基于人工智能的车路协同路侧智能计算和通信装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于人工智能的车路协同路侧智能计算和通信装置及方法，属于车路协同技术领域。

背景技术

随着科学技术的发展，自动驾驶逐渐走入了人们的生活，正在被人们所接受。为了保证自动驾驶的准确性和安全性，一般在道路上布置有用于实时采集路面情况及通行状况的路侧感知设备，并在道路两侧布置用于对道路信息进行实时分析、计算的路侧计算单元(MEC)，同时在道路两侧布置用于与智能网联车实时通信的路侧通信单元(RSU)。其中，路侧感知设备主要包括摄像头、激光雷达和毫米波雷达等设备，可将道路的拥堵情况、道路上动物乱入、行人行走、物品掉落、交通事故及各种违规现象进行实时采集，并将采集到的道路信息传送给路侧计算单元(MEC)。路侧计算单元(MEC)对接收到道路信息进行分析、计算，并将计算完成后的结果传送给路侧通信单元(RSU)，再由路侧通信单元(RSU)将分析计算结果实时传送给后方车辆，提前告知后方车辆前方道路的情况，便于其提前获知危险信息，并予以避让，从而避免其因不知前方道路情况而发生连环追尾等事故。

然而，在实际使用过程中，存在如下问题：

1、由于MEC和RSU一比一配置，而RSU安装在龙门架的横杆上，MEC安装在龙门架的竖杆上，接线点多，给现场施工连线增加了复杂度，故障点多，降低了可靠性；同时，MEC有自己的设备箱，设备箱内的器件多、器件离散，故障无法感知，当设备箱内的一个器件出现故障时，整个设备就瘫痪了；

2、由于计算和通信功能分离，各设备之间的兼容性调试工作量大，MEC计算完后通过有线或无线的方式传给RSU通讯，存在传输中断或发不出去的情况发生，系统稳定性、可靠性下降，当出现问题的时候，难于判定是计算问题出错还是通信问题；

3、由于MEC和RSU内的防雷器件跳闸后不可恢复，高速公路上的MEC、RSU一般间隔500米布置一台，故当发生雷雨天气防雷器件被打卦时，200-300公里范围内的设备会有多台损坏，第二天集中维修难，耗时耗力；

4、无掉电保护，当遇到停电时，MEC、RSU设备受损，不能继续为车辆提供道路情况，安全系数低；

5、在偏远地区和高速公路旁这样人员到场维护难度大、费用高、缺乏时效性的场景，设备必须具备远程管理和维护能力。但当前大多数设备不具备远程管理能力，即使少数设备具备远程管理能力，也有较高的门槛条件，比如必须有网络，设备系统操作系统、系统CPU也必须能继续工作，远程服务器才能继续与设备进行数据对接交互或者发送操作命令，而一些极端情况下系统崩溃CPU挂死的时候，例如设备远程升级失败，系统CPU因为高密度中断导致的挂死，内存泄露导致的崩溃等，远程维护手段也断了。

发明内容

本发明提供一种基于人工智能的车路协同路侧智能计算和通信装置，至少能解决背景技术中提到的部分问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于人工智能的车路协同路侧智能计算和通信装置，包括：

MEC智能计算单元，输入端与路侧感知设备连接，用于接收路侧感知设备采集到的各种道路状态信息，并对其进行分析、计算；

RSU通信单元，输入端与MEC智能计算单元的输出端连接，输出端与车辆实时通信；用于接收MEC智能计算单元分析、计算后的结果，并将结果传送给车辆；

系统电源模块，与MEC智能计算单元、RSU通信单元连接，用于向MEC智能计算单元和RSU通信单元供电；

所述MEC智能计算单元、RSU通信单元和系统电源模块集成布置在同一外壳内。

进一步地，还包括布置在外壳内部的功能接口板、防雷接口板，所述功能接口板用于拓展不同类型场景应用的功能，并插接在MEC智能计算单元上；所述防雷接口板用于雷电防护，并插接在功能接口板上；所述外壳上布置有与防雷接口板相配合的POE防水连接器。

进一步地，所述MEC智能计算单元包括MEC核心计算模块、内存、用于操作系统和软件文件存放的双系统硬盘、用于存储数据的HDD数据硬盘、用于重启系统的Reset按钮、用于对系统进行软件烧录的烧录按钮和用于无线WIFI方式连接调试设备的调试WIFI接口，所述MEC核心计算模块与内存、双系统硬盘、HDD数据硬盘、Reset按钮、烧录按钮、调试WIFI接口连接，所述MEC核心计算模块通过内部网口及串口与RSU通信单元连接。

进一步地，还包括SIMS小系统，所述SIMS小系统包括布置在外壳内部用于实现系统状态监测和系统电源及温度管理的MCU、若干个用于感知外壳内主要部件温度的温度传感器、风扇和加热组件，所述MCU与温度传感器、风扇和加热组件连接；所述MCU与系统电源模块的电源开关、MEC智能计算单元连接。

进一步地，所述系统电源模块包括备用电池、单片机和电压感知传感器，所述外壳上布置有220V电源接口，所述备用电池、220V电源接口与单片机的输入端连接，所述单片机的输出端与MEC智能计算单元、RSU通信单元连接；所述电压感知传感器有两个，分别布置在220V电源接口、备用电池与单片机之间。

进一步地，所述系统电源模块还包括安装在外壳外部的太阳能电池板，所述外壳上布置有太阳能电池板接口，所述太阳能电池板接口和单片机之间连接有电压感知传感器。

进一步地，所述外壳上安装有天线，所述天线包括两组用于完成数据上报的4G或5G天线、两组用于完成对扯断数据下放和数据收集的LTE-V或5G天线、一组GPS定位天线、一组用于提供调试接口的调试WIFI和一组用于提供从设备接口的host WIFI。

一种基于人工智能的车路协同路侧智能计算和通信方法，将MEC智能计算单元和RSU通信单元集成布置在一个外壳内，所述MEC智能计算单元用于对采集到的各种道路状态信息进行分析、计算，所述RSU通信单元用于接收MEC智能计算单元分析、计算后的结果，并将其传送给车辆；所述外壳内集成有用于向MEC智能计算单元和RSU通信单元供电的系统电源模块。

进一步地，所述系统电源模块至少包括220V电源供电和备用电池供电两种模式，正常情况下，由220V电源直接供电；当停电或断电时，启动备用电池继续供电。

进一步地，配备有当主系统出现故障时能保证各项功能继续完成的SIMS小系统，所述SIMS小系统用于监控MEC智能计算单元的CPU系统工作状态、环境温度，控制系统的通断电，切换光纤通道。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明融合了计算和通信两个单元，将计算和通信集成在一起，采用电路连接，接线点可减少90％，故障率可降低90％；

2、本发明同时具备通讯和分析功能，只要设备可靠，通讯和计算也可靠；

3、本发明采用电信级防雷，防雷元器件及防雷设计采用4G、5G基站相同规格等级的接口设计，雷击损坏降低100％；

4、本发明具有带掉电保护功能，外壳内外挂有备用电池，当系统断电时，可向继续向设备供电，备用电池可采用具有12个小时供电能力的电池，为维修赢得时间，方便维修人员有足够的时间去维修整条路的电；没有维修好时，可向设备供电，保证设备正常工作，继续向车辆发送信息，为车辆提供安全护航保障，提升系统稳定性500％；

5、具备远程管理功能，可以远处管理各个设备，维护费用降低90％；

6、本发明内置有独立、用来激活设备的SIMS小系统，SIMS小系统与主系统可以自动切换通信链路，在主系统瘫痪的情况下，切换到SIMS小系统上，保证整个装置依然具备远程管理能力，解决了系统核心芯片挂死，操作系统崩溃，升级失败等一般远程维护无法解决的难题。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为本发明系统电源模块的示意图；

图3为本发明各个天线的示意图；

图4为本发明MEC智能计算单元和SIMS小系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施中的技术方案进行清楚，完整的描述，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图4所示，本发明提供的一种基于人工智能的车路协同路侧智能计算和通信装置，包括：

MEC智能计算单元，输入端与路侧感知设备连接，用于接收路侧感知设备采集到的各种道路状态信息，并对其进行分析、计算；

RSU通信单元，输入端与MEC智能计算单元的输出端连接，输出端与车辆实时通信；用于接收MEC智能计算单元分析、计算后的结果，并将结果传送给车辆；

系统电源模块，与MEC智能计算单元、RSU通信单元连接，用于向MEC智能计算单元和RSU通信单元供电；

所述MEC智能计算单元、RSU通信单元和系统电源模块集成布置在同一外壳内。

其中，路侧感知设备为现有设备，主要由摄像头、激光雷达和毫米波雷达组成，用于实时采集道路状况数据。其中，所述RSU通信单元可采用现有设备，如CIDI-RSU-2.0设备，当然，RSU通信单元也可选用其他的设备，只要其能够用于接收MEC智能计算单元分析、计算后的结果，并将结果传送给车辆即可。

本发明融合了计算和通信两个单元，各个单元均采用电路连接，接线点可减少90％，故障率可降低90％；同时具备通讯和分析功能，只要设备可靠，通讯和计算也可靠，提高了系统的稳定性、可靠性。

作为本发明的进一步改进，还可包括布置在外壳内部的功能接口板、防雷接口板，所述功能接口板插接在MEC智能计算单元上，用于拓展不同类型场景应用的功能，比如网口数量、业务功能接口类型的变化均可通过功能接口板的设计变更来实现；所述防雷接口板插接在功能接口板上，用于雷电防护；所述外壳上布置有与防雷接口板相配合的POE防水连接器。

其中，功能接口板可包括网络拓展芯片，网络拓展芯片可采用USB3.0转多路网口的芯片，一端通过扩展连接器与MEC智能计算单元连接，另一端通过连接器与防雷接口板连接。

防雷接口板可包括与功能接口板连接的连接器、多个防雷模块和光口连接器，与功能接口板连接的连接器可采用金手指，防雷模块与金手指、POE防水连接器连接，防雷模块可采用由气体放电管、TVS等防雷器件构成的现有常用的防雷模块，可将路侧感知设备中的摄像头、激光雷达和毫米波雷达分别与各个POE防水连接器连接，实现将采集到的道路信息经防雷接口板、功能接口板传送至MEC智能计算单元。光口连接器可以有两个，其中一个用于对接远端控制平台，另一个用于对接更多的网络摄像头。

作为本发明的进一步限定，所述MEC智能计算单元可包括MEC核心计算模块、内存、用于操作系统和软件文件存放的双系统硬盘、用于存储数据的HDD数据硬盘、用于重启系统的Reset按钮、用于对系统进行软件烧录的烧录按钮和用于无线WIFI方式连接调试设备的调试WIFI接口，所述MEC核心计算模块与内存、双系统硬盘、HDD数据硬盘、Reset按钮、烧录按钮、调试WIFI接口连接，所述MEC核心计算模块通过内部网口及串口与RSU通信单元连接。其中，MEC核心计算模块可采用英伟达公司的Xavier AGX或Xavier NX，所述MEC智能计算单元还包括4G/5G接口、千兆网口、GPS接口和LED灯，此时，MEC智能计算单元由于具备独立的4G/5G接口、千兆网口、GPS接口，故可将其单独拿出来使用。

考虑到系统会出现异常，如系统崩溃CPU挂死，设备远程升级失败，系统CPU因为高密度中断导致的挂死，内存泄露导致的崩溃等，远程维护手段也断了，为了减少此类情况的发生，所述外壳内部还布置有SIMS小系统，所述SIMS小系统包括用于实现系统状态监测和系统电源及温度管理的MCU、若干个用于感知系统各部温度的温度传感器、风扇和加热组件，所述MCU与温度传感器、风扇和加热组件连接。所述温度传感器可安装在CPU、内存、双系统硬盘、系统电池等易发热的部件附近，用于实时检测其温度。所述风扇可安装在外壳上，用于将外壳内的热量向外排出；所述加热组件可安装在外壳内位于如CPU、双系统硬盘、内存附近的位置，加热组件与温度传感器位置靠近。当温度传感器检测反映的温度过低时，可启动加热组件实现对其的加热，保证其可以正常工作。

其中，MCU通过4G、光口芯片与通道选择开关连接，MEC核心计算模块通过另外的4G、光口芯片与通道选择开关连接；通道选择开关通过光口连接器与远端控制平台连接，实现与远端控制平台之间的数据传输。

所述MCU与系统电源模块的电源开关连接，所述MCU与MEC智能计算单元连接。其中，所述MCU可采用极简化工业用单片机，运行指令简单，当MEC核心计算模块中的CPU因升级软件、雷电干扰、软件不稳定或超高温导致的死机时，MCU不会死机，从而可保障设备正常运行；同时，利用SIMS小系统去看护设备，方便工程师进行远程维修。

考虑到断电时，设备将不能继续工作，车辆也将无法获知前方道路信息，易引发连环追尾等事故，为了减少此类情况的发生，如图2所示，所述系统电源模块可包括备用电池、单片机和电压感知传感器，所述外壳上布置有220V电源接口，所述备用电池、220V电源接口与单片机的输入端连接，所述单片机的输出端与MEC智能计算单元、RSU通信单元连接；所述电压感知传感器有两个，分别布置在220V电源接口、备用电池与单片机之间，用于实时检测220V电源接口、备用电池的电压，并将检测到的电压情况传送给单片机。正常情况下，由220V电源接口连接电源为整个装置供电；当停电时，220V电源接口处的电压感知传感器将检测到电压值为0，单片机收到该信号后，将启动备用电池向系统供电，实现掉电保护，保证遇到停电时，系统也可以继续为车辆提供道路情况，提高安全系数。

进一步地，所述系统电源模块还可包括安装在外壳外部的太阳能电池板，所述外壳上布置有太阳能电池板接口，所述太阳能电池板接口和单片机之间连接有电压感知传感器。此时，除了上述220V电源和备用电源供电两种方式之外，还可采用太阳能电池板进行供电。具体的，太阳能电池板接口处的电压感知传感器实时感知其电压值，并将其传送给单片机；单片机根据三个电压感知传感器感知的电压值进行处理分析，当220V电源接口处的电压值不等于零时，将直接由220V电源供电；当220V电源接口处的电压值等于零，太阳能电池板的电压值满足供电需求时，将由太阳能电池板供电；当220V电源接口处、太阳能电池板接口处的电压值均不满足供电需求时，将启动备用电池进行供电，实现三种供电模式，适应范围更广泛。同时，太阳能电池板还与备用电池连接，可向备用电池传送电能，实现对备用电池的充电，保证备用电池可以正常发挥其作用。当然，太阳能及备用电池是一种选装组件，在设备工作环境供电可靠的场景，可以去除，设备依然可以正常工作。

为了方便整个装置与车辆、远程服务端的通信，所述外壳上安装有天线，所述天线可包括两组用于完成数据上报的4G或5G天线、两组用于完成对扯断数据下放和数据收集的LTE-V或5G天线、一组GPS定位天线、一组用于提供调试接口的调试WIFI和一组用于提供从设备接口的host WIFI。上述天线均布置在外壳上，并穿过外壳与外壳内部的RSU通信单元或MEC智能计算单元连接。

一种基于人工智能的车路协同路侧智能计算和通信方法，将MEC智能计算单元和RSU通信单元集成布置在一个外壳内，所述MEC智能计算单元用于对采集到的各种道路状态信息进行分析、计算，所述RSU通信单元用于接收MEC智能计算单元分析、计算后的结果，并将其传送给车辆；所述外壳内集成有用于向MEC智能计算单元和RSU通信单元供电的系统电源模块。

其中，上述系统电源模块至少包括220V电源供电和备用电池供电两种模式，正常情况下，由220V电源直接供电；当停电或断电时，启动备用电池继续供电。考虑到备用电池的储电性能，也可以如前面所述增设太阳能电池板进行供电，关于供电方式的选择前面已做详细描述，故在此不做赘述。

进一步的，还可配备有当主系统出现故障时能保证各项功能继续完成的SIMS小系统，SIMS小系统的构成前面也已做介绍，所述MCU的功能主要有系统状态监测、电源及温度管理，如图3和图4所示，MCU与MEC智能计算单元中的MEC核心计算模块实时通信，获知MEC核心计算模块中CPU的工作情况，并根据具体的情况向其发送各种操作指令，当CPU(指MEC核心计算模块内的CPU，下同)出现异常时，MCU将代替其进行工作，保证整个系统的各项功能正常实现。同时，MCU还可根据各个温度传感器检测到的温度情况，对其进行温度管理。上述MCU的各个功能具体如下：

1)系统状态监控：CPU的温度/占用率/内存/硬盘等硬件指标进行轮询

若出现异常，则进入异常处理分支：

1.1)重启CPU：通过电路上对接CPU的RESET信号来触发CPU的重启动作；

1.2)恢复出厂设置：通过电路上对接CPU的REC烧录功能，来重新烧录CPU出厂程序，实现恢复出厂设置状态；

1.3)切换光纤通道：CPU平时工作在光纤口(上文提及的与MEC核心计算模块连接的光口芯片)，MCU也有一个备用光纤口(上文提及的与MCU连接的光口芯片)，两个光纤口通过一个通道选择电子开关，由MCU来控制选通哪一路。当MCU探测到CPU处于宕机状态后，对CPU进行重启动作，依然无法恢复运转的时候，就主动切换至MCU的光纤通道，这样可以使得系统远端平台能够与MCU获得通信；

1.4)切换4G通道：主4G通道(上文提及的通过扩展连接器与MEC核心计算模块连接的4G)默认为CPU的4G信号，当MCU探测到CPU运行不正常的时候，由MCU控制通道选择电子开关来选副4G通道(上文提及的与MCU连接的4G)；

1.5)挽救后切回主CPU通道：当MEC的CPU被挽救恢复后，MCU将切回CPU的光纤和4G；

1.6)存储系统Log：MCU可以存储系统log，并智能计算每次死机的状态，通过大量的数据反馈到远控平台，整体改进设备规避宕机挂死。

2)系统电源及温度管理：上电/断电/休眠/加热/启动风扇/电池管理

2.1)上电感知温度，低温-40℃进行加热至-20℃；一般情况下，各个元器件工作的温度不低于-20℃，即低于-20℃时，部分器件(如CPU、内存、双系统硬盘、系统电池)会停止工作，故为了保证各个器件正常工作，当温度传感器检测到的温度值低于-20℃时，MCU向加热组件发送信号，启动加热组件进行加热，保证各元器件能够正常工作；

2.2)超高温启动风扇，转速控制；当温度传感器检测到的温度达到预设高温值时，MCU则向驱动风扇工作的电机发送信号，启动风扇转动，及时将外壳内部的热量向外排出，同时可控制风扇的转速，避免器件因温度过高而烧毁、工作性能差的情况发生；

2.3)电池电量感知，温度感知，充放电管理。

综上所述，通过将计算和通信集成在一起，可减少接线点，降低故障率保证通讯和计算的可靠性；具有带掉电保护功能，当系统断电时，可向继续向设备供电，为维修赢得时间，方便维修人员有足够的时间去维修整条路的电；没有维修好时，可向设备供电，保证设备正常工作，继续向车辆发送信息，为车辆提供安全护航保障，提升系统稳定性500％；具备远程管理功能，并可保证远程管理功能的正常运行，解决系统核心芯片挂死，操作系统崩溃，升级失败等一般远程维护无法解决的难题。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。