0 引言

    目前城市信号灯控制的交通路口通行效率不高，主要表现为：早晚高峰时段拥堵比较严重；闲时段（尤其是夜间）车辆必须等待红绿灯周期性变化，车辆不能根据匹配通过路口的车速实时调整控制红绿灯状态；视线受限或司机对红绿灯信息的误判也会造成车辆追尾或闯红灯引起的交通事故导致拥堵。智能联网汽车将实现安全可靠、高效节能和信息服务，将来会改变人们生活出行。随着我国车联网产业上升到国家战略高度，产业政策持续利好，车联网技术标准体系已经从国家标准层面完成顶层设计，多个产业应用联盟也开始重视研究车联网应用和技术创新。实时车路协同是车联网典型应用场景之一，车路协同需要5G网络提供低时延和高可靠等关键技术^[1-2]，需要“智能的车”和“聪明的路”来改变当前交通状态，提升通行效率。

    优先通行是实现绿波通行的基础功能，国内外进行了相关研究并提出几种算法，这些算法存在缺点和不足，以至于无法进一步应用推广，如：通过PC5接口调整红绿灯状态，受限于5.9G通信距离短和容易遮挡的影响，车路协同感知范围变小，无法提前作出预判和调整驾驶策略；固定位置改变红绿灯状态，没有结合实时车速、行驶方向、路口车流量大小等因素综合判断，算法不够灵活，不能保障快速通行。

    本文分析了车辆通过路口绿波通行时间模型，针对已有算法的不足，提出了基于5G网络边缘计算（Multi-Access Edge Computing，MEC）技术^[3-4]的绿波通行系统。在算法模型中，结合实时车辆信息和红绿灯信息，通过网联式交互，增加车辆协同感知范围，利用MEC边缘计算低时延下发给车端，便于车辆实时作出正确驾驶决策和调整灯态信息，确保行驶方向多个路口连续性绿波，达到高效通行目的。

1 绿波通行业务

1.1 定义与原理

    绿波通行业务是指车辆根据自身信息(包括车速、位置、离红绿灯距离等)和红绿灯信息(包括灯态、倒计时、位置等)，综合计算判断，调整对应路口红绿灯状态及匹配通过路口车速，达到快速通行目的，有效缓解路口拥堵。

    实现绿波通行业务的系统原理如图1所示，路侧单元(Road Side Unit，RSU)从交通信号机实时获取红绿灯的灯态信息，通过5G网络边缘MEC下发给搭载车载单元(On board Unit，OBU)的智能网联车辆。

    (1)交通信号机：周期性控制交叉路口交通信号灯变化，便于指导机动车、非机动车及行人安全通行；

    (2)路侧单元RSU：支持LTE、LTE-V2X、5G、5G-V2X等通信制式，部署在红绿灯显示装置附近位置，支持与交通基础设施（例如：信号机、传感器等）和车载单元OBU通信；

    (3)高精度定位模块：支持GPS、北斗等多模定位能力，提供物体有效位置信息，精度为厘米级；

    (4)边缘MEC：部署绿波通行控制策略及其他业务应用策略，边缘计算平台部署在基站侧或近端边缘机房，本地业务下沉到网络边缘，进一步降低网络传输时延，实时车路协同时延要求小于10 ms；

    (5)车载单元OBU：支持LTE、LTE-V2X、5G、5G-V2X等通信制式，同时集成高精度定位模块和本地节点计算模块，支持OBU与OBU之间通信、OBU与RSU之间通信；

    (6)显示装置：主要用于显示红绿灯状态和车速引导信息，可嵌入仪表盘或高精度地图，便于驾驶员观察。

1.2 业务模型

    在车辆驾驶过程中，当前遇到红绿灯变化，通过路口时间简化为6种模型：

    (1)当前是红灯，且倒计时为最小值范围，默认是小于等于5 s，车辆不能安全通过路口；

    (2)当前是红灯，且倒计时不是最小值范围，车辆不能安全通过路口；

    (3)若当前是黄灯，且是持续3 s闪烁，车辆不能安全通过路口；

    (4)若当前是绿灯，且倒计时为最小值范围，默认是小于等于3 s，车辆不能安全通过路口；

    (5)若当前是绿灯，且倒计时为大于3 s，车辆不能安全通过路口；

    (6)若当前是绿灯，车辆能安全通过路口。

    实际应用中车辆实时根据路况信息调整匹配车速变化，即可能存在加速、匀速、降速。本文为了便于理解，假设车辆保持匀速行驶，车辆通过路口至少时间模型：T=D/V。其中，D为车辆实时离红绿灯路口距离，V为车辆实时车速。

2 绿波通行系统

2.1 总体方案

    系统设计核心是红灯则缩短和绿灯则延长，若当前是绿灯，且剩余倒计时时间不足保障车辆安全通过，立即调整延长绿灯时长到最大值，且倒计时显示为最大值，同时在车端仪表盘或高精度地图等装置同步显示灯态变化，车辆自动调整匹配车速，确保安全通过路口；若当前是红灯，且剩余倒计时可调整，在当前距离立即调整缩短红灯时长到最小值，且倒计时显示为最小值，缩短红灯等待时间目的是为了快速变为绿灯，同样显示灯态变化和调整匹配车速安全行驶。

    基于MEC应用的绿波通行是实时车路协同典型业务应用之一，绿波通行系统组网架构如图2所示，其中，红绿灯的灯态显示顺序从上到下分别是红灯、黄灯、绿灯。

    系统涉及智能网联C-V2X(Cellular-Vehicle-to-Everything)设备、交通信号机、基站、边缘MEC、核心网和应用平台等设备。边缘MEC部署在基站侧或边缘机房，绿波通行调整控制策略和高精度地图等算法部署在MEC上，利用5G系统MEC边缘计算能力，将高带宽、低时延、本地化业务下沉到网络边缘，进一步提高网络传输效率。采用基于边缘MEC处理方式，具有较大技术优势：

    (1)通过Uu口网联方式，不受PC5通信距离的限制，满足车与周边通信单元之间的信息交互，增加车辆对周围环境感知范围；

    (2)本地化业务下沉到MEC网络边缘，利于低时延高可靠传输；

    (3)多个路口红绿灯信息实时上报给MEC，MEC提供统一的管理决策与服务平台，实现多维时空环境下的联合作业应用，降低对现有智能系统感知和决策计算能力；

    (4)基于路口车流量大小和多方向管控，以及大数据处理，调整红绿灯状态，实现绿波通行。

    根据RSU归属MEC的属性，多个交通路口RSU实时上报信号机的红绿灯状态信息（包括灯状态、倒计时等），通过5G网络MEC边缘服务器低时延下发给车载单元OBU，OBU和RSU互为实时通信，构成实时车路协同感知系统。智能网联车辆实时感知到前方多个路口的红绿灯状态信息，行驶方向距离最近的红绿灯状态在车内仪表盘或高精度地图同步呈现，系统实时基于车辆根据自身信息（包括车速、位置、离红绿灯距离等）和红绿灯信息（包括灯态、倒计时、位置等），综合计算和判断是否能安全通过路口。基于红灯则缩短和绿灯则延长的调整原则，系统实时计算每个路口安全通行时间，有利于保证智能网联车辆，尤其是BRT公交、救急车、保障车等高优先权或特殊车辆，在绿灯状态下，以最优车速安全地通过路口，减少路口拥堵，从而提高通行效率，实现多个路口连续性绿波通行。同时也能起到节能减排作用，尤其是夜间行驶的时候比较明显。车辆与红绿灯具有动态调整自适应协同控制功能，是LTE-V/5G智能网联实时车路协同系统发展关键技术，也是自动驾驶技术发展的趋势。

2.2 实现机制

    绿波通行实现流程如图3所示。

2.2.1 通信协议

    RSU和信号机映射关系表示为：RSU安装位置紧挨红绿灯，每个RSU和交通信号机有对应唯一标识；一个RSU连接一个信号机，当然也可以同时连接多个信号机，考虑到实际应用，建议优先采用一对一映射关系。通信协议如下：

    (1)RSU通过UDP/TCP协议与红绿灯的信号机通信，信号机按照最小周期上报自身状态信息(包括灯态、倒计时等)给RSU，同时RSU具有调整控制信号机功能；

    (2)实时车路协同要求V2X设备(RSU和OBU)和交通基础设施(信号机、传感器)上报周期小于100 ms；

    (3)利用RSU自身高精度模块定位，可实时获取自身位置信息，即对应红绿灯位置信息；

    (4)RSU通过5G网络，把红绿灯信息(包括灯态、倒计时、位置等)上报给MEC，利用MEC低时延下发给车载终端OBU，RSU和OBU建立实时通信，车路感知协同，使得车辆提前获取红绿灯状态信息，便于调整灯态及控制合理车速，以最优车速行驶。

    具体计算过程如下：

    系统基于车辆根据自身信息(包括车速、位置、离红绿灯距离等)和红绿灯信息(包括灯态、倒计时、位置等)，综合计算和判断是否能安全通过路口。假设当前红绿灯倒计时剩余时间为t，当前实时车速V，保持匀速。

    (1)通过交互车端信息和红绿灯信息，实时计算出当前车辆离红绿灯路口的距离D；

    (2)通过速率/时间关系，实时得出安全通过路口至少需要时间T，T=D/V。

2.2.2 决策和控制过程

    根据上述实时计算结果，将T与t实时比较，若T>t，且t为绿灯倒计时时间，说明剩余绿灯时间太短，此时不能保证车辆安全通过路口，在不加速情况下，需要触发绿灯延长流程；若T<t时，且t为红灯倒计时时间，说明剩余红灯时间太长，在不减速情况下，此时车辆需要停止在路口等待变为绿灯，因此需要触发红灯缩短流程。假设当前车辆距离路口150 m(实际应用距离是变量D)，当前车速为60 km/h，首先判断灯态，实现绿波通行过程如下：

    (1)若当前是红灯，且倒计时显示为最小值范围，默认最小值是5 s(可配)，为了安全起见，1～5 s内建议不做调整变化。一般情况下，默认剩余15 s内倒计时装置才显示。系统在行驶过程中灯状态信息和车速信息均有语音形式提示/界面实时呈现提示，提示内容包括但不限于：当前车速、灯状态、灯剩余时间、离路口距离、通过路口剩余时间、建议加速/匀速/减速到“XX km/h”等，进行合理车速信息引导，辅助提示司机或车辆。距离路口大于150 m，参考城市路口限速一般不高于60 km/h，5 s车辆运行最大距离85 m左右，因此在这个过程中，其实不需要减速，等5 s过后红灯正常变为绿灯，车辆在绿灯状态下，能够快速安全通过路口，实现绿波通行。

    (2)若当前是红灯，且剩余时间大于5 s(可能大于15 s或小于15 s)，满足红灯缩短条件，立即按照最大量缩短红灯时长x，减少到最小值5 s，且倒计时显示为最小值5 s，后面流程同步骤(1)。

    (3)若当前是黄灯，通常是最大值不超过3 s，且持续闪烁，也是不可调整状态，等它正常变为红灯，后面流程同步骤(2)，即红灯缩短。

    (4)若当前是绿灯，且倒计时显示为最小值范围，默认最小值3 s，绿灯在1～3 s内建议也不再调整变化。6 s后正常变红灯，满足红灯缩短条件，立即按照最大量缩短红灯时长x，减到最小值5 s，且倒计时显示为最小值5 s，流程同步骤(2)。如果整个过程车辆不减速，11 s内灯态不可调整，预估11 s车辆运行距离183 m左右，出现闯红灯危险，因此在不可调整时间内，系统提醒车辆降速调整到50 km/h以下，后面流程同步骤(1)。因此遇到这种情况，车辆也可以提前在200 m左右调整控制红绿灯状态。

    (5)若当前是绿灯，且剩余时间大于3 s(可能大于15 s或小于15 s)，满足绿灯延长条件，立即按照最大量延长绿灯时长x，增加到最大值，且倒计时显示为最大值，足以保证车辆在绿灯状态下能够快速安全通过路口，实现绿波通行。系统在车辆行驶过程中灯状态信息和车速信息均有语音形式提示/界面实时呈现提示系统进行实时语音形式提示/界面实时呈现提示，提示内容同步骤(1)。

2.2.3 决策和控制过程

    考虑到十字路口复杂性，在实际应用中，可能存在单方向或多方向短时间内同时多个车辆向红绿灯(RSU)发起调整控制请求，每个车辆根据自身需求发起调整请求，到底是哪个方向优先调整或哪个不允许调整，这时需要MEC统一管理调度处理及控制红绿灯策略。本系统进一步结合特殊车辆、路口每个方向车流量大小、调整周期等综合因素来判断和控制，有效减少频繁调整红绿灯状态次数，使得调整控制更加合理性和人性化。考虑到路口拥堵时车路流量大，交互处理数据量大，采用边缘云MEC服务器处理方式，服务器可部署在近端基站或边缘机房。路口监控设备（摄像头、雷达等）实时监测路口每个方向动态路况信息（车流量大小），并实时上报给边缘云MEC服务器，服务器与车载单元通信，MEC实时下发和更新调整策略，实现实时车路协同系统。多车协同调整控制红绿灯处理策略如下：

    (1)具有高优先权的特殊车辆(110/120/119等)

    ①绿波通行红绿灯调整控制周期T（如默认4 s），即4 s内仅允许调整控制本方向红绿灯状态1次。特殊车辆是根据车载单元ID标识定义的，具有调整控制红绿灯最高优先级，因此调整周期可设置短些。

    若仅本方向存在特殊车辆，并发起红绿灯调整控制请求，系统优先响应调整控制本方向红绿灯状态的请求，不考虑其他方向车流量大小和非特殊车辆调整周期，直接对这些特殊车辆给予高优先通行权限，即立即响应绿灯延长或红灯缩短处理原则。

    ②在同一个周期T₁，若有多个特殊车辆发起红绿灯调整控制请求(如A车第1 s发起请求，B车第3 s发起请求)，系统仅处理第一辆车(A车)请求响应，其他车辆(B车)请求不处理，只能排队等待；第一个周期处理结束，若第二周期还是有车(B车)发出请求，则在第7 s响应处理请求。

    (2)普通车辆

    绿波通行红绿灯调整控制周期t(如默认8 s)，即8 s内允许调整控制本方向红绿灯状态1次。

    ①同一方向(目前同向和相向红绿灯状态是保护同步的)，在同一个周期t内，同时存在多个车辆发起红绿灯调整控制请求，且垂直方向并没有车辆经过，也不存在特殊车辆，系统仅处理第一辆车请求响应，其他车辆请求不处理，只能排队等待第二个周期，即本周不能满足绿波通行；若第二周期还有车辆发出请求(包括第一周期不能满足绿波通行的车辆)，处理策略同第一个周期。

    ②同一方向和垂直方向，在同一个周期t内，同时存在多个车辆发起红绿灯调整控制请求，也不存在特殊车辆，需要结合路口每个方向车流量大小和调整周期来判断和控制，系统优先响应调整控制车流量最大（拥堵严重的）的方向对应的红绿灯状态；第一个周期t₁处理结束，若本方向车流量仍然过大，第二个周期t₂还是调整控制本方向的红绿灯状态，其他方向只能排队等待处理，以此类推。

    (3)快速公交BRT

    BRT是直行，社会车辆仅允许掉头的场景。绿波通行红绿灯调整控制周期t(如默认8 s)，即8 s内允许调整本方向红绿灯状态1次。

    ①仅有BRT车辆接近路口时，且发起红绿灯调整控制请求，系统响应处理BRT方向发起红绿灯调整控制请求，提高BRT通行效率和调度运力。

    ②BRT车辆和社会车辆同时接近路口时，且同时发起红绿灯调整请求，系统优先响应处理BRT方向发起红绿灯调整控制请求，社会车辆请求排队等待；等没有BRT车辆发起红绿灯调整请求，才响应处理社会车辆发起红绿灯调整请求，提高BRT通行效率和调度运力。

    ③仅有社会车辆接近路口时，且发起红绿灯调整控制请求，系统响应处理社会车辆方向发起红绿灯调整请求，减少社会车辆等待红灯时间。

3 结束语

    本文结合5G网络边缘MEC低时延、高可靠等关键技术，对MEC与C-V2X融合实现绿波通行系统做了研究。该系统能够扩大智能网联车辆感知范围，多个路口红绿灯信息同时上报或调整处理，车与路信息实时协同感知，减少路口交通拥堵，可实现多个路口连续性绿波优先通行，提升交通运输效率，是5G智能网联实时车路协同系统发展关键技术，也是自动驾驶技术发展的趋势。

参考文献

[1] 5G自动驾驶联盟.5G自动驾驶白皮书[R].2018.

[2] IMT-2020(5G)推进组.C-V2X白皮书[R].2018.

[3] IMT-2020(5G)推进组.MEC与C-V2X融合白皮书终稿[R].2019.

[4] CAICT中国信通院.车联网白皮书(2018年)[R].2018.

作者信息:

田  亮，张  岩，徐  黎

(大唐移动通信设备有限公司，北京100083)