基于車聯(lián)網(wǎng)的交通預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 峰，杜翠鳳，王新宇

（1.中電科普天科技股份有限公司，廣東 廣州 510310；2.廣州杰賽通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

隨著智慧城市的不斷建設(shè)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)各城市的交通路口均設(shè)置了闖紅燈自動(dòng)記錄系統(tǒng)，用于對(duì)車輛闖紅燈以及其他違規(guī)行為進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)記錄取證。該系統(tǒng)既可以對(duì)有違法傾向的駕駛員起到威懾作用，又可以解放大量的警力，減輕交警的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高交警部門的管理水平，促進(jìn)了交通秩序的良性循環(huán)，減少因交通事故造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，間接地創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。

然而，該類系統(tǒng)也存在一些不足之處：一是目前的研究方法主要采用基于視覺檢測(cè)的方法[2-5]，受一些客觀環(huán)境影響，容易導(dǎo)致駕駛員誤闖紅燈，如一些大型貨車、樹枝等障礙物遮擋視線，或者紅綠燈安裝位置比較隱蔽，導(dǎo)致駕駛員來不及反應(yīng)而誤闖紅燈；二是某些駕駛員故意遮擋車牌闖紅燈，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無法及時(shí)識(shí)別并反饋給管理部門。為此，本文提出了一種基于車聯(lián)網(wǎng)的交通預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)由車載終端設(shè)備、路側(cè)單元設(shè)備和一種基于車聯(lián)網(wǎng)的交通預(yù)警機(jī)制構(gòu)成。

1 研究現(xiàn)狀

V2X 技術(shù)是車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分。V2X 技術(shù)的各項(xiàng)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)都基于車-車、車-路的信息交互，對(duì)于每個(gè)信息交互節(jié)點(diǎn)均部署由通信設(shè)備、上層計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星定位模塊硬件設(shè)備組成的V2X 系統(tǒng)，其信息交互功能的可靠、有效、穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)V2X系統(tǒng)的成功部署至關(guān)重要[6-10]。由于車-車、車-路信息交互環(huán)境復(fù)雜多變，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆S著車輛的運(yùn)動(dòng)快速變化，城市道路環(huán)境下的車輛和建筑物遮擋會(huì)給信息交互帶來極大的不確定性，這些都給V2X 通信的可靠性帶來了挑戰(zhàn)。同時(shí)，對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)以及山區(qū)等無線信號(hào)覆蓋不完善的區(qū)域，車輛發(fā)出的求救信息或告警信息無法實(shí)現(xiàn)有效回傳，不利于車輛事故的搜救以及對(duì)于后續(xù)車輛的碰撞告警。同時(shí)，V2X 技術(shù)還存在以下缺點(diǎn)：

（1）受環(huán)境因素影響較大。由于車-車、車-路環(huán)境復(fù)雜多變，車輛的運(yùn)動(dòng)情況快速變化，城市道路中的車輛和建筑物遮擋會(huì)給車輛管理帶來很大的不確定性；同時(shí)，少量故意闖紅燈的人員會(huì)采取手段故意遮擋，干擾現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（2）缺乏主動(dòng)預(yù)警功能，車輛和交通管理系統(tǒng)缺乏信息交互。目前的紅綠燈管理系統(tǒng)跟車輛之間是沒有信息交互的，無法給予闖紅燈的車輛主動(dòng)預(yù)警提示，對(duì)于誤闖紅燈和故意闖紅燈車輛無法進(jìn)行有效區(qū)別和精細(xì)管理。

2 基于車聯(lián)網(wǎng)的交通預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

本文提供了一種基于信息交互的闖紅燈預(yù)警系統(tǒng)，車輛經(jīng)過紅綠燈路口時(shí)，可以與路側(cè)單元進(jìn)行信息交互，接收到路側(cè)單元發(fā)來的闖紅燈告警信息，車主根據(jù)告警信息提前進(jìn)行車速控制，保證安全通過紅綠燈路口。如圖1 所示，本系統(tǒng)由車輛管理中心、紅綠燈控制器、路側(cè)單元和車載單元構(gòu)成，其中車輛管理中心與紅綠燈控制器之間是有線連接，紅綠燈控制器和路側(cè)單元之間是有線連接，路側(cè)單元和車載終端之間是無線連接。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

路側(cè)單元和車載終端之間可以使用專網(wǎng)或者公網(wǎng)頻段，通過控制路側(cè)單元和車載終端的無線信號(hào)發(fā)射功率，進(jìn)而控制路側(cè)單元和車載終端之間的無線通信距離。結(jié)合市區(qū)紅綠燈的部署情況，通?？刂苾烧咧g的無線通信距離在200 m以內(nèi)，以避免車輛過早與路側(cè)單元建立通信連接，過早向行駛車輛發(fā)布預(yù)警信息，影響預(yù)警的準(zhǔn)確性。

（1）車輛管理中心：用于登記路側(cè)單元相關(guān)信息，包括路側(cè)單元設(shè)備編號(hào)、所在地理位置（站點(diǎn)）識(shí)別碼信息等；登記車輛及車載終端相關(guān)信息，包括車輛型號(hào)、車牌號(hào)碼、車主信息、車載終端的編碼信息等。

（2）路側(cè)單元（RSU）：采用定向天線技術(shù)，為用戶的車載設(shè)備提供無線網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。路側(cè)單元的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示，主要包括：設(shè)備設(shè)置模塊、紅綠燈接口模塊、信息處理模塊、信息收發(fā)模塊、信息存儲(chǔ)模塊。

圖2 路側(cè)單元設(shè)備系統(tǒng)模塊

設(shè)備設(shè)置模塊：用于設(shè)置本路側(cè)單元的相關(guān)信息，設(shè)備投入使用前向后臺(tái)進(jìn)行注冊(cè)認(rèn)證，確保設(shè)備合法接入網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)設(shè)置本設(shè)備空中接口的通信頻率、發(fā)射功率和通信協(xié)議，為車載單元提供無線接入服務(wù)。

紅綠燈接口模塊：用于連接紅綠燈控制系統(tǒng)，查詢當(dāng)前紅綠燈狀態(tài)信息。

信息處理模塊：是路側(cè)單元的計(jì)算處理中心，用于各類信息的處理。各類信息具體包括異常告警信息、接收到的車輛接入信息以及與車輛管理中心的交互信息。

信息收發(fā)模塊：采用定向天線技術(shù)，只能向來車方向發(fā)送無線信號(hào)。通過移動(dòng)通信公網(wǎng)/專網(wǎng)接收來自車輛管理中心的指令信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)接收來自車載單元的接入請(qǐng)求信息；通過移動(dòng)通信公網(wǎng)/專網(wǎng)向車輛管理中心發(fā)送本設(shè)備信息，以及轉(zhuǎn)發(fā)異常駕駛信息；采用定向天線技術(shù)向來車方向無線廣播發(fā)送本設(shè)備信標(biāo)信息。

信息存儲(chǔ)模塊：存儲(chǔ)接入該路側(cè)單元的車輛車載單元信息，以及路側(cè)單元與車輛車載單元的通信狀態(tài)信息，具體包括通信鏈路建立信息、預(yù)警信息、預(yù)警解除信息等。

（3）車載單元：車載終端的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示，主要包括設(shè)備設(shè)置模塊、異常觸發(fā)模塊、信息處理模塊、信息收發(fā)模塊、車輛OBD 接口模塊、信息存儲(chǔ)模塊、信息顯示模塊。

圖3 車載終端設(shè)備系統(tǒng)模塊

設(shè)備設(shè)置模塊：用于綁定車主及車輛信息，并向后臺(tái)進(jìn)行注冊(cè)認(rèn)證，確保合法用戶接入網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)設(shè)置本車載單元的無線通信頻率和通信協(xié)議，保障車載終端可以通過無線方式接入路側(cè)設(shè)備。

信息處理模塊：它是車載終端的計(jì)算處理中心，主要用于各類信息的處理。各類信息具體包括路側(cè)單元發(fā)來的闖紅燈預(yù)警信息、本設(shè)備異常觸發(fā)模塊發(fā)來的闖紅燈告警信息。

信息收發(fā)模塊：采用定向天線技術(shù)，可以接收車輛正前方路側(cè)單元發(fā)來的無線信號(hào)，屏蔽側(cè)面和后面的無線信號(hào)。通過移動(dòng)通信公網(wǎng)/專網(wǎng)接收來自路側(cè)單元發(fā)送的信標(biāo)信息、闖紅燈預(yù)警信息；通過無線網(wǎng)絡(luò)向路側(cè)單元發(fā)送接入請(qǐng)求信息、闖紅燈告警信息。

車輛OBD 接口模塊：用于連接車輛控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)讀取車輛行駛信息。

信息存儲(chǔ)模塊：存儲(chǔ)接入的路側(cè)單元信息，以及路側(cè)單元與車輛車載單元的通信狀態(tài)信息，具體包括通信鏈路建立信息、預(yù)警信息、預(yù)警解除信息以及車載單元的異常模塊發(fā)布的闖紅燈告警信息等。

異常觸發(fā)模塊：如果車輛收到的告警信息未解除，且監(jiān)測(cè)到車輛正常行駛時(shí)，車載終端會(huì)通過異常觸發(fā)模塊觸發(fā)闖紅燈告警信息，并將該告警信息發(fā)送給路側(cè)單元，該告警信息包含本車載終端識(shí)別碼、車輛的信息、告警發(fā)生時(shí)間等。

信息顯示模塊：車載終端接收到預(yù)警信息后，則通過信息顯示模塊顯示預(yù)警提醒，提示駕駛員提前做好預(yù)防措施。車輛安全通過紅綠燈路口，并解除預(yù)警后顯示模塊再關(guān)閉預(yù)警提醒。

3 具體實(shí)施方式

系統(tǒng)中的路側(cè)單元會(huì)周期性地（每間隔2 s）定向發(fā)布信標(biāo)信息。車輛的車載終端發(fā)現(xiàn)路側(cè)單元的信標(biāo)信息，發(fā)送接入請(qǐng)求信息，該接入請(qǐng)求信息包含本車輛的車載單元識(shí)別碼、接入請(qǐng)求時(shí)間；路側(cè)單元收到接入請(qǐng)求信息，識(shí)別車輛信息，查詢當(dāng)前紅綠燈情況，執(zhí)行如下流程：第一種情況，綠燈，不發(fā)送預(yù)警信息；第二種情況，黃燈，發(fā)送預(yù)警信息；第三種情況，紅燈，發(fā)送預(yù)警信息。當(dāng)路側(cè)單元監(jiān)測(cè)到紅綠燈狀態(tài)變?yōu)榫G燈后，則向之前發(fā)送闖紅燈預(yù)警信息的車輛發(fā)布預(yù)警解除信息。

系統(tǒng)的車載單元設(shè)定信標(biāo)信息重復(fù)接收規(guī)則。若車輛通過車載單元與路側(cè)單元建立了通信連接，再次收到信標(biāo)信息則直接忽略。收到路側(cè)單元發(fā)布的闖紅燈預(yù)警信息，識(shí)別車輛信息和設(shè)備信息與本車輛是否一致，不一致則忽略該預(yù)警信息，否則就接收該預(yù)警信息繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)流程。車載單元通過顯示模塊發(fā)布預(yù)警提示信息，提醒車主注意。同時(shí)通過車輛OBD 模塊監(jiān)測(cè)車輛行駛速度，每隔3 s 比對(duì)一次車速，如果車輛未減速且車速大于5 km/h，則發(fā)布闖紅燈告警信息給路側(cè)單元。待車載單元收到預(yù)警解除信息后，通過顯示模塊關(guān)閉闖紅燈預(yù)警信息。

下面結(jié)合圖4 進(jìn)行具體業(yè)務(wù)流程說明。如圖4 所示，RSU1、RSU2、RSU3、RSU4 均采用定向天線技術(shù)，分別向南方、西方、北方、東方定向廣播信標(biāo)信息。信標(biāo)信息包含設(shè)備所在站點(diǎn)識(shí)別碼，由于這四個(gè)設(shè)備部署于同一站點(diǎn)，所以發(fā)布的信標(biāo)信息包含的站點(diǎn)識(shí)別碼是一樣的。

圖4 交通預(yù)警系統(tǒng)部署示意圖

如圖4 所示，當(dāng)車輛B 接近紅綠燈路口時(shí)，信息交互流程如下：

（1）RSU4 周期性廣播信標(biāo)信息，該信標(biāo)信息包含站點(diǎn)識(shí)別碼、當(dāng)前時(shí)間信息；

（2）車輛B 收到了RSU4 發(fā)送的信標(biāo)信息，車載終端解析該信標(biāo)信息，確認(rèn)站點(diǎn)識(shí)別碼；

（3）車輛B 根據(jù)站點(diǎn)識(shí)別碼，以及當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，判斷本車載單元是否已經(jīng)與該站點(diǎn)的路側(cè)單元建立了通信連接，如果已經(jīng)建立了連接，則丟棄該信息；否則，接收該信標(biāo)信息，同時(shí)回復(fù)接入請(qǐng)求信息；

（4）RSU4 收到車輛B 回復(fù)的接入請(qǐng)求信息后，讀取當(dāng)前紅綠燈的狀態(tài)：如果是紅燈或者黃燈，發(fā)送闖紅燈預(yù)警信息給車輛B；如果是綠燈，則不發(fā)送預(yù)警信息。其中，該預(yù)警信息包含該站點(diǎn)識(shí)別碼和當(dāng)前時(shí)間標(biāo)識(shí)以及預(yù)警信息的目標(biāo)車輛；

（5）車輛B 收到該預(yù)警信息后，首先判斷預(yù)警信息的目標(biāo)車輛是否是本車，如果不是則忽略該預(yù)警信息；否則接收該預(yù)警信息，通過車載終端的顯示模塊，提醒駕駛?cè)藛T注意，預(yù)防闖紅燈。

（6）當(dāng)車輛B 經(jīng)過紅綠燈路口，行駛到車輛A 所在位置時(shí)，車輛B 離開了RSU4 的無線覆蓋范圍，則車輛B 斷開了與RSU4 的通信連接，車輛B 的車載終端提示通信中斷，并同時(shí)解除本車的預(yù)警信息。

車主故意闖紅燈時(shí)的處理流程如下：

（1）當(dāng)車輛進(jìn)入紅綠燈路口，車載單元和路側(cè)單元進(jìn)行信息交互，此時(shí)為紅燈狀態(tài)，所以路側(cè)單元向車載單元發(fā)送闖紅燈預(yù)警信息；

（2）車主無視該告警信息，繼續(xù)通過紅綠燈路口；

（3）車載單元通過車輛車載自動(dòng)診斷系統(tǒng)（On Board Diagnostics，OBD）接口監(jiān)測(cè)到車輛持續(xù)移動(dòng)，且預(yù)警信息未解除，即向路側(cè)單元發(fā)布闖紅燈告警信息；

（4）路側(cè)單元收到該闖紅燈告警信息后，提取其中的車載單元識(shí)別碼及車輛信息，轉(zhuǎn)發(fā)給車輛管理中心；

（5）車輛管理中心記錄車輛信息，并向車主發(fā)送闖紅燈處罰通知。

車輛轉(zhuǎn)彎后，信息交互流程如下：

（1）如圖4 所示，車輛B 右轉(zhuǎn)，進(jìn)入到車輛E 的位置時(shí)，由于路側(cè)單元采用定向天線技術(shù)，此時(shí)車輛B 已經(jīng)離開了RSU4 的無線信號(hào)覆蓋范圍，則中斷與RSU4 的網(wǎng)絡(luò)連接；如果之前收到了RSU4 發(fā)來的預(yù)警信息，則解除該預(yù)警信息。

（2）此時(shí)，由于車輛B 的車載單元也采用了定向天線技術(shù)，雖然車輛B 進(jìn)入到了RSU3 的無線信號(hào)覆蓋范圍，但車輛B 無法再接收到RSU3 發(fā)布的信標(biāo)信息，不影響車輛B 的正常行駛。

4 結(jié) 語

本文通過車聯(lián)網(wǎng)無線通信交互實(shí)現(xiàn)車輛的闖紅燈預(yù)警，避免了天氣環(huán)境以及其他障礙物干擾造成的闖紅燈現(xiàn)象，提高了行車安全性。同時(shí)，當(dāng)車主故意闖紅燈時(shí)，車輛也可以主動(dòng)觸發(fā)闖紅燈告警，使得交管部門可以直接鎖定違法車輛，實(shí)現(xiàn)了對(duì)闖紅燈行為的主動(dòng)精準(zhǔn)管理。

通過在車載終端進(jìn)行功率控制，限定路側(cè)單元和車載單元之間的傳輸距離，車輛行駛進(jìn)入路側(cè)單元的覆蓋范圍后，接入網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)車輛離開路側(cè)單元的覆蓋范圍后，即斷開車載單元和路側(cè)單元之間的網(wǎng)絡(luò)連接。同時(shí)由于路側(cè)單元采用定向天線技術(shù)，對(duì)進(jìn)入紅綠燈路口的車輛進(jìn)行無線覆蓋和空間分割，可以有效降低無效信息干擾，提高了路側(cè)單元和車載終端之間的通信效率。