李博森 何大治 馮奕佳 劉思源

摘 要： 基于Android操作系統(tǒng)，通過獲取車載單元與路側(cè)單元的通信信息，開發(fā)出一套車路協(xié)同系統(tǒng)的車載終端平臺(tái)。該平臺(tái)具有突發(fā)情況預(yù)警、緊急車輛優(yōu)先通行、最佳車速引導(dǎo)等功能，并且可以根據(jù)具體需求不斷豐富與完善其功能。該車載終端系統(tǒng)測(cè)試效果良好，對(duì)車路協(xié)同系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有一定的推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞： 智能交通； Android； 車路協(xié)同系統(tǒng)； 輔助駕駛； 車載終端； 程序設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN919.3?34； TP311.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）13?0083?05

Abstract： On the basis of Android operating system， a set of vehicle terminal platform for CVIS （cooperative vehicle infrastructure system） was developed by acquiring the communication information of the vehicle unit and roadside unit. The platform has the functions of emergency warning， priority pass of emergency vehicle and best speed guidance， and can enrich and improve its functions according to the specific needs. The vehicle terminal system has perfect test results， and a certain promotion effect for the industrial application of CVIS.

Keywords： intelligent transportation system； Android； CVIS； assisted driving； vehicle terminal； programming

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的快速發(fā)展，交通問題逐漸成為世界各國(guó)大城市急需解決的重要問題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)，每年因車禍死亡人數(shù)高達(dá)六萬多人，全世界每年因車禍造成的死亡人數(shù)超過130多萬。其次，特大城市的交通擁堵現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，不但造成時(shí)間上的浪費(fèi)，而且加重了環(huán)境污染?，F(xiàn)在已有的高峰限行、拍牌限購、尾號(hào)限行等手段調(diào)節(jié)效果不明顯，不能從根本上解決問題[1]。為了提高行車安全，同時(shí)為了更好地解決現(xiàn)存的交通擁堵問題，最大化地提高人們的出行效率，世界各國(guó)都逐步進(jìn)駐智能交通領(lǐng)域[2]。

智能交通中最核心的一個(gè)子系統(tǒng)是車路協(xié)同系統(tǒng)。車路協(xié)同系統(tǒng)采用先進(jìn)的通信技術(shù)以及新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，全方位實(shí)現(xiàn)車車、車路的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)各種有效信息的交互與共享[3]。車路協(xié)同系統(tǒng)通過對(duì)整個(gè)動(dòng)態(tài)交通信息的采集與融合，進(jìn)行車輛主動(dòng)安全控制和道路協(xié)同管理。然而，我國(guó)的車路協(xié)同系統(tǒng)起步較晚，發(fā)展較慢，各大車廠對(duì)于車路協(xié)同系統(tǒng)還處于試驗(yàn)研發(fā)階段，并沒有大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用[4]。

目前國(guó)內(nèi)的車載終端主要以導(dǎo)航和娛樂為目的，還沒有商業(yè)化的與車路協(xié)同系統(tǒng)相結(jié)合的車載終端人機(jī)交互系統(tǒng)。本文以Android操作系統(tǒng)為平臺(tái)，開發(fā)出針對(duì)車路協(xié)同系統(tǒng)的車載終端平臺(tái)，以達(dá)到輔助駕駛，提高行車安全與交通效率的目的[5]，并在上海交通大學(xué)閔行校區(qū)車路協(xié)同系統(tǒng)示范區(qū)進(jìn)行示范應(yīng)用。由于Android操作系統(tǒng)的開放性與可開發(fā)性，該車載終端平臺(tái)可以根據(jù)具體需求不斷豐富完善具體功能，為輔助駕駛、智能交通的發(fā)展提供低成本、易實(shí)施的技術(shù)路線與基礎(chǔ)平臺(tái)[6]，對(duì)車路協(xié)同系統(tǒng)的實(shí)用化與商業(yè)化具有建設(shè)性意義。

1 車路協(xié)同系統(tǒng)介紹

車路協(xié)同系統(tǒng)由路側(cè)單元（RSU）和車載單元（OBU）組成。路側(cè)單元采集道路信息與車輛信息，將其接入更大的基礎(chǔ)設(shè)施核心網(wǎng)絡(luò)，并且將各種必要信息周期性廣播至車載單元。車載單元從路側(cè)單元采集道路信息并且播發(fā)自身信息，對(duì)道路信息做出判斷和反應(yīng)。

1.1 路側(cè)單元

車路協(xié)同系統(tǒng)的路側(cè)單元分布于道路基礎(chǔ)設(shè)施中，如交通信號(hào)燈、路燈、電線桿等基礎(chǔ)設(shè)施，在其中加入DSRC通信設(shè)備并加以改裝，構(gòu)成車路協(xié)同系統(tǒng)中的路側(cè)單元。路側(cè)單元首先采集道路信息與車輛信息，對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)，路側(cè)單元通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)與數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行交互，以等待下一步的指令。此外，路側(cè)單元將采集到的重要基本信息通過DSRC通信技術(shù)傳輸?shù)杰囕v中的車載單元，供車載單元進(jìn)行判決與反應(yīng)。路側(cè)DSRC通信設(shè)備如圖1所示。

1.2 車載單元

車路協(xié)同系統(tǒng)的車載單元為DSRC信號(hào)交換器和一個(gè)基于Android系統(tǒng)的車載終端。DSRC信號(hào)交換器采集道路信息與周圍車輛基本信息，并且將采集到的指令信息在Android設(shè)備上解碼。車載終端以基于Android操作系統(tǒng)的平板電腦為載體，其操作方便，在此平臺(tái)上可以開發(fā)出針對(duì)不同功能場(chǎng)景的應(yīng)用，具有可擴(kuò)展性，可用于以后的不斷更新與完善。

如圖2所示為車路協(xié)同系統(tǒng)整體架構(gòu)，車載單元包括人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊，通信協(xié)議采用DSRC協(xié)議，車載單元通過BOX與路側(cè)單元進(jìn)行通信，路側(cè)單元在接收到車載單元的信息后將其發(fā)送到服務(wù)器端（Server）[7]。服務(wù)器可以在搜集到各車輛信息（包括位置信息、車速、車輛數(shù)量等）和路測(cè)設(shè)備狀態(tài)信息（紅綠燈周期）后作出交通擁堵預(yù)報(bào)、路測(cè)設(shè)備診斷等，并且服務(wù)器可以通過紅綠燈控制器控制紅綠燈周期，從而保障行車安全并且優(yōu)化車輛的路口通行。

2 車載終端系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)

針對(duì)保障行車安全、提高行車效率與人性化操作的需求，該Android車載終端系統(tǒng)主要具有以下功能：

1） 對(duì)突發(fā)狀況進(jìn)行預(yù)警與警告；

2） 特殊車輛優(yōu)先通行；

3） 車速引導(dǎo)判斷與計(jì)算；

4） 人性化的人機(jī)交互界面。

2.1 突發(fā)情況的預(yù)警與警告

傳統(tǒng)的機(jī)動(dòng)車安全輔助設(shè)備依靠雷達(dá)、機(jī)器視覺傳感器設(shè)備對(duì)短距離道路情況進(jìn)行獲取，在車輛危險(xiǎn)預(yù)警方面存在很大的局限性。本車載終端系統(tǒng)采用不同的解決方案：遠(yuǎn)處路側(cè)單元采集突發(fā)狀況，上傳至服務(wù)器，服務(wù)器將信息散發(fā)至其他各個(gè)路側(cè)單元；鄰近的路側(cè)單元通過DSRC通信技術(shù)及時(shí)向車載單元發(fā)送突發(fā)狀況預(yù)警，車載終端可提前對(duì)突發(fā)情況做出反應(yīng)，保障行車安全。

2.2 特殊車輛優(yōu)先通行

對(duì)于救護(hù)車和消防車等緊急救助車輛，常常由于交通擁堵耽誤寶貴救助時(shí)間[8]。救護(hù)車等緊急車輛安裝該車載終端后，在行駛至十字路口之前，通過車路協(xié)同系統(tǒng)可以將車輛信息提前通過路側(cè)單元發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器可以提前調(diào)整交通信號(hào)燈的周期和紅綠燈的亮滅，從而保障當(dāng)緊急車輛行駛至十字路口時(shí)，可以安全順暢地通行。

2.3 車速引導(dǎo)功能

交叉路口為車輛事故高發(fā)區(qū)，而車速引導(dǎo)功能可以提高交叉路口的行車安全，同時(shí)提高交通效率，降低交通延誤。為便于車速引導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)際程序的開發(fā)，將實(shí)際道路交叉口與車輛進(jìn)行模型化假設(shè)：

1） 車輛類型整體統(tǒng)一，不考慮不同車輛不同體積的影響；

2） 只考慮單一道路交叉口的車速引導(dǎo)，不考慮相鄰道路交叉口的影響；

3） 不考慮行人和其他非機(jī)動(dòng)車輛的影響；

4） 對(duì)直行車輛最高時(shí)速限制為60 km/h，轉(zhuǎn)彎車輛限制[9]為30 km/h。

如圖3所示為車速引導(dǎo)流程框圖。車速引導(dǎo)算法考慮針對(duì)不同優(yōu)先級(jí)的車輛，擁有不同的車速引導(dǎo)權(quán)限。當(dāng)車輛即將通過路口時(shí)，首先判斷車輛的優(yōu)先級(jí)。如果車輛為高優(yōu)先級(jí)的緊急車輛，且在信號(hào)燈周期內(nèi)通過車速引導(dǎo)可以順利通過，則正常通行。如果車輛不能通過車速引導(dǎo)正常通過，則可以在不影響其他道路安全通行的前提下，提前變換交通信號(hào)燈的狀態(tài)，保障優(yōu)先級(jí)車輛的順利通行。如果為普通車輛，則其沒有改變交通信號(hào)燈狀態(tài)的權(quán)限，只需通過車速引導(dǎo)使其高效順利通過即可。

2.4 人機(jī)交互界面

為了道路信息的直觀顯示，便于將車輛與道路信息及時(shí)向駕駛員呈現(xiàn)，該車載終端系統(tǒng)具有以下人機(jī)交互功能[10]。

2.4.1 地圖顯示功能

為了將車輛信息與道路信息直觀地呈現(xiàn)，該車載終端系統(tǒng)將各種車輛與道路信息在地圖上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。地圖顯示模塊調(diào)用第三方的Map服務(wù)，使用百度公司的地圖API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口）服務(wù)，可以方便快捷地調(diào)用定位、導(dǎo)航等服務(wù)[11]。同時(shí)，百度地圖支持多個(gè)地點(diǎn)標(biāo)志Marker的顯示，通過經(jīng)緯度即可對(duì)任一地點(diǎn)進(jìn)行定位，讓用戶對(duì)當(dāng)前路況信息一目了然，在因惡劣天氣導(dǎo)致的能見度低的情況下可以提高行車安全。

2.4.2 圖形顯示與操作界面

圖形化操作界面可以顯示的信息有安全警示信息，例如，前方有道路正在施工，且施工單位含有路側(cè)終端設(shè)備，可以將施工位置的經(jīng)緯度通過廣播發(fā)送，車載終端接收后發(fā)送給APP的數(shù)據(jù)處理模塊，若該施工位置和行車路線有沖突，則顯示該警示消息；還可以顯示最佳行駛方案，當(dāng)行車即將到達(dá)紅綠燈時(shí)，紅綠燈上的路側(cè)終端設(shè)備將紅綠燈的位置、狀態(tài)及時(shí)長(zhǎng)通過廣播發(fā)送，車載終端在輪詢時(shí)接收到這些信息后通過最優(yōu)車速模型解算出最優(yōu)車速，通過圖形化界面顯示出來。還可以通過按鈕選擇是否需要地圖導(dǎo)航的即時(shí)更新或語音播報(bào)。圖形顯示與操作界面如圖4所示。

2.4.3 語音提示

語音模塊可以將當(dāng)前接收到的安全警示信息和最佳行駛方案通過語音播報(bào)的方式傳遞給用戶，在駕車過程中能夠更加安全、方便地接收到路況信息，減少用戶由于查看顯示界面造成的安全隱患。

3 車載終端系統(tǒng)主要模塊代碼實(shí)現(xiàn)

整個(gè)車速引導(dǎo)系統(tǒng)基于Google Android開源平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)，系統(tǒng)使用Eclipse集成Android開發(fā)環(huán)境，利用Java語言進(jìn)行開發(fā)，Java版本為1.8.0_65，Android系統(tǒng)版本為4.4.2（API 19）。程序開發(fā)過程主要包括如下幾個(gè)模塊的具體實(shí)現(xiàn)。

3.1 地圖模塊

出于性能優(yōu)化考慮，Android的UI操作并不是線程安全的，如果有多個(gè)線程并發(fā)操作UI組件，則可能會(huì)導(dǎo)致線程紊亂問題。為了解決這個(gè)問題，Android制定了一條規(guī)則：只允許UI線程修改Activity里面的UI組件。同時(shí)，Android提供了一種解決方案，即使用Handler實(shí)現(xiàn)線程之間的通信。

基于上述規(guī)則，新啟動(dòng)的線程無法動(dòng)態(tài)改變界面組件的屬性值，此時(shí)就需要借助Handler的消息傳遞機(jī)制來完成，讓新啟動(dòng)的線程周期性地改變界面組件的工作。在主界面Activity被創(chuàng)建時(shí)構(gòu)造一個(gè)Handler對(duì)象MapUpdater，讓它控制兩個(gè)線程對(duì)界面的修改，其中一個(gè)線程負(fù)責(zé)更新地圖上標(biāo)志的位置，如本車位置[12]；另一個(gè)線程負(fù)責(zé)接收安全警示消息和行駛方案，顯示在圖形界面并且進(jìn)行語音播報(bào)。

而這兩個(gè)線程相對(duì)于主線程是異步的，為了讓主線程能適時(shí)地處理新啟動(dòng)的線程發(fā)送的消息，把更新界面組件的控制權(quán)交給子線程，顯然只能通過回調(diào)的方式實(shí)現(xiàn)。這里使用Observer設(shè)計(jì)模式，在Java中則通過Observable類和Observer接口實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)模式，具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

Handler MapUpdater=new Handler（）；

//調(diào)控主線程和子線程的Handler

Runnable MapUpdate=new Runnable（）

//更新地圖信息的線程

Runnable MsgUpdate = new Runnable（）

//更新警示消息和行車方案

class IsUpdateEnabled extends Observable{}

//控制消息更新線程開關(guān)的Observable類。卷屏關(guān)閉時(shí)，線程將不運(yùn)行

class Watcher implements Observer{}

//監(jiān)聽消息更新線程開關(guān)的Watcher類

3.2 數(shù)據(jù)處理模塊

Android平臺(tái)上有兩種基本的事件處理模型，分別是基于監(jiān)聽和基于回調(diào)的事件處理模型，從代碼實(shí)現(xiàn)的角度來看，基于回調(diào)的事件處理模型更簡(jiǎn)單。而Service組件與其他組件相互通信的方式便是通過onBind方法返回一個(gè)IBinder對(duì)象，讓其他組件通過該對(duì)象和Service組件通信，這也可以視為一種回調(diào)的方式。數(shù)據(jù)處理模塊是一個(gè)繼承自Service的類ComuService，在主界面的Activity啟動(dòng)時(shí)即和ComuService綁定，并且在連接成功后獲取Service的onBind方法返回的MyBinder對(duì)象（繼承自Binder類）[13]。同時(shí)，在Activity中還需要構(gòu)造ServiceConnection對(duì)象，該對(duì)象用于監(jiān)聽訪問者和Service之間的連接情況，在ServiceConnection的onServiceConnected（）方法中有一個(gè)IBinder對(duì)象，在連接成功時(shí)該方法會(huì)產(chǎn)生IBinder對(duì)象，所以不需要再在其他地方構(gòu)造IBinder對(duì)象。

綁定完成后，ComuService中會(huì)有一個(gè)新的線程周期性地接收和處理從車載終端傳送過來的數(shù)據(jù)[14]。新建線程的原因有兩點(diǎn)：一是Service不會(huì)專門啟動(dòng)一個(gè)單獨(dú)的進(jìn)程，而是和它所在的應(yīng)用位于同一個(gè)進(jìn)程中；二是Service不能直接處理耗時(shí)的任務(wù)，否則會(huì)引起UI線程阻塞，引發(fā)ANR（Application Not Responding）異常。

以下是ComuService類的定義：

public class ComuService extends Service {

private String message；

//安全警示消息或最優(yōu)行駛方案

private int event=0；

//1?>車車相遇；2?>行駛方案；3?>限速提示；4?>道路施工

private int speed=0；

//限速牌提示的最高速度或能通過紅綠燈的最佳車速

private double lat=0；

//本地車緯度

private double lng=0；

//本地車經(jīng)度

private double latR=0；

//遠(yuǎn)程車緯度（動(dòng)態(tài)改變）

private double lngR=0；

//遠(yuǎn)程車經(jīng)度

private double latS=0；

//紅綠燈、限速牌或施工位置的緯度（靜態(tài)位置）

private double lngS=0；

//紅綠燈、限速牌或施工位置的經(jīng)度

public class MyBinder extends Binder；}

//與被綁定組件通信的對(duì)象

3.3 語音模塊

語音模塊使用一個(gè)內(nèi)置的類：android.speech.tts.TextToSpeech，在主界面的Activity啟動(dòng)時(shí)新建一個(gè)對(duì)象mTextToSpeech并初始化它的監(jiān)聽器，初始化部分代碼如下：

mTextToSpeech=new TextToSpeech（this，new TextToSpeech.OnInitListener（）{@Override

public void onInit（int status）{}

}）；

初始化后即可通過speak函數(shù)直接朗讀出消息warnMsg，如下所示，QUEUE_ADD參數(shù)表示播放完之前的語音任務(wù)后才播報(bào)本次內(nèi)容，原因是TextToSpeech類以隊(duì)列方式存放需要播報(bào)的消息，可以通過參數(shù)設(shè)置選擇播報(bào)方式。

mTextToSpeech.speak（warnMsg，TextToSpeech.QUEUE_ADD，null）；

4 測(cè)試結(jié)果

按照預(yù)先設(shè)計(jì)的功能要求，在上海交通大學(xué)閔行校區(qū)車路協(xié)同系統(tǒng)示范區(qū)內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果可以在地圖上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示車輛和道路信息，通過語音提示駕駛員，實(shí)現(xiàn)緊急突發(fā)情況報(bào)警、緊急車輛優(yōu)先通行和車速引導(dǎo)等功能，達(dá)到了預(yù)期效果。車速引導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)試截圖如圖5所示。

5 結(jié) 語

本文以Android操作系統(tǒng)為平臺(tái)，開發(fā)了一套基于車路協(xié)同系統(tǒng)的車載終端系統(tǒng)。該車載終端系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)與道路設(shè)備和其他車輛進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)了突發(fā)情況預(yù)警、特殊車輛優(yōu)先通行和車速引導(dǎo)等功能，并且由于Android操作系統(tǒng)的易開發(fā)性，后期可以根據(jù)具體需求不斷增加完善新功能。經(jīng)過實(shí)際車路測(cè)試，該車載終端系統(tǒng)使用方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較高的應(yīng)用價(jià)值與推廣前景。

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