CN115118744A - 一种面向车路协同的元宇宙构建系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种面向车路协同的元宇宙构建系统及方法，用于为车路协同系统提供验证环境，该系统包括设于物理世界的数据采集系统，设于虚拟世界的世界建模系统、数据显示系统、电子地图引擎和时空数据库，以及既设于物理世界又设于虚拟世界的数据交互系统；所述物理世界和虚拟世界通过所述数据交互系统进行信息的实时交互，通过ID建立起关联；所述世界建模系统分别与数据显示系统、电子地图引擎和时空数据库连接。与现有技术相比，本发明建立了一个平行于物理世界的面向车路协同的元宇宙，实现了在虚拟世界中对车路协同系统的有效性验证。

Description

一种面向车路协同的元宇宙构建系统及方法
技术领域
本发明涉及智能交通和虚拟现实技术领域，尤其是涉及一种面向车路协同的元宇宙构建系统及方法。
背景技术
早期的ITS研究主要集中于车载端，通过在车载端安装各种传感器，对周围环境进行感知，并依据感知到的信息进行决策，进而实现单车智能。不过，由于单车智能尚且存在许多不足，研究人员希望通过构建车路协同系统来弥补单车智能的不足，以降低智能汽车的成本，提高单车的感知范围和决策能力。
车路协同系统主要是基于先进的无线通信技术和新一代互联网技术，通过安装在路侧的各类传感器对车辆周围的道路环境进行感知，再通过车联网技术与车辆进行通信，实时共享路侧感知到的交通信息，全方位实施车车、车路动态实时信息交互，从而保障车辆与行人的安全。
目前车路协同主要是结合外场利用实车开展验证，或者是利用仿真工具进行模拟分析。两种测试方法各有优缺点，利用外场开展实车验证，测试结果能反映出系统的真实情况，但是场景不容易复现，测试成本高，场景不可控，容易产生碰撞危险；利用仿真进行模拟测试场景可控，容易复现，成本较低，但是测试环境难以刻画实际情况，使得测试结果不可信，比较明显的例证是通过不同的仿真工具会得到不同的测试结果。
元宇宙(Metaverse)是利用科技手段进行链接与创造的，与现实世界映射与交互的虚拟世界，具备新型社会体系的数字生活空间。元宇宙本质上是对现实世界的虚拟化、数字化过程，需要对内容生产、经济系统、用户体验以及实体世界内容等进行大量改造。但元宇宙的发展是循序渐进的，是在共享的基础设施、标准及协议的支撑下，由众多工具、平台不断融合、进化而最终成形。
目前还没有针对车路协同构建元宇宙，主要原因是车、路等基础设施的共享程度不高，很多规范还没有形成。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种面向车路协同的元宇宙构建系统及方法，为车路协同系统的有效性验证提供了验证环境，促进了车路协同系统的有序发展，推进车路协同系统的尽快落地，并对智能驾驶和智慧交通进行有效监管。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
根据本发明的第一方面，提供了一种面向车路协同的元宇宙构建系统，用于为车路协同系统提供验证环境，该系统包括设于物理世界的数据采集系统，设于虚拟世界的世界建模系统、数据显示系统、电子地图引擎和时空数据库，以及既设于物理世界又设于虚拟世界的数据交互系统；
所述物理世界和虚拟世界通过所述数据交互系统进行信息的实时交互，通过ID建立起关联；所述世界建模系统分别与数据显示系统、电子地图引擎和时空数据库连接。
优选地，所述数据采集系统包括车载数据采集系统、路侧数据采集系统、行人和非机动车数据采集系统以及第三方平台数据采集系统。
优选地，所述数据交互系统设有用于进行物理世界和虚拟世界间的状态信息交互的多模式通信网关。
优选地，所述电子地图引擎提供电子地图调用接口。
优选地，所述虚拟世界还设有用于交通实体进行实时决策规划与控制或进行离线故障诊断处理的数据分析模块；所述数据分析模块分别与世界建模模块、数据显示系统、电子地图引擎、时空数据库以及数据交互系统连接。
优选地，所述物理世界还设有与数据交互系统连接的应用处理模块。
优选地，所述数据显示系统为用于显示目标物时空属性和电子地图的可视化界面；所述可视化界面为三维可视化界面或二维可视化界面。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于上述面向车路协同的元宇宙构建系统的方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1、数据交互系统实时接收数据采集系统在物理世界采集到的目标物时空状态信息；
步骤S2、物理世界的数据交互系统与虚拟世界的数据交互系统实时地交互信息；两者的交互是通过交通要素的ID完成映射，保证物理世界和虚拟世界中的交通要素都是关联的；
步骤S3、虚拟世界中的世界建模系统对接收到的目标物时空状态信息依次进行数据预处理、时空对齐、信息融合、地图映射以及状态信息维护与更新操作；
步骤S4、数据显示系统将世界建模系统获得的目标物状态信息进行可视化显示。
优选地，所述步骤S3中的信息融合包括目标关联和航迹融合。
优选地，所述步骤S3中的地图映射具体为：基于世界建模系统获取的实时数据或时空数据库获取的历史数据，从电子地图引擎中获取电子地图，将目标物通过空间位置映射到电子地图上。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明构建的面向车路协同的元宇宙系统，通过对物理世界各种交通要素的时空属性的实时采集，在虚拟世界建立一个与之平行的元宇宙，为车路协同系统的有效性验证提供了验证环境，促进了车路协同系统的有序发展，推进车路协同系统的尽快落地，并对智能驾驶和智慧交通进行有效监管；
2)本发明的元宇宙构建系统还可以扩展以支持更多的场景，通过在虚拟世界中增加数据分析系统7，实现数据在线分析或离线分析；
3)本发明通过在物理世界中增加应用处理系统，可以从数据交互系统接收来自虚拟世界的反馈，并开展碰撞预警提醒应用或自动驾驶服务。
附图说明
图1为实施例1中面向车路协同的元宇宙系统架构图；
图2为实施例2中面向车路协同的元宇宙系统架构图；
图3为本发明的数据采集系统示意图；
图4为本发明的数据交互系统示意图；
图5为本发明的世界建模系统示意图；
图6为本发明的数据显示系统操作流程图；
图7为实施例3中面向车路协同的元宇宙系统架构图；
其中，1-数据采集系统，2-设于虚拟世界的世界建模系统，3-数据显示系统，4-电子地图引擎，5-时空数据库，6-数据交互系统，7-数据分析模块，8-应用处理模块，9-虚拟场景构建系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
为了解决外场实车验证所带来的高成本、场景不可复现，以及仿真模拟测试场景参数不符合实际情况的问题，本申请提供一种面向车路协同的元宇宙构建系统及方法，通过将物理世界中的车路协同系统向虚拟世界中的完整映射，搭建一套状态参数完全来自于物理世界的元宇宙，从而可以便利地在虚拟空间中观察车路协同系统的有效性，比如利用数字化的技术手段分析车路协同系统在协同感知、协同决策和控制方面的性能，并通过元宇宙对智能汽车和智慧交通进行有效监控和管理。
实施例1
如图1所示，给出本发明的系统实施例，一种面向车路协同的元宇宙构建系统，用于为车路协同系统提供验证环境，该系统包括设于物理世界的数据采集系统1，设于虚拟世界的世界建模系统2、数据显示系统3、电子地图引擎4和时空数据库5，以及既设于物理世界又设于虚拟世界的数据交互系统6；
所述物理世界和虚拟世界通过所述数据交互系统6进行信息的实时交互，物理世界与虚拟世界通过交通要素的ID实现关联；所述世界建模系统2分别与数据显示系统3、电子地图引擎4和时空数据库5连接。
如图3所示，所述数据采集系统1是一套分别运行于主要交通参与实体上的软件，主要用于采集与车路协同系统相关联的交通要素的状态，特别是时空相关的属性，包括车载数据采集系统、路侧数据采集系统、行人和非机动车数据采集系统以及第三方平台数据采集系统。
如图4所示，对于数据交互系统6，考虑到通信终端的差异性和传输内容的差异性，数据交互系统采用多模式通信方式，比如车辆可以采用蜂窝通信、WiFi通信和C-V2X通信，路侧可以采用光纤/网线通信和C-V2X通信，行人非机动车采用蜂窝通信或WiFi通信，第三方平台采用蜂窝通信、光纤/网线通信。当然，实际部署过程中，不限于上述通信方式，比如采用点对点的无线通信。数据交互系统6主要用于将物理世界中主要交通要素的时空状态传输给虚拟世界，虚拟世界有一个多模式通信网关，用于接收物理世界传输过来的各种数据；同时，该多模式通信网关也需要将虚拟世界的反馈传输给物理世界。
本实施例中电子地图引擎4是通过OpenDrive引擎提供的高精度电子地图，可以获得交通要素准确的空间位置信息，格式为XML格式。电子地图引擎不局限于OpenDrive。
所述数据显示系统3为用于显示目标物时空属性和电子地图的可视化界面；所述可视化界面为三维可视化界面或二维可视化界面。
接下来给出本发明的方法实施例，一种用于上述面向车路协同的元宇宙构建系统的方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1、物理世界的数据交互系统6实时接收数据采集系统1在物理世界采集到的目标物时空状态信息；
数据采集系统1既可以采集原始数据，也可以采集结构化特征数据。数据采集系统1采集到的目标物失控状态信息包括但不限于目标物的ID、时间、经度、纬度、海拔、类别、速度等，如下表1所示。
表1
ID 时间 经度 纬度 海拔 类别 速度 ......
步骤S2、物理世界的数据交互系统与虚拟世界的数据交互系统实时地交互信息；两者的交互是通过交通要素的ID完成映射，保证物理世界和虚拟世界中的交通要素都是关联的，具体为：
物理世界的数据交互系统与虚拟世界的数据交互系统可以采用5G网络，建立TCP连接，将MQTT作为通信协议，其中的数据采用JSON格式进行封装。针对每个交通要素，物理世界的ID与虚拟世界的ID通过哈希函数完成映射，将物理世界中的ID作为键，将虚拟世界中的ID作为对应的值，通过键值对建立哈希映射；
步骤S3、虚拟世界中的世界建模系统2对接收到的目标物时空状态信息依次进行数据预处理、时空对齐、信息融合、地图映射以及状态信息维护与更新操作，如图5所示，具体为：
1)对状态信息进行预处理，包括剔除异常数据；
2)进行时空对齐，包括时间对齐和空间对齐；
时间对齐可以利用NTP时间服务器或PTP时间服务器获取统一的时钟源，针对采样时刻不一致的情况可通过运动补偿尽量得到同一时刻目标物的状态，而空间对齐主要是构建一个统一的坐标系，这里采用的统一坐标系是WGS84经纬度坐标系，所有目标物的空间位置都转换成WGS84经纬度坐标；
在时空对齐的基础上进行信息融合处理，包括目标关联、航迹融合，信息融合的主要目的是消除冗余的目标、剔除异常的目标并提高检测的精度。世界建模系统需要从时空数据库中调用电子地图，然后将目标物通过空间位置映射到电子地图上。同时世界建模系统需要跟踪目标，对目标物的状态进行更新与维护，以反映目标物的最新状态。
步骤S4、数据显示系统3将世界建模系统2获得的目标物状态信息进行可视化显示。
在本发明实施例中，数据显示系统流程图如图6所示，首先分为实时呈现和历史回放两种，其中实时呈现需要从世界建模系统中获取实时的状态数据，然后调用电子地图引擎，通过地图映射将目标物投射到电子地图中，最后需要选择是3D呈现还是2D呈现；历史回放需要从时空数据库中获取历史状态数据，然后调用电子地图引擎，通过地图映射将目标物投射到电子地图中，最后需要选择是3D呈现还是2D呈现。
本实施例中，在虚拟世界中，世界建模系统2将与电子地图引擎4、时空数据库5和数据显示系统6交互，一方面世界建模系统将融合好的状态信息保存至时空状态数据库中，另一方面，世界建模系统也需要调用电子地图，以构建基于电子地图的世界模型。随着VR、AR和车联网技术的发展，针对车路协同的元宇宙必将成为智慧交通发展的重中之重。一方面它打通了物理世界到虚拟世界的映射，通过利用目标物的时空属性进行世界建模，从而刻画出一种能完全反映真实物理世界的数字化虚拟世界；另一方面可以通过在虚拟世界中对目标物提供的各种时空属性，开展非常高效的测试分析与管理，为车路协同系统验证提供新的方法。
实施例2
如图2所示，本实施例还可以扩展以支持更多的场景，在虚拟世界中可以增加数据分析系统7，用于对数据进行在线分析或离线分析，实时分析例如决策控制，比如判断车辆是否有潜在的碰撞危险，离线分析例如故障诊断；所述数据分析模块7分别与世界建模模块2、数据显示系统3、电子地图引擎4、时空数据库5以及数据交互系统6连接。
在物理世界中可以增加应用处理系统8，可以从数据交互系统6接收来自虚拟世界的反馈，并开展碰撞预警提醒应用或自动驾驶服务。
本实施例不限于上述场景。其余设置与实施例1相同。
实施例3
如图7所示，本实施例还可以扩展以支持更多的场景，在虚拟世界中可以增加虚拟场景生成系统9，用于虚构物理世界中并不存在的场景，比如物理世界中多个自动驾驶车辆很难在一起交汇，而仿真平台中模拟的场景全部都是虚构的，为了更为真实地刻画自动驾驶车辆群体智能现象，可以通过虚拟场景生成系统进行模拟；所述虚拟场景生成系统9与世界建模模块2连接，一方面它需要从世界建模系统中导入真实的交通场景数据作为基准，然后根据场景需要构建出具有时空状态特征的其它交通要素，最后将虚构的交通要素状态特征导出给世界建模模块2；虚拟场景生成系统可借助交通仿真平台如Prescan来实现。
本实施例不限于上述场景。其余设置与实施例1相同。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种面向车路协同的元宇宙构建系统，用于为车路协同系统提供验证环境，其特征在于，该系统包括设于物理世界的数据采集系统(1)，设于虚拟世界的世界建模系统(2)、数据显示系统(3)、电子地图引擎(4)和时空数据库(5)，以及既设于物理世界又设于虚拟世界的数据交互系统(6)；
所述物理世界和虚拟世界通过所述数据交互系统(6)进行信息的实时交互，通过ID建立起关联；所述世界建模系统(2)分别与数据显示系统(3)、电子地图引擎(4)和时空数据库(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种面向车路协同的元宇宙构建系统，其特征在于，所述数据采集系统(1)包括车载数据采集系统、路侧数据采集系统、行人和非机动车数据采集系统以及第三方平台数据采集系统。
3.根据权利要求1所述的一种面向车路协同的元宇宙构建系统，其特征在于，所述数据交互系统(6)设有用于进行物理世界和虚拟世界间的状态信息交互的多模式通信网关。
4.根据权利要求1所述的一种面向车路协同的元宇宙构建系统，其特征在于，所述电子地图引擎(4)提供电子地图调用接口。
5.根据权利要求1所述的一种面向车路协同的元宇宙构建系统，其特征在于，所述虚拟世界还设有用于交通实体进行实时决策规划与控制或进行离线故障诊断处理的数据分析模块(7)；所述数据分析模块(7)分别与世界建模模块(2)、数据显示系统(3)、电子地图引擎(4)、时空数据库(5)以及数据交互系统(6)连接。
6.根据权利要求1所述的一种面向车路协同的元宇宙构建系统，其特征在于，所述物理世界还设有与数据交互系统(6)连接的应用处理模块(8)。
7.根据权利要求1所述的一种面向车路协同的元宇宙构建系统，其特征在于，所述数据显示系统(3)为用于显示目标物时空属性和电子地图的可视化界面；所述可视化界面为三维可视化界面或二维可视化界面。
8.一种用于权利要求1所述的一种面向车路协同的元宇宙构建系统的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1、数据交互系统(6)实时接收数据采集系统(1)在物理世界采集到的目标物时空状态信息；
步骤S2、物理世界的数据交互系统与虚拟世界的数据交互系统实时地交互信息；两者的交互是通过交通要素的ID完成映射，保证物理世界和虚拟世界中的交通要素都是关联的；
步骤S3、虚拟世界中的世界建模系统(2)对接收到的目标物时空状态信息依次进行数据预处理、时空对齐、信息融合、地图映射以及状态信息维护与更新操作；
步骤S4、数据显示系统(3)将世界建模系统(2)获得的目标物状态信息进行可视化显示。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中的信息融合包括目标关联和航迹融合。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中的地图映射具体为：基于世界建模系统(2)获取的实时数据或时空数据库(5)获取的历史数据，从电子地图引擎(4)中获取电子地图，将目标物通过空间位置映射到电子地图上。
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