基于UTISS的车路网协同系统设计

刘欣萌

(西安航空学院经济管理学院，陕西 西安 710077)

基于UTISS的车路网协同系统设计

刘欣萌

(西安航空学院经济管理学院，陕西 西安 710077)

为了研究有限空间和复杂车辆间的耦合关系，有效提升车辆运用和道路使用效率，缓解交通压力及保障出行安全，对泛在交通信息服务系统(UTISS)和车路协同系统相结合的理念进行了研究，构建了基于UTISS的车路网协同系统。首先，分析了交通信息系统的发展，对比了我国和美国的智能交通发展情况。其次，以交通流和信息流为核心，提出了本系统的设计理念和物理框架，即交通流描述车车、车路系统的信息交互，信息流针对的是网络端以及对象端的信息传输。最后，针对系统的应用层面，对多车道进行路段仿真，从车辆运行的跟驰规则和变道规则出发，分析了系统应对变道现象和对冲突现象作出的反应。结果表明，该系统能比驾驶员更好地对城市扩张情况下的多路段变道情况进行预判，为智能交通服务系统和车路网协调发展提供设计理念和理论支持，也为交通系统的信息共享和智能化发展提供了依据。

智能交通； 车路协同系统； 泛在交通信息服务系统； 泛在网络； 多车道； 路段仿真; RFID

0 引言

近年来，中国城市智能交通市场规模增长迅速，“综合运输与智能交通”是交通科技领域“十三五”规划布局的重点专项之一。

在电子信息、无线通信等技术的推动下，“车路协同”系统应运而生，弥补了目前交通基础数据实时性、可靠性等方面存在的不足[1]。

交通信息服务系统(traffic information service system,TISS)是智能交通系统(intelligent transportation systems，ITS)的一个重要组成部分，为交通参与者和管理者提供实时、准确、全面的交通信息，从而使其作出有针对性的行为和管理决策，是提升整个交通运输系统的经济效益和社会效益的有效手段。

1 交通信息服务系统发展

交通信息服务系统主要由交通信息采集、传输、处理和服务4部分构成[2]。交通信息采集是利用视频、波频等多种检测方式，在时间和空间上对交通系统进行采样的过程。交通信息传输是将采集到的交通信息通过公共或专用的通信网络发送给交通信息处理中心，常见的传输方式包括专用光纤、以太网、无线移动数字通信GPRS和增强型数据速率GSM演进技术(enhanced data rate for GSM evolution,EDGE)等。国外发达国家从基础设施与装备一体化、多种运输装备集成设计、运营调度与服务一体化等多个方面，充分实现综合货物运输方式间的信息共享，不断提高智能化信息服务水平[3-4]。近年来，我国各种运输方式都得到了快速发展，但多种运输方式间的信息交互服务滞后，制约了综合交通协同与高效服务。智能交通服务系统发展示意图如图1所示。对比中国和美国的智能交通服务系统的发展可以发现，美国起步较早[5]，发展迅速，2000年就实现了交通和信息的共享服务，2004年开展汽车和道路设施的集成服务(即国内所说的车路协同)。相比之下，我国2011年提出智能车路协同系统(cooperative vehicle infrastructure system,CVIS)，目前仍在攻克智能交通集成应用和协同运行。

图1 智能交通服务系统发展示意图

交通信息服务系统正在从单方面的智能化信息服务应用(如导航系统、ETC、安全驾驶辅助等)向更高层次的合作型(车车、车路)交通信息服务应用演进，且合作型交通信息服务也需要依赖各种网络通信技术的支撑。在此背景下，本文综合考虑了智能交通系统的两大组成部分，即车路协同系统和泛在网络下的交通信息服务系统，提出了基于泛在交通信息服务系统(ubiquitous traffic information service system,UTISS)的车路协同系统。

2 车路协同理念

车路协同系统是由多种高新技术和理论组成的复杂系统，需要多种通信技术支持实现其短距离通信和远程通信，通过其中的智能感知技术可以方便地获取交通控制与诱导协同所需要的各种数据，是协同模型建立的基础[6]。

狭义的车路协同系统特指交通信号控制系统，即利用智能交通系统对路侧系统、智能车和车联网等交通物联网关联的关键技术，通过交通安全控制应用于城市的交通管理和调控，从而形成智能化的交通管理控制模式。广义的车路协同系统指通过先进技术，例如无线通信、信息感知等进行车辆和道路信息的釆集、交互，并以此来实现车车之间、车路之间的智能协同与配合的复杂系统[7]。CVIS的主要思想是运用多种学科的交叉与相互融合的方式，大量采用大型并行计算、RFID传感器网络等高新技术，实现车辆和道路信息的智能感知以及行人、车辆、道路三位一体协调发展，增强交通信息的应用效率和水平，为缓解交通拥堵、提高路网运行效率、解决交通环境问题等发挥重要的作用，同时也为所涉及的学科和产业提供新的发展方向和机遇，进而促进学科交叉理论与技术的发展和创新[8]。

本文所提及的车路协同系统是广义的车路协同系统。

3 基于UTISS的车路协同系统

3.1 泛在交通信息服务系统

泛在交通信息服务系统和车路协同系统相结合，可以给车路系统提供技术保障，提高智能交通系统的协调性和安全性，从而为整个智能交通服务系统以及车路系统搭建更广阔的技术平台。UTISS是智能交通不断发展的趋势。

相比于传统互联网，泛在网络的研究对象侧重于人与物，且同时关注了现实和虚拟两种情况，更利于个性化的服务定制和应用。而传统互联网只是侧重于虚拟世界的信息交换，对象是人[9]。泛在网络被广泛应用于卫星定位、手机互联、室内定位、交通摄像、视频监控、环境监控等方面。

本文搭建的基于UTISS的车路协同系统，可以将互联网的信息空间与车路之间的物理空间相结合，在算法和云平台的支持下完成数据的实时对接和交互共享，向用户提供更加准确和全面的交通信息。在车上安装该系统，可以检测到周围的车辆运行情况，使驾驶员按照提示去开车。该系统可以向公交车提示前方的红绿灯时长，使其加速或者是慢速运行；更可以通过公交车上系统信号的反馈，让绿灯多开几秒以允许公交车直接通行。以上就是这个系统的简单应用。

3.2 基于UTISS的车路网协同系统的逻辑框架

基于UTISS的车路网协同系统是把新一代移动通信技术融入到交通信息服务中，使出行者通过移动终端成为整个交通系统可控的组成部分。交通信息的发布，影响并改变了部分人的交通行为(路线、出行方式、出行时间等)。

该系统的核心是交通流和信息流。交通流的构成要素包括车车系统和车路系统，而实现车车、车路动态信息的交互，信息的采集、共享等，需要借助信息流，即云计算、大数据、移动互联技术等泛在网络的支持。出行者最终通过智能电子设备获得交通信息。基于UTISS的车路协同系统逻辑框架如图2所示。

图2 基于UTISS的车路协同系统逻辑框架

各种新型和先进的信息网络技术将已有的交通信息服务系统融合应用于车路系统中，这将成为未来交通信息服务系统发展的有效动力和重要趋势。

4 多车道路段仿真设计

随着城市化的扩张、交通量的增加，规划过程中对车道数的需求量也相应增加。因此，在一定程度上，驾驶员对道路信息的获取水平和预判能力也需提高。本文所提出的系统依托网络通信技术和交通仿真技术，可以降低因驾驶员生理状态导致的信息收集速度降低、准确度下降等问题。在交叉口，车辆主要受信号灯的影响[10]，因此较易控制和作出相应反应；而在路段中，有限空间和复杂的车辆间的耦合关系复杂。因此，本文主要针对多车道路段进行车路网协同系统设计。

4.1 车辆运行规则

本系统可以获知路段车流的密度，在车辆行驶过程中，提前将建议的车速告知驾驶员，从而减少制动次数、降低车辆的排放和油耗，有效缓解交通压力。车辆在道路上行驶，存在跟驰和变道两种情况。

①跟驰规则。

车辆在道路行驶，必须保证安全车距。在跟驰的过程中，当前方出现事故时，驾驶员必须作出相应的制动反应。制动过程可以概括为反应阶段、减速/加速阶段和匀速跟驰/停止阶段[11]。在路况良好的情况下，整体车速增加；若有拥堵发生，则整体车速下降。采用本系统，可以提高驾驶员反应速度、减少反应时间及作出更合理的决策。

②变道规则。

单车道不存在变道；双车道的车辆只需要考虑同方向的车辆的运行情况，进行变道操作；对于3车道而言，驾驶员不仅需要考虑原车道的车辆运行情况，还需要考虑左右两侧的车道车辆的情况，并根据周围车辆作出是否可以变道的预判。随着城市的发展，双向8车道、双向10车道的道路也越来越多。对于3车道以上的道路，原则上不能跨道操作，所以对于每一辆车，实质仍是观察原车道和左右车道的车辆情况[12]。系统变道流程如图3所示。

图3 系统变道流程图

4.2 实例分析

以一个单向3车道为例，车行方向由右至左，车辆变道示意图如图4所示。根据跟驰规则，车辆冲突点较少，所以本文只对变道规则进行详述。

假设根据车辆变道情况，有t1和t2这2个时刻。在t1时刻，车辆都处于跟驰状态，在t1～t2时间段里，车辆C12和C21发生变道操作，分别换到了相邻的道路2和道路3。图4中，虚线表示跟驰位置和实际位置的变化，点虚线表示跟驰情况下t2时刻车辆位置。C12驾驶员若不能作出C21会变道的预判，则在原预判中，C12和C21会因距离过近而丧失变道的机会。本系统结合周围车辆情况，可以及时提醒驾驶者作出正确预判，使得交通流更加顺畅。

图4 车辆变道示意图

在行驶过程中，也经常出现另一种情况，即变道冲突，如图5所示。对于车C12和C32来说，其水平位置相近，车速也相近，且都想换到中间的道路2上，此时会产生变道冲突。若C12和C32同时换到道路2，不仅2辆车会存在排队现象，而且会影响到道路2的C22和道路3的C33驾驶员因路况不明而减速，使车流行驶缓慢。本系统预判效果先于驾驶员，能提前对周围环境和冲突进行化解，有效缓解交通拥堵，疏散交通。

图5 变道冲突示意图

基于UTISS的车路网协同系统，可以应用于避免车辆碰撞、安全预警、不停车收费、公交优先、路网协同管理、车队自适应巡航(跟驰、超车)等场景，以及为特种车辆提供对交通信号相位的主动控制等关联(红灯早断、绿灯延长)。该系统从构思、建立模型到算法编程、试验、开发，需要反复的推敲和大量的投入。在模拟场景下对建设过程中的不可控因素不断修正和试验，可以减少人力和物力成本，将不可逆投入降到最低。

5 结束语

泛在网络平台下的智能交通服务系统是未来交通信息服务系统的发展方向，车路协同系统也一直是世界交通研究的前沿和热点。大力发展基于UTISS的车路网协同系统，可以使公共交通更加便利，更好地协调和缓解城市拥堵、出行不便以及环境污染等问题，同时给无人驾驶技术提供技术支持。未来，随着综合交通的发展和便捷出行要求的不断提升，信息共享和智能化服务技术将得到充分发展和应用，实现大范围的道路畅通。

[1] 李鹏凯,吴伟,杜荣华,等.车路协同环境下多车协同车速引导建模与仿真[J].交通信息与安全,2013,31(2):134-139,148.

[2] 赵祥模,惠飞,史昕,等.泛在交通信息服务系统的概念、架构与关键技术[J].交通运输工程学报,2014(4):105-115.

[3] WANG Z,CHEN Y,CHEN N,et al.A control strategy of urban expressway under CVIS[J].International Journal of Simulation - Systems,Science & Technology,2016,17(6):630-634.

[4] 陈超,吕植勇,付姗姗,等.国内外车路协同系统发展现状综述[J].交通信息与安全,2011,29(1):102-105.

[5] KRAGE M K. The TravTek driver information system[C]//Vehicle Navigation and Information Systems Conference， 1991:739-748.

[6] 蔡志理,孙丰瑞,韦凌翔,等.基于车联网技术的车路协同系统设计[J].山东交通学院学报,2011,19(4):17-23.

[7] 陈霞.基于车路协同的道路交通信息采集与状态评价方法研究[D].济南:山东大学,2015.

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[12]李珣.车路协同下多车道微观交通诱导与控制研究[D].西安:西北工业大学,2015.

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年度西安航空学院校级科研基金资助项目(2017KY2233)

刘欣萌(1990—)，女，硕士，助教，主要从事综合运输组织与管理等方向的研究。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