張文亮，鄭九洲，里一峰，曾凡超，劉春廷，劉國鵬

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無信號燈十字交叉口車輛協(xié)作控制研究*

張文亮，鄭九洲，里一峰，曾凡超，劉春廷，劉國鵬

（遼寧工業(yè)大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001）

隨著無人駕駛技術、車聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈技術的不斷發(fā)展，如何打造更加完善的智能交通系統(tǒng)成為了當前研究的熱點問題。針對無信號燈十字路口的車輛協(xié)作控制問題，文章探索在無人駕駛技術和車聯(lián)網(wǎng)的基礎上，融合區(qū)塊鏈技術在車輛協(xié)作方面的可行性。主要包括區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的搭建和車輛的控制，車輛之間通過共識算法產(chǎn)生區(qū)塊，共享實時車輛信息，最后通過實車搭建實驗平臺初步驗證了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的可行性。

車輛協(xié)作；十字交叉口；無信號燈；區(qū)塊鏈技術

前言

在人工智能等高科技快速發(fā)展的時代背景下，無人駕駛領域研究的重點開始向多車協(xié)作轉移。目前作為多車協(xié)作的重要組成部分，路口協(xié)作和車隊協(xié)調(diào)已成為當前智能交通領域研究的熱點[1]。區(qū)塊鏈技術是比特幣等虛擬數(shù)字加密貨幣體系的核心支撐技術[2]，基于區(qū)塊鏈技術，針對無人駕駛車輛在經(jīng)過路口時的協(xié)作控制問題進行研究，通過在本地計算機的虛擬機上搭建區(qū)塊鏈網(wǎng)絡進行實驗，再移植到模型車在實驗室環(huán)境下進行實驗，主要包括區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的搭建和車輛的控制。車輛之間通過共識算法產(chǎn)生區(qū)塊，共享實時車輛信息，驗證了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡在無信號燈十字交叉口車輛協(xié)作控制的可行性。

1 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的搭建

基于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡在計算機上進行無信號燈十字交叉口車輛數(shù)據(jù)查詢可行性驗證。

（1）節(jié)點信息

該模塊主要進行車輛節(jié)點的注冊，車輛節(jié)點填寫相關信息并注冊成功之后，系統(tǒng)會在本地為該節(jié)點生成一個以地址命名的文檔，里面存儲公鑰私鑰信息，用于在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡上傳輸數(shù)據(jù)。申請成功之后，系統(tǒng)會為其分配一對公鑰和私鑰，存儲于本地。生成公鑰和私鑰信息如圖1所示：

圖1 申請生成公鑰和私鑰信息圖

（2）開啟共識

打開節(jié)點的配置文件protocol.json，首先修改Magic值，Magic用于識別消息的來源網(wǎng)絡，指定不同的Magic確保NEO區(qū)塊鏈中的不同網(wǎng)絡信息在傳輸過程中不會發(fā)送到其它網(wǎng)絡。然后修改StandbyValidators，填寫上一步記下來的4個公鑰。最后修改SeedList，填寫IP地址，端口號保持不變。

最后將修改過的protocol.json復制到 4 個節(jié)點的客戶端目錄下，替換之前的protocol.json的文件。然后在4臺虛擬機上依次輸入以下命令啟動節(jié)點，打開錢包，開啟共識。具體如下：

（a）啟動節(jié)點：

dotnet neo-cli.dll

（b）打開錢包：

open wallet wallet1.db3

（c）開啟共識：

start consensus

4個節(jié)點的共識過程如圖2所示。

圖2 開啟共識過程圖

（3）獲取數(shù)據(jù)模塊

每個節(jié)點都可選的提供了一套API接口，用于從節(jié)點獲取區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)。接口通過JSON-RPC的方式提供，底層使用HTTP/HTTPS協(xié)議進行通訊。要啟動一個提供RPC服務的節(jié)點，可運行以下命令：

dotnet neo-cli.dll/rpc

2 車輛路口協(xié)作實驗

無人駕駛車輛安全通過交叉口，需根據(jù)其他有人駕駛車輛的當前狀態(tài)和預測行為進行相應的控制。按照無人駕駛車輛的當前環(huán)境是否構成安全條件，將無人駕駛車輛的操控行為離散為不同的狀態(tài)，如加速、減速、停車等。有限狀態(tài)機是表示有限個狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間轉移和動作等行為的數(shù)學模型，它可以用狀態(tài)轉移圖和多種類型的狀態(tài)轉移表來表示[4]。文中引入有限狀態(tài)機模型來描述無人駕駛車輛在交叉口的駕駛意圖及狀態(tài)轉移。進入交叉口的無人駕駛車輛一般有左轉、直行和右轉3種狀態(tài)。而這幾種狀態(tài)往往是車輛根據(jù)目的地和具體的環(huán)境做出的全局路徑規(guī)劃來決定，一旦確定了在該交叉口的行駛方向，每個方向又可以作為原狀態(tài)擴展為一個詳細的有限狀態(tài)機模型，如圖3所示。

圖3 車輛路口協(xié)作模型圖

按照模型分層控制的思想，可分為3層：

（1）車輛頂層控制器：主要作用是提取本車的期望速度，并根據(jù)當前車輛位置和時間歷程綜合確定本車的目標車速。其輸入量為接收到路口控制器的控制信息以及當前車輛的位置信息，輸出為本車的目標速度。

（2）車輛底層控制器：根據(jù)上層算法提供的期望車速和當前的自車車速，輸出節(jié)氣門開度和剎車力矩值，從而控制車速。

（3）宏觀路口控制器：它是本系統(tǒng)的核心控制器，負責協(xié)調(diào)車輛在路口的通行。其輸入量為所有車輛發(fā)來的自車狀態(tài)信息，包括當前位置、速度以及方向，其輸出量為車輛通過路口的期望速度。車輛的頂層控制器和底層控制器構成無人駕駛車輛的控制系統(tǒng)，其中車輛上安裝的無線發(fā)送傳感器將車輛當前的狀態(tài)信息（包括車輛的 ID、速度信息、位置信息等）發(fā)送給路口控制器，車輛上的無線接收傳感器接收來自路口控制器對車輛的控制信息，通過車輛的頂層控制器提取出對自己車輛控制的目標速度，然后底層控制器通過對目標速度和車輛的當前速度進行比較，輸出控制車輛動力學模型的油門開度和制動力矩，使車輛盡快的跟蹤目標速度[5]。

兩輛模型車在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中獲取雙方速度信息后，根據(jù)預期到達交叉口的時間判斷出二者可能有潛在的沖突，且1號模型車先到達路口，兩輛模型車以當前車速通過路口時會產(chǎn)生不安全因素，通過兩輛模型車的實際車速度變化曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4 1號模型車的速度曲線圖

圖5 2號模型車的速度曲線圖

由圖4和圖5中可以分析，兩輛模型車通過網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)判斷出處于不安全狀況，于是1號模型車緩慢加速通過十字路口，2號模型車逐步減小目標車速；在 t=14s時，判斷出兩輛模型車處于安全狀態(tài)，于是通過調(diào)節(jié)目標車速至原始目標車速，繼續(xù)行駛。

3 結論

在“區(qū)塊鏈技術”高科技技術下，針對無人駕駛車輛在經(jīng)過路口時的協(xié)作控制問題進行研究，通過在本地計算機的虛擬機上搭建區(qū)塊鏈網(wǎng)絡進行實驗，再移植到模型車在實驗室環(huán)境下進行實驗，主要包括區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的搭建和車輛的控制。車輛之間通過共識算法產(chǎn)生區(qū)塊，共享實時車輛信息，驗證了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡在無信號燈十字交叉口車輛協(xié)作控制的可行性，為高級輔助駕駛和無人駕駛研究領域提供技術支撐。

[1] 張耀丹.無人駕駛汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].汽車實用技術,2018 (06):10-11.

[2] 王繼業(yè),高靈超,董愛強,等.基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)安全共享網(wǎng)絡體系研究[J].計算機研究與發(fā)展,2017,54(04):742-749.

[3] 韓璇,劉亞敏.區(qū)塊鏈技術中的共識機制研究[J].信息網(wǎng)絡安全,2017(09):147-152.

[4] 穆康樂.無人駕駛汽車發(fā)展現(xiàn)狀及未來展望[J].電子技術與軟件工程,2017(21):112-114.

[5] 倪繼平.基于機器學習的無人駕駛技術研究[J].計算機與網(wǎng)絡, 2018,44(06):68-70.

Research on Vehicle Coordination Control of Crossroads without Signal Lights*

Zhang Wenliang, Zheng Jiuzhou, Li Yifeng, Zeng Fanchao, Liu Chunting, Liu Guopeng

( College of Automobile and Traffic Engineering, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001 )

How to build a more complete intelligent transportation system has become a hot issue in current research, with the continuous development of unmanned technology, vehicle networking and blockchain technology. Explore the feasibility of combining blockchain technology in vehicle cooperation based on unmanned driving technology and vehicle networking, aiming at the problem of vehicle cooperative control at the crossroads without signal lights. It mainly includes the constru -ction of blockchain network and the control of vehicles. Vehicles generate blocks by consensus algorithm and share real-time vehicle information. Finally, the feasibility of blockchain network is preliminarily verified by the actual vehicle construc -tion experimental platform.

vehicle collaboration;crossroad;no signal light;blockchain technology

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1671-7988(2018)22-184-03

TP23

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1671-7988(2018)22-184-03

TP23

張文亮，就職于遼寧工業(yè)大學汽車與交通工程學院，研究方向： 汽車安全與智能化控制技術。

無信號燈交叉路口特定工況車輛協(xié)作控制研究（*2018年遼寧工業(yè)大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（編號201701028）資助）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.066