基于Android平臺的車路協同系統車載終端設計

李博森 何大治 馮奕佳 劉思源

摘 要： 基于Android操作系統，通過獲取車載單元與路側單元的通信信息，開發出一套車路協同系統的車載終端平臺。該平臺具有突發情況預警、緊急車輛優先通行、最佳車速引導等功能，并且可以根據具體需求不斷豐富與完善其功能。該車載終端系統測試效果良好，對車路協同系統的產業化應用具有一定的推動作用。

關鍵詞： 智能交通； Android； 車路協同系統； 輔助駕駛； 車載終端； 程序設計

中圖分類號： TN919.3?34； TP311.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）13?0083?05

Abstract： On the basis of Android operating system， a set of vehicle terminal platform for CVIS （cooperative vehicle infrastructure system） was developed by acquiring the communication information of the vehicle unit and roadside unit. The platform has the functions of emergency warning， priority pass of emergency vehicle and best speed guidance， and can enrich and improve its functions according to the specific needs. The vehicle terminal system has perfect test results， and a certain promotion effect for the industrial application of CVIS.

Keywords： intelligent transportation system； Android； CVIS； assisted driving； vehicle terminal； programming

0 引 言

隨著經濟與社會的快速發展，交通問題逐漸成為世界各國大城市急需解決的重要問題。據不完全統計，在中國，每年因車禍死亡人數高達六萬多人，全世界每年因車禍造成的死亡人數超過130多萬。其次，特大城市的交通擁堵現象越來越嚴重，不但造成時間上的浪費，而且加重了環境污染。現在已有的高峰限行、拍牌限購、尾號限行等手段調節效果不明顯，不能從根本上解決問題[1]。為了提高行車安全，同時為了更好地解決現存的交通擁堵問題，最大化地提高人們的出行效率，世界各國都逐步進駐智能交通領域[2]。

智能交通中最核心的一個子系統是車路協同系統。車路協同系統采用先進的通信技術以及新一代互聯網技術，全方位實現車車、車路的動態實時監測，在盡可能短的時間內，實現各種有效信息的交互與共享[3]。車路協同系統通過對整個動態交通信息的采集與融合，進行車輛主動安全控制和道路協同管理。然而，我國的車路協同系統起步較晚，發展較慢，各大車廠對于車路協同系統還處于試驗研發階段，并沒有大規模的商業化應用[4]。

目前國內的車載終端主要以導航和娛樂為目的，還沒有商業化的與車路協同系統相結合的車載終端人機交互系統。本文以Android操作系統為平臺，開發出針對車路協同系統的車載終端平臺，以達到輔助駕駛，提高行車安全與交通效率的目的[5]，并在上海交通大學閔行校區車路協同系統示范區進行示范應用。由于Android操作系統的開放性與可開發性，該車載終端平臺可以根據具體需求不斷豐富完善具體功能，為輔助駕駛、智能交通的發展提供低成本、易實施的技術路線與基礎平臺[6]，對車路協同系統的實用化與商業化具有建設性意義。

1 車路協同系統介紹

車路協同系統由路側單元（RSU）和車載單元（OBU）組成。路側單元采集道路信息與車輛信息，將其接入更大的基礎設施核心網絡，并且將各種必要信息周期性廣播至車載單元。車載單元從路側單元采集道路信息并且播發自身信息，對道路信息做出判斷和反應。

1.1 路側單元

車路協同系統的路側單元分布于道路基礎設施中，如交通信號燈、路燈、電線桿等基礎設施，在其中加入DSRC通信設備并加以改裝，構成車路協同系統中的路側單元。路側單元首先采集道路信息與車輛信息，對于采集到的數據，路側單元通過網絡實時與數據處理中心進行交互，以等待下一步的指令。此外，路側單元將采集到的重要基本信息通過DSRC通信技術傳輸到車輛中的車載單元，供車載單元進行判決與反應。路側DSRC通信設備如圖1所示。

1.2 車載單元

車路協同系統的車載單元為DSRC信號交換器和一個基于Android系統的車載終端。DSRC信號交換器采集道路信息與周圍車輛基本信息，并且將采集到的指令信息在Android設備上解碼。車載終端以基于Android操作系統的平板電腦為載體，其操作方便，在此平臺上可以開發出針對不同功能場景的應用，具有可擴展性，可用于以后的不斷更新與完善。

如圖2所示為車路協同系統整體架構，車載單元包括人機交互界面、數據處理模塊和通信模塊，通信協議采用DSRC協議，車載單元通過BOX與路側單元進行通信，路側單元在接收到車載單元的信息后將其發送到服務器端（Server）[7]。服務器可以在搜集到各車輛信息（包括位置信息、車速、車輛數量等）和路測設備狀態信息（紅綠燈周期）后作出交通擁堵預報、路測設備診斷等，并且服務器可以通過紅綠燈控制器控制紅綠燈周期，從而保障行車安全并且優化車輛的路口通行。

2 車載終端系統主要功能實現

針對保障行車安全、提高行車效率與人性化操作的需求，該Android車載終端系統主要具有以下功能：

1） 對突發狀況進行預警與警告；

2） 特殊車輛優先通行；

3） 車速引導判斷與計算；

4） 人性化的人機交互界面。

2.1 突發情況的預警與警告

傳統的機動車安全輔助設備依靠雷達、機器視覺傳感器設備對短距離道路情況進行獲取，在車輛危險預警方面存在很大的局限性。本車載終端系統采用不同的解決方案：遠處路側單元采集突發狀況，上傳至服務器，服務器將信息散發至其他各個路側單元；鄰近的路側單元通過DSRC通信技術及時向車載單元發送突發狀況預警，車載終端可提前對突發情況做出反應，保障行車安全。

2.2 特殊車輛優先通行

對于救護車和消防車等緊急救助車輛，常常由于交通擁堵耽誤寶貴救助時間[8]。救護車等緊急車輛安裝該車載終端后，在行駛至十字路口之前，通過車路協同系統可以將車輛信息提前通過路側單元發送至服務器，服務器可以提前調整交通信號燈的周期和紅綠燈的亮滅，從而保障當緊急車輛行駛至十字路口時，可以安全順暢地通行。

2.3 車速引導功能

交叉路口為車輛事故高發區，而車速引導功能可以提高交叉路口的行車安全，同時提高交通效率，降低交通延誤。為便于車速引導系統實際程序的開發，將實際道路交叉口與車輛進行模型化假設：

1） 車輛類型整體統一，不考慮不同車輛不同體積的影響；

2） 只考慮單一道路交叉口的車速引導，不考慮相鄰道路交叉口的影響；

3） 不考慮行人和其他非機動車輛的影響；

4） 對直行車輛最高時速限制為60 km/h，轉彎車輛限制[9]為30 km/h。

如圖3所示為車速引導流程框圖。車速引導算法考慮針對不同優先級的車輛，擁有不同的車速引導權限。當車輛即將通過路口時，首先判斷車輛的優先級。如果車輛為高優先級的緊急車輛，且在信號燈周期內通過車速引導可以順利通過，則正常通行。如果車輛不能通過車速引導正常通過，則可以在不影響其他道路安全通行的前提下，提前變換交通信號燈的狀態，保障優先級車輛的順利通行。如果為普通車輛，則其沒有改變交通信號燈狀態的權限，只需通過車速引導使其高效順利通過即可。

2.4 人機交互界面

為了道路信息的直觀顯示，便于將車輛與道路信息及時向駕駛員呈現，該車載終端系統具有以下人機交互功能[10]。

2.4.1 地圖顯示功能

為了將車輛信息與道路信息直觀地呈現，該車載終端系統將各種車輛與道路信息在地圖上實時動態顯示。地圖顯示模塊調用第三方的Map服務，使用百度公司的地圖API（Application Programming Interface，應用程序編程接口）服務，可以方便快捷地調用定位、導航等服務[11]。同時，百度地圖支持多個地點標志Marker的顯示，通過經緯度即可對任一地點進行定位，讓用戶對當前路況信息一目了然，在因惡劣天氣導致的能見度低的情況下可以提高行車安全。

2.4.2 圖形顯示與操作界面

圖形化操作界面可以顯示的信息有安全警示信息，例如，前方有道路正在施工，且施工單位含有路側終端設備，可以將施工位置的經緯度通過廣播發送，車載終端接收后發送給APP的數據處理模塊，若該施工位置和行車路線有沖突，則顯示該警示消息；還可以顯示最佳行駛方案，當行車即將到達紅綠燈時，紅綠燈上的路側終端設備將紅綠燈的位置、狀態及時長通過廣播發送，車載終端在輪詢時接收到這些信息后通過最優車速模型解算出最優車速，通過圖形化界面顯示出來。還可以通過按鈕選擇是否需要地圖導航的即時更新或語音播報。圖形顯示與操作界面如圖4所示。

2.4.3 語音提示

語音模塊可以將當前接收到的安全警示信息和最佳行駛方案通過語音播報的方式傳遞給用戶，在駕車過程中能夠更加安全、方便地接收到路況信息，減少用戶由于查看顯示界面造成的安全隱患。

3 車載終端系統主要模塊代碼實現

整個車速引導系統基于Google Android開源平臺設計開發，系統使用Eclipse集成Android開發環境，利用Java語言進行開發，Java版本為1.8.0_65，Android系統版本為4.4.2（API 19）。程序開發過程主要包括如下幾個模塊的具體實現。

3.1 地圖模塊

出于性能優化考慮，Android的UI操作并不是線程安全的，如果有多個線程并發操作UI組件，則可能會導致線程紊亂問題。為了解決這個問題，Android制定了一條規則：只允許UI線程修改Activity里面的UI組件。同時，Android提供了一種解決方案，即使用Handler實現線程之間的通信。

基于上述規則，新啟動的線程無法動態改變界面組件的屬性值，此時就需要借助Handler的消息傳遞機制來完成，讓新啟動的線程周期性地改變界面組件的工作。在主界面Activity被創建時構造一個Handler對象MapUpdater，讓它控制兩個線程對界面的修改，其中一個線程負責更新地圖上標志的位置，如本車位置[12]；另一個線程負責接收安全警示消息和行駛方案，顯示在圖形界面并且進行語音播報。

而這兩個線程相對于主線程是異步的，為了讓主線程能適時地處理新啟動的線程發送的消息，把更新界面組件的控制權交給子線程，顯然只能通過回調的方式實現。這里使用Observer設計模式，在Java中則通過Observable類和Observer接口實現這一設計模式，具體實現過程如下：

Handler MapUpdater=new Handler（）；

//調控主線程和子線程的Handler

Runnable MapUpdate=new Runnable（）

//更新地圖信息的線程

Runnable MsgUpdate = new Runnable（）

//更新警示消息和行車方案

class IsUpdateEnabled extends Observable{}

//控制消息更新線程開關的Observable類。卷屏關閉時，線程將不運行

class Watcher implements Observer{}

//監聽消息更新線程開關的Watcher類

3.2 數據處理模塊

Android平臺上有兩種基本的事件處理模型，分別是基于監聽和基于回調的事件處理模型，從代碼實現的角度來看，基于回調的事件處理模型更簡單。而Service組件與其他組件相互通信的方式便是通過onBind方法返回一個IBinder對象，讓其他組件通過該對象和Service組件通信，這也可以視為一種回調的方式。數據處理模塊是一個繼承自Service的類ComuService，在主界面的Activity啟動時即和ComuService綁定，并且在連接成功后獲取Service的onBind方法返回的MyBinder對象（繼承自Binder類）[13]。同時，在Activity中還需要構造ServiceConnection對象，該對象用于監聽訪問者和Service之間的連接情況，在ServiceConnection的onServiceConnected（）方法中有一個IBinder對象，在連接成功時該方法會產生IBinder對象，所以不需要再在其他地方構造IBinder對象。

綁定完成后，ComuService中會有一個新的線程周期性地接收和處理從車載終端傳送過來的數據[14]。新建線程的原因有兩點：一是Service不會專門啟動一個單獨的進程，而是和它所在的應用位于同一個進程中；二是Service不能直接處理耗時的任務，否則會引起UI線程阻塞，引發ANR（Application Not Responding）異常。

以下是ComuService類的定義：

public class ComuService extends Service {

private String message；

//安全警示消息或最優行駛方案

private int event=0；

//1?>車車相遇；2?>行駛方案；3?>限速提示；4?>道路施工

private int speed=0；

//限速牌提示的最高速度或能通過紅綠燈的最佳車速

private double lat=0；

//本地車緯度

private double lng=0；

//本地車經度

private double latR=0；

//遠程車緯度（動態改變）

private double lngR=0；

//遠程車經度

private double latS=0；

//紅綠燈、限速牌或施工位置的緯度（靜態位置）

private double lngS=0；

//紅綠燈、限速牌或施工位置的經度

public class MyBinder extends Binder；}

//與被綁定組件通信的對象

3.3 語音模塊

語音模塊使用一個內置的類：android.speech.tts.TextToSpeech，在主界面的Activity啟動時新建一個對象mTextToSpeech并初始化它的監聽器，初始化部分代碼如下：

mTextToSpeech=new TextToSpeech（this，new TextToSpeech.OnInitListener（）{@Override

public void onInit（int status）{}

}）；

初始化后即可通過speak函數直接朗讀出消息warnMsg，如下所示，QUEUE_ADD參數表示播放完之前的語音任務后才播報本次內容，原因是TextToSpeech類以隊列方式存放需要播報的消息，可以通過參數設置選擇播報方式。

mTextToSpeech.speak（warnMsg，TextToSpeech.QUEUE_ADD，null）；

4 測試結果

按照預先設計的功能要求，在上海交通大學閔行校區車路協同系統示范區內進行測試，測試結果可以在地圖上實時動態顯示車輛和道路信息，通過語音提示駕駛員，實現緊急突發情況報警、緊急車輛優先通行和車速引導等功能，達到了預期效果。車速引導系統測試截圖如圖5所示。

5 結 語

本文以Android操作系統為平臺，開發了一套基于車路協同系統的車載終端系統。該車載終端系統可以實時與道路設備和其他車輛進行信息交互，實現了突發情況預警、特殊車輛優先通行和車速引導等功能，并且由于Android操作系統的易開發性，后期可以根據具體需求不斷增加完善新功能。經過實際車路測試，該車載終端系統使用方便，運行穩定可靠，具有較高的應用價值與推廣前景。

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