車路協同系統功能實現的場景測試技術研究

楊良義，陳 濤，謝 飛

(1.重慶西部汽車試驗場管理有限公司, 重慶 401122；2.中國汽車工程研究院股份有限公司， 重慶 401122)

隨著中國公路交通事業的快速發展，嚴峻的道路交通安全形勢和較低的運輸效率受到人們廣泛的關注，傳統的交通管控方式已難以解決目前所面臨的交通問題[1]。因此，車路協同技術應運而生，給問題的解決帶來了新思路和新方法。車路協同是基于先進的傳感器和無線通信等技術，實現車車、車路動態實時信息交互，保證車、路的有效協同，從而形成安全、高效和環保的道路交通系統[2]。國外對車路協同技術已有初步應用，如美國的Intellidrive、歐盟的SafeSpot、日本的Smartway等[3]。與世界主要發達國家相比，我國車路協同技術還處于研究探索階段[4]。為了促進我國車路協同技術的發展，工業和信息化部推出了多個國家級的智慧道路交通示范區建設項目[5]。本文結合項目實踐，對車路協同系統功能實現的場景測試技術進行探討。

1 協同系統的功能實現

協同系統運行于中國汽車工程研究院現有示范工程平臺，利用現有的網絡系統、交叉口監視攝像頭和信號以及其他路側設備，并新增行人及排隊檢測攝像頭、智能路側終端和車載手機，實現車車、車路動態實時信息交互。協同系統包括四大功能模塊[6]：① 基于車路協同的交叉口預警模塊；② 交叉口信號燈智能配時模塊；③ 行人、車輛、道路信息的感知模塊；④ 車速引導與優先通行模塊。車路協同系統配置見圖1。

圖1 車路協同系統配置

系統由智能路側終端(內配視頻服務器、工控機、交換機、4G通信模塊等)、路況監測攝像頭、車載和行人手機信息服務軟件等連接組成。路況監測攝像頭等前端設備檢測到交叉口圖像信息，通過現場視頻處理器分析后，將交通信息發送給智能路側終端。其他路側設備通過RS232/485接口完成信號燈的控制和狀態檢測。車載手機和行人手機通過Wi-Fi網絡與智能路側終端相連，實時獲取控制區域道路路況信息，實現車、路、行人的有效監控與協同。同時，在智能路側終端上配置了4G模塊，當Wi-Fi連接有麻煩時，也可以通過4G網絡與智能路側終端相連。整個系統設備可分為前端、傳輸和末端設備，其各自的功能如下：

1) 前端設備：利用路側設備監控攝像機等傳感器獲取路況信息；利用車載GPS信息和手機內置傳感器獲取車輛速度和方向信息；利用車載導航軟件獲取車輛行為信息。

2) 傳輸設備：使用WiFi/4G或以太網傳輸圖像和數據信息。

3) 末端設備：系統監控平臺用于實時監控各路攝像機視頻信息、路況信息和車輛運行狀態信息。數據管理平臺用于實時處理圖像信息、發現路況信息，根據信息處理結果給出相應的提示信息，存儲視頻信息，離線調用，對測試的情況做統計分析。控制平臺用于將信息實時發送到車載終端，控制路側設備做出相應的指示，如調整紅綠燈等。

2 典型場景功能測試

對車路協同系統中人、車、路的協同狀況進行測試時，需要建立基于車路協同典型場景的功能測試系統[7]。首先需要對測試場景做出合理的描述，以模擬真實的交通環境，包括實驗場地、交通狀況、智能路側設備等；其次，需要制定可具體實施的測試方案，以確保車路協同系統的功能實現。

2.1 測試場景描述

2.1.1 測試場地選擇

基于對車路協同系統各項功能的分析，選擇一個交叉口及外延的兩條主干道作為測試場地，場景為城市路段，直行路段為雙向多車道，交叉口符合交通標準。

測試場地要求具備的主要設施包括路口監視攝像頭、基本路側設備、行人及排隊檢測攝像頭、智能路側終端、交通信號控制設備等。本文選取的典型測試場地如圖2所示，為典型十字路口。

圖2 測試場示意圖

2.1.2 交通設備部署

車路協同系統運行在現有的示范平臺上，交叉口路段原有的監控攝像機、路側設備、信號燈等設備保持不變。在交通設備部署方案中新增行人及車輛排隊檢測攝像頭的部署、智能路側終端及與其他路側裝置的連接。智能路側終端包含處理器、基站數據庫、網絡與傳感器接口等設備[8]，其內部結構與外部連接關系如圖3所示。

圖3 智能路側終端內部結構及外部連接

1) 嵌入式視頻辨識處理器

圖像處理器與交叉口路段攝像頭相互連接，通過監控圖像可分析交叉口車流、道路與行人的狀態，并對交通違章、交通異常等狀況進行辨識。借助該辨識處理器，可將圖像信息轉換為特征數據信息，提高信息的利用價值，降低檢測網絡的通信要求。

2) 接口服務器

接口服務器用于完成常規路側傳感器信號接入與信息轉換，實現對典型路側設備如信號燈、情報板等控制信息的輸出。該服務器既可提供典型的模擬、數字量的輸入接口，又要能兼容典型的RS232/485、CAN等接口，并進行相應通信協議的定制轉換。

3) 網絡接口

網絡接口包含無線和有線2個接口，其中：交叉口路段短距離范圍的通信由WIFI/DSRC/4G完成，用于無線路側設備、近距離移動車輛與行人的通信；遠程的信息服務、管理由TCP/IP寬帶網絡接口實現。

4) 基站數據庫

基站數據庫用于存儲連接交叉口路段的地圖、路況和交通等信息，為附近的車輛提供及時全面的信息查詢與行程引導服務，并在后臺記錄連接路段的運行數據信息。

5) 基站GPS

基站GPS用于提供連接交叉口路段的地理位置，方便車輛的多路段信息搜索。此外，還可提供地理位置參考基準，為附近車輛基于差分技術的GPS定位提供幫助。

6) RSU處理器

該處理器負責交叉口路段信息融合處理以辨識交通狀態。根據交叉口路段狀態和交通控制發布交通信息，處理交通信息的存儲與檢索。

路口攝像頭通過TCP/IP與智能路側終端內的處理器相連。信號燈、地感線圈等路側設備一般有RS485和TCP/IP兩類接口，對于RS485接口的設備，直接通過智能終端的接口服務器將設備與智能路側終端處理器相連接。對于有TCP/IP接口的設備，通過內部以太網實現路側設備與智能路側終端的連接。

智能路側終端安裝在信號燈旁一側，行人及車輛排隊檢測攝像機的安裝示意圖如圖4所示。

交叉口的4根信號燈桿位置分別安裝1臺用于檢測行人和車流量的攝像機。攝像機的具體位置和角度可根據交叉口的現場狀況進行調節。

圖4 行人及車輛排隊檢測攝像機安裝示意圖

2.2 測試方案設計

2.2.1 交叉口測試方案設計

通過車路協同系統功能分析，可得出在交叉口典型應用的功能，包括行人橫穿提醒、無信號燈的車速引導與協調、信號燈的智能配時、基于車路協同的交叉口預警功能。

1) 行人橫穿提醒

利用S7-5～S7-8共4路行人檢測攝像機檢測各交叉口處行人，如圖5所示。車輛正常行駛在各個路段上，D7-5區域突然出現2位行人開始橫穿馬路，行人檢測攝像機S7-5立刻捕捉到該信息，經過處理后將行人信息通過TCP/IP發送到智能路側終端，智能路側終端自動發送報警信息到該路線行駛車輛的車載手機上，車輛接收到信息后，控制車輛減速行駛以避讓行人。

圖5 行人橫穿提醒示意圖

2) 無信號燈車速引導與協調

當交叉口無信號燈或信號燈故障時，系統可根據車載手機定位的車輛位置、車速等信息和車輛檢測攝像機檢測到的車輛排隊信息進行車輛間的信息交互。當多輛車同時駛入時，智能路側終端可發送最佳車速引導信息到車載手機，引導各種車輛協同通過該交叉口。

3) 信號燈的智能配時

如圖6所示，該場景涉及11輛測試車。假設11輛車輛按照固定的時間間隔均勻到達交叉口，如果按傳統信號燈固定配時，交叉口的延誤及停車次數必然大大增加。該系統可借助S7-1～S7-4車輛排隊檢測攝像機監測D7-1～D7-4路段的車輛排隊長度，通過交通信號優化算法實現對交叉口信號燈的智能控制，降低交叉口平均延誤時間和停車次數，從而提高交叉口車輛通行效率并減緩交通擁堵。

4) 基于車路協同的交叉口預警

系統可實現盲區、左轉輔助等預警。① 左轉輔助預警：交叉口轉彎處，系統根據車輛GPS位置信息和車輛行駛軌跡，判斷車輛有左轉趨勢。車輛在左轉的過程中，攝像機將檢測到的行人、車輛排隊信息傳輸給智能路側終端，智能路側終端將當前交叉口行人信息和視頻信息發送到車載手機，并提示相應的預警信息。② 盲區預警：利用車輛及行人檢測攝像機檢測交叉口人行道行人和車輛狀況。當車輛在正常行駛過程中，根據車輛GPS位置信息及行駛軌跡，智能路側終端將車輛前進區域的視頻信息發送到車載手機，并發送相應的預警信息。

圖6 信號燈智能配時

2.2.2 路段測試方案設計

交叉口附近路段的典型應用功能包括基于路段路況信息的預警、路段擁堵提醒、基于車路協同的車速引導與優先通行。

1) 基于路段路況信息的預警

根據手機定位的車輛信息發送相應路況信息。將該路段的特殊狀況上傳到系統，當檢測到有車輛駛入該路段時，及時發送提示信息到車載手機，實現預警功能，如道路施工、前方事故、禁止通行、隧道、限速提醒等。

2) 路段擁堵提醒

利用交叉口車流量監控攝像機統計交叉口各方向的車流量狀況。當該路段出現車流量較大、車輛擁堵情況時，根據手機定位的車輛位置信息，智能路側終端將發送信息到正在駛向該路段的車輛，提醒車輛前方路段擁堵。

3) 車速引導與優先通行

當車輛正常行駛在交叉口一側的路段時，系統根據車輛行駛速度和當前交叉口紅綠燈顯示狀況，通過智能算法對車輛應當進行減速行駛還是加速行駛做出決策，以利于節能。

當路段出現特殊車輛時，攝像機捕捉到特殊車輛后，路側終端發送指令到交通信號機，控制信號機確保特殊車輛通行，保持綠燈暢行。

3 初步測試及其分析

車載端導航測試界面如圖7所示。

圖7 車載端導航測試界面

行人橫穿測試：行人穿越路面過程中，路側終端可檢測到行人穿越路面，并可同時檢測前方是否有車輛駛過。路側終端可及時將行人穿越信息發送到車載端，提醒車輛注意前方有行人穿越。

智能信號燈測試：在交叉路口處車輛數量較多，攝像機可監控路面車輛排隊狀況，并采用智能算法最優化通行效率，自動給紅綠燈智能配時。

4 結束語

本文探討了車路協同系統功能實現的場景測試技術，并提出了車路協同系統功能實現的場景測試方案。某交叉路口的實際道路場景測試結果驗證了所推出場景測試方案的合理性與可行性，可為協同系統功能實現的場景測試設計提供參考。

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[4] 張家銘.車路協同仿真系統測試及其驗證方法研究[D].北京:北京交通大學,2014.

[5] 千方科技. 建設北京首個智能汽車與智慧交通示范區[J].交通建設與管理,2016(Z1):104-105.

[6] 易振國.車路協同實驗測試系統及安全控制技術研究[D].長春：吉林大學,2011.

[7] 柴少丹.車路協同系統功能測試與評價方法研究[D].武漢：武漢理工大學,2013.

[8] 王博思，祖暉，陳新海，等.基于專用短程通信技術DSRC的智能車路協同系統設計與實現[J].激光雜志，2017，38(6):147-150.