道路交叉口車路協調實驗系統設計與實現

0基于車路協調的自主安全系統自20世紀末以來，信息技術和無線通信技術的快速開發和應用，以車輛和道路通信為基礎的“車輛協調”系統（vii）的實施，解決了智能車輛和交通設施之間直接信息交換的問題，并將交通參與者、交通設施和路況有機結合。“車路協調”成為智能交通運輸系統發展的趨勢。從研究發展趨勢來看,美國交通運輸部在關于智能交通運輸系統(ITS)的發展計劃中,提出了基于車路協調的交叉口聯合防撞系統(cooperativeintersectioncollisionavoidancesystem,CICAS)研究項目;日本新一代道路系統Smartway最重要的子系統ETC、VICS、AHS也利用了基于DSRC的車路協調技術;歐盟SAFESPOT、IPPReVENT等重要研究項目也以車路協調為支撐致力于提高交通安全水平,目前,上述項目仍處于研究過程中。而國內針對車路協調下道路交叉口車路協調系統的研究仍較為缺乏。建立實驗平臺對車路協調系統的設計與實現進行探索,對于發展我國智能交通運輸系統具有重要的意義。實現基于車路協調的主動安全系統不僅要考慮系統與上層ITS框架的銜接,還要研究物理系統適用性、實現物理系統的設計與集成,方能使系統具有實用性。僅依靠分析與仿真難以準確地獲得實際道路條件下系統的效果。據此,本文以單個道路交叉口為研究對象,在確定系統功能與框架的基礎上,建立了車路協調實驗系統,為研究提供實驗平臺,同時能為車輛運行特征及駕駛員特征分析提供數據。1系統功能和框架設計1.1道路交叉口主動安全設施服務方式與內容首先通過界定系統的用戶主體、服務主體,確定誰來提供服務以及為誰服務的問題。進而確定服務方式與服務內容,即以何種方式提供何種服務的問題。道路交叉口主動安全系統用戶主體是機動車駕駛員、非機動車駕駛員及行人,服務主體則包括系統設施的提供者與系統設施的管理者。系統服務方式包括車載或路側安全信息提供以及交通控制信號的變化。1.2交通控制系統的外部終端邏輯框架描述系統應該做什么,是系統功能要求的模型化。首先根據服務內容,確定系統邏輯功能包括:①信息采集;②信息處理;③信息布。信息傳輸體現為各功能之間的關系,不作為單獨的邏輯功能出現。系統外部終端則包括:①交通控制系統;②道路;③行人與自行車駕駛者;④自身車輛駕駛員;⑤其他車輛駕駛員。確定邏輯功能之后,可通過分析邏輯功能與外部終端之間的關系得到系統的邏輯框架。其中,圓圈表示邏輯功能,矩形表示外部終端,箭頭表示數據流。外部終端包括信息采集與信息發布的對象,如圖1。1.3車載定位與連接物理層次描述了物理系統中各子系統的功能和相互關系。文章中的子系統根據設置位置分為車載設備與路側設備兩類。其中,車載定位設備通常包括GPS定位設備或者車載傳感器,人機界面可以為駕駛員提供語音或圖像信息,車載處理單元與路側處理單元分別稱為OBU(onboardunit)、RSU(roadsideunit)。圖2是系統物理框架示意圖,粗連接線表示無線連接,細連接線表示有線連接。物理框架僅表示系統的連接方式,對于信息流的方向則應根據邏輯功能確定。1.4基于gps的信號可以提供警示服務在確定邏輯框架與物理框架的基礎上,對于某一類服務即可確定信息流向,獲得具體的信息流程。以車輛闖紅燈警示服務為例,為了判斷出車輛是否會闖紅燈并向駕駛員提供警示信號,應通過短程無線通信將路側傳感器獲得的信號控制周期(C0)、信號機當前時刻(t)等信息提供車載設備,通過與GPS獲得的自身車輛位置速度等信息(v),并為駕駛員提供警示信息(Alert),如圖3。其中,紅線表示無線通信,藍線表明有線通信。2測試系統的缺陷實驗系統將從物理上實現道路交叉口車路協調系統的全部功能,但與后者相比,實驗系統在可靠性、界面的友好性或其他方面上可能存在缺陷。通過測試確定物理系統的應用效果,同時采集交通運行數據為算法的改進提供依據。建立實驗系統主要是要實現物理設備的連接與集成,根據前文分析,應分別建立各子系統,包括:交通信號控制子系統,車載GPS定位子系統,人機界面與車載處理子系統及路側處理子系統,再通過有線與無線通信實現子系統之間的信息傳輸。2.1車輛運行記錄系統車載定位子系統GPS定位系統,由GPS模塊、天線、GPRS通信模塊、車載電源接口等構成,實時記錄車輛運行數據,包括時間、經緯度等,同時發送數據給服務器端,數據可通過客戶端軟件或車載讀取。2.2信號控制系統的整體架構交通信號控制系統主要包括信號燈、信號控制機及連接線,可通過上位信號機實現控制,也可通過信號機調試軟件或信號機控制面板改變信號控制方案,設定相位、相序、綠燈時長等參數,信號控制系統的整體架構如圖4。在實驗中采取直接在信號機控制面板設置的方式。2.3rsu與obu端路側處理器與車載處理器均使用便攜電腦,在Windows環境下用VC平臺實現了RSU與OBU端軟件,RSU界面可顯示當前RSU本地IP地址,控制信號使用端口以及與其通信的OBU詳細信息。車載處理單元同時運行OBU界面作為人機交互界面,顯示當前各個路口的路口交通信號燈狀態,也可顯示相關技術參數信息。2.4無線設備選型路邊單元處理器將處理后的相關信息(如交通控制信號信息)交付無線設備進行發送。通過無線設備將信息在其覆蓋范圍內進行廣播,當車輛進入該RSU廣播范圍內,便可以接收信息從而實現車載設備與路側設備之間的通信。由于DSRC處于制定階段,協議正式版仍未公布,難以直接獲得基于802.11p的產品,本實驗中仍然使用基于802.11a/b/g的無線設備。RSU單元所使用的無線設備是基于802.11a/b/g的雙模無線AP。由于考慮到無線設備的傳輸距離有限,在802.11b/g模式下的可靠傳輸距離一般在40m以內,并且由于該地區無線網絡繁多,又有存在多個建筑物遮擋,因此用車載無線AP增強信號。路邊單元中筆記本通過串口RS232協議讀取信號機配時參數,然后通過802.11a協議傳送至無線AP發送端;無線AP之間通過802.11b的方式進行通信;車載單元中無線AP接收端將接收到的信號燈配時信息通過802.11a發送至筆記本顯示終端車載單元,顯示信號燈狀態、倒計時等。3實際運行條件在完成實驗系統連接與集成基礎上進行測試,在實際運行條件下測試子系統主要性能參數,同時考察實驗系統能否按照系統流程傳輸信息,為進一步完善系統奠定基礎。3.1目標點偏離子cep車輛定位精度對于安全信息的準確性至關重要,相關研究提出了基于車路協調的主動安全系統精度需求。但GPS誤差非定值,而是概率分布,因此本文測試車輛定位系統的CEP(circularerrorprobability)定位精度。CEP定位精度表示定位點對目標點的偏離程度,是以目標為中心的圓概率偏差,包括了系統誤差和隨機誤差。定位點落入以散點中心為圓心的概率為50%時,此圓的半徑R0.5成為命中精度CEP。根據上述概念,CEP定位精度可表示為:12π?x?y∫∫x2+y2≤R2e(x-μx)22σ2x-(y-μy)22σ2ydxdy=0.5(1)12π?x?y∫∫x2+y2≤R2e(x?μx)22σ2x?(y?μy)22σ2ydxdy=0.5(1)根據相關研究提供的簡化計算方法,設x與y獨立且服從正態分布,μx=μy=0,σx=σy,則式(1)可化為:CEΡ=R0.5≈σ?√Ιn4(2)CEP=R0.5≈σ?In4???√(2)獲取車輛不同時間在固定點的經緯度,經緯度散點表示在圖5中。經過計算獲得GPS的CEP定位精度為5.1025m,即GPS在50%的概率下誤差小于5.1025m。3.2車路通信網絡延時狀態短程通信效果也會對系統應用效果造成較大的影響。在實現短程通信的情況下,通過使用ICMP協議,獲得網絡傳輸的延時,通過對這些延時數據的記錄和分析,得到網絡延時狀態。如圖6,車路通信網絡的延時基本保持在25～80ms之間,其中也可能會出現220ms的較大延遲,這可能與網絡擁塞或者數據包丟失有關。通過使用FTP協議測試,得到網絡平均傳輸速率可達到340kb/s。與相關研究比較可認為基本滿足需求,應通過進一步實驗確定上述參數對安全信息的影響程度。3.3實驗平臺與測試設備在車輛以不同車速通過交叉口的過程中,實現信號燈狀態(如當前相位燈色、當前相位倒計時等)的車載終端顯示。該實驗建立在各子系統聯合工作的基礎上,檢驗系統是否能夠按照圖3實現信息傳輸并考察其效果。選擇GPS-B為車載定位系統,在交叉口周邊共安裝4個無線AP,每個無線AP包括4根天線(每根天線90°,總共360°),覆蓋整個路網。車內裝有1個無線AP用來加強信號。2臺筆記本電腦分別用作路側處理器與車載處理器,車載處理器顯示屏同時作為人機交互界面顯示交通控制信號。實驗結果證明該系統可以完成信號燈狀態的車載實時顯示。當車輛低速行駛時,網絡接入延遲問題并不明顯,當行駛速度大于40km/h后,延遲問題較為明顯;脫離網絡時沒有受到行駛速度的影響;在通信受到高樓等障礙物遮擋時,即使距離在802.11b有效傳輸距離內,通信無法得到保證。在進一步研究中,應針對上述問題改進相關技術。圖7測試地點與設備。該實驗系統不僅可以作為物理系統的實驗平臺,還可通過綜合利用實驗中獲取的信號控制數據與車輛定位數據,對信號影響下車速變化特征進行分析。圖8為利用實驗系統獲取的車速樣本曲線,分別表示各種信號燈影響下的車速變化,曲線顏色與燈色對應。將在進一步研究中采集被試駕駛員車速曲線樣本,為信息發布提供依據。4實驗結果與分析1)該系統可提供的服務包括車載信息發布與交通信號改變兩類,系統邏輯功能包括信息采集、信息處理、信息發布,物理系統則可分為車載設備與路側設備兩