基于V2X的智能網聯交叉口信號控制系統設計

盧 濤，萬凌峰，李 妍，張心睿，王潤民

(長安大學 車聯網教育部-中國移動聯合實驗室，陜西 西安 710064)

0 引 言

道路交叉口是城市交通的重要組成部分，在城市交通中發揮著至關重要的作用。但隨著經濟的快速發展，汽車數量急劇增加[1]，導致交叉口交通每況愈下，車輛在交叉口處易發生交通擁堵、車輛碰撞等交通問題。根據美國的統計數據顯示，信號交叉口的延誤占總交通延誤的5%～10%[2]。據統計，在中國城市道路交叉口發生的交通事故數約占交通事故總數的30%[3]，城市交叉口已經成為制約城市道路通行能力的瓶頸之處。因此，對城市交叉口進行有效管理與協調，對保障行車安全、提高交叉口通行能力有著重要意義。

目前大多數交叉口采用信號控制方式控制各個進道口車輛的通行權，以達到減少交叉口的交通擁堵、降低交叉口碰撞事故發生率、提高交叉口通行能力的目的。但固定配時的信號控制往往與實際交通流量不符，使得交叉口通行效率低下，車輛延誤時間反而增加。因此，信號配時設計不斷優化，整體來說，信號控制經歷了固定配時、感應控制和自適應控制的發展過程[4]。

在各種信號控制方式中，目前最優的控制方式為自適應控制[5]。自適應控制方法包含綠波帶等方法，針對綠波帶自適應控制，國內外學者進行了大量的研究，最早的有John D.C.Little提出的Maxband模型[6]和Gartner的MULTIBAND模型[7]。文獻[8]參照NEMA相位優化的方法，優化MAXBAND核心數學模型，提出了基于靈活相位優化設計的雙向綠波協調控制策略；通過對經典的雙向綠波圖解法進行優化，文獻[9]提出了非對稱相位相序方式下的雙向綠波協調控制圖解法。但是自適應信號控制系統中多采用定點采取數據的方式，獲取的交通流數據有限且無法保證精準，而且車輛也無法充分利用交叉口信號燈的數據。

車聯網，也稱V2X[10](vehicle to everything)，是解決交通問題的新興技術，目前主流車聯網技術為專用短程通信(dedicated short range communication，DSRC)和長期演進-Vehicle(long term evolution vehicle，LTE-V)。借助車聯網，可以實現車與車、車與人、車與基礎設施、車與互聯網之間的通信，大大提高了交通信息的流通，有助于解決城市交通問題。DSRC在歐美國家使用比較廣泛，而國內主要聚焦于LTE-V，相比于DSRC，LTE-V的覆蓋范圍更廣，適應車速更大，但高速情況下延時較高[11-12]。

針對現有信號控制系統的不足，文中將車聯網技術應用于交叉口，設計了一種基于V2X的智能網聯交叉口信號控制系統。基于圖形界面庫Qt實現了車載終端應用程序的設計，基于python實現了路側邊緣計算機程序的設計，實現了將車、路融合為一個完整的系統，并構建了綠波車速引導、緊急車輛優先通行、左轉輔助等三種典型應用場景對系統的有效性進行了測試驗證。

1 系統總體架構設計

1.1 功能需求分析

交叉口作為城市交通的關鍵節點，對城市交通具有重大意義。目前多數交叉口采用固定配時的信號控制方式來控制交叉口各進道口的通行權，但現有的固定配時方式無法適應動態變化的交通流，因此亟需一種可以動態改變信號配時的控制方案。另外，交叉口擁有復雜的交通狀況，包含機動車輛、非機動車輛、行人等諸多要素，交通事故及交通擁擠等交通事件頻發，為此需要一種可以檢測交叉口碰撞風險、提高交叉口通行效率的智能交叉口信號控制系統。

針對上述問題，文中借助車聯網技術和邊緣計算，實現交叉口信號控制系統的網聯化和智能化，設計需要滿足的具體需求如下：

(1)紅綠燈與行駛車輛的實時網聯交互；

(2)車載端可以進行信息采集、數據實時處理與行車預警提示；

(3)路側端可以進行信息采集、數據實時處理、檢測交叉口潛在的碰撞風險與修改信號燈狀態；

(4)網聯車輛上提供人機交互接口。

1.2 系統總體架構設計方案

基于上述需求分析，文中設計了一種智能網聯交叉口信號控制系統，系統模塊組成如圖1所示，主要分為網聯汽車子系統和智能紅綠燈子系統。網聯汽車子系統由人機交互、車載計算和信息通信模塊組成；路側子系統由信息通信、路側計算和信號控制等模塊組成。

圖1 系統模塊組成

網聯汽車子系統主要完成信號燈信息的展示以及碰撞預警。其中人機交互模塊使用車載交互終端以圖像、聲音等方式來向用戶展示信息和預警提醒。車載計算模塊使用車載計算機解析并處理信息通信模塊傳輸來的數據，然后利用處理后的數據實現一定的業務邏輯。信息通信模塊實現與路側端的V2X雙向通信和本地網絡通信，以及GPS/北斗定位。

路側子系統主要完成交叉口潛在碰撞風險的檢測以及信號燈狀態的動態修改。路側計算模塊使用路側邊緣計算機解析處理信息通信模塊傳輸來的數據，利用處理后的數據檢測碰撞風險和改變信號燈狀態。信號控制模塊主要用于控制交叉口信號燈相位和配時的改變，同時可以上報信號燈的狀態信息給路側邊緣計算機。信息通信模塊實現與車載端的V2X雙向通信和本地網絡通信，以及GPS/北斗定位。

基于上述模塊實現的整個系統的框架如圖2所示，主要包含三層：硬件層、網絡層和應用層。硬件層包含安裝在車輛和交叉口的一些設備；網絡層為信息傳輸的通道，有V2X、以太網、4G/5G等；應用層為基于場景開發的應用功能，包含車載端和路側端。

圖2 系統體系框架

1.3 系統功能場景設計

基于上述需求分析，文中通過搭建雙向兩車道十字型交叉口場地，設計了三種典型應用場景，具體如下：

(1)綠波車速引導。

綠波車速引導(green light optimal speed advisory，GLOSA)是指，當裝載系統應用的車輛駛向信號燈控制交叉口，收到由網聯信號燈實時狀態數據。GLOSA應用將給予駕駛員一個建議車速區間，車輛按建議車速能夠經濟、舒適地通過信號路口。

(2)緊急車輛優先通行。

緊急車輛優先通行(emergency vehicle priority，EVP)是指，緊急車輛在駛向交叉口的過程中，向外廣播緊急車輛的信號，交叉口信號燈系統收到緊急車輛信號后，根據緊急車輛的信息以及信號燈的狀態信息計算出可以使緊急車輛優先通過交叉口的信號燈信息，然后通過改變交叉口信號燈的相位和配時來使緊急車輛盡快通過。

(3)左轉輔助。

左轉輔助(left turn assist，LTA)是指，車輛A在交叉口左轉，與對向駛來的沖突車B存在碰撞危險時，LTA應用將對車輛A駕駛員進行預警。

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件設計

系統硬件連接如圖3所示，車載計算機通過RJ45接口與V2X車載終端相連，WiFi模塊和多模式組合天線通過FAKRA接口與V2X車載終端相連，車載終端通過V2X網絡與路側設備相連，路側邊緣計算機和V2X路側設備、攝像頭、交通信號控制機連接采用RJ45接口。

正常情況下，交通信號控制機周期性地將信號燈的相位和配時信息上報給路側邊緣計算機，路側邊緣計算機通過V2X路側設備將信號燈信息發送給V2X車載終端，車載終端將車輛信息和信號燈信息傳送給車載計算機，車載計算機根據車輛數據和信號燈數據計算出綠波車速，然后將信號燈信息和綠波車速在人機交互終端上呈現給駕駛員。

當車輛為緊急車輛時，駕駛員通過在人機交互終端上設置參數，然后通過車載終端發送給路側端，路側邊緣計算機識別出緊急車輛信號后，根據車輛和信號燈的狀態計算出緊急車輛通過交叉口的時間，然后修改信號燈的相位和配時，以便緊急車輛優先通過交叉口。

圖3 系統硬件連接

2.2 網聯汽車子系統硬件選型

網聯汽車子系統的硬件主要包含網聯汽車、V2X通信終端、車載天線、車載計算機與人機交互終端。車載天線置于車輛頂部，用于實現北斗定位和V2X通信數據收發；V2X通信終端、車載計算機、車載電源置于車內，車載終端接收V2X通信信息并將其傳送給車載計算機；車載計算機解析接收到的V2X數據、北斗定位數據并處理，最后人機交互終端上展示信息；其中車載電源負責給車載終端和車載計算機供電。

其中V2X通信終端選用星云互聯的智能車載終端，該設備支持CAN/RS232/Rj45/USB等接口，可以很好地與第三方設備連接測試，其技術規格如表1所示。車載計算機選用ThinkPad X280筆記本；車載天線為魚鰭天線。

表1 星云互聯智能車載終端技術規格

2.3 智能信號燈子系統硬件選型

路側端的硬件主要包含V2X路側終端、路側邊緣計算機、信號控制機、衛星定位模塊和三相位信號燈。V2X路側終端負責收發V2X數據；路側邊緣計算機負責數據的解析和處理，檢測交叉口可能存在的碰撞風險，也可以通過向信號控制機發送控制指令控制改變信號燈的狀態；信號控制機負責控制信號燈狀態。

其中V2X路側單元設備型號與車載V2X設備型號相同，路側邊緣計算機選用的是研華ARK-3500工控機。圖4(a)示出了信號控制機外觀。圖4(b)為信號燈的內部硬件電路圖，主要分為5塊電路板和其他電路，其中電路板1負責信號燈的邏輯控制以及和外界的通信，電路板2～4為信號燈的驅動電路，分別對應交叉口的東西南北四個方向。

圖4 信號控制機外觀(a)與信號控制及內部電路(b)

3 系統軟件設計

軟件系統包含車載端軟件和路側端軟件。兩者相互獨立又相互關聯，一起協同完成各個場景。

3.1 車載端軟件

車載端軟件主要接收路側端傳送的數據，然后對數據進行解析和處理，在界面上給出綠波車速，并更新信號燈狀態和地圖上車輛的位置。

軟件框架如圖5所示。I/O層包含無線消息服務，主要負責與V2X設備通訊，實現無線數據的收發和安全認證，主要使用TCP/IP協議。服務層負責對輸入數據的整合、處理, 并分發至應用層，同時為應用層提供數據發送的接口，由人機交互接口、無線消息處理和硬件信息處理三個模塊組成。無線消息處理模塊主要負責無限消息的接收及編解碼等處理工作，同時為應用層提供無線數據發送的接口；硬件信息處理模塊主要負責解析獲取信號燈和車輛的狀態信息，并計算車輛距離的信號燈和其他車輛的距離；應用層包含應用場景和第三方應用兩大模塊，應用場景模塊包含常見的綠波車速引導、緊急車輛優先通行、左轉輔助、闖紅燈預警、交叉口碰撞預警等。各場景相互獨立，互不干擾，具有很好的擴展性。同時支持用戶自定義的第三方應用，比如用戶自定義的語音、視頻應用等，與原有應用也相互獨立。

圖5 車載端軟件框架

車載端軟件界面主要利用數據傳輸和存儲技術、移動互聯網技術及Qt桌面開發技術，界面左側為地圖，地圖上會標注并實時更新自身車輛的位置；右上角為實時的交叉口紅綠燈狀態信息，包含相位和倒計時；右下角為推薦通過交叉口的綠波車速；駕駛員通過菜單欄的模式可以切換車輛類型為緊急車輛。軟件共實現了綠波車速引導、緊急車輛優先通行和左轉輔助3個場景。

3.2 路側端軟件

路側端軟件主要向車輛提供信號燈的狀態信息以及自身的位置信息等。圖6所示為路側端軟件框架。相對于車載端軟件框架，路側端軟件框架應用層缺少了第三方應用，整體架構多了關于數據存儲的部分，用于把一些重要的數據保存到數據庫，方便后期進行數據分析。

圖6 路側端軟件框架

3.3 系統軟件工作流程

系統工作流程分為車載端軟件工作流程和路側端軟件工作流程，兩者通過V2X網絡進行信息傳遞。

車載端軟件運行后開始接收路側端發送的數據并檢測自身是否為緊急車輛，若為緊急車輛，則向外廣播“emergency”緊急信號；若不是，則一直自檢是否為緊急車輛。當接收到數據后，解析判斷是否存在預警信息，若存在，通過彈窗和語音播報的形式提醒駕駛員，然后計算綠波車速并展示信號燈信息和綠波車速給駕駛員。

路側端軟件運行后檢測是否接收到“emergency”緊急信號，若存在，則控制號燈改變，以便緊急車輛優先通行；軟件會不斷檢測是否存在潛在的碰撞風險，若存在，則向車載端發送預警信息。

4 系統測試與驗證

4.1 系統集成

圖7(a)展示了測試車輛內部設備連接及設備擺放位置，V2X車載終端置于車內，V2X多模式組合天線置于車頂。圖7(b)為信號燈硬件連接圖的實物圖。設備啟動后，紅綠燈開始工作，V2X車載終端和路側單元LCD等閃爍正常，系統開始正常工作。

圖7 車載設備連接實物圖(a)與信號燈 硬件連接實物圖(b)

4.2 系統測試環境搭建

測試場地選用的是長安大學車聯網與智能汽車試驗場，測試選用如圖8中交叉口，其中AB段為東西方向，長約300米，2車道，車道寬4米，CD段為南北方向，長約90米，2車道，車道寬4米，點S是交叉口交匯點，即信號燈放置位置。

在測試過程中駕駛員負責駕駛，測試人員位于車輛后排位置，負責測試軟件啟停及數據保存，硬件設備工作狀態監視。

圖8 長安大學車聯網與智能汽車試驗場鳥瞰圖

4.3 測試過程

(1)綠波車速引導。

將搭設好V2X車載設備的測試車輛駛入測試場地，移動信號燈放置于交叉路口，待檢查設備工作正常后，將測試車輛停放在距離交叉口信號燈300 m處[13]，車頭朝向交叉口信號燈。待硬件設備以及測試軟件啟動后，測試車輛緩慢駛向交叉口。圖9為實際測試畫面和測試軟件運行界面。

圖9 綠波車速引導測試過程(a)與軟件界面(b)

在行駛過程中，測試人員觀察軟件界面上顯示的信號燈信息(相位、配時等)是否與交叉口信號燈一致，以及測試車輛按照推薦速度是否能不停車通過交叉口。若信號燈信息一致且車輛不停車通過交叉口，則此次測試通過；反之，不通過。在整個測試過程中，網聯車輛和普通車輛分別測試50次，測試人員記錄每次測試車輛的旅行時間以及此次測試成功與否。

(2)緊急車輛優先通行。

將搭設好V2X車載設備的測試車輛駛入測試場地，移動信號燈放置于交叉路口，待檢查設備工作正常后，將測試車輛停放在距離交叉口信號燈150 m處，車頭朝向交叉口信號燈。硬件設備以及測試軟件啟動后，等待信號燈變為紅燈，測試車輛緩慢駛向交叉口。在行駛過程中，測試人員通過測試軟件向車載設備發送救護車緊急信號，然后觀察信號是否由紅燈變為綠燈。若交叉口信號燈的變化符合預期，則測試通過；反之不，通過。測試過程中，測試人員記錄此次測試成功與否，共測試50次。圖10為實際測試畫面和測試軟件運行界面。

圖10 緊急車輛優先通行測試過程(a)與軟件 操作界面(b)

(3)左轉輔助。

將兩輛搭設好V2X車載設備的測試車輛駛入測試場地，移動信號燈放置于交叉路口，待檢查設備工作正常后，將測試車輛停放在距離交叉口信號燈相對路口的100 m處，兩輛車的車頭朝向交叉口信號燈。硬件設備以及測試軟件啟動后，等待東西方向上信號燈變為綠燈，測試車輛緩慢駛向交叉口。在行駛過程中，左轉車輛上的測試員觀察在駛進交叉口后，測試軟件界面上是否出現預警提示或者語音播報提示駕駛員可能發生碰撞，若出現預警，則測試通過；反之不通過。測試過程中，測試人員記錄此次測試成功與否，共測試50次。

圖11為實際測試畫面和測試軟件運行界面。

圖11 左轉輔助測試過程(a)與軟件預警界面(b)

4.4 測試結果

經測試，系統實時性好、穩定可靠。綠波車速引導場景能夠在路側設備通信范圍內實現人機界面上的信號燈狀態顯示，并給出通過交叉口的綠波車速，引導駕駛員在綠燈時間內通過交叉口，經測試，采用GLOSA應用，成功率達到99%以上，交叉口通行效率可以提高25%以上；緊急車輛優先通行場景能夠在緊急車輛進入路側設備通信范圍內時，及時調整信號的狀態以便緊急車輛快速通過，經測試，采用EVP應用，可以有效提高緊急車輛通行交叉口的效率，成功率高達98%；左轉輔助場景能夠在兩輛相向而行的車輛進入交叉口時，如果檢測到潛在的碰撞危險，則對左轉車輛進行預警，以便優先讓直行車輛通行，經測試，采用LTA應用，可以有效避免交叉口的左轉碰撞，有效率高達95%。

5 結束語

針對城市交叉口中交通事故頻發、通行效率低的問題，結合車聯網技術，文中設計了一種基于V2X網絡的智能網聯交叉口信號控制系統，包含硬件和軟件兩部分；并在長安大學車聯網與智能汽車試驗場進行了實車測試。

經測試，基于該系統開發的應用可以使交叉口信號控制系統更加智能化，可以有效減少交叉口的車輛延誤時間，降低交通事故的發生概率。

目前該系統還存在很多問題。例如文中測試的場景為單車或雙車，并未測試復雜、飽和交通流狀態下的情況，以及通信延遲比較大的情況。針對復雜的交通流，可以采用更加復雜的算法實現交叉口的智能化[14-15]；針對通信延遲比較大的情況，可以結合預測算法來獲取下一時間段內的數據信息[16]。