面向未來交通的車輛“沖突-協(xié)商”機制的設(shè)計

（北方工業(yè)大學電氣與控制工程學院交通設(shè)備與控制工程系，北京 100144）

1 研究背景及意義

隨著現(xiàn)代城市交通的高速發(fā)展和機動車保有量的不斷增長，每年道路上60%以上的交通事故由于交通沖突造成[1]，數(shù)據(jù)表明交通沖突和交通事故存在密切的正相關(guān)關(guān)系。車輛在行駛至交叉口時由于司機避讓不及時或自身因素而發(fā)生的行駛沖突，是影響交叉口的道路行車效率，擾亂城市交通秩序和危害車輛人員安全的主要原因。研究表明，由于司機疲勞駕駛造成的事故率可達總交通沖突的40%，該情況引起了國家相關(guān)部門及城市交通局的高度重視，嚴重危害車輛的行駛安全，因此，應用道路車輛輔助駕駛系統(tǒng)十分重要。

目前，我國為解決“交叉口沖突”的問題采取的主要措施是渠化交通、實行交通管制、修建立交等方法，前兩種方法可以減少車輛間的相互干擾，但人力物力資源耗費巨大[2]，修建立交可以將沖突車輛從通行空間上分開，但工程量大、消耗大量資金。由于駕駛每輛車的司機自身情況的輕重緩急有所不同，在不清楚對方車輛情況是否緊急的狀態(tài)下貿(mào)然行駛會造成對雙方車輛人員的傷害。

本文在面向當前及未來城市交通車輛行駛沖突嚴重的問題上，能夠在即將發(fā)生沖突的車輛之間構(gòu)成通信，減少城市交通事故發(fā)生率[3]，提高城市交通的安全性。

2 系統(tǒng)的設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于無線通信的“沖突-協(xié)商”機制主要由通信子系統(tǒng)、車載子系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，本系統(tǒng)設(shè)定每個車輛按目的地等級劃分行車級別即為其行車優(yōu)先級。

（1）通信子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集分析模塊和信息收發(fā)模塊組成。數(shù)據(jù)采集分析模塊是接收同局域網(wǎng)車輛發(fā)送的車輛行駛優(yōu)先級數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)分析與比較；信息收發(fā)模塊是實現(xiàn)通信子系統(tǒng)與服務(wù)端或者客戶端之間進行信息傳輸?shù)墓δ躘4]。通信子系統(tǒng)以車載子系統(tǒng)中WiFi模塊為載體實現(xiàn)整個“沖突-協(xié)商”機制功能。

（2）車載子系統(tǒng)以WiFi模塊，超聲波測距模塊和紅外線循跡模塊為主。WiFi模塊是為實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)通信，由車輛串口和模塊串口相連，實現(xiàn)車輛行駛優(yōu)先級數(shù)據(jù)→網(wǎng)絡(luò)→模塊→模塊串口→車輛串口及車輛串口→模塊串口→模塊→網(wǎng)絡(luò)→車輛行駛優(yōu)先級數(shù)據(jù)，雙向的數(shù)據(jù)透傳。超聲波測距模塊檢測兩車距離小于2 m時，開啟WiFi模塊的通信系統(tǒng)，車輛進行優(yōu)先級的發(fā)送與接收[5]。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 工作流程

（1）客戶端。

系統(tǒng)初始化后，小車開始向前行駛，超聲波開始檢測車間距離，如果車間距大于有效距離，兩車繼續(xù)前行；如果車間距小于有效距離，則本車發(fā)送優(yōu)先級數(shù)據(jù)給鄰車，且本車開始檢測是否收到鄰車行駛優(yōu)先級數(shù)據(jù)，若沒有接收到鄰車行駛優(yōu)先級數(shù)據(jù)，本車持續(xù)檢測是否接收到鄰車行駛優(yōu)先級數(shù)據(jù)[6]，若本車檢測到鄰車行駛優(yōu)先級數(shù)據(jù)，則開始判斷本車行駛優(yōu)先級是否大于鄰車，若本車行駛優(yōu)先級大于鄰車，本車繼續(xù)前進，且進行新一輪循環(huán)；若本車行駛優(yōu)先級不大于鄰車，判斷本車行駛優(yōu)先級是否小于鄰車，若小于鄰車，本車停止前進待鄰車前進后開始進行新一輪循環(huán)；若等于鄰車行駛優(yōu)先級，兩車處于死鎖狀態(tài)，兩車任意發(fā)送一個優(yōu)先級信號后開始新一輪優(yōu)先級比較循環(huán)。

（2）服務(wù)端。

系統(tǒng)初始化后，小車開始向前行駛，超聲波開始檢測車間距離，如果車間距大于有效距離，兩車繼續(xù)前行；如果車間距小于有效距離，本車檢測是否收到鄰車行駛優(yōu)先級信號，若沒有收到，本車持續(xù)檢測是否接收到鄰車行駛優(yōu)先級信號，若本車檢測到鄰車行駛優(yōu)先級信號，本車發(fā)送優(yōu)先級信號給鄰車，開始判斷本車行駛優(yōu)先級是否大于鄰車，若大于鄰車，則本車繼續(xù)行駛且進行新一輪循環(huán)，若本車行駛優(yōu)先級不大于鄰車，則判斷本車優(yōu)先級是否小于鄰車，若小于鄰車，則本車停止，等待鄰車行駛后再進入新一輪循環(huán)；若本車行駛優(yōu)先級等于鄰車，兩車處于死鎖狀態(tài)，兩車重新發(fā)送任意優(yōu)先級信號后開始新一輪接收優(yōu)先級信號循環(huán)[7]。

本系統(tǒng)包括車輛客戶端和車輛服務(wù)端，客戶端和服務(wù)端的工作流程分別如圖2所示。

圖2 客戶端工作流程圖

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

本系統(tǒng)基于Arduino開發(fā)環(huán)境，面向所有交通情景，以減少車輛沖突，提高行車效率，保證行車安全。

（1）通信子系統(tǒng)。本系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、分析、存儲和發(fā)送，用于車輛行駛優(yōu)先級在客戶端和服務(wù)端之間的信息傳遞，實現(xiàn)車與車在沖突發(fā)生時，及時進行優(yōu)先級比較。（2）車載子系統(tǒng)。車輛用超聲波測量距離少于2 m時，為避免沖突，開啟WiFi通信模塊，接收到鄰車行駛優(yōu)先級的車輛，進行優(yōu)先級的比較，以判斷本車是否繼續(xù)前進。當兩個車行駛優(yōu)先級相同時，隨機給本車發(fā)送優(yōu)先級，再次開啟WiFi通信模塊，進行新一輪的優(yōu)先級比較，直到兩車行駛優(yōu)先級不同，可以判斷車輛行駛為止。

服務(wù)端工作如圖3所示。

圖3 服務(wù)端工作流程圖

2.3 系統(tǒng)主要方法與關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 串口轉(zhuǎn)WiFi通信模式

工作原理圖如圖4所示。

圖4 串口轉(zhuǎn)WiFi模塊工作原理

本通信模式是串口服務(wù)模塊和多功能WiFi模塊相結(jié)合的通信方式，可以實現(xiàn)全透明雙向數(shù)據(jù)傳輸，支持透明協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸模式。本通信模式基于UDP通信協(xié)議，是一種無連接通信，數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程延遲小，數(shù)據(jù)的傳輸效率高，可保證車輛道路的行車安全。工作模式為AP+STA模式：AP模式即無線接入點；STA模式即無線站點是一個無線網(wǎng)絡(luò)的終端。在數(shù)據(jù)發(fā)送時，用戶設(shè)備通過串口發(fā)送車輛行駛優(yōu)先級給WiFi模塊，再通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳給服務(wù)端；在數(shù)據(jù)接收時，WiFi模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)接收服務(wù)器傳輸?shù)膬?yōu)先級，將數(shù)據(jù)通過串口傳輸給用戶，進行優(yōu)先級的比較。

2.3.2 “沖突-協(xié)商”機制

車輛行駛示意圖如圖5所示，協(xié)商過程如圖6所示。

圖5 車輛行駛示意圖

圖6 車輛協(xié)商過程示意圖

“沖突-協(xié)商”機制作為輔助駕駛系統(tǒng)[8]的重要組成部分，可應用于無人駕駛，用于解決兩輛車處于沖突狀態(tài)時，可非人為的智能操作車輛停駛，以避免沖突。在本系統(tǒng)包括超聲波測距模塊、WiFi模塊、單片機處理模塊和車輛行駛狀態(tài)顯示模塊。該機制設(shè)定每輛車都有單獨的車輛行駛優(yōu)先級，建立了一個以距離（distance）和優(yōu)先級（priority）為輸入量，以行駛狀態(tài)顯示模塊為輸出量的模型系統(tǒng)。通過距離變化和優(yōu)先級大小的比較制定了行駛狀態(tài)顯示的規(guī)則，

將距離區(qū)間分為兩級，distance≤有效距離時，為close（近）；distance＞有效距離時，為far（遠）；優(yōu)先級分為三級，分別為low（priority=1）；average（priority=2）；high（priority=3）。當兩車之間距離為close等級時，兩車會發(fā)出各自提前根據(jù)自身輕重緩急情況確定的優(yōu)先級，進行通信比較大小，達成其一優(yōu)先行駛的目的，優(yōu)先級高的車輛led燈亮綠燈繼續(xù)前行；當兩車優(yōu)先級相同時，車輛均亮紅燈停止行駛處于死鎖狀態(tài)，車輛會進行優(yōu)先級的隨機搖號進行優(yōu)先級的比較，優(yōu)先級大的一方亮綠燈優(yōu)先行駛。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 硬件實現(xiàn)

在本系統(tǒng)中，硬件部分包括檢測模塊、WiFi模塊、單片機處理模塊和車輛行駛狀態(tài)顯示模塊。檢測模塊主要包括超聲波檢測模塊，主要采用的是HC-SR04超聲波模塊，通過超聲波發(fā)射與接收的時間差計算出到障礙物的距離，探測對象為前方物體，探測距離為2～400 cm；單片機處理模塊將檢測模塊檢測到的數(shù)據(jù)進行接收、分析處理與發(fā)送；通過WiFi模塊的完全集成串口轉(zhuǎn)無線TCP/UDP傳輸功能進行與單片機處理模塊間的數(shù)據(jù)發(fā)送；車輛行駛顯示模塊是分別用綠燈和紅燈顯示車輛下一步的行駛狀態(tài)，綠燈表示繼續(xù)前進，紅燈表示停止行駛。

系統(tǒng)硬件組成示意圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)硬件組成示意圖

3.2 軟件實現(xiàn)

軟件部分主要是使用Arduino軟件的編譯和上傳功能，實現(xiàn)電腦程序下載到小車的單片機內(nèi)。即將沖突的車輛在行駛小于一定距離時，可開啟WiFi模塊進行車輛行駛優(yōu)先級的發(fā)送和接收，用戶在比較優(yōu)先級之后，車輛智能決定車輛行駛狀態(tài)。

4 試驗測試

由于場地條件的限制，本試驗測試由兩輛智能小車A和B完成。設(shè)置小車A的車輛行駛優(yōu)先級為1，小車B的車輛行駛優(yōu)先級為3，選擇超聲波檢測器的有效距離為30 cm，使兩輛小車使用紅外線循跡功能沿在地面貼設(shè)的黑色軌跡呈直角行駛。當任一小車檢測到前方30 cm內(nèi)有即將通行的另一小車時，在面臨沖突的小車間會相互發(fā)送各自的行駛優(yōu)先級，小車A的led燈亮紅燈并停止行駛，小車B的led燈亮綠燈優(yōu)先行駛。

通過多次改變小車行駛優(yōu)先級的試驗驗證，該系統(tǒng)能夠有效實現(xiàn)通過無線網(wǎng)絡(luò)比較優(yōu)先級來達到車輛避讓的目的，以有效解決車輛間的行駛沖突，保證行駛安全。

5 創(chuàng)新特色

本系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)車輛實時通信，進一步與未來無人駕駛技術(shù)相聯(lián)系；創(chuàng)新應用“沖突-協(xié)商”機制模型，提高車輛通信效率，可有效實現(xiàn)車輛智能停駛；加入超聲波測距系統(tǒng)，有效測量車輛的行駛距離，進一步提高系統(tǒng)準確率。本系統(tǒng)針對道路行車安全的問題，有效降低道路車輛的事故率并保障行車安全。

6 應用前景

因現(xiàn)階段城市道路交通阻塞嚴重，車輛事故發(fā)生率日益增加，道路安全問題形勢嚴峻，“沖突-協(xié)商”機制的應用刻不容緩。

本系統(tǒng)針對現(xiàn)階段城市因人為注意力不集中或反應遲緩造成的行車沖突、緊急時刻車輛行駛延誤大和道路通行能力低下的問題[9]，進行了有效的改進，保證了行車安全，提高了道路的通行能力。本系統(tǒng)可應用于未來車聯(lián)社交網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多源交通信息交互平臺，進一步優(yōu)化未來車聯(lián)社交網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸，使人們出行成為一種服務(wù)和享受，增加人們的使用幸福率，更大限度實現(xiàn)全社會的智能化。