城市道路交通交叉路口的車路協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊良義，謝 飛，陳 濤

(1.重慶西部汽車試驗(yàn)場管理有限公司, 重慶 401122； 2.中國汽車工程研究院股份有限公司， 重慶 401122)

城市交叉路口車流量大、交通環(huán)境復(fù)雜、路口區(qū)域人口密集，極易導(dǎo)致交通擁擠和發(fā)生交通事故。交叉路口車路協(xié)同駕駛輔助系統(tǒng)可為緩解交叉路口復(fù)雜交通通行問題提供一種解決方案。車路協(xié)同系統(tǒng)CVIS(cooperative vehicle-infrastructure system)基于無線通信、傳感檢測等技術(shù)，可獲取車輛和道路信息，利用車與車、車與路的信息交互共享，實(shí)現(xiàn)車與路側(cè)設(shè)備智能協(xié)同與配合，以提高道路交通安全性，從而緩解交通擁堵[1]。國內(nèi)外對CVIS及其相關(guān)技術(shù)的科學(xué)研究已有多年，如美國開展的Intellidrive項(xiàng)目、歐盟的eSafety項(xiàng)目等[2]，其目的都在于解決汽車的安全、能效和環(huán)境保護(hù)等問題，主要聚焦于無線通信技術(shù)、路況信息采集、車輛精確定位算法等研究[3]。

目前，車-路通訊的研究熱點(diǎn)是短程無線通訊。遵從IEEE802.11P標(biāo)準(zhǔn)，該技術(shù)主要用于實(shí)現(xiàn)車與路、車與車之間的無線通訊，具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、延時(shí)小、工作穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、信號覆蓋范圍相對集中等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于在某個(gè)特定區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸量大且對傳輸可靠性要求很高的車-路無線通訊[4]。

我國“十二五規(guī)劃”展示了車路協(xié)同發(fā)展的應(yīng)用前景。根據(jù)我國交通運(yùn)輸發(fā)展的戰(zhàn)略需求，以改善道路安全與提高交通效率為重點(diǎn)，通過一系列關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，建立車路智能協(xié)同系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同控制，改善交通安全,提高通行效率[5]。盡管我國車路協(xié)同研究起步較晚,但為緩解交通擁堵、減少交通事故，推廣車路協(xié)同技術(shù)勢在必行[6-8]。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于交叉路口車路協(xié)同系統(tǒng)功能的需求分析，該系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)5類功能：道路車輛環(huán)境感知、交通預(yù)警和提醒、路口信號燈優(yōu)化控制、特殊車輛優(yōu)先通行和信息服務(wù)與廣播。

環(huán)境感知：實(shí)時(shí)感知車輛運(yùn)行狀態(tài)，感知車外道路上運(yùn)行的其他車輛、行人或周邊的靜止物體等信息，實(shí)時(shí)感知和采集路網(wǎng)的車輛位置、速度和交通流信息，實(shí)時(shí)獲取道路不同氣象條件下的路況信息。

預(yù)警和提醒：盲區(qū)預(yù)警、闖紅燈預(yù)警、左轉(zhuǎn)輔助預(yù)警、合流預(yù)警、彎道提醒、道路施工提醒、前方事故提醒、禁止通行提醒、隧道提醒、車輛占道提醒、行人橫穿提醒、限速提醒和前方擁堵提醒等。

信號控制：利用監(jiān)控?cái)z像機(jī)獲取道路車流視頻信息，通過圖像識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對路口車流量統(tǒng)計(jì)及車輛排隊(duì)長度的計(jì)算，根據(jù)各方向車輛的排隊(duì)長度及交通信號優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)對路口信號燈的智能控制。

車輛優(yōu)先通行：對特殊車輛，根據(jù)車輛的當(dāng)前位置和行駛速度，提前切換信號燈保證特殊車輛優(yōu)先通行。

信息服務(wù)與廣播：加油站引導(dǎo)，即接近加油站時(shí)，提醒駕駛員是否需要加油服務(wù)并通過后臺服務(wù)軟件向所有終端廣播交通信息。

2 車路協(xié)同系統(tǒng)(CVIS)

CVIS使用車載傳感器設(shè)備、路側(cè)智能設(shè)備以及遠(yuǎn)程服務(wù)器，借助采集車輛的位置、駕駛狀態(tài)以及交通路況信息以實(shí)現(xiàn)車與路、車與車之間的環(huán)境相互感知[7]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由軟、硬件系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CVIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 車路協(xié)同系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 智能感知技術(shù)

智能感知技術(shù)包括智能車載感知和路側(cè)感知技術(shù)。其中，車載感知包括車輛運(yùn)動狀態(tài)感知、車輛定位信息感知等技術(shù)。路側(cè)感知包括交通信息采集、非機(jī)動車和行人檢測、路面狀態(tài)及氣象環(huán)境檢測等技術(shù)。

對于較高精度的車輛定位信息感知，可借助車載GPS、GPS基站以及加裝在車輛上的陀螺儀、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、加速度傳感器等設(shè)備聯(lián)合獲取。從監(jiān)控?cái)z像機(jī)獲取的交通路口路況信息，通過視頻的采集、處理、分析就可獲取更多、更準(zhǔn)確的路況信息，從而為駕駛員提供有效可行的駕駛決策參考信息。

2.1.2 信息處理技術(shù)

車路協(xié)同系統(tǒng)的重要任務(wù)之一是對大量的感知信息進(jìn)行匯總、分析和共享，并依據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行輔助參考決策[8]。路側(cè)信息感知主要采用圖像處理技術(shù)，通過對圖像的識別檢測道路的車輛、行人、障礙物以及微小目標(biāo)等。

2.1.3 多傳感器信息融合技術(shù)

信息融合是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將來自多個(gè)傳感器或多源的觀測信息進(jìn)行分析、綜合處理，從而得出輔助決策和估計(jì)任務(wù)所需信息的處理過程。信息融合的基本原理是：通過對各種傳感器及人工觀測信息的合理支配與使用，將在空間和時(shí)間上互補(bǔ)與冗余的各種傳感器信息依據(jù)某種優(yōu)化準(zhǔn)則產(chǎn)生對觀測對象的一致性解釋和客觀描述[9]。

2.1.4 車輛通信技術(shù)

采用WIFI/新一代雙通道通信模式，系統(tǒng)可以在測試區(qū)域覆蓋無線局域網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)車輛進(jìn)入測試區(qū)域后會自動連接到無線局域網(wǎng)，建立車輛與系統(tǒng)之間的通信。同時(shí)，車載設(shè)備接入通信網(wǎng)絡(luò)，借助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車輛與遠(yuǎn)程服務(wù)器的鏈接。遠(yuǎn)程服務(wù)器和路側(cè)智能終端通過以太網(wǎng)建立通信關(guān)系。雙重網(wǎng)絡(luò)通道保障了車輛與路側(cè)終端和遠(yuǎn)程服務(wù)器之間鏈接的穩(wěn)定性。

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

交叉路口車路協(xié)同硬件系統(tǒng)由路側(cè)設(shè)備、車載設(shè)備與后臺服務(wù)器等組成。路側(cè)設(shè)備由傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，用于檢測路況與車輛信息以及車輛輔助定位；數(shù)據(jù)處理平臺為基于Windows開發(fā)的視頻處理單元和數(shù)據(jù)存儲單元；車載設(shè)備用于獲取車輛位置、狀態(tài)以及駕駛路徑信息；遠(yuǎn)程服務(wù)器用于數(shù)據(jù)的存儲、信息發(fā)布以及車輛間的信息交互。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.3 硬件系統(tǒng)的組成

2.3.1 路側(cè)設(shè)備

圖2中，路側(cè)設(shè)備用于車輛周圍的環(huán)境感知、車輛輔助定位和信號燈控制。環(huán)境感知系統(tǒng)由路側(cè)傳感器、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、測速雷達(dá)等組成。車輛輔助定位借助基站GPS實(shí)現(xiàn)。交通信號機(jī)用于控制和調(diào)節(jié)交叉路口車輛通行，借助控制算法可提高路口通行效率和改善道路擁擠程度。

路側(cè)傳感器用于感知車輛在運(yùn)行過程中的道路交通信息及路況信息，本研究采用主動感知方式實(shí)時(shí)獲取道路周邊的其他車輛運(yùn)行信息、行人信息、路面狀況信息、障礙物、交通標(biāo)志以及其他路側(cè)相關(guān)信息等，以確保行車的安全性和高效性。

道路交通感知模塊包括測速雷達(dá)、監(jiān)控?cái)z像機(jī)等，借助檢測器采集交通流量、速度、占有率、車頭間的實(shí)際距離等交通流參數(shù)數(shù)據(jù)以及車輛運(yùn)行狀況信息，并完成對車輛行程時(shí)間、行程速度等交通參數(shù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

基站GPS用于提供連接路口路段的地理位置以方便車輛的多路段信息搜索。基站GPS還提供地理位置參考基準(zhǔn)，并為基于差分技術(shù)的附近車輛GPS定位提供參照。

交通信號機(jī)與路口信號燈控制系統(tǒng)用于控制交叉路口各個(gè)方向的通行時(shí)間與通行次序。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理平臺

數(shù)據(jù)處理平臺由嵌入式視頻辨識處理器、接口服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)接口、基站數(shù)據(jù)庫以及RSU處理器組成，用于實(shí)現(xiàn)對路側(cè)傳感器獲取數(shù)據(jù)的處理、識別與存儲。其中，嵌入式視頻辨識處理器中的圖像處理器與路口路段攝像頭直接連接，借助監(jiān)控圖像分析路口的車流、道路、行人狀態(tài)，對交通違章、交通異常狀況進(jìn)行辨識預(yù)警。該處理器可以將圖像信息轉(zhuǎn)換為特征數(shù)據(jù)信息以提高信息的利用價(jià)值，降低對檢測網(wǎng)絡(luò)的通信要求。

接口服務(wù)器完成對常規(guī)路側(cè)傳感器的信號接入與信息轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對典型路側(cè)設(shè)備如信號燈、情報(bào)板等控制信息的輸出。該服務(wù)器既可提供典型的模擬、數(shù)字量的輸入輸出接口，也能兼容典型的RS232/485、CAN等接口，并進(jìn)行相應(yīng)通信協(xié)議的定制轉(zhuǎn)換。

網(wǎng)絡(luò)接口包含無線和有線接口兩個(gè)部分，路口路段短距離范圍的通信由WIFI/DSRC/4G實(shí)現(xiàn)，用以實(shí)現(xiàn)與無線路側(cè)設(shè)備、近距離移動車輛與行人的通信。遠(yuǎn)程的信息服務(wù)與管理由TCP/IP寬帶網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)。

RSU處理器用于對路口路段信息的融合處理以正確辨識交通狀態(tài)。該處理器能存儲與檢索路口路段狀態(tài)和交通控制發(fā)布的交通信息。

基站數(shù)據(jù)庫用于存儲連接路口路段的地圖、路況和交通信息，為附近車輛提供及時(shí)全面的信息查詢與行程引導(dǎo)服務(wù)，并在后臺記錄其連接路段的運(yùn)行數(shù)據(jù)信息。

2.3.3 車載設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)

智能手機(jī)搭載GPS的定位模塊、加速度和陀螺儀等傳感器模塊，可充分獲取車輛運(yùn)動狀態(tài)信息。作為車載設(shè)備，可以通過導(dǎo)航APP實(shí)現(xiàn)對車輛的位置識別、速度引導(dǎo)、地圖導(dǎo)航和交通狀況查詢。GPS定位模塊主要用于車輛運(yùn)行位置、行車時(shí)間、行駛速度等數(shù)據(jù)的采集。

2.3.4 遠(yuǎn)程服務(wù)平臺

交通控制與信息發(fā)布子系統(tǒng)由安裝在道路沿線的信號控制裝置、可變信息板、路旁廣播以及車載信息提示與信息發(fā)布設(shè)備等組成。該子系統(tǒng)可通過通信裝置自動接收來自監(jiān)控中心的交通控制信息，實(shí)現(xiàn)對道路上車輛交通信號的實(shí)時(shí)管理，也可接收來自監(jiān)控中心的各種預(yù)警、報(bào)警信息或交通誘導(dǎo)信息，實(shí)現(xiàn)對特定路段或特定區(qū)域的各種預(yù)警、報(bào)警和交通誘導(dǎo)信息的發(fā)布。

2.4 車路協(xié)同軟件系統(tǒng)

車路協(xié)同軟件系統(tǒng)框架由遠(yuǎn)程監(jiān)控和服務(wù)平臺、路側(cè)端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和車載導(dǎo)航服務(wù)客戶端組成，其軟件框架如圖3所示。鑒于本文重點(diǎn)在于討論硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這里僅給出軟件系統(tǒng)框架，信息流關(guān)系用箭頭表示，詳細(xì)細(xì)節(jié)問題不再討論。

圖3 系統(tǒng)軟件框架

3 實(shí)驗(yàn)測試

實(shí)驗(yàn)以中國汽車工程研究院i-VITSA項(xiàng)目的實(shí)施場地作為測試場地(如圖4所示)，選定7/2→3→ 4→12試驗(yàn)路線，該路線包含2個(gè)十字路口、2個(gè)丁字路口、1個(gè)合流道和1段高速路段。

圖4 車路協(xié)同輔助駕駛測試場地圖示

在測試過程中，實(shí)驗(yàn)選取園區(qū)多輛車內(nèi)搭載車載設(shè)備和軟件平臺的各類型汽車，在典型場景下進(jìn)行了初步測試，具體測試方法與結(jié)果如下：

1) Y型路口合流測試。大量車輛在Y型路口處，系統(tǒng)利用GPS定位信息監(jiān)控車輛的狀態(tài)引導(dǎo)車輛安全合流。測試結(jié)果表明:系統(tǒng)可以正確引導(dǎo)車輛安全自動合流。

2) 彎道提醒預(yù)警。當(dāng)車輛駛?cè)霃澋罆r(shí)，車載設(shè)備將車輛位置、運(yùn)動狀態(tài)信息發(fā)送到智能路側(cè)終端，終端感知車輛駛?cè)霃澋溃到y(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息到車載端。試驗(yàn)結(jié)果表明：車載端可以提醒車輛駛?cè)肓藦澋溃④囕v位置、運(yùn)動狀態(tài)信息顯示在屏幕上。

3) 交叉路口盲區(qū)預(yù)警。智能路側(cè)端通過視頻信息和車輛定位信息，感知車輛處于交叉路口近區(qū)，判斷車輛視覺盲區(qū)，獲取盲區(qū)監(jiān)控視頻，并發(fā)送到車載設(shè)備端。試驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)可以接收到提示車輛盲區(qū)信息，并呈現(xiàn)出相關(guān)的行人與障礙物。

4) 信號燈控制。任意選取一輛特殊車輛，系統(tǒng)可以將車輛特征信息發(fā)送至路側(cè)終端，路側(cè)端檢測到區(qū)域內(nèi)有特殊車輛。當(dāng)該車輛駛過時(shí)，信號燈會自動變綠。試驗(yàn)結(jié)果表明：特殊車輛在信號燈控制下可以確保一路綠燈通行。

上述測試結(jié)果表明：本設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了實(shí)際需求的系統(tǒng)預(yù)定功能，對應(yīng)用駕駛輔助系統(tǒng)解決復(fù)雜交通問題有重要的參考意義。

4 結(jié)束語

分析了城市道路交通交叉路口智能路側(cè)感知、信息處理于車路協(xié)同通信等關(guān)鍵技術(shù)。對所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)際測試表明：系統(tǒng)可實(shí)時(shí)感知路況信息、獲取車輛運(yùn)行狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)車、路以及后臺服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸與交互，并實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的處理，為駕駛員提供駕駛輔助信息服務(wù)，減少事故發(fā)生，緩解交通壓力，提高駕駛安全性。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究尚處于初期階段，因此很多技術(shù)還需進(jìn)一步深入探索。測試結(jié)果已經(jīng)表明，車路協(xié)同駕駛輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)會隨車路協(xié)同技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，因此研究車路協(xié)同技術(shù)是下一步完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

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