基于專用短程通信技術的車路協(xié)同系統(tǒng)研究及應用

郭 蓬，蔡 聰，戎 輝，唐風敏，王文揚，王夢丹

（1.天津大學，天津 300072；2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300；3.河北工業(yè)大學，天津 300222）

車路協(xié)同系統(tǒng)（Cooperative Vehicle Infrastructure System，CVIS）以先進的專用短程通信技術（Dedicated Short Range Communication，DSRC）為基礎，融合新一代高精度定位技術和先進互聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)了車與車（V2V）、車與路（V2I）、車與人（V2P）之間的動態(tài)實時信息交互。在全方位動態(tài)交通信息采集與融合的基礎之上，車路協(xié)同系統(tǒng)實現(xiàn)了車輛主動駕駛安全預警和控制以及道路交通協(xié)同管理，充分實現(xiàn)了人、車、路的有效協(xié)同，從而提高駕駛安全性，減少城市交通擁堵、提升交通出行品質(zhì)、提高城市交通管理部門管理成效。本文基于真實CVIS場景的建立，分析說明了該系統(tǒng)的組成和架構，并對系統(tǒng)中不同場景的實現(xiàn)和關鍵技術進行了闡述。

1 車路協(xié)同系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)架構

車路協(xié)同系統(tǒng)的總體架構說明：通過將專用短程通信設備布設于自動駕駛車輛或者智能網(wǎng)聯(lián)車輛，以及路側基礎設施上，以實現(xiàn)車路的實時通信，從而將整個交通系統(tǒng)中的人、車、路等各方面的構成部分統(tǒng)一于一個整體。然后，對于交通系統(tǒng)中的紅綠燈、攝像頭、可變情報板等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，在人、車、路所構成的整個系統(tǒng)中進行實時信息傳輸與交換，為此，研發(fā)配套了短程通信與車載網(wǎng)絡。而測試、調(diào)試軟件則應用于對整個通信系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行檢測、處理、分析，并且將所獲的結果應用于對整個通信系統(tǒng)的提高和改善。并且在此基礎上構成了一個車路協(xié)同系統(tǒng)，這個系統(tǒng)基本上包括了RSU（Road Side Unit）、OBU（On Board Unit）、紅綠燈、可變情報板、交換機、攝像頭、網(wǎng)絡設備等以及開發(fā)和測試軟件，可以在室外和實驗室范圍內(nèi)對所設計的整個系統(tǒng)進行模擬和示范，以達到總體的展示效果。

1.2 系統(tǒng)組成

車路協(xié)同系統(tǒng)主要包括3個部分，分別是智能網(wǎng)聯(lián)汽車、路側設備和后臺管理系統(tǒng)，并且預留了可以提供拓展的功能，比如后續(xù)會實現(xiàn)更多場景以及車車通信。目前系統(tǒng)中實現(xiàn)的功能主要包括：基于紅綠燈自動調(diào)節(jié)的車輛優(yōu)先通行，基于智能情報板的施工信息警示以及基于智能攝像頭的物體識別。物體識別具體包括對于運動物體的識別（主要用于模擬交叉路口的監(jiān)控攝像頭的功能）和對于靜止物體的識別（主要用于模擬智能停車場的空閑車位的識別功能），并且將相應的數(shù)據(jù)以信號的形式通過專用短程通信設備以及配套通信軟件進行車路之間的信息傳輸和交互，整個車路協(xié)同系統(tǒng)構成如圖1所示。

車路協(xié)同系統(tǒng)中的實驗車輛，是一款專門為該系統(tǒng)開發(fā)的智能網(wǎng)聯(lián)觀光車，車身搭載多種傳感器以及OBU等通信設備，不僅能夠滿足無人駕駛的需要，同時還能實現(xiàn)后臺管理系統(tǒng)的遠程監(jiān)控管理、手機APP的實時調(diào)度以及V2X

圖1 車路協(xié)同系統(tǒng)的構成

通信等多元化功能，車輛外型如圖2所示。

圖2 智能網(wǎng)聯(lián)觀光車

車路協(xié)同系統(tǒng)中的路側設備，采用可移動式的交通設備，并裝有RSU等通信設備，可以實現(xiàn)車輛和路側設備之間的通信，如圖3所示。

圖3 路側設備

另外，車路協(xié)同系統(tǒng)還專門開發(fā)了一款APP，作為車載PAD的顯示內(nèi)容，方便更加直觀地展示車路協(xié)同系統(tǒng)中不同場景的功能，如圖4所示。

圖4 車路協(xié)同系統(tǒng)APP

1.3 運行流程

系統(tǒng)運行流程主要是基于專用短程通信設備和配套的通信軟件，實現(xiàn)不同交通參與者之間的信息交互和信息傳輸，使之構成一個整體，并且對于這個過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，會反饋到測試、調(diào)試軟件進行進一步的處理，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)運行流程示意圖

2 場景介紹

車路協(xié)同系統(tǒng)目前包括4個測試場景：行人識別與躲避、紅綠燈自動調(diào)節(jié)、施工信息警示和停車位檢測，見表1。

表1 車路協(xié)同系統(tǒng)場景

2.1 行人識別與躲避

車輛轉(zhuǎn)向遇到橫穿公路的行人，由于路口建筑物的遮擋形成了NLOS（Not Line of Sight）場景，所以采用視頻檢測的識別方式和DSRC的通信方式。

路口處的攝像頭監(jiān)控路口是否有行人通過，并通過RSU實時廣播當前路口的行人信息，OBU收到該路口有行人通過的信息后，車載平板顯示警示信息，智能網(wǎng)聯(lián)車輛自動采取減速或制動避讓行人，避免發(fā)生碰撞的危險，如圖6所示。

圖6 行人識別與躲避場景

相較于目前普遍依靠無人車上的攝像頭和雷達來檢測行人，本文中采用的方案充分利用了智能網(wǎng)聯(lián)汽車的優(yōu)勢，基于DSRC技術實現(xiàn)了車路協(xié)同，使車輛在一些NLOS場景中也能很好地檢測到規(guī)劃路徑上的行人，而且行人不需要佩戴相關的通信設備，取而代之的是目前更為成熟的視頻識別技術，可靠性更高，成本也更加低廉。

2.2 紅綠燈自動調(diào)節(jié)

高優(yōu)先路權使用車輛（如執(zhí)勤車、救護車等）通過OBU發(fā)送應急通過路口信息給紅綠燈，紅綠燈通過RSU收到控制指令變換綠燈配時和相位，實現(xiàn)高優(yōu)先權車輛優(yōu)先通行，確保其快速通過路口，如圖7所示。

圖7 紅綠燈自動調(diào)節(jié)場景

目前車路協(xié)同系統(tǒng)中和紅綠燈相關的場景主要是以綠波車速引導為主，OBU接收到紅綠燈的配時和相位信息，給予駕駛員合適的建議車速區(qū)間，確保車輛能夠經(jīng)濟、舒適地（不需要停車等待）通過紅綠燈路口。本文中的方案則是以車輛為主導，不需要車輛來適應紅綠燈的相位，而是紅綠燈更改相位配合車輛的行駛，相比之下效率更高，駕乘體驗更好。而且可以更改不同車輛的優(yōu)先路權，確保執(zhí)勤車、救護車等車輛有較高的優(yōu)先路權，確保其快速通過。

2.3 施工信息警示

當前方道路施工時，可變情報板通過RSU向周邊廣播道路施工警示信息，提示周圍車輛及時減速避讓，避免發(fā)生事故。智能網(wǎng)聯(lián)車輛OBU接收到RSU發(fā)來的廣播消息后，根據(jù)信息的安全級別顯示警示信息，自動減速避讓，避免可能發(fā)生的交通事故，如圖8所示。

圖8 施工信息警示場景

現(xiàn)有的施工信息警示牌受距離和NLOS場景限制較大，本文中采用的方案通過RSU將施工信息廣播給周圍通信范圍之內(nèi)的車輛，車輛根據(jù)各自的路徑規(guī)劃提前做出是否需要減速避讓的判斷，在施工警示牌進入視線范圍之前或者一些NLOS場景中都能起到很好的效果。

2.4 停車位檢測

通過攝像頭實時監(jiān)控停車位信息，并將停車位信息通過RSU廣播給周圍車輛，車輛OBU接收到信息后，車載平板顯示停車位占用情況和空余停車位，如圖9所示。

圖9 停車位檢測場景

目前應用較多的超聲波停車位檢測器成本較高，而且裝在室外露天停車位上容易發(fā)生損壞，本文中采用的方案可以基于停車位原有的監(jiān)控攝像頭，加裝嵌入式算法處理模塊和RSU盒子，充分利用DSRC通信的優(yōu)點，將車位信息實時廣播給周圍車輛。

3 場景實現(xiàn)

3.1 行人識別與躲避

路口處的攝像頭監(jiān)控路口是否有行人通過，通過網(wǎng)線將視頻畫面實時傳送給算法處理模塊，算法處理模塊通過行人檢測算法判斷路口是否有行人通過（圖10），并通過RSU實時廣播當前路口的行人信息，并在報文中添加攝像頭的ID號，智能網(wǎng)聯(lián)車輛根據(jù)自身的路徑規(guī)劃，OBU接收帶有即將通過路口的攝像頭ID號的報文，并輸出到工控機，控制車載平板顯示警示信息，智能網(wǎng)聯(lián)車輛自動減速或制動避讓行人，避免發(fā)生碰撞的危險。行人識別與躲避業(yè)務流程如圖11所示，流程說明見表2。

3.2 紅綠燈自動調(diào)節(jié)

高優(yōu)先路權使用車輛（如執(zhí)勤車、救護車等）行駛到路口附近，通過OBU發(fā)送控制指令給RSU，RSU收到控制指令后輸出給紅綠燈控制器，紅綠燈變換配時和相位，更改為綠燈常亮，實現(xiàn)高優(yōu)先權車輛優(yōu)先通行，確保其快速通過路口。紅綠燈自動調(diào)節(jié)業(yè)務流程如圖12所示，流程說明見表3。

圖10 行人檢測結果

圖11 行人識別與躲避業(yè)務流程

表2 行人識別與躲避流程說明

圖12 紅綠燈自動調(diào)節(jié)業(yè)務流程

3.3 施工信息警示

后臺控制中心根據(jù)道路施工信息，遠程更改路側可變情報板文字信息，可變情報板通過RSU廣播可變情報板上警示的施工信息，并在報文中添加可變情報板的ID號，附近車輛通過OBU接收到施工信息后，通過ID號判斷與施工地點的相對位置，車載平板顯示可變情報板上的施工信息，智能網(wǎng)聯(lián)車輛根據(jù)當前路徑規(guī)劃和與施工地點的相對位置，自動執(zhí)行減速避讓或更改路徑規(guī)劃等操作，避免可能發(fā)生的交通事故。施工信息警示業(yè)務流程如圖13所示，流程說明見表4。

表3 紅綠燈自動調(diào)節(jié)流程說明

圖13 施工信息警示業(yè)務流程

表4 施工信息警示流程說明

3.4 停車位檢測

停車場攝像頭監(jiān)控停車位信息，通過網(wǎng)線將視頻畫面實時傳送給算法處理模塊，算法處理模塊通過靜態(tài)目標識別算法判斷停車位是否被占用，并通過RSU實時廣播當前停車位信息，OBU接收停車位信息在車載平板上實時動態(tài)顯示停車位信息。停車位檢測業(yè)務流程如圖14所示，流程說明見表5。

圖14 停車位檢測業(yè)務流程

表5 停車位檢測流程說明

4 結語

發(fā)展智能網(wǎng)聯(lián)汽車，建立智能網(wǎng)聯(lián)汽車的測試評價體系，針對智能網(wǎng)聯(lián)汽車進行實車道路測試驗證，都需要先在開放測試道路和封閉測試區(qū)內(nèi)模擬實際的道路場景進行實車測試。目前國內(nèi)智能網(wǎng)聯(lián)示范區(qū)的建設才剛剛起步，多數(shù)測試場景都沒有將無人駕駛和“網(wǎng)聯(lián)”很好地結合起來，實現(xiàn)真正意義上的車路協(xié)同。而有關車路協(xié)同系統(tǒng)的研究也剛剛起步，多數(shù)尚處于跟蹤調(diào)研和理論階段，缺乏深入的研究并應用到實際。

本文基于專用短程通信技術，開發(fā)了一款專門用于車路協(xié)同的RSU和OBU盒子，構建了4個具有特色的車路協(xié)同場景，并為此研發(fā)了一款智能網(wǎng)聯(lián)汽車進行實車驗證，開發(fā)了一款移動端APP用于車載端演示，實際驗證了本文提出的車路協(xié)同系統(tǒng)的可行性。文章中一共提出了4個場景，其中行人識別與躲避場景，利用DSRC技術實現(xiàn)路側攝像頭和車輛的信息共享，解決了無人車無法檢測到NLOS場景中行人橫穿馬路的難題；紅綠燈自動調(diào)節(jié)場景，改變了一貫以路為主導的現(xiàn)狀，實現(xiàn)了以車位主導，大幅提高通行效率的飛躍式改進；施工信息警示場景，讓車輛裝上了“千里眼”和“順風耳”，能夠發(fā)現(xiàn)遠距離的交通異常；停車位檢測場景，通過開發(fā)視頻檢測算法，大大緩解了找停車位難的問題。

本文提出的這些場景，不僅可以服務于未來智能網(wǎng)聯(lián)示范區(qū)的建設和智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，起到示范作用，對于車路協(xié)同領域的深入研究，也具有一定的參考價值。