盧 濤，萬凌峰，李 妍，張心睿，王潤民

(長安大學(xué) 車聯(lián)網(wǎng)教育部-中國移動聯(lián)合實驗室，陜西 西安 710064)

0 引 言

道路交叉口是城市交通的重要組成部分，在城市交通中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。但隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車數(shù)量急劇增加[1]，導(dǎo)致交叉口交通每況愈下，車輛在交叉口處易發(fā)生交通擁堵、車輛碰撞等交通問題。根據(jù)美國的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，信號交叉口的延誤占總交通延誤的5%～10%[2]。據(jù)統(tǒng)計，在中國城市道路交叉口發(fā)生的交通事故數(shù)約占交通事故總數(shù)的30%[3]，城市交叉口已經(jīng)成為制約城市道路通行能力的瓶頸之處。因此，對城市交叉口進行有效管理與協(xié)調(diào)，對保障行車安全、提高交叉口通行能力有著重要意義。

目前大多數(shù)交叉口采用信號控制方式控制各個進道口車輛的通行權(quán)，以達到減少交叉口的交通擁堵、降低交叉口碰撞事故發(fā)生率、提高交叉口通行能力的目的。但固定配時的信號控制往往與實際交通流量不符，使得交叉口通行效率低下，車輛延誤時間反而增加。因此，信號配時設(shè)計不斷優(yōu)化，整體來說，信號控制經(jīng)歷了固定配時、感應(yīng)控制和自適應(yīng)控制的發(fā)展過程[4]。

在各種信號控制方式中，目前最優(yōu)的控制方式為自適應(yīng)控制[5]。自適應(yīng)控制方法包含綠波帶等方法，針對綠波帶自適應(yīng)控制，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究，最早的有John D.C.Little提出的Maxband模型[6]和Gartner的MULTIBAND模型[7]。文獻[8]參照NEMA相位優(yōu)化的方法，優(yōu)化MAXBAND核心數(shù)學(xué)模型，提出了基于靈活相位優(yōu)化設(shè)計的雙向綠波協(xié)調(diào)控制策略；通過對經(jīng)典的雙向綠波圖解法進行優(yōu)化，文獻[9]提出了非對稱相位相序方式下的雙向綠波協(xié)調(diào)控制圖解法。但是自適應(yīng)信號控制系統(tǒng)中多采用定點采取數(shù)據(jù)的方式，獲取的交通流數(shù)據(jù)有限且無法保證精準，而且車輛也無法充分利用交叉口信號燈的數(shù)據(jù)。

車聯(lián)網(wǎng)，也稱V2X[10](vehicle to everything)，是解決交通問題的新興技術(shù)，目前主流車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為專用短程通信(dedicated short range communication，DSRC)和長期演進-Vehicle(long term evolution vehicle，LTE-V)。借助車聯(lián)網(wǎng)，可以實現(xiàn)車與車、車與人、車與基礎(chǔ)設(shè)施、車與互聯(lián)網(wǎng)之間的通信，大大提高了交通信息的流通，有助于解決城市交通問題。DSRC在歐美國家使用比較廣泛，而國內(nèi)主要聚焦于LTE-V，相比于DSRC，LTE-V的覆蓋范圍更廣，適應(yīng)車速更大，但高速情況下延時較高[11-12]。

針對現(xiàn)有信號控制系統(tǒng)的不足，文中將車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于交叉口，設(shè)計了一種基于V2X的智能網(wǎng)聯(lián)交叉口信號控制系統(tǒng)?；趫D形界面庫Qt實現(xiàn)了車載終端應(yīng)用程序的設(shè)計，基于python實現(xiàn)了路側(cè)邊緣計算機程序的設(shè)計，實現(xiàn)了將車、路融合為一個完整的系統(tǒng)，并構(gòu)建了綠波車速引導(dǎo)、緊急車輛優(yōu)先通行、左轉(zhuǎn)輔助等三種典型應(yīng)用場景對系統(tǒng)的有效性進行了測試驗證。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

1.1 功能需求分析

交叉口作為城市交通的關(guān)鍵節(jié)點，對城市交通具有重大意義。目前多數(shù)交叉口采用固定配時的信號控制方式來控制交叉口各進道口的通行權(quán)，但現(xiàn)有的固定配時方式無法適應(yīng)動態(tài)變化的交通流，因此亟需一種可以動態(tài)改變信號配時的控制方案。另外，交叉口擁有復(fù)雜的交通狀況，包含機動車輛、非機動車輛、行人等諸多要素，交通事故及交通擁擠等交通事件頻發(fā)，為此需要一種可以檢測交叉口碰撞風險、提高交叉口通行效率的智能交叉口信號控制系統(tǒng)。

針對上述問題，文中借助車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和邊緣計算，實現(xiàn)交叉口信號控制系統(tǒng)的網(wǎng)聯(lián)化和智能化，設(shè)計需要滿足的具體需求如下：

(1)紅綠燈與行駛車輛的實時網(wǎng)聯(lián)交互；

(2)車載端可以進行信息采集、數(shù)據(jù)實時處理與行車預(yù)警提示；

(3)路側(cè)端可以進行信息采集、數(shù)據(jù)實時處理、檢測交叉口潛在的碰撞風險與修改信號燈狀態(tài)；

(4)網(wǎng)聯(lián)車輛上提供人機交互接口。

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計方案

基于上述需求分析，文中設(shè)計了一種智能網(wǎng)聯(lián)交叉口信號控制系統(tǒng)，系統(tǒng)模塊組成如圖1所示，主要分為網(wǎng)聯(lián)汽車子系統(tǒng)和智能紅綠燈子系統(tǒng)。網(wǎng)聯(lián)汽車子系統(tǒng)由人機交互、車載計算和信息通信模塊組成；路側(cè)子系統(tǒng)由信息通信、路側(cè)計算和信號控制等模塊組成。

圖1 系統(tǒng)模塊組成

網(wǎng)聯(lián)汽車子系統(tǒng)主要完成信號燈信息的展示以及碰撞預(yù)警。其中人機交互模塊使用車載交互終端以圖像、聲音等方式來向用戶展示信息和預(yù)警提醒。車載計算模塊使用車載計算機解析并處理信息通信模塊傳輸來的數(shù)據(jù)，然后利用處理后的數(shù)據(jù)實現(xiàn)一定的業(yè)務(wù)邏輯。信息通信模塊實現(xiàn)與路側(cè)端的V2X雙向通信和本地網(wǎng)絡(luò)通信，以及GPS/北斗定位。

路側(cè)子系統(tǒng)主要完成交叉口潛在碰撞風險的檢測以及信號燈狀態(tài)的動態(tài)修改。路側(cè)計算模塊使用路側(cè)邊緣計算機解析處理信息通信模塊傳輸來的數(shù)據(jù)，利用處理后的數(shù)據(jù)檢測碰撞風險和改變信號燈狀態(tài)。信號控制模塊主要用于控制交叉口信號燈相位和配時的改變，同時可以上報信號燈的狀態(tài)信息給路側(cè)邊緣計算機。信息通信模塊實現(xiàn)與車載端的V2X雙向通信和本地網(wǎng)絡(luò)通信，以及GPS/北斗定位。

基于上述模塊實現(xiàn)的整個系統(tǒng)的框架如圖2所示，主要包含三層：硬件層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。硬件層包含安裝在車輛和交叉口的一些設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)層為信息傳輸?shù)耐ǖ?，有V2X、以太網(wǎng)、4G/5G等；應(yīng)用層為基于場景開發(fā)的應(yīng)用功能，包含車載端和路側(cè)端。

圖2 系統(tǒng)體系框架

1.3 系統(tǒng)功能場景設(shè)計

基于上述需求分析，文中通過搭建雙向兩車道十字型交叉口場地，設(shè)計了三種典型應(yīng)用場景，具體如下：

(1)綠波車速引導(dǎo)。

綠波車速引導(dǎo)(green light optimal speed advisory，GLOSA)是指，當裝載系統(tǒng)應(yīng)用的車輛駛向信號燈控制交叉口，收到由網(wǎng)聯(lián)信號燈實時狀態(tài)數(shù)據(jù)。GLOSA應(yīng)用將給予駕駛員一個建議車速區(qū)間，車輛按建議車速能夠經(jīng)濟、舒適地通過信號路口。

(2)緊急車輛優(yōu)先通行。

緊急車輛優(yōu)先通行(emergency vehicle priority，EVP)是指，緊急車輛在駛向交叉口的過程中，向外廣播緊急車輛的信號，交叉口信號燈系統(tǒng)收到緊急車輛信號后，根據(jù)緊急車輛的信息以及信號燈的狀態(tài)信息計算出可以使緊急車輛優(yōu)先通過交叉口的信號燈信息，然后通過改變交叉口信號燈的相位和配時來使緊急車輛盡快通過。

(3)左轉(zhuǎn)輔助。

左轉(zhuǎn)輔助(left turn assist，LTA)是指，車輛A在交叉口左轉(zhuǎn)，與對向駛來的沖突車B存在碰撞危險時，LTA應(yīng)用將對車輛A駕駛員進行預(yù)警。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件連接如圖3所示，車載計算機通過RJ45接口與V2X車載終端相連，WiFi模塊和多模式組合天線通過FAKRA接口與V2X車載終端相連，車載終端通過V2X網(wǎng)絡(luò)與路側(cè)設(shè)備相連，路側(cè)邊緣計算機和V2X路側(cè)設(shè)備、攝像頭、交通信號控制機連接采用RJ45接口。

正常情況下，交通信號控制機周期性地將信號燈的相位和配時信息上報給路側(cè)邊緣計算機，路側(cè)邊緣計算機通過V2X路側(cè)設(shè)備將信號燈信息發(fā)送給V2X車載終端，車載終端將車輛信息和信號燈信息傳送給車載計算機，車載計算機根據(jù)車輛數(shù)據(jù)和信號燈數(shù)據(jù)計算出綠波車速，然后將信號燈信息和綠波車速在人機交互終端上呈現(xiàn)給駕駛員。

當車輛為緊急車輛時，駕駛員通過在人機交互終端上設(shè)置參數(shù)，然后通過車載終端發(fā)送給路側(cè)端，路側(cè)邊緣計算機識別出緊急車輛信號后，根據(jù)車輛和信號燈的狀態(tài)計算出緊急車輛通過交叉口的時間，然后修改信號燈的相位和配時，以便緊急車輛優(yōu)先通過交叉口。

圖3 系統(tǒng)硬件連接

2.2 網(wǎng)聯(lián)汽車子系統(tǒng)硬件選型

網(wǎng)聯(lián)汽車子系統(tǒng)的硬件主要包含網(wǎng)聯(lián)汽車、V2X通信終端、車載天線、車載計算機與人機交互終端。車載天線置于車輛頂部，用于實現(xiàn)北斗定位和V2X通信數(shù)據(jù)收發(fā)；V2X通信終端、車載計算機、車載電源置于車內(nèi)，車載終端接收V2X通信信息并將其傳送給車載計算機；車載計算機解析接收到的V2X數(shù)據(jù)、北斗定位數(shù)據(jù)并處理，最后人機交互終端上展示信息；其中車載電源負責給車載終端和車載計算機供電。

其中V2X通信終端選用星云互聯(lián)的智能車載終端，該設(shè)備支持CAN/RS232/Rj45/USB等接口，可以很好地與第三方設(shè)備連接測試，其技術(shù)規(guī)格如表1所示。車載計算機選用ThinkPad X280筆記本；車載天線為魚鰭天線。

表1 星云互聯(lián)智能車載終端技術(shù)規(guī)格

2.3 智能信號燈子系統(tǒng)硬件選型

路側(cè)端的硬件主要包含V2X路側(cè)終端、路側(cè)邊緣計算機、信號控制機、衛(wèi)星定位模塊和三相位信號燈。V2X路側(cè)終端負責收發(fā)V2X數(shù)據(jù)；路側(cè)邊緣計算機負責數(shù)據(jù)的解析和處理，檢測交叉口可能存在的碰撞風險，也可以通過向信號控制機發(fā)送控制指令控制改變信號燈的狀態(tài)；信號控制機負責控制信號燈狀態(tài)。

其中V2X路側(cè)單元設(shè)備型號與車載V2X設(shè)備型號相同，路側(cè)邊緣計算機選用的是研華ARK-3500工控機。圖4(a)示出了信號控制機外觀。圖4(b)為信號燈的內(nèi)部硬件電路圖，主要分為5塊電路板和其他電路，其中電路板1負責信號燈的邏輯控制以及和外界的通信，電路板2～4為信號燈的驅(qū)動電路，分別對應(yīng)交叉口的東西南北四個方向。

圖4 信號控制機外觀(a)與信號控制及內(nèi)部電路(b)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)包含車載端軟件和路側(cè)端軟件。兩者相互獨立又相互關(guān)聯(lián)，一起協(xié)同完成各個場景。

3.1 車載端軟件

車載端軟件主要接收路側(cè)端傳送的數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進行解析和處理，在界面上給出綠波車速，并更新信號燈狀態(tài)和地圖上車輛的位置。

軟件框架如圖5所示。I/O層包含無線消息服務(wù)，主要負責與V2X設(shè)備通訊，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)和安全認證，主要使用TCP/IP協(xié)議。服務(wù)層負責對輸入數(shù)據(jù)的整合、處理, 并分發(fā)至應(yīng)用層，同時為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)發(fā)送的接口，由人機交互接口、無線消息處理和硬件信息處理三個模塊組成。無線消息處理模塊主要負責無限消息的接收及編解碼等處理工作，同時為應(yīng)用層提供無線數(shù)據(jù)發(fā)送的接口；硬件信息處理模塊主要負責解析獲取信號燈和車輛的狀態(tài)信息，并計算車輛距離的信號燈和其他車輛的距離；應(yīng)用層包含應(yīng)用場景和第三方應(yīng)用兩大模塊，應(yīng)用場景模塊包含常見的綠波車速引導(dǎo)、緊急車輛優(yōu)先通行、左轉(zhuǎn)輔助、闖紅燈預(yù)警、交叉口碰撞預(yù)警等。各場景相互獨立，互不干擾，具有很好的擴展性。同時支持用戶自定義的第三方應(yīng)用，比如用戶自定義的語音、視頻應(yīng)用等，與原有應(yīng)用也相互獨立。

圖5 車載端軟件框架

車載端軟件界面主要利用數(shù)據(jù)傳輸和存儲技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及Qt桌面開發(fā)技術(shù)，界面左側(cè)為地圖，地圖上會標注并實時更新自身車輛的位置；右上角為實時的交叉口紅綠燈狀態(tài)信息，包含相位和倒計時；右下角為推薦通過交叉口的綠波車速；駕駛員通過菜單欄的模式可以切換車輛類型為緊急車輛。軟件共實現(xiàn)了綠波車速引導(dǎo)、緊急車輛優(yōu)先通行和左轉(zhuǎn)輔助3個場景。

3.2 路側(cè)端軟件

路側(cè)端軟件主要向車輛提供信號燈的狀態(tài)信息以及自身的位置信息等。圖6所示為路側(cè)端軟件框架。相對于車載端軟件框架，路側(cè)端軟件框架應(yīng)用層缺少了第三方應(yīng)用，整體架構(gòu)多了關(guān)于數(shù)據(jù)存儲的部分，用于把一些重要的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫，方便后期進行數(shù)據(jù)分析。

圖6 路側(cè)端軟件框架

3.3 系統(tǒng)軟件工作流程

系統(tǒng)工作流程分為車載端軟件工作流程和路側(cè)端軟件工作流程，兩者通過V2X網(wǎng)絡(luò)進行信息傳遞。

車載端軟件運行后開始接收路側(cè)端發(fā)送的數(shù)據(jù)并檢測自身是否為緊急車輛，若為緊急車輛，則向外廣播“emergency”緊急信號；若不是，則一直自檢是否為緊急車輛。當接收到數(shù)據(jù)后，解析判斷是否存在預(yù)警信息，若存在，通過彈窗和語音播報的形式提醒駕駛員，然后計算綠波車速并展示信號燈信息和綠波車速給駕駛員。

路側(cè)端軟件運行后檢測是否接收到“emergency”緊急信號，若存在，則控制號燈改變，以便緊急車輛優(yōu)先通行；軟件會不斷檢測是否存在潛在的碰撞風險，若存在，則向車載端發(fā)送預(yù)警信息。

4 系統(tǒng)測試與驗證

4.1 系統(tǒng)集成

圖7(a)展示了測試車輛內(nèi)部設(shè)備連接及設(shè)備擺放位置，V2X車載終端置于車內(nèi)，V2X多模式組合天線置于車頂。圖7(b)為信號燈硬件連接圖的實物圖。設(shè)備啟動后，紅綠燈開始工作，V2X車載終端和路側(cè)單元LCD等閃爍正常，系統(tǒng)開始正常工作。

圖7 車載設(shè)備連接實物圖(a)與信號燈 硬件連接實物圖(b)

4.2 系統(tǒng)測試環(huán)境搭建

測試場地選用的是長安大學(xué)車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車試驗場，測試選用如圖8中交叉口，其中AB段為東西方向，長約300米，2車道，車道寬4米，CD段為南北方向，長約90米，2車道，車道寬4米，點S是交叉口交匯點，即信號燈放置位置。

在測試過程中駕駛員負責駕駛，測試人員位于車輛后排位置，負責測試軟件啟停及數(shù)據(jù)保存，硬件設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)視。

圖8 長安大學(xué)車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車試驗場鳥瞰圖

4.3 測試過程

(1)綠波車速引導(dǎo)。

將搭設(shè)好V2X車載設(shè)備的測試車輛駛?cè)霚y試場地，移動信號燈放置于交叉路口，待檢查設(shè)備工作正常后，將測試車輛停放在距離交叉口信號燈300 m處[13]，車頭朝向交叉口信號燈。待硬件設(shè)備以及測試軟件啟動后，測試車輛緩慢駛向交叉口。圖9為實際測試畫面和測試軟件運行界面。

圖9 綠波車速引導(dǎo)測試過程(a)與軟件界面(b)

在行駛過程中，測試人員觀察軟件界面上顯示的信號燈信息(相位、配時等)是否與交叉口信號燈一致，以及測試車輛按照推薦速度是否能不停車通過交叉口。若信號燈信息一致且車輛不停車通過交叉口，則此次測試通過；反之，不通過。在整個測試過程中，網(wǎng)聯(lián)車輛和普通車輛分別測試50次，測試人員記錄每次測試車輛的旅行時間以及此次測試成功與否。

(2)緊急車輛優(yōu)先通行。

將搭設(shè)好V2X車載設(shè)備的測試車輛駛?cè)霚y試場地，移動信號燈放置于交叉路口，待檢查設(shè)備工作正常后，將測試車輛停放在距離交叉口信號燈150 m處，車頭朝向交叉口信號燈。硬件設(shè)備以及測試軟件啟動后，等待信號燈變?yōu)榧t燈，測試車輛緩慢駛向交叉口。在行駛過程中，測試人員通過測試軟件向車載設(shè)備發(fā)送救護車緊急信號，然后觀察信號是否由紅燈變?yōu)榫G燈。若交叉口信號燈的變化符合預(yù)期，則測試通過；反之不，通過。測試過程中，測試人員記錄此次測試成功與否，共測試50次。圖10為實際測試畫面和測試軟件運行界面。

圖10 緊急車輛優(yōu)先通行測試過程(a)與軟件 操作界面(b)

(3)左轉(zhuǎn)輔助。

將兩輛搭設(shè)好V2X車載設(shè)備的測試車輛駛?cè)霚y試場地，移動信號燈放置于交叉路口，待檢查設(shè)備工作正常后，將測試車輛停放在距離交叉口信號燈相對路口的100 m處，兩輛車的車頭朝向交叉口信號燈。硬件設(shè)備以及測試軟件啟動后，等待東西方向上信號燈變?yōu)榫G燈，測試車輛緩慢駛向交叉口。在行駛過程中，左轉(zhuǎn)車輛上的測試員觀察在駛進交叉口后，測試軟件界面上是否出現(xiàn)預(yù)警提示或者語音播報提示駕駛員可能發(fā)生碰撞，若出現(xiàn)預(yù)警，則測試通過；反之不通過。測試過程中，測試人員記錄此次測試成功與否，共測試50次。

圖11為實際測試畫面和測試軟件運行界面。

圖11 左轉(zhuǎn)輔助測試過程(a)與軟件預(yù)警界面(b)

4.4 測試結(jié)果

經(jīng)測試，系統(tǒng)實時性好、穩(wěn)定可靠。綠波車速引導(dǎo)場景能夠在路側(cè)設(shè)備通信范圍內(nèi)實現(xiàn)人機界面上的信號燈狀態(tài)顯示，并給出通過交叉口的綠波車速，引導(dǎo)駕駛員在綠燈時間內(nèi)通過交叉口，經(jīng)測試，采用GLOSA應(yīng)用，成功率達到99%以上，交叉口通行效率可以提高25%以上；緊急車輛優(yōu)先通行場景能夠在緊急車輛進入路側(cè)設(shè)備通信范圍內(nèi)時，及時調(diào)整信號的狀態(tài)以便緊急車輛快速通過，經(jīng)測試，采用EVP應(yīng)用，可以有效提高緊急車輛通行交叉口的效率，成功率高達98%；左轉(zhuǎn)輔助場景能夠在兩輛相向而行的車輛進入交叉口時，如果檢測到潛在的碰撞危險，則對左轉(zhuǎn)車輛進行預(yù)警，以便優(yōu)先讓直行車輛通行，經(jīng)測試，采用LTA應(yīng)用，可以有效避免交叉口的左轉(zhuǎn)碰撞，有效率高達95%。

5 結(jié)束語

針對城市交叉口中交通事故頻發(fā)、通行效率低的問題，結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，文中設(shè)計了一種基于V2X網(wǎng)絡(luò)的智能網(wǎng)聯(lián)交叉口信號控制系統(tǒng)，包含硬件和軟件兩部分；并在長安大學(xué)車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車試驗場進行了實車測試。

經(jīng)測試，基于該系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用可以使交叉口信號控制系統(tǒng)更加智能化，可以有效減少交叉口的車輛延誤時間，降低交通事故的發(fā)生概率。

目前該系統(tǒng)還存在很多問題。例如文中測試的場景為單車或雙車，并未測試復(fù)雜、飽和交通流狀態(tài)下的情況，以及通信延遲比較大的情況。針對復(fù)雜的交通流，可以采用更加復(fù)雜的算法實現(xiàn)交叉口的智能化[14-15]；針對通信延遲比較大的情況，可以結(jié)合預(yù)測算法來獲取下一時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)信息[16]。