基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的交叉口交通信號控制系統(tǒng)研究

陳利紅

摘? 要： 文章闡述了交通信號控制系統(tǒng)與車聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵和外延，以及車聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別，分析了車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景、關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)以及車聯(lián)網(wǎng)目前的應(yīng)用場景。詳細(xì)介紹了車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通管理交通信號控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，該系統(tǒng)能減少交叉口的擁堵，提高道路通行能力，改善交通通行安全。

關(guān)鍵詞： 智能交通系統(tǒng); 車聯(lián)網(wǎng); 交通信號控制系統(tǒng); 交通通行安全

中圖分類號：U495? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）01-09-04

Abstract： In order to improve the traffic condition of intersections， to enhance the traffic efficiency and to reduce the potential danger of road traffic， this paper expounds the intension and extension of traffic signal systems and Internet of Vehicles， as well as the difference between Internet of Vehicles and Internet of Things， analyzes the development prospect of Internet of Vehicles、key technology and the application scenarios of Internet of Vehicles. The application of Internet of Vehicles technology in the traffic management of traffic signal control system is introduced in detail， the system can reduce the intersection congestion， improve the traffic capacity and improve the traffic safety.

Key words： ITS; Internet of Vehicles; traffic signal control system; traffic safety

0 引言

交通信號燈是交通信號的重要組成部分，由紅燈（開啟表示禁止通行）、黃燈（開啟表示警示）、綠燈（開啟表示允許通行）組成，適用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信號控制機控制，指導(dǎo)車輛和行人安全有序地通行。然而，現(xiàn)行的交通通行管理系統(tǒng)中，交通信號燈僅僅起到引導(dǎo)交通車輛的通行的作用，無法避免機動車輛闖紅燈的情況。通常，車輛在到達(dá)交叉路口時綠燈僅剩下幾秒即結(jié)束，此時駕駛員由于客觀或者主觀感知的原因無法準(zhǔn)確判斷他能否順利地通過交叉路口。如果駕駛員判斷失誤，不但會影響車道車輛的通行，還增加了交通事故的發(fā)生幾率。

車聯(lián)網(wǎng)（Internet of vehicles）是一種依據(jù)特定通信協(xié)議，實現(xiàn)車—X（X：車、路、行人及互聯(lián)網(wǎng)等）之間的無線通信和信息交換的大型網(wǎng)絡(luò)，也是一種能夠?qū)崿F(xiàn)智能交通與動態(tài)信息服務(wù)的一體化網(wǎng)絡(luò)。車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通系統(tǒng)領(lǐng)域的典型應(yīng)用，也被視為下一代移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分[1]。車聯(lián)網(wǎng)有望徹底解決目前存在的一些交通難題，如交通事故、交通擁塞等[2]。

本文對單個交叉路口交通信號燈控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計了一種新的交叉路口交通信號燈系統(tǒng)，實現(xiàn)智能交通。該系統(tǒng)利用無線信號對交通信號燈發(fā)送信號，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確控制，以規(guī)避闖紅燈的現(xiàn)象，保證交通通行安全。

1 車聯(lián)網(wǎng)

1.1 定義

車聯(lián)網(wǎng)是指裝載在車輛上的電子標(biāo)簽通過無線射頻等識別技術(shù)。實現(xiàn)在信息網(wǎng)絡(luò)平臺上對所有車輛的屬性信息和靜、動態(tài)信息進(jìn)行提取和有效利用。總結(jié)來說，車聯(lián)網(wǎng)就是車內(nèi)是個局域網(wǎng)，車跟車組成車際網(wǎng)，車網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)相連，三者基于統(tǒng)一的協(xié)議，實現(xiàn)人、車、路、云之間數(shù)據(jù)互通，并最終實現(xiàn)智能交通、智能汽車、智能駕駛等功能。

1.2 車聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)系

國際電信聯(lián)盟（ITU）給物聯(lián)網(wǎng)的定義是：物聯(lián)網(wǎng)主要解決物品到物品油（thing to thing，T2T），人到物品（human to thing，H2T），人到人（human to Human，H2H）之間的互連。

車聯(lián)網(wǎng)是一類物聯(lián)網(wǎng)，是物聯(lián)網(wǎng)在城市交通網(wǎng)絡(luò)中的具體應(yīng)用。車聯(lián)網(wǎng)通過車輛網(wǎng)絡(luò)動態(tài)地收集、分發(fā)和處理數(shù)據(jù)，使用無線通信方式共享信息，實現(xiàn)汽車與汽車、汽車與建筑物，以及汽車與其他基礎(chǔ)設(shè)施之間的信息交換，使汽車與城市網(wǎng)絡(luò)相互連接。車聯(lián)網(wǎng)可以幫助實現(xiàn)汽車與路上的行人和自行車、汽車與非機動車之間的“對話”[3]。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 車聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

從網(wǎng)絡(luò)上看，車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是一個“端管云”三層體系，如圖1所示。

第一層（端系統(tǒng)）：端系統(tǒng)是汽車的智能傳感器，負(fù)責(zé)采集與獲取車輛的智能信息，感知行車狀態(tài)與環(huán)境;是具有車內(nèi)通信、車間通信、車網(wǎng)通信的泛在通信終端;同時還是讓汽車具備車聯(lián)網(wǎng)尋址和網(wǎng)絡(luò)可信標(biāo)識等能力的設(shè)備。

第二層（管系統(tǒng)）：解決車與車（V2V）、車與路（V2R）、車與網(wǎng)（V2I）、車與人（V2H）等互聯(lián)互通，實現(xiàn)車輛自組網(wǎng)以及多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的通信與漫游，在功能和性能上保障實時性、可服務(wù)性與網(wǎng)絡(luò)泛在性，同時它是公網(wǎng)與專網(wǎng)的統(tǒng)一體。

第三層（云系統(tǒng)）：車聯(lián)網(wǎng)是一個云架構(gòu)的車輛運行信息平臺，它的生態(tài)鏈包含了ITS、物流、客貨運、危特車輛、汽修汽配、汽車租賃、企事業(yè)車輛管理、汽車制造商、4S店、車管、保險、緊急救援、移動互聯(lián)網(wǎng)等，是多源海量信息的匯聚，因此需要虛擬化、安全認(rèn)證、實時交互、海量存儲等云計算功能。

1.3.2 ITS

ITS即智能交通。是將先進(jìn)的傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息發(fā)布技術(shù)等有機地運用于整個交通運輸管理體系而建立起的一種實時的、準(zhǔn)確的、高效的交通運輸綜合管理和控制系統(tǒng)。

1.3.3 RFID技術(shù)

RFID，是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別。它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便?；镜腞FID系統(tǒng)由標(biāo)簽（Tag）、閱讀器（Reader）、天線（Antenna）組成。其工作原理如圖2所示。

1.3.4 CAN技術(shù)

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）的簡稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)。是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。

1.3.5 云計算

云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算服務(wù)模型，云可以劃分為云基礎(chǔ)設(shè)施、云平臺、云應(yīng)用及云客戶端四個層次。云計算中最關(guān)鍵的是虛擬化技術(shù)，即將硬件資源或操作系統(tǒng)虛擬化，為上層用戶提供抽象的計算平臺，隱藏底層的物理實現(xiàn)。

2 車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

車聯(lián)網(wǎng)是一種全新的概念與應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景和商業(yè)價值，車聯(lián)網(wǎng)所能提供的主要應(yīng)用有：安全方面、交通管理方面、公共交通服務(wù)方面、商業(yè)增值服務(wù)方向等。

2.1 交叉口交通信號控制系統(tǒng)

交通信號控制系統(tǒng)（AITS100）是集現(xiàn)代計算機、通信和控制技術(shù)于一體的區(qū)域交通信號實時聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對路口交通信號的實時控制、進(jìn)行區(qū)域協(xié)調(diào)控制、中心和本地的優(yōu)化控制。具有路口狀態(tài)的實時查詢與監(jiān)控，路口信號燈的故障定位，配時方案的實時上傳與下載等功能。交通信號控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，交通信號管理服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備，路口交通信號機組成，其系統(tǒng)架構(gòu)見圖3。

2.2 基于車聯(lián)網(wǎng)的交叉口交通信號系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的交叉口交通信號系統(tǒng)由交通信號燈系統(tǒng)、信號發(fā)射模塊、信號接收模塊和車載控制模塊，其中，所述信號發(fā)射模塊與交通信號燈系統(tǒng)相連接，信號接收模塊和車載控制模塊均安裝在車輛上。信號發(fā)射模塊與信號接收模塊之間進(jìn)行無線通信。系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖4所示。

2.2.2 工作原理

信號發(fā)射模塊讀取自身所在的方向交通信號燈系統(tǒng)的狀態(tài)（倒計時信號燈顯示剩余綠燈時間[4]）并發(fā)送，信號接收模塊接收信號發(fā)射模塊發(fā)送的信號，然后將信號發(fā)送給車載控制模塊（圖5）。車載控制模塊根據(jù)事先設(shè)定的閾值對車輛的運行狀態(tài)進(jìn)行控制，如果剩余時間高于閾值，則繼續(xù)行進(jìn)通過;否則進(jìn)行報警提示（圖6），駕駛員根據(jù)提示控制車輛，能有效避免駕駛員判斷失誤導(dǎo)致闖紅燈。

3 結(jié)束語

借助車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的RFID技術(shù)、CAN技術(shù)以及云計算技術(shù)等，交叉口交通信號系統(tǒng)更加智能化，交通管理更加精細(xì)化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本文提出的基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的交通信號控制系統(tǒng)輔助駕駛員準(zhǔn)確判斷能否在綠燈結(jié)束前通過交叉路口（即選擇通過區(qū)），且提醒車輛在行進(jìn)方向上遵從信號燈的指引，可以有效地減少交叉口擁堵，提高道路通行能力，改善交通通行安全，為城市交通提供便利。

今后的研究中，將重點解決以下問題：實現(xiàn)對多個路口的協(xié)同控制。

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