1、第1 9 卷第4 期山东交通学院学报2 0 t1 年1 2 月J O U R N A LO FS H A N D O N GJ I A O T O N GU N I V E R S I T YV 0 1 1 9N o 4D e c 2 0 1 1D O I：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 2 0 0 3 2 2 0 1 1 0 4 0 0 5基于车联网技术的车路协同系统设计蔡志理，孙丰瑞，韦凌翔，王(山东交通学院交通与物流工程学院，山东济南楠摘要：在全面分析系统功能的基础上，基于车联网技术提出了一种具有感知功能的车路协同系统的设计方案，对系统的物理框架和逻辑框架进行了设
2、计，重点研究了各子系统的组成与功用，分析了系统的智能感知、车路协同通信和智能信息处理等关键技术。研究表明：该系统可以实时、准确地感知和采集车辆、道路环境以及全路网的交通运行状况等信息，有效实现车与车、车与路、车路与监控中心之间的数据传输，综合分析、快速判定或预测道路上的交通异常状况，并能够提供优质的交通综合服务。关键词：车联网；车路协同系统；智能交通中图分类号：U 4 9 1 1文献标志码：A文章编号：1 6 7 2-0 0 3 2(2 0 1 1)0 4-0 0 1 7-0 7车路协同系统一直是智能交通领域发展的重点。近些年来，随着城市交通拥堵、交通安全和环境污染等问题的日趋严重，世界各国对
3、车路协同系统的研究更为重视。车联网技术的快速发展，为解决未来城市交通问题提供了一项具有突破性的技术，它不仅赋予智能交通更多的科技内涵，也在技术手段和管理理念上引起了革命性变革。尤其是车联网技术与车路协同系统相结合，进一步为车路协同系统的应用搭建一个宽阔的技术平台，提供强有力的技术保障，极大地提升智能交通系统的协调性和安全性，从而有望成为下一代智能交通的拓展方向和具有突破性的应用领域一。车联网通常是指以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，按照约定的通信协议和数据交互标准，在车一车、车一路、车辆与互联网之间进行无线通讯和信息交换，以实现智能交通管理控制、车辆智能化控制和智能动态信息服务的一体化网
4、络，它是物联网技术在智能交通系统领域的延伸旧J。车路协同系统则是指基于无线通信、传感探测等技术获取车辆和道路信息，通过车一车、车一路通信进行交互和共享，实现车辆和基础设施之间智能协同与配合，达到优化利用系统资源、提高道路交通安全、缓解交通拥堵的目标口4 。一般认为车联网是物联网在交通领域的具体实现，具有明显的物联网属性，它是互联网的延伸；它具有网络覆盖范围较大、网络管理相对严格的特点，所面向的应用更侧重于交通宏观管理。车路协同实际上是车联网的一种具体实现，它更侧重于车辆的差异化、个性化服务，具有网络相对松散的特点，重点解决道路行车安全口“。然而，如果能将车联网技术与车路协同系统相结合，则必将会
5、融合两者的功能强项，对于提升交通安全主动保障和交通管理控制水平具有重要意义。本文构建了一种基于车联网技术的车路协同系统，探索车联网技术与车路协同系统的结合应用。1系统功能设计基于车联网技术的车路协同系统的基本目标：确保在任何时刻、任何路段都能实时感知到车路情况；确保在任何条件下都能提供必要的信息和便捷优质的交通综合服务；确保整体路网能够协调、畅通、安全、高效，最大限度地减少交通事故和交通拥堵的发生，从而达到提高道路通行能力的目韵。、为此，该系收稿日期：2 0 1,1 1 1 0 1作者简介：蔡志理(1 9 5 7)，男，河北遵4 E A-，山东交通学院教授，工学博士，主要研究方向为交通信息与智
6、能交通万方数据l l J 东交通学院学撤2 0 1 1 年1 2 月第1 9 卷统的主要功能应该包括以下内容。I)感知车辆、环境和道路信息。实时感知车辆运行状态及驾驶行为，实时感知车外道路上其它运行的车辆、行人或周边的静止物体等信息，实时感知和准确采集全路网的车辆位置、速度、行程时间和交通流信息实时感知或检测道路沿线的冰雪雨雾冻等气象与路况信息。2)交通数据的传输。实现车与车、车与路旁设备之间的短距离通信及数据传输，将采集到的交通数据或车载计算机处理后的交通异常信息实时、可靠地传送给交通监控中心，或将交通控制方案下传到控制设备，实现车路与监控中心之间的远距离数据传输。3)数据处理与智能决策。对
7、上传后的海域交通数据，应能够实现快速、精确的分析与综合数据处理；根据上传的气象、交通数据，分析各路段和区域路网的交通状态，为制定科学合理的管理决策提供依据；根据车辆对车况、路况的感知信息，分析单车工况和运行状态提供个性化服务和安全行驶服务。4)交通状态显示和交通异常预警或报警。在监控中心，实时分析和判定全路网各监测路段上所发生的交通异常或发现潜在的交通异常现象，及时发出预警或报警提示并在电子地图上显示有关目标和采取的管制方案；实时监控路网中特定车辆的行驶轨迹或判定其违章行为，及时发出预警信息。5)信号控制与信息发布。根据检测到的道路交通异常状况，及H t 启动控制预案，能够面向路网中的特定车辆
8、实时发布有针对性的预警信息，规避不安全的交通隐患；面向特种车辆发布实时引导信息。指引其快速通行；面向路段或路网中的群体车辆实时发布道路交通信息、路况信息和交通控制与诱导信息。2系统的结构设计2 1系统的物理框架设计基于车联网技术的车路协同系统总体上由车载感知子系统、路侧感知子系统、数据传输子系统、数据处理及预警子系统、交通控制与信息发布子系统5 个部分组成。该系统的物理框架设计如图I 所示。移田1基于车联网技术的车路协同系娆精理框蒙1)车载感知子系统车载感知子系统是由安装在车辆上的各种车辆运行参数传感器、车载摄像头和雷达、G P S 卫星定位装置以及车载微处理单元等组成。该子系统又分为车辆感知
9、模块、环境感知模块和G P S 定位模块3 部分。车辆感知模块主要通过各种车载传感器实现对车辆自身发动机转速、油耗、动力性能、制动性能等一系列动态运行参数的采集，从而感知车辆自身的运行状态。车辆感知模块具有2 大功用：第一，在车辆运行过程中，它会实时向驾驶员显示或报告车辆运转的工作状况，一旦出现车辆运转异常状况系统会及时万方数据箜!塑茎查堡篁!苎!圭壁塑垫查塑主堕塑旦墨堕堡笪!发出预警或报警信息提醒驾驶人员密切注意车辆自身运转情况并采取应急措施；第二，车辆感知模块也可以通过车载通信模块及车联网的其它通信设施，实现由监控中心对车辆各种工况的远程监测，并提供定期的维护与保养服务信息。环境感知模块主
10、要用于感知车辆在运行过程中的道路交通信息及路况信息，通过主动感知，实时获取道路上周边其它车辆运行信息、行人信息、路面状况信息、障碍物、交通标志以及其它路侧相关信息等，以确保行车的安全陛和高效性；还可以通过车与车之间的相互感知，在较高的行驶速度下及在一定的距离范围内，及时对前后及周边的车辆进行识别、车速与车距判定，相互接收并发送部分周边交通环境信息，并由车载微处理单元根据这些信息做出简单的处理，将“决策”后的信息提供给驾驶员，作为建议性参考。G P S 定位模块主要用于车辆运行位置、行车时间、行驶速度等数据的采集。车载接收机所获得的车辆位置与速度等数据，一方面直接经由车载计算机数据处理后，实现单
11、车运行状态的监测，一旦发生单车交通异常，即刻通过G P R S 方式将车辆运行异常信息及时传输给交通监控中心；另一方面，将采集的数据不经车载计算机数据处理，按一定的时间间隔，以同样的G P R S 方式传输给交通监控中心，由监控中心进行全路网或各路段的宏观交通流监控和单车监控。此外，智能车载子系统还具有监测驾驶员行为等功能。2)路侧感知子系统路侧感知子系统是由安装在道路上的地磁、超声波、红外、R F I D、信标、视频检测器和道路气象站、路面路况检测器等组成，该子系统又分为道路交通感知模块、道路气象感知模块和路面状况感知模块3 部分j道路交通感知模块主要通过各种道路交通检测器采集交通流量、速度
12、、占有率、车头时距等交通流参数数据及车辆运行状况信息，也可以采集车辆的行程时间、行程速度等交通参数数据。道路交通感知模块的主要功能是通过获取道路上的交通流信息，实现对交通流的宏观监控。道路气象感知模块主要用于采集道路沿线的气象信息，如冰、雪、雨、雾、冻、大风等。道路路面状况感知模块则主要用于感知道路路面的结冰、湿度、凹凸、障碍物等信息。它们一方面为驾驶员提供实时的道路与气象信息；另一方面为道路管理者的交通监控与管理提供可靠的气象分析依据。路侧感知子系统可接人多种交通和路况检测设备，支持2 种以上无线数据传输模式，不仅能调用静态道路信息，及时将二定范围内的道路信息发送给驾驶人员；还能感知动态的道
13、路交通环境、快速识别突发交通事件或可能出现的交通拥挤，它集道路环境感知、信息交互等于一体，有利于实现交通状态的识别、环境监测、数据传输等综合功能。3)数据传输子系统车载通信模块、路侧通信模块、移动通信基站以及其他通信设施共同组成了信息传输子系统，用于实现短距离无线通信及远距离有线或无线通信与数据传输。车载通信模块主要用于车一车通信和车一路短距离通信与数据交换，路侧通信模块则主要用于车一路、路一路间的信息通信以及与基站间的数据传输。通过车一车通信可以将前车行驶状态的突变信息实时传送给后车，提醒后面的跟驰车辆及时减速并保持安全距离。通过车一路通信可建立车辆与路侧装置之间的联系，首先便于实现车辆对前
14、方道路交通与环境路况等信息的实时获知，即车辆能及时接收到路侧装置发送的前方路况信息；再次能够将车辆自身感知的交通环境信息有选择性的反馈给路侧装置。通过路一路通信可以实现将前方的交通与路况信息逐个向后方的路侧通信模块传递，继而显示在路侧信息发布装置上或传输给后方的其他车辆。通过路侧与基站间的通信，或车辆与基站间的直接通信，可将道路交通及路况信息上传至监控中心，或把监控中心的控制和诱导指令下传给路旁发布设施或道路上的行驶车辆。移动通信基站是无线通信网络中的重要节点，主要功能就是接收与发送无线信号以及将无线信号转换成易于传输的彤电信号。它既可以接收车载G S M 或路侧通信模块的信号，将其传输给监控
15、中心，也可以将监控中心传来的信号发送给路侧通信模块或车载G S M，从而建立前端与中心之间的通信联系与数据交换。其中G S M 基站是种技术要求较高的产品，它直接影响着无线移动网络的通信质量。G S M：赋予基站的无线组网特性使基站的实现形式可以多种多样，宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝及室内、室外型基站，万方数据垫些查銮堕堂堕兰塑丝!竺!塑笙!堂无线频率资源的限制又使人们更充分地发展着基站的不同应用形式来增强覆盖。4)数据处理与预警子系统在交通管理中心，各种信息处理设备及显示、报警装置等组成了数据处理和预警子系统。该子系统分为数据处理模块、预警和报警模块。数据处理模块主要用于海量交通数据的处理，通过
16、云计算，综合分析交通与空间、气象与道路等信息以及与G I S 匹配等，及时发现道路上的交通异常或潜在的交通危险，实现对道路交通状态的实时监测；通过对区域交通数据的综合分析，提出科学合理的交通组织与优化对策，实现对全路网交通的有效组织与疏导；通过对单个车辆运行轨迹和运行参数的分析，实现对个别违章车辆的预警或交通事故车辆的报警；通过对特定车辆监视及行驶参数的分析，实现最优路径的诱导；通过对气象条件与道路路况信息的综合分析，实现对道路路况条件与恶劣气象条件的提前预警；通过对交通数据存储、管理、编辑、检索、查询和分析等综合应用，实现各子系统间的信息协同、数据共享与互通，提高交通信息的综合利用度。预警与
17、报警模块主要用于对道路交通异常状态、单车运行异常状况、恶劣天气与路况异常变化等情况提前预警和实时报警，以便最大限度地减少交通异常所造成的损失。交通监控中心可根据监测目标数目的多少采用单屏多窗E l 或者多屏幕显示方式，分别监测不同的目标和区域。一旦发现或预测到可能发生的交通异常或交通危险，则以声光报警方式发出预报或报警信息，并锁定和显示报警目标，提示中心工作人员及时处理警情。5)交通控制与信息发布子系统交通控制与信息发布子系统是由安装在道路沿线的信号控制装置、可变信息板、路旁广播以及车载信息提示与发布装置等组成。该子系统能够通过通信装置自动接收来自监控中心的交通控制信息，实现对道路上车辆的交通
18、信号实时控制；也可接收来自监控中心的各种预警、报警信息或交通诱导信息，实现对特定路段或特定区域的各种预警、报警和交通诱导信息的发布。信息发布的对象可以是该路段或区域内的群体车辆，也可以是指定车辆；信息发布的途径可以通过路侧各种信息发布装置，也可以直接传送到车载信息发布装置上。系统的上述5 个子系统紧密联系，相互协调，将人、车、路、环境和谐统一，共同形成一个基于车联网技术的有机的车路协同整体，从而实现车路协同系统的总体目标与功能。2 2系统的逻辑框架设计该系统的逻辑框架设计结构如图2 所示。图中表明了该系统的主要功能、技术手段、各模块之间的信息交换方式及数据流方向。图2 基于车联网技术的车路协同
19、系统的逻辑框架万方数据第4 期蔡志理等：基于车联网技术的车路协同系统设计3系统的关键技术分析基于车联网技术的车路协同系统涉及到多方面、多层次、多领域的技术应用，本文仅从系统应用的角度重点分析如下关键技术。3 1 智能感知技术智能感知技术分为智能车载感知技术和智能路侧感知技术。1)智能车载感知技术智能车载感知技术包括车辆运动状态感知技术、车辆定位信息感知技术和行车环境信息感知技术等。车辆运动状态感知主要表现在两个方面：一是利用各种加装的独立的传感技术获取车辆的发动机转速、油耗、车速、加速度、爬坡能力、转向角等车辆的运动状态和工作状态数据；二是通过C A N 总线技术读取车辆中各种原装车载传感器的
20、有关工作状态的信息和数据。车辆定位信息感知技术包括绝对定位信息感知和相对定位信息感知。对于较高精度的车辆绝对定位信息，可以利用G P S 及其差分基站以及加装在车辆上的陀螺仪、方向盘转角传感器、加速度传感器等设备与技术联合获取，并与G I S-T 相匹配，确定车辆在道路上的准确位置，进而为车辆安全预警和控制、交通分析与诱导提供基础数据。对于精确的车辆相对定位信息，主要通过车载传感器进行检测，一类是距离传感器，如激光、雷达、声纳传感器等，用于测量车与车之间的距离和车与障碍物之间的距离；另一类是视觉传感器，主要用于车辆在车道上的位置识别。行车环境信息感知技术主要用于道路线形、行人及非机动车、路面状
21、态等信息的感知。道路线形感知可以利用具有详细线形信息的G I S T 查询获得，也可利用模式识别技术通过车载设备实现线形的在线识别。道路上行人和非机动车的信息则可以通过车载雷达、视觉传感器或红外传感器等获取。路面状况和冰雪雨冻程度可通过激光、视频和红外等技术及其相应的识别算法检测或估算 。此外，通过射频识别系统(R F I D)可以实现对车辆的自动识别和远程监控。R F I D 是利用感应、无线电波或微波进行非接触双向通信，从而实现特征识别及数据交换的自动识别技术。利用R F I D 可对车辆及道路环境进行基础交通信息采集，同时接收控制网络传送来的控制信息，完成相应的执行动作。通过R F I
22、D 可以实现对车辆的感知功能，既可向网络上传信息，又能接收网络的控制命令。2)智能路侧感知技术路侧感知技术包括交通信息采集技术、非机动车和行人检测技术、路面状态及气象环境检测技术。传统的道路交通信息采集技术有固定型采集技术和移动型采集技术。固定型采集技术又包括磁频采集技术、波频采集技术、视频采集技术；浮动型采集技术包括有基于G P S 的交通数据采集技术、基于电子标签的交通数据采集技术和基于汽车牌照自动识别的交通数据采集技术。然而，随着车联网技术和车路协同技术的不断发展，交通信息采集方法将发生质的变化。首先，可以利用路侧设备和车路通信技术实现对路网中车辆信息的采集，从而实时获得道路上的交通信息
23、；其次，所采集到交通信息又可以通过车一路通信和车一车通信及时地传递给附近的车辆；最后，通过路侧设备和通信装置，可有效地实现路段或路网的区域交通组织与优化。路侧感知技术同样可以实现对非机动车和行人的检测，其技术与方法与车载感知相似，其检测的数据可用于路侧设备所在区域的交通状态分析。对于路面状态及气象环境的路侧检测，因不像车载设备受空间和重量的限制，因而更好的检测设备或技术方法可以被应用，并可及时将检测结果发送给路网中的车辆。道路静态信息的调用，可直接由路侧感知子系统从微处理器中调出并实时发送给道路上所需信息的驾驶人员。3 2 车路协同通信技术车路协同系统需要多种通信技术支持实现其短距离通信和远程
24、通信。根据系统功能的需求，设计方万方数据山东交通学院学报2 0 1 1 年1 2 月第1 9 卷案中主要采用了如下3 种通信技术。1)C A N 总线技术。C A N 属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。C A N 具有成本相对较低、实时陛高、可靠性良好的特点，其应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。选用汽车C A N 总路线技术，通过遍布车内的各种传感器，汽车的行驶数据会被发送到“总线”上，这些数据不会指定唯一的接收者，凡是需要这些数据的接收端都可以从“总线”上读取需要的信息。C A N 总线的传输数据非常快，可以达到每秒传输3 2 b y t e
25、s 有效数据，这样可以有效保证数据的实效性和准确性。传统的车辆内都需要埋设有大量的线束以传递传感器采集的信号，而C a n-B u s 总线技术的应用可以大量减少车体内线束的数量，从而有利于降低故障发生的可能性坤j。在车路协同系统中利用C A N 总线技术可以实现对车辆发动机转速、油耗、车速、动力性能、制动性能等系列动态参数的传输，从而实现对车辆自身运行状态的感知。2)Z i g B e e 技术。该技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之问进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用
26、。车一车和车一路之间的短距离信息的交互主要利用Z i g B e e 技术实现。3)3 G 移动通信技术。3 G 与前两代移动通信技术的主要区别是在传输声音和数据的速度上有大幅度提升，它能够在全球范围内更好地实现无缝漫游，能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，能够提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。3 G 移动通信具有覆盖广、建设成本低、部署方便、具备移动性等特点，使其将成为车联网的主要接人方式。在车路协同系统中，借助于3 G 技术可以方便地实现车与监控中心、路与监控中心之间的远距离语音、图像和视频等的数据传输。3 3 智能信息处理技术车路协同系统的重要任务之一是对海量的感
27、知信息进行汇总、共享和分析，并依据处理结果进行智能决策。然而，当今许多信息处理技术已经不能满足对大容量信息处理的需求，于是云计算便应运而生。云计算(C l o u dC o m p u t i n g)是一种分布式计算技术，其基本工作流程为：通过网络将庞大的需要分析处理的程序自动拆分成无数个较小的子程序，再经众多服务器所组成的庞大系统搜寻、计算分析，最后将处理结果返回给用户。云计算借助高速网络将各种计算能力联接起来，为交通信息提供了几乎无上限的可伸缩的计算能力一一。云计算在车路协同系统中主要用于分析计算道路交通状态、大规模车辆诱导策略、智能交通调度等。云计算的应用，一方面可以实现业务的快速部署
28、，在短期内为交通用户提供系统的T e l e m a t i c s 服务；另一方面，平台具有的强大运算能力、最新实时数据和广泛的服务支持，能够对综合交通服务起到强大的支撑作用，例如基于云计算的“云导航”可以实现“实时智能导航”。云平台则可以根据用户的需求及道路交通的实际情况、异常交通因素等，进行大范围的交通数据的分析、计算与规划，从而实现宏观区域的交通组织与优化，并通过服务整合为路网中车载终端提供更丰富、更富有价值的综合交通服务等 10|。多传感器信息融合也是车路协同系统关键技术之一。信息融合是利用计算机技术将来自多个传感器或多源的观测信息进行分析、综合处理从而得出决策和估计任务所需的信息的
29、处理过程。信息融合的基本原理是：充分利用传感器资源通过对各种传感器及人工观测信息的合理支配与使用将各种传感器在空间和时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则或算法组合来，产生对观测对象的一致性解释和描述1|。车路协同系统需要处理大量的源自路网的各种车载感知信息和路侧感知信息，如果运用数据融合技术对其进行数据级融合、特征级融合以及决策级融合，将有利于通过对信息的优化和组合从中获得更多的有效信息。4结语基于车联网技术提出了一种具有感知功能的车路协同系统的设计方案，重点研究了各子系统的组成万方数据第4 期蔡志理等：基于车联网技术的车路协同系统设计2 3与功能，分析了系统的智能感知技术、车路协同通信技术
30、和智能处理技术等关键技术。所构建的车路协同系统能够实时感知或采集路网中车辆、道路环境和交通运行状况信息，能够实现车、路及监控中心间的相互数据传输，能够实现云计算和数据融合等智能信息处理功能，并能为用户提供优质的综合交通服务。该系统具有良好的可扩展性和广阔的应用前景，对于提高道路的主动安全性、缓解交通拥堵、提升交通管理层次与水平具有更重要的意义。由于本文对该系统的研究尚处于初期阶段，很多内容或技术需要进一步深入探索。随着车联网技术的快速发展，今后对该领域的研究将有待于更加深化、完善并走向实用化。参考文献：1 中国交通技术网智能交通未来的发展方向 E B O L (2 0 1 1 0 4 0 1)
31、2 0 1 1 1 1 一0 1 h t t p：w w w i t s c h i n a o r g 2 王云鹏车联网与车路协同 E B O L (2 0 1 1 1 1 一0 1)2 0 1 1 1 1 1 2 h t t p：l a b s c h i n a m o b i l e c o m r e p o r t v i e w _ 6 0 7 0 5 3 罗亮红基于Z I G B E E 的车路协同关键技术研究 D 广州：华南理工大学，2 0 1 0 4 H e w e rTD，N e k o v e eM C o n g e s t i o nR e d u c t i o
32、nU s i n gA d H o cM e s s a g eD i s s e m i n a t i o ni nV e h i c u l a rN e t w o r k s C ，r I l eF i r s tI n t e r n a t i o n a lI C S TC o n f e r e n c eo nC o m m u n i c a t i o n sI n f r a s t r u c t u r e，S y s t e m sa n dA p p l i c a t i o n si nE u r o p e，2 0 0 9：1 2 8 1 3 9 5 X
33、 uQ，M a r kT，K oJ，e t a V e h i c l e t o-V e h i c l eS a f e t yM e s s a g i n gi nD S R C C P r o c e e d i n g so ft h e1s tA C MI n t e r n a t i o n a lW o r k s h o po nV e h i c u l a rA dH o cN e t w o r k s，P h i l a d e l p h i a：A C M，2 0 0 4：1 9 2 8 6 王飞跃车路协同是智能交通的一个具体化实例 E B O L (2 0 1 1 1 0 一0 1)2 0 1 1 1 1 0 1 h t t p：w w w t r a n b b s e o m n e w s d i a l o g u e n e w s _ 8 8
