基于车联网的交通预警系统设计

杨 峰，杜翠凤，王新宇

（1.中电科普天科技股份有限公司，广东 广州 510310；2.广州杰赛通信规划设计院有限公司，广东 广州 510310）

0 引 言

随着智慧城市的不断建设，现在国内各城市的交通路口均设置了闯红灯自动记录系统，用于对车辆闯红灯以及其他违规行为进行自动检测和自动记录取证。该系统既可以对有违法倾向的驾驶员起到威慑作用，又可以解放大量的警力，减轻交警的劳动强度，提高交警部门的管理水平，促进了交通秩序的良性循环，减少因交通事故造成的人员伤亡和财产损失，间接地创造了巨大的经济价值[1]。

然而，该类系统也存在一些不足之处：一是目前的研究方法主要采用基于视觉检测的方法[2-5]，受一些客观环境影响，容易导致驾驶员误闯红灯，如一些大型货车、树枝等障碍物遮挡视线，或者红绿灯安装位置比较隐蔽，导致驾驶员来不及反应而误闯红灯；二是某些驾驶员故意遮挡车牌闯红灯，现有监测系统无法及时识别并反馈给管理部门。为此，本文提出了一种基于车联网的交通预警系统。该系统由车载终端设备、路侧单元设备和一种基于车联网的交通预警机制构成。

1 研究现状

V2X 技术是车联网技术的重要组成部分。V2X 技术的各项应用的实现都基于车-车、车-路的信息交互，对于每个信息交互节点均部署由通信设备、上层计算机、卫星定位模块硬件设备组成的V2X 系统，其信息交互功能的可靠、有效、稳定运行对V2X系统的成功部署至关重要[6-10]。由于车-车、车-路信息交互环境复杂多变，网络拓扑随着车辆的运动快速变化，城市道路环境下的车辆和建筑物遮挡会给信息交互带来极大的不确定性，这些都给V2X 通信的可靠性带来了挑战。同时，对于偏远地区以及山区等无线信号覆盖不完善的区域，车辆发出的求救信息或告警信息无法实现有效回传，不利于车辆事故的搜救以及对于后续车辆的碰撞告警。同时，V2X 技术还存在以下缺点：

（1）受环境因素影响较大。由于车-车、车-路环境复杂多变，车辆的运动情况快速变化，城市道路中的车辆和建筑物遮挡会给车辆管理带来很大的不确定性；同时，少量故意闯红灯的人员会采取手段故意遮挡，干扰现有监控系统的正常运行。

（2）缺乏主动预警功能，车辆和交通管理系统缺乏信息交互。目前的红绿灯管理系统跟车辆之间是没有信息交互的，无法给予闯红灯的车辆主动预警提示，对于误闯红灯和故意闯红灯车辆无法进行有效区别和精细管理。

2 基于车联网的交通预警系统架构

本文提供了一种基于信息交互的闯红灯预警系统，车辆经过红绿灯路口时，可以与路侧单元进行信息交互，接收到路侧单元发来的闯红灯告警信息，车主根据告警信息提前进行车速控制，保证安全通过红绿灯路口。如图1 所示，本系统由车辆管理中心、红绿灯控制器、路侧单元和车载单元构成，其中车辆管理中心与红绿灯控制器之间是有线连接，红绿灯控制器和路侧单元之间是有线连接，路侧单元和车载终端之间是无线连接。

图1 车联网的网络架构

路侧单元和车载终端之间可以使用专网或者公网频段，通过控制路侧单元和车载终端的无线信号发射功率，进而控制路侧单元和车载终端之间的无线通信距离。结合市区红绿灯的部署情况，通常控制两者之间的无线通信距离在200 m以内，以避免车辆过早与路侧单元建立通信连接，过早向行驶车辆发布预警信息，影响预警的准确性。

（1）车辆管理中心：用于登记路侧单元相关信息，包括路侧单元设备编号、所在地理位置（站点）识别码信息等；登记车辆及车载终端相关信息，包括车辆型号、车牌号码、车主信息、车载终端的编码信息等。

（2）路侧单元（RSU）：采用定向天线技术，为用户的车载设备提供无线网络接入服务。路侧单元的系统架构如图2 所示，主要包括：设备设置模块、红绿灯接口模块、信息处理模块、信息收发模块、信息存储模块。

图2 路侧单元设备系统模块

设备设置模块：用于设置本路侧单元的相关信息，设备投入使用前向后台进行注册认证，确保设备合法接入网络；同时设置本设备空中接口的通信频率、发射功率和通信协议，为车载单元提供无线接入服务。

红绿灯接口模块：用于连接红绿灯控制系统，查询当前红绿灯状态信息。

信息处理模块：是路侧单元的计算处理中心，用于各类信息的处理。各类信息具体包括异常告警信息、接收到的车辆接入信息以及与车辆管理中心的交互信息。

信息收发模块：采用定向天线技术，只能向来车方向发送无线信号。通过移动通信公网/专网接收来自车辆管理中心的指令信息，通过无线网络接收来自车载单元的接入请求信息；通过移动通信公网/专网向车辆管理中心发送本设备信息，以及转发异常驾驶信息；采用定向天线技术向来车方向无线广播发送本设备信标信息。

信息存储模块：存储接入该路侧单元的车辆车载单元信息，以及路侧单元与车辆车载单元的通信状态信息，具体包括通信链路建立信息、预警信息、预警解除信息等。

（3）车载单元：车载终端的系统架构如图3 所示，主要包括设备设置模块、异常触发模块、信息处理模块、信息收发模块、车辆OBD 接口模块、信息存储模块、信息显示模块。

图3 车载终端设备系统模块

设备设置模块：用于绑定车主及车辆信息，并向后台进行注册认证，确保合法用户接入网络，同时设置本车载单元的无线通信频率和通信协议，保障车载终端可以通过无线方式接入路侧设备。

信息处理模块：它是车载终端的计算处理中心，主要用于各类信息的处理。各类信息具体包括路侧单元发来的闯红灯预警信息、本设备异常触发模块发来的闯红灯告警信息。

信息收发模块：采用定向天线技术，可以接收车辆正前方路侧单元发来的无线信号，屏蔽侧面和后面的无线信号。通过移动通信公网/专网接收来自路侧单元发送的信标信息、闯红灯预警信息；通过无线网络向路侧单元发送接入请求信息、闯红灯告警信息。

车辆OBD 接口模块：用于连接车辆控制系统，实时读取车辆行驶信息。

信息存储模块：存储接入的路侧单元信息，以及路侧单元与车辆车载单元的通信状态信息，具体包括通信链路建立信息、预警信息、预警解除信息以及车载单元的异常模块发布的闯红灯告警信息等。

异常触发模块：如果车辆收到的告警信息未解除，且监测到车辆正常行驶时，车载终端会通过异常触发模块触发闯红灯告警信息，并将该告警信息发送给路侧单元，该告警信息包含本车载终端识别码、车辆的信息、告警发生时间等。

信息显示模块：车载终端接收到预警信息后，则通过信息显示模块显示预警提醒，提示驾驶员提前做好预防措施。车辆安全通过红绿灯路口，并解除预警后显示模块再关闭预警提醒。

3 具体实施方式

系统中的路侧单元会周期性地（每间隔2 s）定向发布信标信息。车辆的车载终端发现路侧单元的信标信息，发送接入请求信息，该接入请求信息包含本车辆的车载单元识别码、接入请求时间；路侧单元收到接入请求信息，识别车辆信息，查询当前红绿灯情况，执行如下流程：第一种情况，绿灯，不发送预警信息；第二种情况，黄灯，发送预警信息；第三种情况，红灯，发送预警信息。当路侧单元监测到红绿灯状态变为绿灯后，则向之前发送闯红灯预警信息的车辆发布预警解除信息。

系统的车载单元设定信标信息重复接收规则。若车辆通过车载单元与路侧单元建立了通信连接，再次收到信标信息则直接忽略。收到路侧单元发布的闯红灯预警信息，识别车辆信息和设备信息与本车辆是否一致，不一致则忽略该预警信息，否则就接收该预警信息继续执行后续流程。车载单元通过显示模块发布预警提示信息，提醒车主注意。同时通过车辆OBD 模块监测车辆行驶速度，每隔3 s 比对一次车速，如果车辆未减速且车速大于5 km/h，则发布闯红灯告警信息给路侧单元。待车载单元收到预警解除信息后，通过显示模块关闭闯红灯预警信息。

下面结合图4 进行具体业务流程说明。如图4 所示，RSU1、RSU2、RSU3、RSU4 均采用定向天线技术，分别向南方、西方、北方、东方定向广播信标信息。信标信息包含设备所在站点识别码，由于这四个设备部署于同一站点，所以发布的信标信息包含的站点识别码是一样的。

图4 交通预警系统部署示意图

如图4 所示，当车辆B 接近红绿灯路口时，信息交互流程如下：

（1）RSU4 周期性广播信标信息，该信标信息包含站点识别码、当前时间信息；

（2）车辆B 收到了RSU4 发送的信标信息，车载终端解析该信标信息，确认站点识别码；

（3）车辆B 根据站点识别码，以及当前网络连接状态，判断本车载单元是否已经与该站点的路侧单元建立了通信连接，如果已经建立了连接，则丢弃该信息；否则，接收该信标信息，同时回复接入请求信息；

（4）RSU4 收到车辆B 回复的接入请求信息后，读取当前红绿灯的状态：如果是红灯或者黄灯，发送闯红灯预警信息给车辆B；如果是绿灯，则不发送预警信息。其中，该预警信息包含该站点识别码和当前时间标识以及预警信息的目标车辆；

（5）车辆B 收到该预警信息后，首先判断预警信息的目标车辆是否是本车，如果不是则忽略该预警信息；否则接收该预警信息，通过车载终端的显示模块，提醒驾驶人员注意，预防闯红灯。

（6）当车辆B 经过红绿灯路口，行驶到车辆A 所在位置时，车辆B 离开了RSU4 的无线覆盖范围，则车辆B 断开了与RSU4 的通信连接，车辆B 的车载终端提示通信中断，并同时解除本车的预警信息。

车主故意闯红灯时的处理流程如下：

（1）当车辆进入红绿灯路口，车载单元和路侧单元进行信息交互，此时为红灯状态，所以路侧单元向车载单元发送闯红灯预警信息；

（2）车主无视该告警信息，继续通过红绿灯路口；

（3）车载单元通过车辆车载自动诊断系统（On Board Diagnostics，OBD）接口监测到车辆持续移动，且预警信息未解除，即向路侧单元发布闯红灯告警信息；

（4）路侧单元收到该闯红灯告警信息后，提取其中的车载单元识别码及车辆信息，转发给车辆管理中心；

（5）车辆管理中心记录车辆信息，并向车主发送闯红灯处罚通知。

车辆转弯后，信息交互流程如下：

（1）如图4 所示，车辆B 右转，进入到车辆E 的位置时，由于路侧单元采用定向天线技术，此时车辆B 已经离开了RSU4 的无线信号覆盖范围，则中断与RSU4 的网络连接；如果之前收到了RSU4 发来的预警信息，则解除该预警信息。

（2）此时，由于车辆B 的车载单元也采用了定向天线技术，虽然车辆B 进入到了RSU3 的无线信号覆盖范围，但车辆B 无法再接收到RSU3 发布的信标信息，不影响车辆B 的正常行驶。

4 结 语

本文通过车联网无线通信交互实现车辆的闯红灯预警，避免了天气环境以及其他障碍物干扰造成的闯红灯现象，提高了行车安全性。同时，当车主故意闯红灯时，车辆也可以主动触发闯红灯告警，使得交管部门可以直接锁定违法车辆，实现了对闯红灯行为的主动精准管理。

通过在车载终端进行功率控制，限定路侧单元和车载单元之间的传输距离，车辆行驶进入路侧单元的覆盖范围后，接入网络；当车辆离开路侧单元的覆盖范围后，即断开车载单元和路侧单元之间的网络连接。同时由于路侧单元采用定向天线技术，对进入红绿灯路口的车辆进行无线覆盖和空间分割，可以有效降低无效信息干扰，提高了路侧单元和车载终端之间的通信效率。