李若翩，阮雅端，陳啟美

(南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210093)

智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation Systems，ITS)是將物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、自動化控制技術(shù)及計算機高速運算技術(shù)等集成于交通系統(tǒng)中，從而建立起一種具有實時性、高效性、準確性和創(chuàng)新性的綜合交通管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在智能城市的建設(shè)中發(fā)揮了巨大的作用，是交通產(chǎn)業(yè)進入信息時代的重要標志［1］，已成為公認的解決城市運輸難題的最佳途徑［2］。

近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，智能交通系統(tǒng)的建設(shè)取得了重大突破［3］。車路協(xié)同技術(shù)是引領(lǐng)交通未來發(fā)展的前沿技術(shù)，因此成為學(xué)者們研究的熱點［4］。如何實現(xiàn)車載終端及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互通和合作，充分挖掘融合后車載系統(tǒng)的多種服務(wù)能力，實現(xiàn)交通服務(wù)個性化、便捷化和高速化是目前智能車路協(xié)同技術(shù)研究的重點。

論文研究了智能交通中的協(xié)同技術(shù)，提出了一種基于協(xié)同技術(shù)的智能車載系統(tǒng)，并且詳細敘述了系統(tǒng)架構(gòu)和功能實現(xiàn)，最后通過兩個應(yīng)用場景展示了該系統(tǒng)的使用案例。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 協(xié)同技術(shù)

通過聯(lián)合交通中不同的終端、網(wǎng)絡(luò)、技術(shù)及服務(wù)，協(xié)同安排后使整體的功能優(yōu)于每個組成部分的功能之和，來讓它們合作產(chǎn)生獨立運作時并不具備的能力，這就是協(xié)同機理［5］。通過協(xié)同技術(shù)，系統(tǒng)功能將大于各個組成部分的總和，能夠發(fā)揮出異構(gòu)終端或網(wǎng)絡(luò)融合后的強大能力。隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展和城市化進程的加快，我國機動車擁有量急劇增加，人們對交通服務(wù)的需求量也不斷上升，單一技術(shù)無法滿足用戶的所有需求。因此，需要通過協(xié)同技術(shù)來綜合調(diào)度交通中的各項資源，使用戶收獲更好的服務(wù)體驗。

智能交通協(xié)同系統(tǒng)的研究主要包含以下兩方面的內(nèi)容:一是單一交通網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部不同的車載終端、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等之間的協(xié)同，以增強交通管理系統(tǒng)的性能和提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，這也是本篇論文的研究主旨。另一內(nèi)容則是指異構(gòu)車載網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)同，使其擁有異構(gòu)交通網(wǎng)絡(luò)的無縫對接和個性化用戶體驗。

基于協(xié)同機理的交通系統(tǒng)的目標是聯(lián)合現(xiàn)有車載網(wǎng)終端和數(shù)據(jù)，防止出現(xiàn)交通網(wǎng)絡(luò)信息孤島，將所有節(jié)點有效地協(xié)調(diào)集成在一起，形成一個完整的智能車載信息系統(tǒng)，從而使得信息在不同車載終端間共享。系統(tǒng)通過建立協(xié)同的智能交通環(huán)境，改善信息交流的方式，減少或消除時間或空間上被分隔的問題，從而提高交通終端群體工作的效率。

協(xié)同系統(tǒng)必須正確地實現(xiàn)協(xié)作機制才能夠支持協(xié)作活動。合作機制是交互式終端的協(xié)議，可以完成分配資源和并發(fā)進程處理等任務(wù)。設(shè)計協(xié)同機制要考慮的因素比較多，其中需要優(yōu)先考慮的是:體現(xiàn)用戶需求的差異性，響應(yīng)實時高速并且準確，處理合作過程中的意外事件，整合各要素成統(tǒng)一的有機體［6］。

1.2 系統(tǒng)框架

多個車載網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點為完成系統(tǒng)智能化這個共同目標而組成一個集群，在通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，尤其在協(xié)同系統(tǒng)技術(shù)的支持下，各個群體協(xié)調(diào)工作，最終完成統(tǒng)一的目標?；趧討B(tài)地圖界面的智能車載系統(tǒng)包括服務(wù)器集群、終端集群、移動網(wǎng)絡(luò)和車載終端，如圖1所示。

圖1 智能車載系統(tǒng)框架圖

服務(wù)器集群包括動態(tài)地圖數(shù)據(jù)庫管理功能模塊、實時流視頻服務(wù)功能模塊、最佳行車路徑分析功能模塊和信息發(fā)布功能模塊。終端集群包括固定攝像模塊、路測傳感模塊、紅外檢測模塊。車載終端單元包含以下基本模塊:車載移動攝像模塊、車載全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊、便攜式通信模塊和車載處理與顯示模塊。

服務(wù)器集群的主要功能有地圖數(shù)據(jù)的存儲和更新、最優(yōu)行車路徑的計算、視頻流點播的響應(yīng)和最終信息的發(fā)布等。終端集群主要負責探測當前交通網(wǎng)絡(luò)中的各項參數(shù)，如車輛擁堵情況和環(huán)境因素等，同時也具備向服務(wù)器實時傳送各項參數(shù)的能力。車載終端單元是向用戶展示最終信息的平臺，不僅可以根據(jù)交通擁堵狀況描繪出不同的出行地圖，也可以實時上傳和播放服務(wù)器端存儲的交通視頻流。

1.3 協(xié)同流程

系統(tǒng)總體協(xié)調(diào)流程如圖2所示。固定攝像模塊、紅外檢測模塊和路測傳感模塊測得路段車流量和平均車速等數(shù)據(jù)，通過移動網(wǎng)絡(luò)將信息上傳至服務(wù)器。動態(tài)地圖數(shù)據(jù)庫管理功能模塊根據(jù)信息更新動態(tài)地圖數(shù)據(jù)庫。

圖2 智能車載系統(tǒng)協(xié)調(diào)流程圖

服務(wù)器集群中的最佳行車路徑分析功能模塊基于動態(tài)地圖數(shù)據(jù)庫，給出從當前位置到目的地的最佳行車路線，并根據(jù)實時交通狀況的變化靈活地更換路線。結(jié)合車載終端單元的便攜式通信模塊通過移動網(wǎng)絡(luò)，最佳行車路徑分析模塊將最佳行車路線通過車載處理與顯示模塊顯示在地圖界面上，為行車司機提供路由導(dǎo)航服務(wù)。

車載終端單元的便攜式通信模塊通過移動網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器的動態(tài)地圖數(shù)據(jù)庫管理功能模塊加載動態(tài)地圖數(shù)據(jù)庫信息，并通過車載處理與顯示模塊將交通擁堵狀況在實時地圖界面上顯示出來。系統(tǒng)使用車輛平均速度作為路段擁堵狀況表征量，平均車速越低表示道路越擁堵，在地圖界面上用不同顏色代表各路段平均車速的差異，當車速大于100 km/h顯示為綠色，當車速小于60 km/h顯示為紅色。

固定攝像模塊、路測傳感模塊和紅外檢測模塊對交通突發(fā)事件提供報警功能，并將此類信號通過移動網(wǎng)絡(luò)及時上傳服務(wù)器并反饋給道路監(jiān)控部門或監(jiān)管車。車載終端單元的便攜式通信模塊得到報警信號，再由車載處理與顯示模塊通過用戶界面顯示給監(jiān)管車終端用戶。同時監(jiān)管車用戶和道路監(jiān)控部門可以通過信息發(fā)布功能模塊，在應(yīng)急處理的用戶界面發(fā)布應(yīng)對緊急狀況的指令，通過移動網(wǎng)絡(luò)調(diào)度人力物力，采取應(yīng)急措施。

車載移動攝像模塊拍攝圖像或者視頻，并由便攜式通信模塊傳輸至服務(wù)器。服務(wù)器中的實時流視頻服務(wù)功能模塊接受查詢并發(fā)起收發(fā)雙方的會話，供現(xiàn)場以外的執(zhí)法人員調(diào)看視頻，實現(xiàn)現(xiàn)場執(zhí)法取證功能。車載GPS模塊和車載移動攝像模塊分別得到車輛位置和沿途視頻并由便攜式通信模塊通過移動網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器。交通管理者通過移動網(wǎng)絡(luò)調(diào)看車輛位置和沿途視頻信息，達到行車跟蹤的目的。

1.4 功能實現(xiàn)

1.4.1 最優(yōu)路徑分析

求解最優(yōu)路徑問題的思路是:將實際問題抽象為數(shù)學(xué)問題，運用圖論、動態(tài)規(guī)劃或者各種經(jīng)典算法進行求解。其求解過程大致有以下幾步:

1)將實際的路徑信息轉(zhuǎn)化為可用于機器學(xué)習(xí)計算的格式，并得出整體的拓撲結(jié)構(gòu);

2)根據(jù)動態(tài)規(guī)劃原則求得相關(guān)路段的權(quán)值;

3)依據(jù)最優(yōu)路徑算法求解最優(yōu)路徑問題。

最短路徑搜索算法中最著名的為Dijkstra算法和A*算法，也是被研究和改善的熱點。Sven Koenig等人在A*算法的基礎(chǔ)上提出了Lifelong Planning A*(LPA*)算法［7］，該算法是一種動態(tài)最優(yōu)路徑算法，可以較好地解決路段出行費用不斷變化的情況下最優(yōu)路徑搜索問題。

1.4.2 調(diào)度控制算法

基于動態(tài)地圖界面的車載系統(tǒng)給用戶提供實時更新的動態(tài)地圖。相比傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)(GIS)的靜態(tài)畫面，動態(tài)地圖能夠?qū)⒙肪W(wǎng)交通的時變信息，如:交通控制信號(紅綠燈變化)、車輛位置和速度的改變、自然環(huán)境變化(雨、雪、霧天氣)等使用形象的仿真畫面實時展示出來。

對于實時路況的技術(shù)實現(xiàn)，相對于靜態(tài)的GIS，該系統(tǒng)采用分層的方式進行交通路況后臺數(shù)據(jù)更新，實現(xiàn)動態(tài)的、實時的展示，如圖3所示。

圖3 動態(tài)地圖界面

該系統(tǒng)將動態(tài)地圖數(shù)據(jù)分為如下4層:

1)靜態(tài)層:靜態(tài)(半永久性)的數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫;

2)準靜態(tài)層:類似的靜態(tài)信息，保存在數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫中;

3)非標準動態(tài)層:臨時的和動態(tài)的信息(如天氣，交通條件);

4)動態(tài)層:關(guān)于移動物體(車輛、易受傷害的道路使用者和動物)動態(tài)的和其他高度動態(tài)的信息。

4層數(shù)據(jù)疊加并通過GIS界面形成道路具體狀況的展現(xiàn)。該系統(tǒng)僅對車輛數(shù)據(jù)感興趣，因而對靜態(tài)層和準靜態(tài)層不做更新。系統(tǒng)的動態(tài)地圖數(shù)據(jù)庫采用NAVTEQ公司提供的SQLite，數(shù)據(jù)庫的更新和加載工作均基于python語言中SQLite的函數(shù)接口，在車載端的地圖界面采用Google地圖開發(fā)的API。

1.4.3 交通事件監(jiān)測

固定攝像模塊、路測傳感模塊和紅外檢測模塊通過實時圖像處理等技術(shù)測得一個路段內(nèi)的車流量、車輛平均速度等參量，同時完成交通事件監(jiān)測任務(wù)［8］。

交通事件檢測具體方法如下:

1)首先進行攝像機標定，將物理世界的坐標和圖像坐標相對應(yīng)。

2)做背景建模即圖像背景的提取，對圖像背景(道路和路側(cè)固定設(shè)施等靜態(tài)單元)做模型構(gòu)建，為前景與背景的分離提供必要條件。

3)利用對前幀與后幀作差分的方式，得到動態(tài)物體所在空間位置坐標和動態(tài)物體的特征點，使得前后幀的特征點得到匹配。

4)在動態(tài)物體(車輛)位置坐標測得后，通過坐標變換算得實際坐標系下車輛速度，并對經(jīng)過車輛計數(shù)(每15 min統(tǒng)計一次車流量)。

5)對于檢測到的車速異常的狀況(意外停車、超速等)做報警處理，發(fā)送異常事件的信息。

1.4.4 車載視頻處理

該系統(tǒng)移動視頻經(jīng)車載終端單元的車載移動攝像模塊采集后做H.264編碼壓縮處理，再通過實時傳輸協(xié)議(RTP)打包發(fā)送給服務(wù)器［9］。當交管中心或監(jiān)管部門有點播請求時，服務(wù)器端實時流視頻服務(wù)功能模塊發(fā)起收發(fā)雙方的實時流傳輸協(xié)議(RTSP)會話。接收端接收實時流視頻數(shù)據(jù)并通過VLC播放器軟件解碼后播放［10］。

所述服務(wù)器的實時流視頻服務(wù)功能模塊與RTSP會話采用了Twisted編程框架。Twisted編程框架是運用python實現(xiàn)的服務(wù)器架構(gòu)，中心概念是非阻塞異步這一思想。

Twisted技術(shù)的初始化及工作流程如下:

1)讀取其網(wǎng)絡(luò)抽象層單元結(jié)構(gòu)中的SPS序列參數(shù)集和PPS等信息，依據(jù)SDP協(xié)議生成后綴為index的索引文件。

2)打開服務(wù)器1556端口，時刻監(jiān)聽客戶端的點播申請。

3)當有客戶端點播視頻時，服務(wù)器先檢測是否己做解析。

4)在保證H.264格式的視頻做過解析后，利用解析信息與客戶端建立RTSP對話。

5)以RTP協(xié)議傳輸視頻流，供客戶端播放。

2 系統(tǒng)效果

協(xié)同車載系統(tǒng)可為不同類型車輛提供不同的個性化服務(wù)。車輛可以根據(jù)各自需要定制其自身的業(yè)務(wù)，協(xié)同終端系統(tǒng)則會提供相應(yīng)的功能和服務(wù)。在此將車載用戶分為兩大類:普通車和監(jiān)管車。

普通車的終端首先需要加載地圖數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)顯示出來，以給用戶提供路網(wǎng)整體擁堵態(tài)勢。在此交通實時狀況己知的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)進行宏觀交通流預(yù)測與事件檢測，結(jié)合實時與預(yù)測的數(shù)據(jù)顯示最優(yōu)行車路徑，如圖4所示。

圖4 普通車路況顯示與最優(yōu)路徑(截圖)

監(jiān)管車可現(xiàn)場拍攝視頻取證，并上傳給交警部門為其決策提供依據(jù)。監(jiān)管車也可以通過終端系統(tǒng)得到路網(wǎng)交通緊急狀況的報警并發(fā)布應(yīng)急指令、調(diào)度人力物力解決問題。當某個路段經(jīng)檢測認為可能有事件發(fā)生時，就在該處顯示警示符號，如圖5所示。當管理人員發(fā)現(xiàn)有警示符時，再對該地區(qū)進行進一步排查，確定是否確實有突發(fā)事件。

圖5 監(jiān)管車路況監(jiān)控(截圖)

3 小結(jié)

文章提出了一個基于協(xié)同技術(shù)的智能車載系統(tǒng)設(shè)計。通過相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的協(xié)同融合，調(diào)動各個終端及服務(wù)器協(xié)同工作，利用不同交通網(wǎng)絡(luò)的能力，在車載網(wǎng)絡(luò)的各個層面形成多維的協(xié)同服務(wù)，實現(xiàn)車載用戶個性化的智能應(yīng)用，最大限度地發(fā)揮了異構(gòu)車載網(wǎng)絡(luò)的能力。在智能交通運輸?shù)缆飞?，邁出了朝著高效、安全、環(huán)保、可靠方向發(fā)展的一步。

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