田大新：計算-通信-控制交叉融合在車聯(lián)網領域的應用實踐

本文為北京航空航天大學副院長、教授田大新教授在第十七屆中國智能交通年會專業(yè)論壇之一的道路交通控制與優(yōu)化論壇上所做演講的速記整理而來，未經本人審核，如有錯漏，敬請諒解。

計算-通信-控制交叉融合在車聯(lián)網應用發(fā)展背景與趨勢

目前全球正在積極推進車聯(lián)網發(fā)展和部署，我國已經發(fā)布多個國家級戰(zhàn)略規(guī)劃來推動車聯(lián)網與智能網聯(lián)汽車推動，歐美日等國家分別發(fā)布了行動計劃來支撐相關系統(tǒng)發(fā)展。上述發(fā)展趨勢表明，車聯(lián)網相關的核心技術與系統(tǒng)裝備已經成為全球產業(yè)發(fā)展的熱點。

在車端，傳統(tǒng)機械主導的車輛技術在智能化和網聯(lián)化趨勢推動下，正向著信息通信技術方向演變。在路端，車聯(lián)網可有效連接交通系統(tǒng)的海量設施，促進實施交通數據傳輸與交互，能夠在多層級計算資源、與人工智能技術支撐下實現交通出行智能化信息服務的泛在化和運行管控的全局化。而車聯(lián)網系統(tǒng)的計算通信控制的融合在算、通、控層面分別面臨著瓶頸和制約，存在控制態(tài)勢是否耦合等挑戰(zhàn)，需要解決邊緣性的難題。

網絡是互聯(lián)網的核心，在通信技術不斷演進下，車聯(lián)網將實現超低延遲、超高可靠、超大覆蓋，實現車和環(huán)境有效協(xié)同。提升交通效率，在未來支撐實現零事故、零傷亡的無人駕駛交通系統(tǒng)。基于車聯(lián)網的廣泛連接，云平臺通過終端與云中心的協(xié)同，將人、車、實體拓展到云上的實時影射，實現物理融合，提升車聯(lián)網計算與控制水平。在這種發(fā)展驅使下，車聯(lián)網系統(tǒng)在計算通信控制等方面，也面臨多項挑戰(zhàn)。在計算上，傳統(tǒng)中心化的固有計算，導致傳輸延遲高，數據處理及時性低，以及隱私及能耗問題，制約了云管、云控效率，無法滿足海量信息的要求。

在通信方面，大規(guī)模車路設施自主化和協(xié)同化帶來了自主靈活、高可擴展的連接需求。車聯(lián)網與車路協(xié)同系統(tǒng)的集中式體系，具有較大規(guī)模復雜性和結構復雜性，無法完全支撐交通系統(tǒng)的需求。在控制層面汽車智能化和網聯(lián)化，推動了車載傳感器的廣泛部署與連接，導致車載數據量爆炸式增長，在海量數據的使能下，如何確定人在車和路耦合環(huán)境下的高效決策與可靠控制，也成為一項重要的挑戰(zhàn)。

計算-通信-控制交叉融合在車聯(lián)網應用的創(chuàng)新研究

面對上述這些挑戰(zhàn)，北航團隊對車聯(lián)網領域的計算、通信和控制融合創(chuàng)新提出一些新的研究方法。

在計算方法方面，以邊緣計算技術為車聯(lián)網系統(tǒng)提供了群體邊緣智能的新范式，通過計算、存儲等資源在靠近車輛和路測設施的網絡邊緣，能夠實現計算節(jié)點與數據實時處理，從而降低大數據傳輸與處理的延遲。將邊緣計算與人工智能技術應用于智能網聯(lián)車輛，能夠促進單車智能向群體智能的演進，實現群體車輛的計算與通信融合。

在通信方面，空地協(xié)同被認為未來車聯(lián)網的新形態(tài)，利用無人機與網聯(lián)車協(xié)同，能夠靈活的擴展地面空間，從而打造高數據低時延的數據鏈，打造應急救援、感知增強、車輛按需覆蓋等協(xié)同應用場景。同時，面對車聯(lián)網通信的安全風險，新型區(qū)塊鏈技術可以通過去中心化的方式，在數據共享中構建多方共識，實現數據一致存儲和防篡改。通過將AI區(qū)塊鏈技術應用到車聯(lián)網系統(tǒng)，一方面能夠形成計算通信融合的自治和自動化能力，實現去中心化的算力協(xié)同，同時區(qū)塊鏈的共識與防篡改的能力，保證AI所依賴數據可信性，實現網絡內生安全，區(qū)塊鏈去中心化共識在生態(tài)中形成智能可擴展的安全機制，形成多模、跨域的內生安全體系。

在控制層面，網聯(lián)車輛的編隊協(xié)同控制，能夠有效融合車聯(lián)網系統(tǒng)的計算與通信能力。通過車、路、云信息交互，實現信息交互，并利用多層級算力協(xié)同決策，實現計算通信技術的交叉融合，從而滿足行駛安全、通行高效、能耗經濟、乘坐舒適的目標。

綜合來看，車聯(lián)網系統(tǒng)的計算-通信-控制的融合在算、通、控三個方面面臨不同的瓶頸和制約，存在邊緣設施異構資源協(xié)同不足，網絡滲透率低，鏈路負載不均的難點問題。為此，在計算方面，北航團隊開展了一些研究，比如在車、路、云的邊緣卸載與計算耦合方面，聚焦了多層級計算資源，實現可靠調度與感知準確處理，突破傳統(tǒng)的計算方法，依托可靠性調度來形成耦合可靠性認知的車聯(lián)網通信與優(yōu)化，最終實現群體任務卸載和多耦合的信息計算。

基于博弈論，提出大規(guī)模群體車、路、云計算卸載的納什均衡策略，仿真結果表明，上述策略能夠有效的保障納什均衡的策略，期望系統(tǒng)延遲降低了10%?；谲嚶?lián)網系統(tǒng)耦合可靠性認知的通信與計算聯(lián)合優(yōu)化，并融合計算與通信的可靠性，提出面向耦合可靠性的通信與計算資源聯(lián)合可靠方法，仿真表明在動態(tài)環(huán)境和存在隱私敏感的車輛情況下，該方法能夠保障系統(tǒng)耦合的可靠性遠優(yōu)于傳統(tǒng)的現代策略。

針對車聯(lián)網圖像與點云的融合感知計算，北航團隊提出了構建點云語義增強模塊，并引入交叉比感知分支，提出穩(wěn)定、魯棒的多模態(tài)引導點特征融合感知計算方法，提升了效率與精準度。

通信方面，開展協(xié)同優(yōu)化與可信數據共享的研究。聚焦空地高動態(tài)，穩(wěn)定組網傳輸和安全穩(wěn)定問題，突破傳統(tǒng)的技術與傳輸架構的瓶頸，利用群體的協(xié)作傳輸，實現自適應學習與公路控制的可信傳輸優(yōu)化。具體而言，是基于群體進化博弈和信道擁堵定價，揭示納什均衡策略演化規(guī)律，在隨機擾動下，構建網聯(lián)車協(xié)同魯棒傳輸優(yōu)化，實現無人機與網聯(lián)車的協(xié)同魯棒傳輸優(yōu)化，并通過仿真實驗驗證方法的有效性。

針對車聯(lián)網數據可信共享問題，團隊構建了移動性感知與通信模型，并分析了系統(tǒng)的可信共享延遲，基于區(qū)塊鏈與深度學習方法建立去中心化的可信數據共享機制，實現了通信延遲與計算準確率的雙重保障。

在控制方面，開展了網聯(lián)車輛的協(xié)同編隊優(yōu)化控制研究。聚焦隨機擾動下，網聯(lián)編隊可靠控制與大規(guī)模節(jié)點調控優(yōu)化的問題。突破了傳統(tǒng)編隊控制架構的技術通信融合難點，結合魯棒和資源協(xié)同的調度，形成隨機不確定擾動下的網聯(lián)編隊魯棒控制優(yōu)化，實現協(xié)同空地計算。

在協(xié)同組網傳輸使能的網聯(lián)編隊系統(tǒng)中，考慮隨機不確定擾動的情況，提出基于魯棒對等優(yōu)化的網聯(lián)車輛控制方法，實現車流間距與速度監(jiān)督誤差，有效降低控制誤差。在無人機輔助網聯(lián)編隊情況下，我們將無人機輔助資源的調度用于網聯(lián)編隊控制中，并提出空地協(xié)同的資源調度框架，實現了基于空地群體協(xié)同計算調度網聯(lián)編隊控制。使編隊控制效率提升了約一倍。

同樣針對空地協(xié)同編隊，我們對空地群體的邊緣能耗進行優(yōu)化。發(fā)現不同空地編隊形態(tài)的效能差距近三倍，提出了空地協(xié)同的計算能耗優(yōu)化的網聯(lián)編隊控制方法，大幅提升系統(tǒng)能效，使其性能能夠接近全局最優(yōu)。

基于上述的理論研究，團隊近年來在計算-通信-控制融合的車聯(lián)網領域，也發(fā)表了一系列的研究論文。同時，研發(fā)了一系列車聯(lián)網系統(tǒng)裝備，并進行廣泛的應用實踐。在裝備研發(fā)層面，基于計算通信控制融合研究，自主研發(fā)了車聯(lián)網通信單元、邊緣計算組件、信號優(yōu)化控制器，虛擬駕駛與編隊仿真控制平臺以及網聯(lián)車控技術的驗證平臺，車聯(lián)網計算通信控制等一系列裝備。此外，還構建了智能網聯(lián)云端的監(jiān)控平臺以及通信計算一體化路側設施等系列平臺。

在實踐層面，基于自主研發(fā)的車路協(xié)同系統(tǒng)，成功應用到了我國首個開放道路環(huán)境下的實際道路應用，即在北京亦莊實現了交通信號聯(lián)動、輔助安全預警、車輛駕駛誘導應用等場景應用。同時，參與建設了工信部的車聯(lián)網技術基礎公共服務平臺建設，具體在京滬高速的車聯(lián)網環(huán)境下構建。針對智能網聯(lián)公交的典型應用，在公交都市試點城市，完成了開放道路的車聯(lián)網智慧公交的部署，實現公交的優(yōu)先通行等場景。此外，牽頭組建了聯(lián)隊來參加無人平臺立體跨域協(xié)同挑戰(zhàn)賽，在挑戰(zhàn)賽中，將無人機搜索與網聯(lián)車輛相結合，形成空地聯(lián)合計算。團隊在國家重點研發(fā)計劃專項里面連續(xù)承擔了兩項針對車聯(lián)網信息安全的研究，提出端、網、云一體化的信息安全保障體，。這一塊后面也有很多工作值得研究。

計算通信與控制交叉融合，能夠促進車聯(lián)網系統(tǒng)的安全高效協(xié)同。并有助于構建綠色、安全、高效新一代車輛系統(tǒng)。

以上就是我的匯報，謝謝各位專家！請批評指正。

來源：www.its114.com