車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景測(cè)試技術(shù)研究

楊良義，陳 濤，謝 飛

(1.重慶西部汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)管理有限公司, 重慶 401122；2.中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司， 重慶 401122)

隨著中國(guó)公路交通事業(yè)的快速發(fā)展，嚴(yán)峻的道路交通安全形勢(shì)和較低的運(yùn)輸效率受到人們廣泛的關(guān)注，傳統(tǒng)的交通管控方式已難以解決目前所面臨的交通問(wèn)題[1]。因此，車(chē)路協(xié)同技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，給問(wèn)題的解決帶來(lái)了新思路和新方法。車(chē)路協(xié)同是基于先進(jìn)的傳感器和無(wú)線通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)車(chē)、車(chē)路動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)信息交互，保證車(chē)、路的有效協(xié)同，從而形成安全、高效和環(huán)保的道路交通系統(tǒng)[2]。國(guó)外對(duì)車(chē)路協(xié)同技術(shù)已有初步應(yīng)用，如美國(guó)的Intellidrive、歐盟的SafeSpot、日本的Smartway等[3]。與世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)車(chē)路協(xié)同技術(shù)還處于研究探索階段[4]。為了促進(jìn)我國(guó)車(chē)路協(xié)同技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)和信息化部推出了多個(gè)國(guó)家級(jí)的智慧道路交通示范區(qū)建設(shè)項(xiàng)目[5]。本文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)踐，對(duì)車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景測(cè)試技術(shù)進(jìn)行探討。

1 協(xié)同系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

協(xié)同系統(tǒng)運(yùn)行于中國(guó)汽車(chē)工程研究院現(xiàn)有示范工程平臺(tái)，利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、交叉口監(jiān)視攝像頭和信號(hào)以及其他路側(cè)設(shè)備，并新增行人及排隊(duì)檢測(cè)攝像頭、智能路側(cè)終端和車(chē)載手機(jī)，實(shí)現(xiàn)車(chē)車(chē)、車(chē)路動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)信息交互。協(xié)同系統(tǒng)包括四大功能模塊[6]：① 基于車(chē)路協(xié)同的交叉口預(yù)警模塊；② 交叉口信號(hào)燈智能配時(shí)模塊；③ 行人、車(chē)輛、道路信息的感知模塊；④ 車(chē)速引導(dǎo)與優(yōu)先通行模塊。車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)配置見(jiàn)圖1。

圖1 車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)配置

系統(tǒng)由智能路側(cè)終端(內(nèi)配視頻服務(wù)器、工控機(jī)、交換機(jī)、4G通信模塊等)、路況監(jiān)測(cè)攝像頭、車(chē)載和行人手機(jī)信息服務(wù)軟件等連接組成。路況監(jiān)測(cè)攝像頭等前端設(shè)備檢測(cè)到交叉口圖像信息，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)視頻處理器分析后，將交通信息發(fā)送給智能路側(cè)終端。其他路側(cè)設(shè)備通過(guò)RS232/485接口完成信號(hào)燈的控制和狀態(tài)檢測(cè)。車(chē)載手機(jī)和行人手機(jī)通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)與智能路側(cè)終端相連，實(shí)時(shí)獲取控制區(qū)域道路路況信息，實(shí)現(xiàn)車(chē)、路、行人的有效監(jiān)控與協(xié)同。同時(shí)，在智能路側(cè)終端上配置了4G模塊，當(dāng)Wi-Fi連接有麻煩時(shí)，也可以通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)與智能路側(cè)終端相連。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備可分為前端、傳輸和末端設(shè)備，其各自的功能如下：

1) 前端設(shè)備：利用路側(cè)設(shè)備監(jiān)控?cái)z像機(jī)等傳感器獲取路況信息；利用車(chē)載GPS信息和手機(jī)內(nèi)置傳感器獲取車(chē)輛速度和方向信息；利用車(chē)載導(dǎo)航軟件獲取車(chē)輛行為信息。

2) 傳輸設(shè)備：使用WiFi/4G或以太網(wǎng)傳輸圖像和數(shù)據(jù)信息。

3) 末端設(shè)備：系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)用于實(shí)時(shí)監(jiān)控各路攝像機(jī)視頻信息、路況信息和車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)管理平臺(tái)用于實(shí)時(shí)處理圖像信息、發(fā)現(xiàn)路況信息，根據(jù)信息處理結(jié)果給出相應(yīng)的提示信息，存儲(chǔ)視頻信息，離線調(diào)用，對(duì)測(cè)試的情況做統(tǒng)計(jì)分析?？刂破脚_(tái)用于將信息實(shí)時(shí)發(fā)送到車(chē)載終端，控制路側(cè)設(shè)備做出相應(yīng)的指示，如調(diào)整紅綠燈等。

2 典型場(chǎng)景功能測(cè)試

對(duì)車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)中人、車(chē)、路的協(xié)同狀況進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要建立基于車(chē)路協(xié)同典型場(chǎng)景的功能測(cè)試系統(tǒng)[7]。首先需要對(duì)測(cè)試場(chǎng)景做出合理的描述，以模擬真實(shí)的交通環(huán)境，包括實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、交通狀況、智能路側(cè)設(shè)備等；其次，需要制定可具體實(shí)施的測(cè)試方案，以確保車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。

2.1 測(cè)試場(chǎng)景描述

2.1.1 測(cè)試場(chǎng)地選擇

基于對(duì)車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)各項(xiàng)功能的分析，選擇一個(gè)交叉口及外延的兩條主干道作為測(cè)試場(chǎng)地，場(chǎng)景為城市路段，直行路段為雙向多車(chē)道，交叉口符合交通標(biāo)準(zhǔn)。

測(cè)試場(chǎng)地要求具備的主要設(shè)施包括路口監(jiān)視攝像頭、基本路側(cè)設(shè)備、行人及排隊(duì)檢測(cè)攝像頭、智能路側(cè)終端、交通信號(hào)控制設(shè)備等。本文選取的典型測(cè)試場(chǎng)地如圖2所示，為典型十字路口。

圖2 測(cè)試場(chǎng)示意圖

2.1.2 交通設(shè)備部署

車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)運(yùn)行在現(xiàn)有的示范平臺(tái)上，交叉口路段原有的監(jiān)控?cái)z像機(jī)、路側(cè)設(shè)備、信號(hào)燈等設(shè)備保持不變。在交通設(shè)備部署方案中新增行人及車(chē)輛排隊(duì)檢測(cè)攝像頭的部署、智能路側(cè)終端及與其他路側(cè)裝置的連接。智能路側(cè)終端包含處理器、基站數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)與傳感器接口等設(shè)備[8]，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部連接關(guān)系如圖3所示。

圖3 智能路側(cè)終端內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部連接

1) 嵌入式視頻辨識(shí)處理器

圖像處理器與交叉口路段攝像頭相互連接，通過(guò)監(jiān)控圖像可分析交叉口車(chē)流、道路與行人的狀態(tài)，并對(duì)交通違章、交通異常等狀況進(jìn)行辨識(shí)。借助該辨識(shí)處理器，可將圖像信息轉(zhuǎn)換為特征數(shù)據(jù)信息，提高信息的利用價(jià)值，降低檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的通信要求。

2) 接口服務(wù)器

接口服務(wù)器用于完成常規(guī)路側(cè)傳感器信號(hào)接入與信息轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)典型路側(cè)設(shè)備如信號(hào)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)字量的輸入接口，又要能兼容典型的RS232/485、CAN等接口，并進(jìn)行相應(yīng)通信協(xié)議的定制轉(zhuǎn)換。

3) 網(wǎng)絡(luò)接口

網(wǎng)絡(luò)接口包含無(wú)線和有線2個(gè)接口，其中：交叉口路段短距離范圍的通信由WIFI/DSRC/4G完成，用于無(wú)線路側(cè)設(shè)備、近距離移動(dòng)車(chē)輛與行人的通信；遠(yuǎn)程的信息服務(wù)、管理由TCP/IP寬帶網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)。

4) 基站數(shù)據(jù)庫(kù)

基站數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)連接交叉口路段的地圖、路況和交通等信息，為附近的車(chē)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(tái)記錄連接路段的運(yùn)行數(shù)據(jù)信息。

5) 基站GPS

基站GPS用于提供連接交叉口路段的地理位置，方便車(chē)輛的多路段信息搜索。此外，還可提供地理位置參考基準(zhǔn)，為附近車(chē)輛基于差分技術(shù)的GPS定位提供幫助。

6) RSU處理器

該處理器負(fù)責(zé)交叉口路段信息融合處理以辨識(shí)交通狀態(tài)。根據(jù)交叉口路段狀態(tài)和交通控制發(fā)布交通信息，處理交通信息的存儲(chǔ)與檢索。

路口攝像頭通過(guò)TCP/IP與智能路側(cè)終端內(nèi)的處理器相連。信號(hào)燈、地感線圈等路側(cè)設(shè)備一般有RS485和TCP/IP兩類接口，對(duì)于RS485接口的設(shè)備，直接通過(guò)智能終端的接口服務(wù)器將設(shè)備與智能路側(cè)終端處理器相連接。對(duì)于有TCP/IP接口的設(shè)備，通過(guò)內(nèi)部以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)路側(cè)設(shè)備與智能路側(cè)終端的連接。

智能路側(cè)終端安裝在信號(hào)燈旁一側(cè)，行人及車(chē)輛排隊(duì)檢測(cè)攝像機(jī)的安裝示意圖如圖4所示。

交叉口的4根信號(hào)燈桿位置分別安裝1臺(tái)用于檢測(cè)行人和車(chē)流量的攝像機(jī)。攝像機(jī)的具體位置和角度可根據(jù)交叉口的現(xiàn)場(chǎng)狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖4 行人及車(chē)輛排隊(duì)檢測(cè)攝像機(jī)安裝示意圖

2.2 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

2.2.1 交叉口測(cè)試方案設(shè)計(jì)

通過(guò)車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)功能分析，可得出在交叉口典型應(yīng)用的功能，包括行人橫穿提醒、無(wú)信號(hào)燈的車(chē)速引導(dǎo)與協(xié)調(diào)、信號(hào)燈的智能配時(shí)、基于車(chē)路協(xié)同的交叉口預(yù)警功能。

1) 行人橫穿提醒

利用S7-5～S7-8共4路行人檢測(cè)攝像機(jī)檢測(cè)各交叉口處行人，如圖5所示。車(chē)輛正常行駛在各個(gè)路段上，D7-5區(qū)域突然出現(xiàn)2位行人開(kāi)始橫穿馬路，行人檢測(cè)攝像機(jī)S7-5立刻捕捉到該信息，經(jīng)過(guò)處理后將行人信息通過(guò)TCP/IP發(fā)送到智能路側(cè)終端，智能路側(cè)終端自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信息到該路線行駛車(chē)輛的車(chē)載手機(jī)上，車(chē)輛接收到信息后，控制車(chē)輛減速行駛以避讓行人。

圖5 行人橫穿提醒示意圖

2) 無(wú)信號(hào)燈車(chē)速引導(dǎo)與協(xié)調(diào)

當(dāng)交叉口無(wú)信號(hào)燈或信號(hào)燈故障時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)車(chē)載手機(jī)定位的車(chē)輛位置、車(chē)速等信息和車(chē)輛檢測(cè)攝像機(jī)檢測(cè)到的車(chē)輛排隊(duì)信息進(jìn)行車(chē)輛間的信息交互。當(dāng)多輛車(chē)同時(shí)駛?cè)霑r(shí)，智能路側(cè)終端可發(fā)送最佳車(chē)速引導(dǎo)信息到車(chē)載手機(jī)，引導(dǎo)各種車(chē)輛協(xié)同通過(guò)該交叉口。

3) 信號(hào)燈的智能配時(shí)

如圖6所示，該場(chǎng)景涉及11輛測(cè)試車(chē)。假設(shè)11輛車(chē)輛按照固定的時(shí)間間隔均勻到達(dá)交叉口，如果按傳統(tǒng)信號(hào)燈固定配時(shí)，交叉口的延誤及停車(chē)次數(shù)必然大大增加。該系統(tǒng)可借助S7-1～S7-4車(chē)輛排隊(duì)檢測(cè)攝像機(jī)監(jiān)測(cè)D7-1～D7-4路段的車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度，通過(guò)交通信號(hào)優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)對(duì)交叉口信號(hào)燈的智能控制，降低交叉口平均延誤時(shí)間和停車(chē)次數(shù)，從而提高交叉口車(chē)輛通行效率并減緩交通擁堵。

4) 基于車(chē)路協(xié)同的交叉口預(yù)警

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)盲區(qū)、左轉(zhuǎn)輔助等預(yù)警。① 左轉(zhuǎn)輔助預(yù)警：交叉口轉(zhuǎn)彎處，系統(tǒng)根據(jù)車(chē)輛GPS位置信息和車(chē)輛行駛軌跡，判斷車(chē)輛有左轉(zhuǎn)趨勢(shì)。車(chē)輛在左轉(zhuǎn)的過(guò)程中，攝像機(jī)將檢測(cè)到的行人、車(chē)輛排隊(duì)信息傳輸給智能路側(cè)終端，智能路側(cè)終端將當(dāng)前交叉口行人信息和視頻信息發(fā)送到車(chē)載手機(jī)，并提示相應(yīng)的預(yù)警信息。② 盲區(qū)預(yù)警：利用車(chē)輛及行人檢測(cè)攝像機(jī)檢測(cè)交叉口人行道行人和車(chē)輛狀況。當(dāng)車(chē)輛在正常行駛過(guò)程中，根據(jù)車(chē)輛GPS位置信息及行駛軌跡，智能路側(cè)終端將車(chē)輛前進(jìn)區(qū)域的視頻信息發(fā)送到車(chē)載手機(jī)，并發(fā)送相應(yīng)的預(yù)警信息。

圖6 信號(hào)燈智能配時(shí)

2.2.2 路段測(cè)試方案設(shè)計(jì)

交叉口附近路段的典型應(yīng)用功能包括基于路段路況信息的預(yù)警、路段擁堵提醒、基于車(chē)路協(xié)同的車(chē)速引導(dǎo)與優(yōu)先通行。

1) 基于路段路況信息的預(yù)警

根據(jù)手機(jī)定位的車(chē)輛信息發(fā)送相應(yīng)路況信息。將該路段的特殊狀況上傳到系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到有車(chē)輛駛?cè)朐撀范螘r(shí)，及時(shí)發(fā)送提示信息到車(chē)載手機(jī)，實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能，如道路施工、前方事故、禁止通行、隧道、限速提醒等。

2) 路段擁堵提醒

利用交叉口車(chē)流量監(jiān)控?cái)z像機(jī)統(tǒng)計(jì)交叉口各方向的車(chē)流量狀況。當(dāng)該路段出現(xiàn)車(chē)流量較大、車(chē)輛擁堵情況時(shí)，根據(jù)手機(jī)定位的車(chē)輛位置信息，智能路側(cè)終端將發(fā)送信息到正在駛向該路段的車(chē)輛，提醒車(chē)輛前方路段擁堵。

3) 車(chē)速引導(dǎo)與優(yōu)先通行

當(dāng)車(chē)輛正常行駛在交叉口一側(cè)的路段時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)車(chē)輛行駛速度和當(dāng)前交叉口紅綠燈顯示狀況，通過(guò)智能算法對(duì)車(chē)輛應(yīng)當(dāng)進(jìn)行減速行駛還是加速行駛做出決策，以利于節(jié)能。

當(dāng)路段出現(xiàn)特殊車(chē)輛時(shí)，攝像機(jī)捕捉到特殊車(chē)輛后，路側(cè)終端發(fā)送指令到交通信號(hào)機(jī)，控制信號(hào)機(jī)確保特殊車(chē)輛通行，保持綠燈暢行。

3 初步測(cè)試及其分析

車(chē)載端導(dǎo)航測(cè)試界面如圖7所示。

圖7 車(chē)載端導(dǎo)航測(cè)試界面

行人橫穿測(cè)試：行人穿越路面過(guò)程中，路側(cè)終端可檢測(cè)到行人穿越路面，并可同時(shí)檢測(cè)前方是否有車(chē)輛駛過(guò)。路側(cè)終端可及時(shí)將行人穿越信息發(fā)送到車(chē)載端，提醒車(chē)輛注意前方有行人穿越。

智能信號(hào)燈測(cè)試：在交叉路口處車(chē)輛數(shù)量較多，攝像機(jī)可監(jiān)控路面車(chē)輛排隊(duì)狀況，并采用智能算法最優(yōu)化通行效率，自動(dòng)給紅綠燈智能配時(shí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文探討了車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景測(cè)試技術(shù)，并提出了車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景測(cè)試方案。某交叉路口的實(shí)際道路場(chǎng)景測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了所推出場(chǎng)景測(cè)試方案的合理性與可行性，可為協(xié)同系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景測(cè)試設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 葛滿強(qiáng).車(chē)路協(xié)同環(huán)境下多模式通信平臺(tái)設(shè)計(jì)與典型場(chǎng)景應(yīng)用[D].北京：北京交通大學(xué),2015.

[2] SUN R,HU J,XIE X,et al.Variable Speed Limit Design to Relieve Traffic Congestion based on Cooperative Vehicle Infrastructure System[J].Procedia-social and Beha-vioral Sciences,2014(138):427-438.

[3] NAKANISHI Y J.Vehicle and Road Automation[M].Berlin,Heidelberg：Springer Handbook of Automation,Springer Berlin Heidelberg，2009：1165-1180.

[4] 張家銘.車(chē)路協(xié)同仿真系統(tǒng)測(cè)試及其驗(yàn)證方法研究[D].北京:北京交通大學(xué),2014.

[5] 千方科技. 建設(shè)北京首個(gè)智能汽車(chē)與智慧交通示范區(qū)[J].交通建設(shè)與管理,2016(Z1):104-105.

[6] 易振國(guó).車(chē)路協(xié)同實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)及安全控制技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2011.

[7] 柴少丹.車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)功能測(cè)試與評(píng)價(jià)方法研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2013.

[8] 王博思，祖暉，陳新海，等.基于專用短程通信技術(shù)DSRC的智能車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].激光雜志，2017，38(6):147-150.