,实现远近均衡的效果。

和自动驾驶车载核心传感器一样,没有哪一种传感器是万能的,激光雷达虽然强大,但是为了实现更精确、更丰富的道路环境信息全天候感知,多传感器融合仍有必要。

目前,万集科技已经开始进行路基3D激光雷达和摄像头的信息融合,通过信息融合,可以充分结合不同传感器的优势,弥补激光雷达的缺陷,实现感知信息提升。

另外还有一点,大家关注怎么落地。我们在这里提供了直道和交叉口两种典型场景的路侧感知系统布局方式,通过合理布局,可以实现盲区互补和叠加增强。为了实现区域协同,系统需要将来自于不同点位的激光雷达数据进行拼接融合,形成一个区域的动态高精度地图。右侧三张图显示了一个十字路口两台对角方式的激光雷达的点云拼接效果,可以看到,通过点云拼接,左上角和右上角的两辆大型车辆,在拼接后的点云图中,能够更好地被识别出来。

目前,尚处于4G时代,5G和边缘计算尚无法普及,在这个时候我们又该怎么去做?在此情况下,万集科技推出激光雷达+摄像头+计算单元+V2X RSU的智能感知基站;用本地计算单元替代MEC,用本地光纤网络替代5G/5G-V2X,用LTE-V2X执行处理结果实时分发;解决交叉口或复杂路段的超远视距和非视距道路环境感知难题。左边这张图是智能基站在雄安展示的实景图;右边这张图是路侧感知结果在V2X显示端的显示效果。

本方案一经推出,就在国内智能车路协同项目中得到应用。

(四)价值分析及典型应用案例

最后,对本系统的价值、商业模式及典型应用案例进行分享。

路侧智能感知系统的作用不仅限于服务自动驾驶,通过动态高精度地图的构建,可以实现微观交通流信息采集,采集的数据可以服务于交通管理和控制。微观的意义在于,交通流的信息采集对象缩小到单个交通参与者的详细信息,而非一个断面或整条路段的总体流量和平均速度采集,这些信息具有数据精度高、实时性强和可协同的特点。基于微观交通流信息采集,可以为交通管理系统的运行状态精确监控、可变限速控制诱导、紧急事件快速响应、交通信号协同控制等应用提供强力的数据支撑。

路侧智能感知系统紧密结合自动驾驶、车路协同和5G的行业痛点,提出了一条行之有效的解决方案。主要意义有四个方面:

首先,本应用拓展了激光雷达的应用领域,赋予道路以感知能力,提升了道路的智能化水平,极大地提升了道路的服务能力;

第二,通过道路的智能感知与传输系统,为自动驾驶提供了动态高精度地图,使车路协同摆脱了辅助驾驶的地位,有效的商业模式可以促进车路协同基础设施的建设进程;

第三,可以很好地解决当前自动驾驶遇到的道路环境感知难题,为突破高度自动驾驶提供了可能,可以有效地促进自动驾驶在城市场景的快速落地;

最后,本系统深入挖掘了5G在车联网、自动驾驶、智慧交通中的应用模式,极大地丰富了5G的应用场景。

下面对系统的商业模式进行分析。

前面提到,路侧智能感知系统不仅可以服务于自动驾驶,还可以服务于先进交通管理,相应的,客户群体就有车端企业和政府管理部门或运营主体。

在车端企业方面,由电信运营商完成系统建设和运营,向车企提供数据服务,车企为车主提供出行信息和自动驾驶环境感知信息等增值服务;

在政府管理部门和运营主体方面,仍然由电信运营商完成系统建设,通过采购设备、收取信息服务费基础设施升级服务费的方式,提供交通信息数据及服务,增强公共交通安全和效率。

最后给大家分享一点儿我们应用的案例。今年一月份,全球首条基于车路协同自动驾驶的智能化城市道路在江苏盐城开通,并对外试运行。道路采用了万集科技全球首创的V2X+3D激光雷达路侧智能感知方案,是全球范围内率先落地开通的基于道路智慧化的自动驾驶试验开放示范区。右边这张图显示了路侧感知系统视野下的城市道路动态高精度地图。

4月,齐鲁交通信息集团联合长安大学承担的国内首个智能网联高速公路测试基地及研发中心项目启动仪式在济南举行。万集科技的V2X+路侧3D激光雷达车路协同方案在真实高速公路场景应用。右边这张动态图,显示了由路侧感知系统构建的高速公路动态高精度地图。

这两个项目,标志着本方案实现了在城市道路和高速公路两大应用领域的落地。

万集科技本着开放的心态,愿意和行业内同仁一起,共同推进智能网联汽车、智能车路协同和5G的快速落地,在智慧交通领域贡献我们的力量。

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