智能車路協(xié)同環(huán)境下實時動態(tài)可變車道控制信息系統(tǒng)方案設(shè)計

毛麗娜 周桂良 劉群喆

摘? 要：文章提出了實時動態(tài)可變車道的控制信息系統(tǒng)方案。根據(jù)可變車道信息控制功能分析提出了IVICS架構(gòu)，包括智能車載系統(tǒng)、智能路側(cè)信息系統(tǒng)和信息控制平臺。其中路側(cè)信息系統(tǒng)又包括路側(cè)信息獲取子系統(tǒng)、路側(cè)信息交互子系統(tǒng)和路側(cè)信息發(fā)布與控制子系統(tǒng)。在車路協(xié)同信息交互子系統(tǒng)運作基礎(chǔ)上，構(gòu)建了可變車道實時控制信息系統(tǒng)方案，為IVICS下實時動態(tài)可變車道協(xié)同控制提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：智能車路協(xié)同;可變車道;信息控制;系統(tǒng)方案

中圖分類號：F506??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： The paper puts forward the scheme of control information system on real-time dynamic reversible lane. The IVICS architecture is proposed according to the information control function analysis on the reversible lane， including the intelligent vehicle system， intelligent roadside information system and information control platform. The roadside information system includes the information acquisition subsystem， the information interaction subsystem and the information distribution and control subsystem. The real-time control information system scheme on reversible lane is constructed basing on the operation of vehicle-infrastructure cooperative interaction subsystem， which provides technological support for the cooperative control of real-time dynamic reversible lane in IVICS.

Key words： intelligent vehicle infrastructure cooperative system（IVICS）; reversible lane; information control; systematic scheme

1? 智能車路協(xié)同環(huán)境概述

智能車路協(xié)同環(huán)境（Intelligent Vehicle Infrastructure Cooperative System，IVICS）是利用現(xiàn)代通訊技術(shù)、檢測感知技術(shù)等實現(xiàn)交通系統(tǒng)中人、車、路、環(huán)境的實時信息交互的智能化交通大環(huán)境。在IVICS中，車輛安全、道路通行能力及交通系統(tǒng)智能化程度均得到明顯提升，有限的道路資源被高效利用，達(dá)到緩解交通擁堵的目的，形成安全、高效、舒適、環(huán)保、智能的交通環(huán)境[1]。IVICS通過集成智能車載子系統(tǒng)、智能路側(cè)子系統(tǒng)和信息平臺，達(dá)到交通系統(tǒng)中人、車、路、環(huán)境的實時信息交互和協(xié)同，實現(xiàn)智能決策和實時協(xié)同控制等目標(biāo)。IVICS對實時動態(tài)可變車道應(yīng)用的支持如圖1所示。車輛通過車路信息交互接收實時道路信息，并獲取路側(cè)交通信號狀態(tài)信息，全方位提升對行駛環(huán)境的信息感知程度，從而能夠安全高效地在動態(tài)可變車道上行駛。

2? 智能車路協(xié)同控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

智能車載系統(tǒng)（車端）、智能路側(cè)系統(tǒng)（路側(cè)端+云端）和信息控制平臺是構(gòu)成智能車路協(xié)同系統(tǒng)的三個核心部分。其中，智能路側(cè)系統(tǒng)通過路況信息歸集與邊緣側(cè)計算，達(dá)到對路況的數(shù)字化感知和就近云端算力部署;智能車載系統(tǒng)通過車載端的海量數(shù)據(jù)實時處理和多傳感器數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)車輛在各種復(fù)雜環(huán)境下安全、穩(wěn)定行駛;信息控制平臺則為車—車、車—路間的實時信息傳輸提供通道，以高可靠、低延時、快速接入的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實現(xiàn)路側(cè)端與車端的實時信息交互與控制。這三個部分的銜接協(xié)作形成了智慧交通場景下協(xié)同感知與協(xié)同決策的閉環(huán)。

2.1? 智能車載信息系統(tǒng)

智能車載信息系統(tǒng)由車載信息獲取子系統(tǒng)和車載通信子系統(tǒng)構(gòu)成[2-3]。它利用各種傳感器和車載計算機(jī)獲取車輛行車狀態(tài)、周邊車輛信息及行車環(huán)境信息等，通過智能車載通信設(shè)備實現(xiàn)車—車、車—路實時信息交互。智能車載系統(tǒng)功能的發(fā)揮取決于源信息獲取的覆蓋面及信息交互的時效。類型豐富的傳感器、衛(wèi)星定位系統(tǒng)和車輛CAN網(wǎng)絡(luò)是提供車輛相關(guān)源信息的主要途徑，低延時高速無線通信技術(shù)為實時信息交互提供保證。其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2? 智能路側(cè)信息系統(tǒng)

智能路側(cè)信息系統(tǒng)由信息收集子系統(tǒng)、信息交互子系統(tǒng)、信息發(fā)布與控制子系統(tǒng)三部分組成。它以多接入邊緣計算單元為中心（MEC），通過視覺、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等收集道路狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過實時動態(tài)差分定位（Real-time Kinematic，RTK）基站收集位置服務(wù)數(shù)據(jù)[4]，以信號設(shè)施作為信號數(shù)據(jù)源及交通控制信息發(fā)布端，通過智能路側(cè)通信設(shè)備向車載信息系統(tǒng)發(fā)布車路通信數(shù)據(jù)。

2.2.1? 系統(tǒng)需求分析

實時動態(tài)可變車道的應(yīng)用要解決的關(guān)鍵問題之一是如何通過交通信息的動態(tài)感知與實時交互為車道控制與車輛引導(dǎo)提供決策依據(jù)。而數(shù)據(jù)感知、交通安全、數(shù)據(jù)服務(wù)等也正是智能路側(cè)信息系統(tǒng)要實現(xiàn)的基礎(chǔ)功能。（1）數(shù)據(jù)感知功能。地磁、視頻設(shè)備、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)識別目標(biāo)以及RTK基站實時數(shù)據(jù)等是智能路側(cè)信息系統(tǒng)感知數(shù)據(jù)的主要途徑，還可根據(jù)動態(tài)可變車道的數(shù)據(jù)需求增加感知終端類型。（2）交通安全控制。這一功能主要是為了彌補(bǔ)復(fù)雜駕駛環(huán)境中駕駛員主觀安全行為存在的不足，包括對危險事件的感知、預(yù)警和控制、車輛危險行為、道路危險路段及惡劣天氣的警告等，特別是當(dāng)車輛誤闖入可變車道禁行區(qū)時進(jìn)行自動緊急制動。（3）數(shù)據(jù)服務(wù)功能。智能路側(cè)信息系統(tǒng)通過V2X通信、LED屏幕、道釘燈、可變信息板、可變信號燈等多種方式和渠道向車輛提供數(shù)據(jù)服務(wù)，包括實時高精地圖分發(fā)、差分?jǐn)?shù)據(jù)分發(fā)以及信息控制平臺發(fā)布的實時道路控制信息。

2.2.2? 路側(cè)信息獲取子系統(tǒng)

通過路側(cè)信息感知設(shè)備，收集實時動態(tài)可變車道控制需要的交通信息，再由通信設(shè)備將其發(fā)送至基站;同時車路通信系統(tǒng)將相關(guān)信息發(fā)送至涉及管控的車輛。對交通流量、車流密度、排隊長度等信息的精確檢測，是動態(tài)可變車道有效運行的重要保證，也是路側(cè)信息獲取子系統(tǒng)必須具備的基本功能。此外，還可以采集駕駛員危險駕駛行為、交通事故、惡劣天氣等方面的信息，對駕駛員換道、跟車等行為進(jìn)行預(yù)警和引導(dǎo)。

2.2.3? 路側(cè)信息交互子系統(tǒng)

路側(cè)信息交互子系統(tǒng)承擔(dān)車路信息交互以及路側(cè)與信號控制系統(tǒng)之間的通信功能。路側(cè)通信單元（RSU）和道釘燈、可變信號燈等交通信號設(shè)備互聯(lián)，發(fā)布信號燈指令、交通偶發(fā)事件、路面狀態(tài)等信息。為了提高信息交互的集成性，同時降低設(shè)備成本，路側(cè)信息交互子系統(tǒng)與車載終端之間采用無線通信接口，而與交通信號設(shè)備之間可采用有線通信、無線通信或按位發(fā)送和接收字節(jié)的串口通信等多種通信方式。

2.2.4? 交通信息發(fā)布與控制子系統(tǒng)

通過道路信號控制系統(tǒng)與信息控制平臺相連的通信設(shè)備，交通信息發(fā)布與控制子系統(tǒng)將可變車道的實時控制信息發(fā)送至道路信號控制系統(tǒng)中。道路信號控制系統(tǒng)按發(fā)送的指令對道路信號設(shè)備進(jìn)行動態(tài)控制，引導(dǎo)車輛在可變車道中的行駛。交通信號設(shè)備與路側(cè)信息系統(tǒng)互聯(lián)，完成信號燈指令和交通狀態(tài)信息的交互，其通信內(nèi)容主要包括：（1）信號燈指令信息。道釘燈指令用于引導(dǎo)車流的行駛方向。信號燈模塊實時信息包含交叉口入口方向，車道方向，可變車道通行狀態(tài)，安全區(qū)段設(shè)置，交叉口主、預(yù)信號燈時間及相位等可變車道中所有車道控制信息。（2）交通狀態(tài)信息。交通狀態(tài)信息主要用于描述路側(cè)信息收集子系統(tǒng)感知到的車道交通狀況。而交通狀態(tài)信息由實時交通數(shù)據(jù)和歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)組成，主要包括車道數(shù)量、車道類型、交通量、占有率、車速、車長、行車時間、車道隊列長度、交叉路口位置、入口方向等，經(jīng)信息控制平臺融合處理后，由交通信息控制與發(fā)布系統(tǒng)提供給道路與車輛。

2.3? 車路協(xié)同信息交互子系統(tǒng)運作方式

從車路信息交互內(nèi)容、交互過程以及各子系統(tǒng)之間的通信參數(shù)、消息類型等方面，提出一種面向應(yīng)用層設(shè)計的信息交互方式。先確定車路信息交互的基本通信參數(shù)，然后分析其物理鏈接過程和數(shù)據(jù)握手過程，進(jìn)而確定交互的數(shù)據(jù)類型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。車路協(xié)同信息交互實體包括道路中具有通訊和信息梳理能力的車載通信子系統(tǒng)和智能路側(cè)設(shè)備。這些通信設(shè)備與信息處理平臺信息交互的接口與標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過統(tǒng)一后即可建立鏈接，獲得可變車道中通信實體的信息共享[5-6]。

3? 可變車道實時控制信息系統(tǒng)方案

IVICS下，構(gòu)建可變車道實時控制信息系統(tǒng)，以實時、多源數(shù)據(jù)為依據(jù)對可變車道進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化和精準(zhǔn)調(diào)控，可實現(xiàn)可變車道與車輛的安全、高效協(xié)同運行，如圖3所示。

3.1? 可變車道控制系統(tǒng)功能設(shè)計

IVICS下的可變車道實時控制信息系統(tǒng)需要進(jìn)行交通數(shù)據(jù)的收集與發(fā)送、數(shù)據(jù)處理與智能決策、交通異常信息預(yù)警、禁行區(qū)車輛緊急制動和信號控制與信息發(fā)布，該系統(tǒng)的主要功能如圖4所示。（1）交通數(shù)據(jù)的收集與發(fā)送。路側(cè)傳感器、車載傳感器等信息收集設(shè)備負(fù)責(zé)收集實時交通數(shù)據(jù)并發(fā)送至信息控制平臺供數(shù)據(jù)共享與交互。（2）數(shù)據(jù)處理與智能決策。信息控制平臺通過邊緣計算準(zhǔn)確、快速地對接收到的大量實時路況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，為可變車道的實時管控提供決策依據(jù)，實現(xiàn)道路信號控制系統(tǒng)指示的實時智能更新，從而指引車輛安全、高效的行駛。（3）交通異常信息預(yù)警。交通異常狀況的識別與預(yù)測是信息控制平臺的重要功能之一，包括發(fā)布整個路段區(qū)域的實時情況并進(jìn)行交通異常分析與預(yù)測，進(jìn)而對相關(guān)駕駛員提示預(yù)警或給予警告，提前消解隱患。（4）禁行區(qū)車輛緊急自動制動。一旦可變車道中有車輛誤入禁行區(qū)，威脅行車安全，信息控制平臺將依據(jù)位置信息發(fā)送禁行指令給相關(guān)車輛，讓誤入車輛實施緊急自動制動。（5）信號控制與信息發(fā)布。信息控制平臺依據(jù)智能決策結(jié)果，對車輛和路側(cè)進(jìn)行相關(guān)信息發(fā)布和信號控制，從而實現(xiàn)車路高效協(xié)同。

3.2? 信號及安全控制模塊設(shè)計

3.2.1? 信號控制模塊

信息控制平臺依據(jù)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行信號控制方案智能決策，并由智能路側(cè)設(shè)備實時發(fā)布信號方案，從而引導(dǎo)車輛安全、高效的運行。信號控制模塊主要由信號控制方案計算和交通信號燈控制兩部分組成，是實現(xiàn)可變車道實時控制的關(guān)鍵設(shè)置之一。（1）信號控制方案計算。以車輛行駛安全和車路協(xié)同高效為目標(biāo)，根據(jù)多源數(shù)據(jù)和智能決策模型對信號控制方案進(jìn)行計算，生成實時最優(yōu)的信號控制方案，為道釘燈、龍門架顯示牌、交叉口信號燈、信息顯示板等設(shè)備提供實時數(shù)據(jù)。（2）交通信號燈控制。交通信號燈是駕駛員實時獲取可變車道實時控制信息的重要方式。智能路側(cè)設(shè)備將交通信號控制方案轉(zhuǎn)換為交通信號燈可識別的單片機(jī)信號并輸出至信號設(shè)備的LED燈，向駕駛員傳遞道路轉(zhuǎn)換信息及前方道路通行指引情況。通過無線通信，信息控制平臺對接入智能路側(cè)系統(tǒng)的道釘燈、龍門架顯示牌、交叉口信號燈、信息顯示板等交通信息引導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一信息控制。路側(cè)設(shè)備單元通過移動嵌入式計算機(jī)將接收自信息控制平臺的信號控制方案二進(jìn)制代碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)信號，分發(fā)給可變車道上的道釘燈，同時信息顯示板、龍門架顯示牌和交叉口信號燈相應(yīng)進(jìn)行協(xié)同變換。

3.2.2? 安全控制模塊

IVICS下，可變車道實時控制信息系統(tǒng)中的安全控制模塊可有效地進(jìn)行主動危險警示與車輛安全控制。（1）發(fā)送禁行區(qū)緊急制動指令。開啟實時動態(tài)可變車道時，為了防止對向車輛沖突，在可變車道中設(shè)置有適當(dāng)長度的緩沖區(qū)段和禁行區(qū)段。如果車輛在緩沖區(qū)段沒有及時進(jìn)行安全避讓，誤入禁行區(qū)段，可變車道信息控制系統(tǒng)安全控制模塊將發(fā)布安全警示信息至該車輛，同時利用車載通信將禁行區(qū)緊急制動指令發(fā)送至車載傳感器，使車輛在禁行區(qū)緊急自動停車。（2）安全車距控制信息。在實時動態(tài)可變車道中行駛的車輛應(yīng)始終保持安全車距，特別是在變道時，合理的安全車距不僅保證了行車安全，還能提高變道效率。當(dāng)車輛行駛車距過小時，可變車道安全控制模塊會做出主動危險警示，提示車輛注意保持車距。（3）發(fā)送清空車道指令。當(dāng)動態(tài)可變車道滿足開啟條件時，為保證輕交通流方向被借用車道內(nèi)的車輛盡快駛離原車道，安全控制模塊將向該部分車輛發(fā)送清空車道指令，促使相關(guān)可變車道盡快清空。

3.3? 信息控制平臺決策流程

車道實時控制信息描述了當(dāng)前的信號控制狀態(tài)信息，用于引導(dǎo)駕駛員安全駕駛和高效通行。交通控制信息主要包括交叉口信號配時數(shù)據(jù)、綠波引導(dǎo)速度、可變車道起終點、可變車道通行方向和可變車道運行時間等。信息控制平臺與路側(cè)通信設(shè)備進(jìn)行實時信息交互，將可變車道控制方案發(fā)布至相關(guān)信號設(shè)備。信息控制平臺接收車路實時信息后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后代入車道控制模型進(jìn)行分析，得出可變車道控制方案。信息控制平臺管控可變車道的決策過程如圖5所示。

4? 結(jié)? 論

實時動態(tài)可變車道的實施受到整體方案、營運設(shè)施、管控技術(shù)和運行環(huán)境等多方面因素的影響。只有各種要素協(xié)同作用才能充分發(fā)揮其功效，真正達(dá)到及時緩解交通流向性供需失衡的目的。本文圍繞實時動態(tài)可變車道的運行需求，設(shè)計了實時動態(tài)可變車道控制信息系統(tǒng)整體方案，提出了較為完整的實時動態(tài)可變車道控制信息系統(tǒng)應(yīng)用方案，為智能車路協(xié)同環(huán)境下開展變向交通管理提供了技術(shù)支持。

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