張云飛++李雅紅++李嘉興++王婷婷

摘 要：隨著機動車輛的迅速發(fā)展和普及，為人們出行帶來了安全隱患，尤其國內(nèi)基礎(chǔ)交通設(shè)施還不夠完善，行人和機動車混行情況嚴重，存在人身不安全問題。本文提出人車協(xié)同系統(tǒng)的概念并能夠為上述問題提供一種解決方法，該系統(tǒng)能夠依靠距離傳感器獲取目標信息，通過移動設(shè)備中的GPS獲取車輛和行人的地理位置，并使用移動網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器形成大數(shù)據(jù)共享。服務(wù)器將處理后的數(shù)據(jù)共享給每一個用戶，最后能夠在移動終端上顯示出人與車的位置和相對位置，并對目標的移動軌跡進行預測，當人車距離過近時，通過車上安裝超聲波傳感器，獲取人車精準距離，通過設(shè)定安全距離，進而對用戶進行語音報警提醒。本文給出了人車協(xié)同系統(tǒng)框架，對其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了研究與分析，并且對其中的關(guān)鍵問題進行了深入分析。

關(guān)鍵詞：智能交通；GPS；超聲波傳感器；人車協(xié)同；智能預測

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

交通問題日益嚴峻，普遍的人工管理辦法已經(jīng)不能夠跟上時代的步伐。20世紀80年代，美國提出了智能交通這一種新的概念——“智能交通系統(tǒng)”[1]。智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS）應(yīng)用于交通監(jiān)控、道路安全[2]，包括分布式交通安全[3]。通過多種技術(shù)的聯(lián)合運用，構(gòu)建起了一套完整的交通運輸管理體系，能夠準確、及時、高效地管理道路車輛，維護交通秩序[4]。

車路協(xié)同系統(tǒng)（Connected Vehicle System，CVS）是ITS的重要發(fā)展方向。該系統(tǒng)為了實現(xiàn)車路的有效協(xié)同，不但采用了先進的互聯(lián)網(wǎng)與通信技術(shù)來實現(xiàn)車輛與道路、車輛與車輛之間的信息交互，還在車輛能夠自主控制和道路的協(xié)同管理方面進行了道路信息的采集與融合，以此來使道路交通更加的安全快捷。

本文在對車路協(xié)同系統(tǒng)進行詳細的技術(shù)發(fā)展綜述基礎(chǔ)上提出了人車協(xié)同系統(tǒng)的概念及其技術(shù)框架。該系統(tǒng)除了針對行進車輛與交通道路外，將非機動車輛和行人也納入系統(tǒng)中，較大改善了車輛道路的行車安全。

2 國內(nèi)外發(fā)展情況（The development situation at

home and abroad）

近些年來，車路協(xié)同技術(shù)一直伴隨著智能交通的發(fā)展而不斷進步。隨著城市車輛增多，帶來了交通擁擠、交通安全和環(huán)境污染等問題，使得世界各國對此系統(tǒng)的研究就更加重視。

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀80年代以來，美、歐、日等發(fā)達國家就紛紛開始立項，投入大量的人力和物力從事智能路的研究。

美國作為全球ITS技術(shù)最嫻熟的國家，1997年完成了自動車隊演示，此次演示不但大大的提高了行人出行的安全性，還極大的減少了道路交通事故的發(fā)生。并在1998年提出了IVI計劃（Intelligent Vehicle Initiative）。此計劃提出三年之后，就對行車安全通訊項目展開了深入研究與實際操作，并在2005年提出了車輛與道路設(shè)備集成方案（VII，Vehicle Infrastructure Integration）[5]。伴隨著車路協(xié)同的進一步發(fā)展，美國交通部（US.DOT，United States Department of Transportation）賦予了VII一個新的名字——“IntelliDriveSM”，并提出了三個理念——“Safer”“Smarter”和“Greener”。這個方案的著重點在于提高行人出行的安全性，為了使得駕駛員能夠?qū)ξ粗ｋU實時地做出反應(yīng)，它采用了通信技術(shù)與車載設(shè)備結(jié)合的情況下啟動自動相應(yīng)系統(tǒng)。這個系統(tǒng)使得駕駛員能夠及時做出反應(yīng)并降低道路事故的發(fā)生幾率。該項目在管理方面能夠使得行人、車輛等及時獲得所在道路的路況信息，從而大大的提高車輛的安全性與高效性，保證了道路交通的安全。此項目在2014年完成了車載設(shè)備與交通信號燈之間的通訊[6]，并且通過了車聯(lián)網(wǎng)的初步測試。

2000年左右歐洲的車路協(xié)同系統(tǒng)開始發(fā)展。在第10屆智能交通世界大會上，歐洲ERTICO組織首先提出了“eSafety”系統(tǒng)[7]并將車輛與車輛之間的通信、行人與車輛之間的通信作為了重點研究的方面，該項重要舉措后被列入歐盟計劃。eSafety系統(tǒng)主要通過車輛與道路之間、車輛與車輛之間的協(xié)同技術(shù)來獲取道路的環(huán)境信息，進而評估未知的風險進，并優(yōu)化車輛的主動安全系統(tǒng)功能。該計劃主要包括以PReVENT、CVIS、CarTalk2000、COMeSafety為代表的70余項相關(guān)的研發(fā)項目。其中，PReVENT項目是“eSafety”的一個重要組成部分，它以先進的車路通訊技術(shù)、定位技術(shù)及傳感器技術(shù)為研究目標，將其融入到車輛輔助駕駛系統(tǒng)中，這樣司機便可借助車車通信來監(jiān)測周圍隱患，并依據(jù)駕駛員的駕駛行為特點來有效地避免事故的發(fā)生。CVIS計劃的研究目標則是在車路、車車通信技術(shù)的支持下，創(chuàng)建出一個完全集成、開放的“互聯(lián)網(wǎng)汽車”系統(tǒng)，此項計劃于2006由歐盟提出。CarTalk2000的研究目標是開發(fā)一種基于車間通信的駕駛員輔助駕駛系統(tǒng)，測試其在真實場景的輔助駕駛功能演示情況[8]。為了提高道路安全性，提出了COMeSafety，它主要設(shè)計車間和車路通信架構(gòu)來模擬通信。歐洲的車路協(xié)同技術(shù)側(cè)重于車輛道路安全，包括交通通信技術(shù)的研究和交通體系框架的構(gòu)建，更加推動了歐洲綜合交通運輸系統(tǒng)的發(fā)展。

日本在此方面也沒有落后，在1995年便開始研發(fā)道路車輛和信息通信系統(tǒng)（VICS，Vehicle Information and Communication System）。此系統(tǒng)為了能夠極大限度的提高道路交通的通行效率，不但應(yīng)用了GPS導航技術(shù)，還使其與無線通信技術(shù)相結(jié)合，實時的將當前的道路交通情況反映給了駕駛者。日本國土交通部是主導車路協(xié)同技術(shù)研究發(fā)展的一個重要部門[9]，并為日本車路協(xié)同系統(tǒng)的研究和發(fā)展提供了資金上的支持。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

在相等程度下，我國在人車路協(xié)同技術(shù)范疇的研究要晚于發(fā)達國家。國家ITS中心對人車路協(xié)同的研究在2000年才開始，并于同一年在北京舉行了“智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，簡稱ITS）”年會[10]。

科技部副部長馬頌德在2003年11月份攜我國的政府代表團一同參加了第十屆ITS世界大會，同時科技部結(jié)合其他幾個部門成功申辦了“2007年第十四屆ITS世界大會”。此次大會象征著我國的ITS系統(tǒng)將在未來多變的環(huán)境中發(fā)展迅速。為了加強我國在ITS領(lǐng)域的對外的交流發(fā)展，我國于2007年10月9—13日在北京舉行了第十四屆智能交通世界大會[11]。此次大會不但使得我國對外的交流取得迅速發(fā)展，還展示了我國來自不同地區(qū)的諸多部門在這一領(lǐng)域取得的諸多成果。

2010年，對于我國交通日益嚴重的問題，我國的高新技術(shù)發(fā)展計劃（863計劃）為提高我國道路安全保障的66767需求設(shè)立一項重大課題——智能車路系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究。該課題不但對智能車路協(xié)同的一些關(guān)鍵技術(shù)進行了深入的研究還對其體系框架進行了建立與開發(fā)。除此之外，此課題于2014年由諸多單位一起進行了結(jié)題并獲得了科技部的驗收[12]。

雖然此成果對我國的車路協(xié)同研究的影響比較大，然而與國外的ITS系統(tǒng)的研究相比，我國在一些關(guān)鍵技術(shù)研究方面只能說在初等水平上取得了一定的進步，在其通信體系方面還沒有給予嚴謹?shù)亩x。就我國目前而言，還有許多不及國外的地方。如我們的專用短程通信技術(shù)所工作的短頻還沒有開放，另一重大問題就是我國現(xiàn)在沒有適合協(xié)議的設(shè)備[13]。

2014年2月16日，清華大學與其他大學等一起成功完成了十二五“863”項目。為了向各層參加會議的領(lǐng)導、專家學者、各大企業(yè)，以及媒體網(wǎng)絡(luò)展示成果，該項目模擬了多個智能人車路協(xié)同系統(tǒng)的不同應(yīng)用場景。該項目的成果演示與驗收在河北清華研究所試驗地舉行，多輛具有人車路協(xié)同系統(tǒng)功能的車輛在道路上行駛，演示了這十多個應(yīng)用場景——盲區(qū)預警、交叉口避免沖突、非機動車行人避撞、多車優(yōu)先通行等[14]。而作為國家重點實驗室李必軍領(lǐng)銜的團隊，他們針對這一系統(tǒng)的子課題進行了深入的探討與試驗并取得了極大的突破。其中作為此系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟——路側(cè)單元解決了許多問題。如對數(shù)據(jù)的接收、處理、分析與發(fā)送都精確了許多。除此之外，安裝在路側(cè)機柜中的計算機采用了許多先進技術(shù)使可以獲得這些車輛在道路上能夠正常行駛的必需信息[15]。

對此有許多實例，如為了能夠使得車輛在所有的交叉路口能夠及時得知當前行人在此的行動狀況，這時路測設(shè)備就能夠通過視頻檢測攝像頭與使用圖像處理的方法獲得這些信息，以保證車輛可以在避開行人的前提下安全行駛；又如為了使得車輛能夠獲得的通行道路更加暢通安全，這時路側(cè)設(shè)備便可以根據(jù)安裝的無線車輛檢測器來獲得所有道路上運行的車輛的行駛情況。從而可以對周邊道路情況作以詳盡的分析與準確的統(tǒng)計，以此使得車輛的行駛更加暢通安全；再如為了及時對車輛進行預警，天氣傳感器便派上了用場。它可以根據(jù)在特殊天氣中檢測到的道路路面上可能發(fā)生的結(jié)冰等情況來確定道路的能見度，以此來將這些信息及時的傳送給路側(cè)設(shè)備。這樣便能夠保障了預警的及時性與準確性。

研究成果方面我國也有很大成就，如王褀等為了使我國城市道路中的車輛可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的通信仿真與分析，便建成了車路協(xié)同一體化的仿真系統(tǒng)，此系統(tǒng)對于我國具有很大的意義；又如張存保等為了使得單點信號能夠控制參數(shù)便創(chuàng)建了其在車路協(xié)同環(huán)境下的優(yōu)化模型與求解算法；再如黃羅毅等為了能夠得到車輛數(shù)與吞吐量、時延之間的微妙關(guān)系便建立了城市在車路協(xié)同環(huán)境下的平面交叉路口的仿真環(huán)境，其在我國更加具有研究與創(chuàng)新意義[16]。

3 人車協(xié)同系統(tǒng)框架（Human vehicle cooperative

system framework）

作為ITS的一個重要的子系統(tǒng)、人車路協(xié)同感知系統(tǒng)的分支，主要研究人與車之間的協(xié)同感知。除了針對行進車輛外，將非機動車輛和行人也納入系統(tǒng)中，對改善非機動車輛道路的安全問題有很大幫助。依據(jù)我國智能交通的發(fā)展階段，本系統(tǒng)的主要內(nèi)容如圖1所示，主要包括行人與車輛位置信息的采集、數(shù)據(jù)通信與共享、數(shù)據(jù)組織與處理和軌跡預測四部分。

4 人車協(xié)同系統(tǒng)關(guān)鍵問題（Key issues of human

vehicle coordination system）

人車協(xié)同感知系統(tǒng)作為智能車路的分支，其中需要解決的關(guān)鍵問題如下。

（1）目標感知與測距

目標感知作為協(xié)同式自動駕駛技術(shù)的基礎(chǔ)，在人車協(xié)同系統(tǒng)中發(fā)揮著不可或缺的作用。對于障礙而言，它可以作為一個系統(tǒng)存在，并且這個系統(tǒng)能夠主動地進行識別，提前預知危險。各個不同的系統(tǒng)共同協(xié)同工作，對不同種類相同時刻發(fā)生的危險進行綜合處理實現(xiàn)是人車感知系統(tǒng)的核心途徑。對于障礙的檢測與測量，可以應(yīng)用超聲波距離傳感器技術(shù)。超聲波的長處是靈活反應(yīng)快，傳播距離較遠，實用領(lǐng)域較廣，精度較高，受外界干擾能力較小。

（2）數(shù)據(jù)組織與處理

對系統(tǒng)需求分析，人車協(xié)同系統(tǒng)的功能主要是監(jiān)控行人、車輛的運行情況，在發(fā)生危險時做出協(xié)同處理，而服務(wù)器主要用于接收行人和車輛的定位信息。對于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是整個系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)的各個功能模塊都是通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交換和控制信息交換的。數(shù)據(jù)庫中的組件對數(shù)據(jù)進行抽取、轉(zhuǎn)換操作，最后把處理后的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)挖掘提供的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（3）軌跡預測算法

軌跡預測不符根據(jù)所建立的軌跡預測系統(tǒng)模型，以及不同路況下人車行進的模擬場景，通過智能預測算法來預測其運動軌跡，以此來達到對目標行人與行駛車輛的方位的測量，進而實現(xiàn)對軌跡的預測。

5 結(jié)論（Conclusion）

隨著技術(shù)的不斷進步，作為智能交通系統(tǒng)子系統(tǒng)的人車協(xié)同感知系統(tǒng)建設(shè)日趨完善。它能夠智能判斷人車協(xié)同感知，人車之間、車車之間會建設(shè)出準確及時的信息溝通，使車輛與道路資源得以充分被使用，較大地降低發(fā)生交通事故的頻率。

本文對人車協(xié)同系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展狀況進行了詳細的調(diào)研和分析，對其中的關(guān)鍵問題進行了深入探討并提出了基于移動互聯(lián)網(wǎng)的人車協(xié)同系統(tǒng)原型。隨著研究人員對人車協(xié)同系統(tǒng)的進一步研究和發(fā)展，該系統(tǒng)能夠在智能交通中得到應(yīng)用并在一定程度上解決安全隱患，為社會發(fā)展帶來積極的社會價值。

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作者簡介：

張云飛（1996-），男，本科生.研究領(lǐng)域：軟件開發(fā).

李雅紅（1970-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：信息處理與智能控制.

李嘉興（1996-），男，本科生.研究領(lǐng)域：軟件開發(fā).

王婷婷（1996-），女，本科生.研究領(lǐng)域：軟件開發(fā).