田大新：計(jì)算-通信-控制交叉融合在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)踐

本文為北京航空航天大學(xué)副院長(zhǎng)、教授田大新教授在第十七屆中國(guó)智能交通年會(huì)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(lái)，未經(jīng)本人審核，如有錯(cuò)漏，敬請(qǐng)諒解。

計(jì)算-通信-控制交叉融合在車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展背景與趨勢(shì)

目前全球正在積極推進(jìn)車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和部署，我國(guó)已經(jīng)發(fā)布多個(gè)國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略規(guī)劃來(lái)推動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)與智能網(wǎng)聯(lián)汽車推動(dòng)，歐美日等國(guó)家分別發(fā)布了行動(dòng)計(jì)劃來(lái)支撐相關(guān)系統(tǒng)發(fā)展。上述發(fā)展趨勢(shì)表明，車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的核心技術(shù)與系統(tǒng)裝備已經(jīng)成為全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)。

在車端，傳統(tǒng)機(jī)械主導(dǎo)的車輛技術(shù)在智能化和網(wǎng)聯(lián)化趨勢(shì)推動(dòng)下，正向著信息通信技術(shù)方向演變。在路端，車聯(lián)網(wǎng)可有效連接交通系統(tǒng)的海量設(shè)施，促進(jìn)實(shí)施交通數(shù)據(jù)傳輸與交互，能夠在多層級(jí)計(jì)算資源、與人工智能技術(shù)支撐下實(shí)現(xiàn)交通出行智能化信息服務(wù)的泛在化和運(yùn)行管控的全局化。而車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的計(jì)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(shì)是否耦合等挑戰(zhàn)，需要解決邊緣性的難題。

網(wǎng)絡(luò)是互聯(lián)網(wǎng)的核心，在通信技術(shù)不斷演進(jìn)下，車聯(lián)網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)超低延遲、超高可靠、超大覆蓋，實(shí)現(xiàn)車和環(huán)境有效協(xié)同。提升交通效率，在未來(lái)支撐實(shí)現(xiàn)零事故、零傷亡的無(wú)人駕駛交通系統(tǒng)?；谲嚶?lián)網(wǎng)的廣泛連接，云平臺(tái)通過(guò)終端與云中心的協(xié)同，將人、車、實(shí)體拓展到云上的實(shí)時(shí)影射，實(shí)現(xiàn)物理融合，提升車聯(lián)網(wǎng)計(jì)算與控制水平。在這種發(fā)展驅(qū)使下，車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在計(jì)算通信控制等方面，也面臨多項(xiàng)挑戰(zhàn)。在計(jì)算上，傳統(tǒng)中心化的固有計(jì)算，導(dǎo)致傳輸延遲高，數(shù)據(jù)處理及時(shí)性低，以及隱私及能耗問(wèn)題，制約了云管、云控效率，無(wú)法滿足海量信息的要求。

在通信方面，大規(guī)模車路設(shè)施自主化和協(xié)同化帶來(lái)了自主靈活、高可擴(kuò)展的連接需求。車聯(lián)網(wǎng)與車路協(xié)同系統(tǒng)的集中式體系，具有較大規(guī)模復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，無(wú)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(wǎng)聯(lián)化，推動(dòng)了車載傳感器的廣泛部署與連接，導(dǎo)致車載數(shù)據(jù)量爆炸式增長(zhǎng)，在海量數(shù)據(jù)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(xiàng)重要的挑戰(zhàn)。

計(jì)算-通信-控制交叉融合在車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的創(chuàng)新研究

面對(duì)上述這些挑戰(zhàn)，北航團(tuán)隊(duì)對(duì)車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的計(jì)算、通信和控制融合創(chuàng)新提出一些新的研究方法。

在計(jì)算方法方面，以邊緣計(jì)算技術(shù)為車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供了群體邊緣智能的新范式，通過(guò)計(jì)算、存儲(chǔ)等資源在靠近車輛和路測(cè)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)邊緣，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，從而降低大數(shù)據(jù)傳輸與處理的延遲。將邊緣計(jì)算與人工智能技術(shù)應(yīng)用于智能網(wǎng)聯(lián)車輛，能夠促進(jìn)單車智能向群體智能的演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)群體車輛的計(jì)算與通信融合。

在通信方面，空地協(xié)同被認(rèn)為未來(lái)車聯(lián)網(wǎng)的新形態(tài)，利用無(wú)人機(jī)與網(wǎng)聯(lián)車協(xié)同，能夠靈活的擴(kuò)展地面空間，從而打造高數(shù)據(jù)低時(shí)延的數(shù)據(jù)鏈，打造應(yīng)急救援、感知增強(qiáng)、車輛按需覆蓋等協(xié)同應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)，面對(duì)車聯(lián)網(wǎng)通信的安全風(fēng)險(xiǎn)，新型區(qū)塊鏈技術(shù)可以通過(guò)去中心化的方式，在數(shù)據(jù)共享中構(gòu)建多方共識(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一致存儲(chǔ)和防篡改。通過(guò)將AI區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，一方面能夠形成計(jì)算通信融合的自治和自動(dòng)化能力，實(shí)現(xiàn)去中心化的算力協(xié)同，同時(shí)區(qū)塊鏈的共識(shí)與防篡改的能力，保證AI所依賴數(shù)據(jù)可信性，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生安全，區(qū)塊鏈去中心化共識(shí)在生態(tài)中形成智能可擴(kuò)展的安全機(jī)制，形成多模、跨域的內(nèi)生安全體系。

在控制層面，網(wǎng)聯(lián)車輛的編隊(duì)協(xié)同控制，能夠有效融合車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的計(jì)算與通信能力。通過(guò)車、路、云信息交互，實(shí)現(xiàn)信息交互，并利用多層級(jí)算力協(xié)同決策，實(shí)現(xiàn)計(jì)算通信技術(shù)的交叉融合，從而滿足行駛安全、通行高效、能耗經(jīng)濟(jì)、乘坐舒適的目標(biāo)。

綜合來(lái)看，車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的計(jì)算-通信-控制的融合在算、通、控三個(gè)方面面臨不同的瓶頸和制約，存在邊緣設(shè)施異構(gòu)資源協(xié)同不足，網(wǎng)絡(luò)滲透率低，鏈路負(fù)載不均的難點(diǎn)問(wèn)題。為此，在計(jì)算方面，北航團(tuán)隊(duì)開展了一些研究，比如在車、路、云的邊緣卸載與計(jì)算耦合方面，聚焦了多層級(jí)計(jì)算資源，實(shí)現(xiàn)可靠調(diào)度與感知準(zhǔn)確處理，突破傳統(tǒng)的計(jì)算方法，依托可靠性調(diào)度來(lái)形成耦合可靠性認(rèn)知的車聯(lián)網(wǎng)通信與優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)群體任務(wù)卸載和多耦合的信息計(jì)算。

基于博弈論，提出大規(guī)模群體車、路、云計(jì)算卸載的納什均衡策略，仿真結(jié)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%。基于車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)耦合可靠性認(rèn)知的通信與計(jì)算聯(lián)合優(yōu)化，并融合計(jì)算與通信的可靠性，提出面向耦合可靠性的通信與計(jì)算資源聯(lián)合可靠方法，仿真表明在動(dòng)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(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的現(xiàn)代策略。

針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)圖像與點(diǎn)云的融合感知計(jì)算，北航團(tuán)隊(duì)提出了構(gòu)建點(diǎn)云語(yǔ)義增強(qiáng)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(dǎo)點(diǎn)特征融合感知計(jì)算方法，提升了效率與精準(zhǔn)度。

通信方面，開展協(xié)同優(yōu)化與可信數(shù)據(jù)共享的研究。聚焦空地高動(dòng)態(tài)，穩(wěn)定組網(wǎng)傳輸和安全穩(wěn)定問(wèn)題，突破傳統(tǒng)的技術(shù)與傳輸架構(gòu)的瓶頸，利用群體的協(xié)作傳輸，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)學(xué)習(xí)與公路控制的可信傳輸優(yōu)化。具體而言，是基于群體進(jìn)化博弈和信道擁堵定價(jià)，揭示納什均衡策略演化規(guī)律，在隨機(jī)擾動(dòng)下，構(gòu)建網(wǎng)聯(lián)車協(xié)同魯棒傳輸優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)與網(wǎng)聯(lián)車的協(xié)同魯棒傳輸優(yōu)化，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法的有效性。

針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)可信共享問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了移動(dòng)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(xué)習(xí)方法建立去中心化的可信數(shù)據(jù)共享機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了通信延遲與計(jì)算準(zhǔn)確率的雙重保障。

在控制方面，開展了網(wǎng)聯(lián)車輛的協(xié)同編隊(duì)優(yōu)化控制研究。聚焦隨機(jī)擾動(dòng)下，網(wǎng)聯(lián)編隊(duì)可靠控制與大規(guī)模節(jié)點(diǎn)調(diào)控優(yōu)化的問(wèn)題。突破了傳統(tǒng)編隊(duì)控制架構(gòu)的技術(shù)通信融合難點(diǎn)，結(jié)合魯棒和資源協(xié)同的調(diào)度，形成隨機(jī)不確定擾動(dòng)下的網(wǎng)聯(lián)編隊(duì)魯棒控制優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)協(xié)同空地計(jì)算。

在協(xié)同組網(wǎng)傳輸使能的網(wǎng)聯(lián)編隊(duì)系統(tǒng)中，考慮隨機(jī)不確定擾動(dòng)的情況，提出基于魯棒對(duì)等優(yōu)化的網(wǎng)聯(lián)車輛控制方法，實(shí)現(xiàn)車流間距與速度監(jiān)督誤差，有效降低控制誤差。在無(wú)人機(jī)輔助網(wǎng)聯(lián)編隊(duì)情況下，我們將無(wú)人機(jī)輔助資源的調(diào)度用于網(wǎng)聯(lián)編隊(duì)控制中，并提出空地協(xié)同的資源調(diào)度框架，實(shí)現(xiàn)了基于空地群體協(xié)同計(jì)算調(diào)度網(wǎng)聯(lián)編隊(duì)控制。使編隊(duì)控制效率提升了約一倍。

同樣針對(duì)空地協(xié)同編隊(duì)，我們對(duì)空地群體的邊緣能耗進(jìn)行優(yōu)化。發(fā)現(xiàn)不同空地編隊(duì)形態(tài)的效能差距近三倍，提出了空地協(xié)同的計(jì)算能耗優(yōu)化的網(wǎng)聯(lián)編隊(duì)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(tuán)隊(duì)近年來(lái)在計(jì)算-通信-控制融合的車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，也發(fā)表了一系列的研究論文。同時(shí)，研發(fā)了一系列車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)裝備，并進(jìn)行廣泛的應(yīng)用實(shí)踐。在裝備研發(fā)層面，基于計(jì)算通信控制融合研究，自主研發(fā)了車聯(lián)網(wǎng)通信單元、邊緣計(jì)算組件、信號(hào)優(yōu)化控制器，虛擬駕駛與編隊(duì)仿真控制平臺(tái)以及網(wǎng)聯(lián)車控技術(shù)的驗(yàn)證平臺(tái)，車聯(lián)網(wǎng)計(jì)算通信控制等一系列裝備。此外，還構(gòu)建了智能網(wǎng)聯(lián)云端的監(jiān)控平臺(tái)以及通信計(jì)算一體化路側(cè)設(shè)施等系列平臺(tái)。

在實(shí)踐層面，基于自主研發(fā)的車路協(xié)同系統(tǒng)，成功應(yīng)用到了我國(guó)首個(gè)開放道路環(huán)境下的實(shí)際道路應(yīng)用，即在北京亦莊實(shí)現(xiàn)了交通信號(hào)聯(lián)動(dòng)、輔助安全預(yù)警、車輛駕駛誘導(dǎo)應(yīng)用等場(chǎng)景應(yīng)用。同時(shí)，參與建設(shè)了工信部的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)，具體在京滬高速的車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下構(gòu)建。針對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)公交的典型應(yīng)用，在公交都市試點(diǎn)城市，完成了開放道路的車聯(lián)網(wǎng)智慧公交的部署，實(shí)現(xiàn)公交的優(yōu)先通行等場(chǎng)景。此外，牽頭組建了聯(lián)隊(duì)來(lái)參加無(wú)人平臺(tái)立體跨域協(xié)同挑戰(zhàn)賽，在挑戰(zhàn)賽中，將無(wú)人機(jī)搜索與網(wǎng)聯(lián)車輛相結(jié)合，形成空地聯(lián)合計(jì)算。團(tuán)隊(duì)在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)里面連續(xù)承擔(dān)了兩項(xiàng)針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)信息安全的研究，提出端、網(wǎng)、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(jì)算通信與控制交叉融合，能夠促進(jìn)車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全高效協(xié)同。并有助于構(gòu)建綠色、安全、高效新一代車輛系統(tǒng)。

以上就是我的匯報(bào)，謝謝各位專家！請(qǐng)批評(píng)指正。

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