基于UTISS的車路網(wǎng)協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉欣萌

(西安航空學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，陜西 西安 710077)

基于UTISS的車路網(wǎng)協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉欣萌

(西安航空學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，陜西 西安 710077)

為了研究有限空間和復(fù)雜車輛間的耦合關(guān)系，有效提升車輛運(yùn)用和道路使用效率，緩解交通壓力及保障出行安全，對(duì)泛在交通信息服務(wù)系統(tǒng)(UTISS)和車路協(xié)同系統(tǒng)相結(jié)合的理念進(jìn)行了研究，構(gòu)建了基于UTISS的車路網(wǎng)協(xié)同系統(tǒng)。首先，分析了交通信息系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)比了我國(guó)和美國(guó)的智能交通發(fā)展情況。其次，以交通流和信息流為核心，提出了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和物理框架，即交通流描述車車、車路系統(tǒng)的信息交互，信息流針對(duì)的是網(wǎng)絡(luò)端以及對(duì)象端的信息傳輸。最后，針對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用層面，對(duì)多車道進(jìn)行路段仿真，從車輛運(yùn)行的跟馳規(guī)則和變道規(guī)則出發(fā)，分析了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)變道現(xiàn)象和對(duì)沖突現(xiàn)象作出的反應(yīng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能比駕駛員更好地對(duì)城市擴(kuò)張情況下的多路段變道情況進(jìn)行預(yù)判，為智能交通服務(wù)系統(tǒng)和車路網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展提供設(shè)計(jì)理念和理論支持，也為交通系統(tǒng)的信息共享和智能化發(fā)展提供了依據(jù)。

智能交通； 車路協(xié)同系統(tǒng)； 泛在交通信息服務(wù)系統(tǒng)； 泛在網(wǎng)絡(luò)； 多車道； 路段仿真; RFID

0 引言

近年來(lái)，中國(guó)城市智能交通市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)迅速，“綜合運(yùn)輸與智能交通”是交通科技領(lǐng)域“十三五”規(guī)劃布局的重點(diǎn)專項(xiàng)之一。

在電子信息、無(wú)線通信等技術(shù)的推動(dòng)下，“車路協(xié)同”系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，彌補(bǔ)了目前交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、可靠性等方面存在的不足[1]。

交通信息服務(wù)系統(tǒng)(traffic information service system,TISS)是智能交通系統(tǒng)(intelligent transportation systems，ITS)的一個(gè)重要組成部分，為交通參與者和管理者提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面的交通信息，從而使其作出有針對(duì)性的行為和管理決策，是提升整個(gè)交通運(yùn)輸系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的有效手段。

1 交通信息服務(wù)系統(tǒng)發(fā)展

交通信息服務(wù)系統(tǒng)主要由交通信息采集、傳輸、處理和服務(wù)4部分構(gòu)成[2]。交通信息采集是利用視頻、波頻等多種檢測(cè)方式，在時(shí)間和空間上對(duì)交通系統(tǒng)進(jìn)行采樣的過(guò)程。交通信息傳輸是將采集到的交通信息通過(guò)公共或?qū)Ｓ玫耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)發(fā)送給交通信息處理中心，常見(jiàn)的傳輸方式包括專用光纖、以太網(wǎng)、無(wú)線移動(dòng)數(shù)字通信GPRS和增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率GSM演進(jìn)技術(shù)(enhanced data rate for GSM evolution,EDGE)等。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家從基礎(chǔ)設(shè)施與裝備一體化、多種運(yùn)輸裝備集成設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)調(diào)度與服務(wù)一體化等多個(gè)方面，充分實(shí)現(xiàn)綜合貨物運(yùn)輸方式間的信息共享，不斷提高智能化信息服務(wù)水平[3-4]。近年來(lái)，我國(guó)各種運(yùn)輸方式都得到了快速發(fā)展，但多種運(yùn)輸方式間的信息交互服務(wù)滯后，制約了綜合交通協(xié)同與高效服務(wù)。智能交通服務(wù)系統(tǒng)發(fā)展示意圖如圖1所示。對(duì)比中國(guó)和美國(guó)的智能交通服務(wù)系統(tǒng)的發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)，美國(guó)起步較早[5]，發(fā)展迅速，2000年就實(shí)現(xiàn)了交通和信息的共享服務(wù)，2004年開(kāi)展汽車和道路設(shè)施的集成服務(wù)(即國(guó)內(nèi)所說(shuō)的車路協(xié)同)。相比之下，我國(guó)2011年提出智能車路協(xié)同系統(tǒng)(cooperative vehicle infrastructure system,CVIS)，目前仍在攻克智能交通集成應(yīng)用和協(xié)同運(yùn)行。

圖1 智能交通服務(wù)系統(tǒng)發(fā)展示意圖

交通信息服務(wù)系統(tǒng)正在從單方面的智能化信息服務(wù)應(yīng)用(如導(dǎo)航系統(tǒng)、ETC、安全駕駛輔助等)向更高層次的合作型(車車、車路)交通信息服務(wù)應(yīng)用演進(jìn)，且合作型交通信息服務(wù)也需要依賴各種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的支撐。在此背景下，本文綜合考慮了智能交通系統(tǒng)的兩大組成部分，即車路協(xié)同系統(tǒng)和泛在網(wǎng)絡(luò)下的交通信息服務(wù)系統(tǒng)，提出了基于泛在交通信息服務(wù)系統(tǒng)(ubiquitous traffic information service system,UTISS)的車路協(xié)同系統(tǒng)。

2 車路協(xié)同理念

車路協(xié)同系統(tǒng)是由多種高新技術(shù)和理論組成的復(fù)雜系統(tǒng)，需要多種通信技術(shù)支持實(shí)現(xiàn)其短距離通信和遠(yuǎn)程通信，通過(guò)其中的智能感知技術(shù)可以方便地獲取交通控制與誘導(dǎo)協(xié)同所需要的各種數(shù)據(jù)，是協(xié)同模型建立的基礎(chǔ)[6]。

狹義的車路協(xié)同系統(tǒng)特指交通信號(hào)控制系統(tǒng)，即利用智能交通系統(tǒng)對(duì)路側(cè)系統(tǒng)、智能車和車聯(lián)網(wǎng)等交通物聯(lián)網(wǎng)關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)交通安全控制應(yīng)用于城市的交通管理和調(diào)控，從而形成智能化的交通管理控制模式。廣義的車路協(xié)同系統(tǒng)指通過(guò)先進(jìn)技術(shù)，例如無(wú)線通信、信息感知等進(jìn)行車輛和道路信息的釆集、交互，并以此來(lái)實(shí)現(xiàn)車車之間、車路之間的智能協(xié)同與配合的復(fù)雜系統(tǒng)[7]。CVIS的主要思想是運(yùn)用多種學(xué)科的交叉與相互融合的方式，大量采用大型并行計(jì)算、RFID傳感器網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車輛和道路信息的智能感知以及行人、車輛、道路三位一體協(xié)調(diào)發(fā)展，增強(qiáng)交通信息的應(yīng)用效率和水平，為緩解交通擁堵、提高路網(wǎng)運(yùn)行效率、解決交通環(huán)境問(wèn)題等發(fā)揮重要的作用，同時(shí)也為所涉及的學(xué)科和產(chǎn)業(yè)提供新的發(fā)展方向和機(jī)遇，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)科交叉理論與技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新[8]。

本文所提及的車路協(xié)同系統(tǒng)是廣義的車路協(xié)同系統(tǒng)。

3 基于UTISS的車路協(xié)同系統(tǒng)

3.1 泛在交通信息服務(wù)系統(tǒng)

泛在交通信息服務(wù)系統(tǒng)和車路協(xié)同系統(tǒng)相結(jié)合，可以給車路系統(tǒng)提供技術(shù)保障，提高智能交通系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性和安全性，從而為整個(gè)智能交通服務(wù)系統(tǒng)以及車路系統(tǒng)搭建更廣闊的技術(shù)平臺(tái)。UTISS是智能交通不斷發(fā)展的趨勢(shì)。

相比于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)，泛在網(wǎng)絡(luò)的研究對(duì)象側(cè)重于人與物，且同時(shí)關(guān)注了現(xiàn)實(shí)和虛擬兩種情況，更利于個(gè)性化的服務(wù)定制和應(yīng)用。而傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)只是側(cè)重于虛擬世界的信息交換，對(duì)象是人[9]。泛在網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星定位、手機(jī)互聯(lián)、室內(nèi)定位、交通攝像、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控等方面。

本文搭建的基于UTISS的車路協(xié)同系統(tǒng)，可以將互聯(lián)網(wǎng)的信息空間與車路之間的物理空間相結(jié)合，在算法和云平臺(tái)的支持下完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)對(duì)接和交互共享，向用戶提供更加準(zhǔn)確和全面的交通信息。在車上安裝該系統(tǒng)，可以檢測(cè)到周圍的車輛運(yùn)行情況，使駕駛員按照提示去開(kāi)車。該系統(tǒng)可以向公交車提示前方的紅綠燈時(shí)長(zhǎng)，使其加速或者是慢速運(yùn)行；更可以通過(guò)公交車上系統(tǒng)信號(hào)的反饋，讓綠燈多開(kāi)幾秒以允許公交車直接通行。以上就是這個(gè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單應(yīng)用。

3.2 基于UTISS的車路網(wǎng)協(xié)同系統(tǒng)的邏輯框架

基于UTISS的車路網(wǎng)協(xié)同系統(tǒng)是把新一代移動(dòng)通信技術(shù)融入到交通信息服務(wù)中，使出行者通過(guò)移動(dòng)終端成為整個(gè)交通系統(tǒng)可控的組成部分。交通信息的發(fā)布，影響并改變了部分人的交通行為(路線、出行方式、出行時(shí)間等)。

該系統(tǒng)的核心是交通流和信息流。交通流的構(gòu)成要素包括車車系統(tǒng)和車路系統(tǒng)，而實(shí)現(xiàn)車車、車路動(dòng)態(tài)信息的交互，信息的采集、共享等，需要借助信息流，即云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)等泛在網(wǎng)絡(luò)的支持。出行者最終通過(guò)智能電子設(shè)備獲得交通信息?；赨TISS的車路協(xié)同系統(tǒng)邏輯框架如圖2所示。

圖2 基于UTISS的車路協(xié)同系統(tǒng)邏輯框架

各種新型和先進(jìn)的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將已有的交通信息服務(wù)系統(tǒng)融合應(yīng)用于車路系統(tǒng)中，這將成為未來(lái)交通信息服務(wù)系統(tǒng)發(fā)展的有效動(dòng)力和重要趨勢(shì)。

4 多車道路段仿真設(shè)計(jì)

隨著城市化的擴(kuò)張、交通量的增加，規(guī)劃過(guò)程中對(duì)車道數(shù)的需求量也相應(yīng)增加。因此，在一定程度上，駕駛員對(duì)道路信息的獲取水平和預(yù)判能力也需提高。本文所提出的系統(tǒng)依托網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和交通仿真技術(shù)，可以降低因駕駛員生理狀態(tài)導(dǎo)致的信息收集速度降低、準(zhǔn)確度下降等問(wèn)題。在交叉口，車輛主要受信號(hào)燈的影響[10]，因此較易控制和作出相應(yīng)反應(yīng)；而在路段中，有限空間和復(fù)雜的車輛間的耦合關(guān)系復(fù)雜。因此，本文主要針對(duì)多車道路段進(jìn)行車路網(wǎng)協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4.1 車輛運(yùn)行規(guī)則

本系統(tǒng)可以獲知路段車流的密度，在車輛行駛過(guò)程中，提前將建議的車速告知駕駛員，從而減少制動(dòng)次數(shù)、降低車輛的排放和油耗，有效緩解交通壓力。車輛在道路上行駛，存在跟馳和變道兩種情況。

①跟馳規(guī)則。

車輛在道路行駛，必須保證安全車距。在跟馳的過(guò)程中，當(dāng)前方出現(xiàn)事故時(shí)，駕駛員必須作出相應(yīng)的制動(dòng)反應(yīng)。制動(dòng)過(guò)程可以概括為反應(yīng)階段、減速/加速階段和勻速跟馳/停止階段[11]。在路況良好的情況下，整體車速增加；若有擁堵發(fā)生，則整體車速下降。采用本系統(tǒng)，可以提高駕駛員反應(yīng)速度、減少反應(yīng)時(shí)間及作出更合理的決策。

②變道規(guī)則。

單車道不存在變道；雙車道的車輛只需要考慮同方向的車輛的運(yùn)行情況，進(jìn)行變道操作；對(duì)于3車道而言，駕駛員不僅需要考慮原車道的車輛運(yùn)行情況，還需要考慮左右兩側(cè)的車道車輛的情況，并根據(jù)周圍車輛作出是否可以變道的預(yù)判。隨著城市的發(fā)展，雙向8車道、雙向10車道的道路也越來(lái)越多。對(duì)于3車道以上的道路，原則上不能跨道操作，所以對(duì)于每一輛車，實(shí)質(zhì)仍是觀察原車道和左右車道的車輛情況[12]。系統(tǒng)變道流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)變道流程圖

4.2 實(shí)例分析

以一個(gè)單向3車道為例，車行方向由右至左，車輛變道示意圖如圖4所示。根據(jù)跟馳規(guī)則，車輛沖突點(diǎn)較少，所以本文只對(duì)變道規(guī)則進(jìn)行詳述。

假設(shè)根據(jù)車輛變道情況，有t1和t2這2個(gè)時(shí)刻。在t1時(shí)刻，車輛都處于跟馳狀態(tài)，在t1～t2時(shí)間段里，車輛C12和C21發(fā)生變道操作，分別換到了相鄰的道路2和道路3。圖4中，虛線表示跟馳位置和實(shí)際位置的變化，點(diǎn)虛線表示跟馳情況下t2時(shí)刻車輛位置。C12駕駛員若不能作出C21會(huì)變道的預(yù)判，則在原預(yù)判中，C12和C21會(huì)因距離過(guò)近而喪失變道的機(jī)會(huì)。本系統(tǒng)結(jié)合周圍車輛情況，可以及時(shí)提醒駕駛者作出正確預(yù)判，使得交通流更加順暢。

圖4 車輛變道示意圖

在行駛過(guò)程中，也經(jīng)常出現(xiàn)另一種情況，即變道沖突，如圖5所示。對(duì)于車C12和C32來(lái)說(shuō)，其水平位置相近，車速也相近，且都想換到中間的道路2上，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生變道沖突。若C12和C32同時(shí)換到道路2，不僅2輛車會(huì)存在排隊(duì)現(xiàn)象，而且會(huì)影響到道路2的C22和道路3的C33駕駛員因路況不明而減速，使車流行駛緩慢。本系統(tǒng)預(yù)判效果先于駕駛員，能提前對(duì)周圍環(huán)境和沖突進(jìn)行化解，有效緩解交通擁堵，疏散交通。

圖5 變道沖突示意圖

基于UTISS的車路網(wǎng)協(xié)同系統(tǒng)，可以應(yīng)用于避免車輛碰撞、安全預(yù)警、不停車收費(fèi)、公交優(yōu)先、路網(wǎng)協(xié)同管理、車隊(duì)自適應(yīng)巡航(跟馳、超車)等場(chǎng)景，以及為特種車輛提供對(duì)交通信號(hào)相位的主動(dòng)控制等關(guān)聯(lián)(紅燈早斷、綠燈延長(zhǎng))。該系統(tǒng)從構(gòu)思、建立模型到算法編程、試驗(yàn)、開(kāi)發(fā)，需要反復(fù)的推敲和大量的投入。在模擬場(chǎng)景下對(duì)建設(shè)過(guò)程中的不可控因素不斷修正和試驗(yàn)，可以減少人力和物力成本，將不可逆投入降到最低。

5 結(jié)束語(yǔ)

泛在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)下的智能交通服務(wù)系統(tǒng)是未來(lái)交通信息服務(wù)系統(tǒng)的發(fā)展方向，車路協(xié)同系統(tǒng)也一直是世界交通研究的前沿和熱點(diǎn)。大力發(fā)展基于UTISS的車路網(wǎng)協(xié)同系統(tǒng)，可以使公共交通更加便利，更好地協(xié)調(diào)和緩解城市擁堵、出行不便以及環(huán)境污染等問(wèn)題，同時(shí)給無(wú)人駕駛技術(shù)提供技術(shù)支持。未來(lái)，隨著綜合交通的發(fā)展和便捷出行要求的不斷提升，信息共享和智能化服務(wù)技術(shù)將得到充分發(fā)展和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)大范圍的道路暢通。

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Design of the Cooperative Vehicle Infrastructure System Based on UTISS

LIU Xinmeng

(School of Economic Management,Xi’an Aeronautical University,Xi’an 710077,China)

In order to study the coupling relationship between limited space and complex inter-vehicle，effectively improve the efficiency of both vehicle and road use,alleviate traffic pressure and guarantee travel safety，the combined concept of ubiquitous traffic information service system(UTISS) and vehicle-road coordination system is studied，and the cooperative vehicle infrastructure system based on UTISS is constructed.Firstly,the development of traffic information system is analyzed,and the developing situations of intelligent traffic in our country and in the United States are compared.Then the design concept and the physical framework of the system are put forward based on the traffic flow and information flow.The information interaction among the vehicles and the vehicle-road system is described by traffic flow,and the information transmissions of the network end and the object end are described by information flow.Finally,in accordance with the application layer of system,the road section simulation of multi-lane is conducted.Based on the vehicle driving and following rules and lane changing rules,the reaction of the system on the phenomenon of lane changing and conflict is analyzed.The results show that under multi-lane changing conditions under the urban expansion,the system is better than the driver for prejudging.The design concept and theoretical support for the development of the intelligent transportation service system and the coordinative development of the transportation network are presented,and the basis of information sharing and intelligent development of traffic system is provided.

Intelligent transportation; Cooperative vehicle infrastructure system; Ubiquitous traffic information service system (UTISS); Ubiquitous network; Multi-lane; Road simulation; RFID

2017年度西安航空學(xué)院校級(jí)科研基金資助項(xiàng)目(2017KY2233)

劉欣萌(1990—)，女，碩士，助教，主要從事綜合運(yùn)輸組織與管理等方向的研究。E-mail：13120872@bjtu.edu.cn。

TP13；TH-39

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708012

修改稿收到日期:2017-04-05