關(guān)鍵詞：車聯(lián)網(wǎng)；智慧城市；交通管理；交通流量；交通安全；燃油消耗

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

伴隨著我國城市化進(jìn)程不斷加快，機(jī)動車保有量不斷增加，城市交通問題越來越突出，傳統(tǒng)交通管理方式已經(jīng)很難應(yīng)對復(fù)雜多樣的交通形勢，為提高交通管理的效率和城市的運(yùn)營品質(zhì)，迫切需要采納新的技術(shù)手段。在這樣的大背景下，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為一種創(chuàng)新的智能交通解決策略，逐步獲得了關(guān)注。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用車與車、車與基礎(chǔ)設(shè)施間信息共享來動態(tài)監(jiān)測交通流并進(jìn)行優(yōu)化管理，為緩解交通擁堵問題、改善交通安全、減少能源消耗以及減少環(huán)境污染等方面都有著十分重要的意義。本文以車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智慧城市交通管理為目的，采用理論分析與模擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，探索其對提升交通效率，保障交通安全與環(huán)境保護(hù)的潛在作用。

1理論基礎(chǔ)

1.1車聯(lián)網(wǎng)的定義與構(gòu)成

車聯(lián)網(wǎng)（IoV）指的是利用車內(nèi)的通訊工具和網(wǎng)絡(luò)，建立車輛與外部環(huán)境之間的信息交流系統(tǒng)，其核心目標(biāo)是提升交通安全性、通行效率和駕駛體驗(yàn)。車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要由車載單元（On-BoardUnit，OBU）、路側(cè)單元（RoadSideUnit，RSU）和車聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)成[1]。

（1）車載單元（OBU）是一種固定在車輛上的通訊工具，主要職責(zé)是收集和傳遞車輛的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，例如速度、位置和加速度等。

（2）路側(cè)單元（RSU）是一種位于道路兩側(cè)或交叉路口的通信設(shè)備，它與OBU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，負(fù)責(zé)交通信息的收集和傳輸。

（3）車聯(lián)網(wǎng)平臺作為整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的儲存、加工和發(fā)布，同時(shí)也提供如路徑規(guī)劃和交通信號控制等多種服務(wù)。

1.2車聯(lián)網(wǎng)的工作原理

車聯(lián)網(wǎng)的操作機(jī)制是基于無線通信技術(shù)，它通過車載單元（OBU）和路側(cè)單元（RSU）之間的即時(shí)數(shù)據(jù)交互，達(dá)到了車輛與車輛（V2V）之間的連接、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）之間的信息互通，常用的通信技術(shù)包括專用短程通信（DSRC）和蜂窩通信（如LTE-V2X）[2]。

在車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)里，汽車從OBU處獲得周圍的環(huán)境信息，然后把自己的運(yùn)行狀態(tài)上傳到車聯(lián)網(wǎng)平臺上，由平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的分析，實(shí)時(shí)公布交通狀態(tài)信息，對交通信號進(jìn)行優(yōu)化控制，給出最佳行車路線的建議等。利用這些舉措車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以有效地減少交通擁堵的發(fā)生，促進(jìn)交通流暢性的改善和交通事故的減少。

1.3智慧城市交通管理理論

1.3.1交通流量模型

交通流量模型作為交通流動特性研究的一種重要手段，其通過對道路網(wǎng)絡(luò)上交通流動行為的描述，有助于交通狀態(tài)的認(rèn)識與預(yù)測[3]。交通流量經(jīng)典模型計(jì)算公式如下：

Q ＝k·v （ 1）

式中：Q為交通流量的數(shù)值，單位為輛/h；k為車流密度的數(shù)值，單位為輛/km；v為平均速度的數(shù)值，單位為km/h。

交通流量模型是交通信號控制和交通流預(yù)測的理論基礎(chǔ)，將交通流量模型應(yīng)用于智慧城市交通管理，可實(shí)現(xiàn)對交通流狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測與分析。通過對交通信號控制策略進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，使交通流得到優(yōu)化，道路通行能力得到改善，在與車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)更準(zhǔn)確、更有效地交通管理。

1.3.2車輛路徑優(yōu)化理論

車輛路徑優(yōu)化作為智慧城市交通管理的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，旨在提供一條最優(yōu)行駛路徑來縮短行程時(shí)間并降低燃油消耗，一般用圖論、運(yùn)籌學(xué)等方法求解車輛路徑的優(yōu)化。最普遍采用的優(yōu)化技術(shù)是最短路徑算法，其核心公式如下所示：

式中：D為從起點(diǎn)i到終點(diǎn)j的最短路徑，c為路徑i到j(luò)的成本，x為路徑選擇變量（0或1）。

通過對車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與分析，車聯(lián)網(wǎng)平臺能夠?qū)煌窙r信息進(jìn)行動態(tài)更新，并實(shí)時(shí)計(jì)算出最優(yōu)路徑并對司機(jī)進(jìn)行路徑建議。這樣既能縮短行車時(shí)間、促進(jìn)交通效率的提高，又能有效地減少燃油消耗和減輕環(huán)境污染。

2模擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1實(shí)驗(yàn)場景與環(huán)境設(shè)置

為探討車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對智慧城市交通管理的影響，選取某市交通密集區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)場景，其中包括多條主干道、次要道路和多個(gè)交叉路口、交通流量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、城市交通特征典型等[4]。試驗(yàn)中全部汽車都安裝了車載單元，可實(shí)時(shí)收發(fā)汽車狀態(tài)信息；所述路側(cè)單元布設(shè)于主要道路及交叉路口以與車載單元進(jìn)行通信，采集道路交通信息；車聯(lián)網(wǎng)平臺將OBU與RSU數(shù)據(jù)集成在一起實(shí)現(xiàn)交通流量監(jiān)控與信號控制優(yōu)化。

2.2實(shí)驗(yàn)步驟

（1）對實(shí)驗(yàn)區(qū)域車輛設(shè)定初始位置、車速和行駛方向，以保證仿真環(huán)境真實(shí)；根據(jù)實(shí)際交通管理需求，對實(shí)驗(yàn)區(qū)交通信號燈及控制策略進(jìn)行了配置。

（2）通過OBU、RSU獲取車輛狀態(tài)信息及道路交通信息的實(shí)時(shí)處理，數(shù)據(jù)上傳到車聯(lián)網(wǎng)平臺；車聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)時(shí)監(jiān)測并分析采集到的數(shù)據(jù)，生成交通流量分布圖與車流密度曲線。

（3）車聯(lián)網(wǎng)平臺基于實(shí)時(shí)交通流量數(shù)據(jù)，對交通信號燈控制策略進(jìn)行動態(tài)調(diào)整以對交通流量進(jìn)行優(yōu)化；車聯(lián)網(wǎng)平臺根據(jù)車輛位置和道路狀況，實(shí)時(shí)地計(jì)算出最優(yōu)行駛路徑并為司機(jī)提供路徑建議；記錄試驗(yàn)期間車輛的速度、行程時(shí)間、交通事故率、燃油消耗和排放量等交通指標(biāo)的數(shù)據(jù)。

2.3仿真時(shí)間設(shè)定

實(shí)驗(yàn)?zāi)M時(shí)間設(shè)置包括交通高峰期與非高峰期，綜合分析車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對各種交通負(fù)荷的性能。高峰時(shí)段被設(shè)定為工作日的早上7：00～9：00和晚上17：00～19：00，而非高峰時(shí)段則是其他時(shí)段。通過在這些不同的時(shí)間段進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，可以證實(shí)車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在緩解交通堵塞、提高交通效率和安全性方面具有顯著的效果。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1交通流量與平均車輛速度

在交通高峰期，采用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后，交通流量從原來的4000輛/h增加到5000輛/h，同時(shí)平均車輛速度也從35km/h提升到45km/h；在非高峰時(shí)段，交通的流量從2000輛/h上升到2500輛/h，而車輛的平均速度也從50km/h增加到60km/h（表1）。

試驗(yàn)結(jié)果表明，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使交通流量與平均車輛速度顯著增加，高峰期交通流量與車輛速度因?qū)崟r(shí)信息共享與交通信號優(yōu)化得到顯著改善，說明車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對緩解交通擁堵有明顯作用。

3.2平均行程時(shí)間

高峰時(shí)段，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)用使平均行程時(shí)間由原來的25min縮短至18min；非高峰期的平均行程時(shí)間由原來的15min縮短至12min。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使車輛平均行程時(shí)間顯著降低，主要得益于車聯(lián)網(wǎng)平臺所提供的實(shí)時(shí)路徑優(yōu)化與交通信號控制有效地降低車輛等待時(shí)間與行駛時(shí)間（圖1）。

3.3交通事故率

在交通高峰時(shí)段，采用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后，交通事故的發(fā)生率從3.2%下降到1.5%；在非高峰時(shí)段，交通事故的發(fā)生率已從2.1%下降至0.9%（圖2）。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使交通事故率顯著下降，實(shí)時(shí)信息共享與預(yù)警機(jī)制增強(qiáng)駕駛員反應(yīng)能力，并降低信息不對稱導(dǎo)致的交通事故。

3.4燃油消耗量

在交通流量高峰期，采用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后，燃油的消耗量從8.5L/100km減少到6.7L/100km；在非高峰時(shí)段，燃油的使用量從6.0L/100km減少到4.8L/100km（表2）。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使汽車燃油消耗明顯減少，最佳路徑選擇與順暢交通流降低怠速與急加速，繼而減少燃油消耗。

3.5 排放量（CO、NO 等）

在高峰期，應(yīng)用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后，CO排放量從230g/km 降低到190g/km，NO排放量從1.5g/km 降低到1.2g/km；非高峰期，CO排放量從180g/km降低到150g/km，NO排放量從1.0g/km 降低到0.8g/km（表3）。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對車輛排放量有很好的降低作用，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對CO、NOx 等污染物的減排效果顯著，可以優(yōu)化交通流，縮短汽車怠速時(shí)間。

4車聯(lián)網(wǎng)對交通和環(huán)境的影響

4.1車聯(lián)網(wǎng)對交通效率的影響

通過車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，交通效率得到了顯著的提升。在交通高峰時(shí)段，流量從4000輛/h激增至5000輛/h，同時(shí)車輛的平均速度也從35km/h增加到45km/h；在非高峰時(shí)段，交通的流量從2000輛/h上升至2500輛/h，而車輛的平均速度也從50km/h增加到60km/h。

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也顯著縮短了汽車平均出行時(shí)間。高峰時(shí)段平均出行時(shí)間由25min縮短至18min；非高峰期的平均行程時(shí)間由原來的15min縮短至12min。

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)時(shí)信息共享、交通信號控制優(yōu)化等方面，起到有效緩解交通擁堵、改善道路通行、實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃以及動態(tài)交通信號調(diào)整等作用，縮短了車輛的等待時(shí)間，增強(qiáng)了總體交通流流暢性與穩(wěn)定性。

4.2車聯(lián)網(wǎng)對交通安全的影響

利用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，交通事故率得到了顯著地減少。在交通高峰時(shí)段，事故率從3.2%下降到1.5%；在非高峰時(shí)段，交通事故的發(fā)生率已從2.1%下降至0.9%。

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以車對車、車對基礎(chǔ)設(shè)施等方式進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交流，為環(huán)境感知、預(yù)警等提供更加綜合的信息。司機(jī)可以及時(shí)了解前方路況、交通信號變化及潛在危險(xiǎn)信息的處理，使其響應(yīng)更加精確快速，降低信息不對稱造成交通事故的發(fā)生。

4.3車聯(lián)網(wǎng)對環(huán)境影響的減緩

利用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，成功地減少了燃油的使用和排放。由表2和表3可以看到，無論是高峰期還是非高峰期，燃油消耗量以及CO和NO的排放量都大幅度降低。由此可以看出，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在優(yōu)化交通流、縮短汽車怠速時(shí)間等方面顯著降低汽車燃油消耗與排放，而優(yōu)化路徑選擇則減少汽車無謂行駛與燃油浪費(fèi)，同時(shí)順暢的交通流緩解了急加速、急制動等問題，排放量進(jìn)一步下降。

5結(jié)束語

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)顯著改善交通效率，無論是高峰期還是非高峰期，交通流量、平均車輛速度都顯著增加，車輛行程時(shí)間也顯著減少；車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使交通事故率顯著下降，并通過車與車之間以及車與基礎(chǔ)設(shè)施之間實(shí)時(shí)信息交換，來提升駕駛安全性和降低事故概率[5]；車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還在燃油消耗與排放量上展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，最優(yōu)路徑規(guī)劃與順暢交通流降低了汽車燃油消耗與有害排放物排放，有利于環(huán)境保護(hù)。

作者簡介：

李曉棟，本科，講師，研究方向?yàn)槠囘\(yùn)用與維修。

冉兵兵，本科，助理講師，研究方向?yàn)槠嚪?wù)工程。