魏立夏 袁 銘

（青島理工大學琴島學院土木工程系，山東 青島266000）

1 研究背景

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的快速推進，大、中城市機動車保有量的持續(xù)攀升，車輛在平面交叉口的通行延誤、擁堵、事故、環(huán)境污染等問題，不斷加劇。目前，城市道路平面交叉口管理以信號控制為主。一般，車輛在交叉口的左轉(zhuǎn)、直行均受信號燈控制，因信號的阻滯作用影響，駕駛員需通過觀察交叉口處懸掛的信號燈燈色或倒計時，來判斷車輛在交叉口通行時的減速、緩行、停車、再次啟動過程；尤其是在排隊長度較長、信號周期較大的交叉口通行時，這一過程甚至要重復出現(xiàn)數(shù)次，即車輛在交叉口需等多個綠燈才能通過。上述過程中，駕駛員需時刻注意觀察前方車輛狀態(tài)、信號燈控制信息，出行體驗較差。此外，因前方大車遮擋、綠化樹蔭遮擋、信號燈架設位置不當?shù)仍?，導致駕駛員觀察信號燈狀態(tài)受阻，容易引起車輛反復停車、啟動等怠速、高污染排放狀態(tài)行駛，同時也加劇了交叉口的通行延誤，容易誘發(fā)事故發(fā)生。

針對以上問題，國內(nèi)外結(jié)合交通信號控制信息的顯示方式也提出了一些探索性的解決方案，致力于實現(xiàn)交叉口控制信息以更加便捷的方式被駕駛員獲取，以減少在交叉口的延誤，提高行車安全與通信效率。

1.1 國內(nèi)車載信號控制研究

2014 年11 月，發(fā)明人胡樂樂提出一種車載信號燈接收裝置的發(fā)明專利。無線收發(fā)單元通過無線網(wǎng)絡接入因特網(wǎng)，接收信號燈信息發(fā)布接口消息并送交處理單元，同時按照后者指令發(fā)送信號燈狀態(tài)查詢消息；處理單元根據(jù)GPS 單元得到車輛行使前方路口位置坐標和路名信息，并據(jù)此封裝信號燈狀態(tài)查詢消息送交無線收發(fā)單元發(fā)送，同時解析信號燈信息發(fā)布接口消息，獲取前方路口信號燈狀態(tài)信息和位置信息，并送交輸出單元；輸出單元以圖像、聲音、電子接口或者上述任意幾種組合的方式將前方路口信號燈狀態(tài)信息輸出。

1.2 國外車載信號控制研究

2014 年初德國奧迪公司研發(fā)了一套全新交通信號燈輔助系統(tǒng)Traffic Light Information (TLI)，能夠讓主板通過LTE 4G 網(wǎng)絡與交通信號燈相連，交通燈信息將會傳遞到車上，車輛儀表盤信息由此能顯示交通狀態(tài)、紅燈剩余時間等。

2015 年德國寶馬與美國俄勒岡州手機軟件開發(fā)商Connected Signals 合作研發(fā)應用。應用可在線連接到參與城市的交通信號控制系統(tǒng)中，獲取不同路段信號燈的顏色更換周期；隨后在使用手機中的GPS 定位，從而判斷當車輛經(jīng)過該路口的時候信號燈會處于什么狀態(tài)，以便車主提前調(diào)整車速，避免持續(xù)加速浪費燃油。

1.3 移動網(wǎng)絡通信技術

近年來，我國移動終端設備、通信技術發(fā)展迅猛。2018 年2月，中國互聯(lián)網(wǎng)絡信息中心(CNNIC)發(fā)布的《中國互聯(lián)網(wǎng)絡發(fā)展狀況統(tǒng)計報告》中顯示，截至2017 年12 月，我國網(wǎng)民規(guī)模達7.72 億，其中，手機網(wǎng)民占97.5%。據(jù)此，帶動的移動互聯(lián)網(wǎng)應用業(yè)務，也快速滲透各行各業(yè)，交通行業(yè)也出現(xiàn)了一系列優(yōu)秀的“互聯(lián)網(wǎng)+交通”的應用案例，切實的改善了交通系統(tǒng)的服務水平，如滴滴出行、共享單車/汽車、網(wǎng)上訂票等。隨著移動通信4G、5G 信號的普及，移動終端設備將成為“萬物互聯(lián)”的基礎硬件網(wǎng)絡，這也為車載智能交通信號控制信息提供了良好的基礎。

綜上所述，國內(nèi)在車載信號方面的研究主要集中在硬件設備設計，明顯落后于基于移動互聯(lián)網(wǎng)技術的智能交通應用；國外在車載信號方面的探索主要是由汽車企業(yè)發(fā)起的，處于試驗研究階段。因此，本作品的研究具有實用性、創(chuàng)新性，符合我國的智能交通發(fā)展趨勢。

2 系統(tǒng)關鍵技術分析

2.1 車載信號燈顯示技術

圖1 車載信號燈顯示位置和信息的判斷流程示意圖

圖2 車速誘導與擁堵轉(zhuǎn)向誘導技術流程示意圖

車載信號燈顯示技術主要包含兩項內(nèi)容：（1）基于移動終端應用與城市交通管控中心通信與數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)信號控制信息的實時獲取。獲取的信息包含：交叉口的名稱、信號控制相位、相序，信號各相位的放行時間狀態(tài)等。（2）基于GPS/北斗定位技術，GIS 電子地圖應用（如百度、高德地圖），獲取車輛的出行路徑規(guī)劃信息、車輛的位置信息、車輛的行駛速度、車輛距離交叉口中心的位置信息；基于不同車輛的“速度-安全操控距離”信息，設置信號燈控制信息顯示的觸發(fā)條件；基于圖像、語音模式，實現(xiàn)車載的、實時的交叉口信號控制信息主動服務。車載信號燈顯示位置和信息的判斷流程如圖1 所示。

在檢測區(qū)1，主要判斷車輛已駛?cè)氘斍奥房冢ˋ）的上游路段，從而定位到車輛即將到達的下一個路口，提前獲取該路口名稱、位置和進口道信號相位信息。依據(jù)不同車速下，終端設備定位、數(shù)據(jù)傳輸?shù)男逝c可靠性，可將該“檢測區(qū)1”定義在上游交叉口（B）出口道的50 米空間范圍內(nèi)，保障90%的車輛檢出率。在檢測區(qū)2，主要判斷車輛距離交叉口的距離，判斷開始為駕駛員提供信號控制信息服務的位置，確保提供的信息可被駕駛員有效利用。信號控制信息提示的過早，對駕駛員來說屬于信息過載，否則，提示的過晚，不利于駕駛員及時采取相應的車輛操作，也不利于行車安全。

這里首先考慮一般情況，即非擁堵狀態(tài)下駕駛員在交叉口上下游功能區(qū)的反應、加減速、變道、制動等操作時間，推算不同行駛速度下信息提示距離：①15km/h≤V≤40km/h 時，車輛距離信號燈100 米時提示。②45km/h≤V≤65km/h 時，車輛距離信號燈150 米時提示。③速度≥70km/h 時，車輛距離信號燈200 米時提示。

2.2 車速誘導與擁堵轉(zhuǎn)向誘導技術

車速誘導技術、擁堵轉(zhuǎn)向誘導技術，其目的在于幫助駕駛員通過合理的速度控制、行駛轉(zhuǎn)向調(diào)整方法，減少車輛在交叉口的通行延誤、停車次數(shù)，提高交叉口的通行能力。

車速誘導技術：在擁堵狀態(tài)下，車輛進入檢測區(qū)2，進行信號控制信息顯示的距離位置定位。同時，依據(jù)車速、信號等放行狀態(tài)、路況信息，判斷車輛在交叉口的通行方式：均速通過、緩行通過、減速停車。

擁堵轉(zhuǎn)向誘導技術：該技術主要針對通過交叉口時，某一轉(zhuǎn)向相位擁堵的情況。例如，在一些大型平面交叉口常見左轉(zhuǎn)相位比較擁堵，而直行相位相對暢通，有條件時，可考慮變更到直行相位車道，繞行到達目的地；此過程，常常因駕駛員沒有對轉(zhuǎn)向擁堵情況的預判能力而放棄。因此，系統(tǒng)提出結(jié)合駕駛員的出行路徑規(guī)劃信息、信號控制信息、交叉口相位擁堵信息，判斷是否存在轉(zhuǎn)向擁堵情況，是否具有擁堵轉(zhuǎn)向繞行的條件。當某一轉(zhuǎn)向（如左轉(zhuǎn)）通過時間超過2 周期，即需要在交叉口等待至少2 個信號綠燈時間才能通過，則認為該轉(zhuǎn)向相位存在擁堵，觸發(fā)轉(zhuǎn)向擁堵誘導，并借助車載地圖導航，為駕駛員規(guī)劃繞行路線（圖2）。

2.3 交叉口延誤評價技術

交叉口延誤評價技術，基于系統(tǒng)應用過程中獲取個體車輛的出行軌跡GPS/北斗定位數(shù)據(jù)，包括車輛出行位置數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)、時間信息，計算車輛在通過交叉口時的延誤時間。交叉口延誤時間計算，為駕駛員提供了未來出行路徑規(guī)劃的依據(jù)，可以定量的了解出行路徑上的擁堵點，合理的避開擁堵點；車輛個體出行延誤的大數(shù)據(jù)，還可上傳到交通管控中心系統(tǒng)，為交管部門的信號控制優(yōu)化、車流誘導、管理方案制定提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

3 VTSS 系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)功能架構(gòu)：VTSS 系統(tǒng)基于智能手機，開發(fā)手機端APP 軟件，為用戶提供車載智能信號燈控制信息顯示，包含圖像、語音提示；為用戶提供在交叉口的車速誘導、轉(zhuǎn)向擁堵誘導信息，幫助用戶高效、安全的通過交叉口；為用戶提供其出行路徑上各交叉口的通行延誤時間，為用戶未來的出行路徑規(guī)劃提供依據(jù)。

3.2 系統(tǒng)界面設計：VTSS 系統(tǒng)信號控制信息顯示與車速誘導界面，如圖3、圖4 所示；交叉口延誤評價界面，如圖5 所示；系統(tǒng)登錄界面，如圖6 所示。

4 創(chuàng)新特色

本文結(jié)合當前的移動互聯(lián)技術、GPS/北斗定位技術、車載交通信號燈顯示技術、車速和擁堵轉(zhuǎn)向誘導技術，提出一種創(chuàng)新模式的車載智能交通信號燈顯示與車速誘導系統(tǒng)方案，并以移動手機終端應用軟件的形式實現(xiàn)系統(tǒng)設計,即VTSS 系統(tǒng)。

圖3 信號顯示與車速誘導

圖4 擁堵轉(zhuǎn)向誘導

圖5 交叉口延誤評價界面

圖6 系統(tǒng)登錄界面

VTSS 系統(tǒng)提供車載的信號顯示，包含圖像和語音提示，為駕駛員主動提供的信息服務；系統(tǒng)基于路況和信號控制信息的綜合分析，進行車輛在交叉口的速度誘導、轉(zhuǎn)向擁堵誘導。系統(tǒng)的設計基于當前廣泛應用的移動終端應用技術，系統(tǒng)的功能和操作界面能滿足駕駛員用戶無障礙的使用。

系統(tǒng)的設計為駕駛員提供了一種全新的交叉口信號控制信息獲取方式，一種基于個體車輛的車速誘導和擁堵轉(zhuǎn)向誘導方法；系統(tǒng)運行過程中采集的車輛出行軌跡大數(shù)據(jù)，可為駕駛員出行路徑規(guī)劃、交通管理部門的信號優(yōu)化提供充分的數(shù)據(jù)支撐。

5 應用前景

本文中研究的系統(tǒng)可單獨推廣應用，也可和現(xiàn)有的地圖導航、交通管控等應用結(jié)合使用；系統(tǒng)適用于向各大、中城市推廣，但要求應用區(qū)域的路口交通信號已實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制；系統(tǒng)市場需求明確、市場應用范圍廣闊，系統(tǒng)產(chǎn)品化、市場化運營可行性強，預期產(chǎn)品用戶超過千萬，經(jīng)濟效益巨大。