基于車聯網技術的交叉口交通信號控制系統研究

陳利紅

摘? 要： 文章闡述了交通信號控制系統與車聯網的內涵和外延，以及車聯網與物聯網的區別，分析了車聯網的發展前景、關鍵技術架構以及車聯網目前的應用場景。詳細介紹了車聯網技術在交通管理交通信號控制系統中的應用，該系統能減少交叉口的擁堵，提高道路通行能力，改善交通通行安全。

關鍵詞： 智能交通系統; 車聯網; 交通信號控制系統; 交通通行安全

中圖分類號：U495? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）01-09-04

Abstract： In order to improve the traffic condition of intersections， to enhance the traffic efficiency and to reduce the potential danger of road traffic， this paper expounds the intension and extension of traffic signal systems and Internet of Vehicles， as well as the difference between Internet of Vehicles and Internet of Things， analyzes the development prospect of Internet of Vehicles、key technology and the application scenarios of Internet of Vehicles. The application of Internet of Vehicles technology in the traffic management of traffic signal control system is introduced in detail， the system can reduce the intersection congestion， improve the traffic capacity and improve the traffic safety.

Key words： ITS; Internet of Vehicles; traffic signal control system; traffic safety

0 引言

交通信號燈是交通信號的重要組成部分，由紅燈（開啟表示禁止通行）、黃燈（開啟表示警示）、綠燈（開啟表示允許通行）組成，適用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信號控制機控制，指導車輛和行人安全有序地通行。然而，現行的交通通行管理系統中，交通信號燈僅僅起到引導交通車輛的通行的作用，無法避免機動車輛闖紅燈的情況。通常，車輛在到達交叉路口時綠燈僅剩下幾秒即結束，此時駕駛員由于客觀或者主觀感知的原因無法準確判斷他能否順利地通過交叉路口。如果駕駛員判斷失誤，不但會影響車道車輛的通行，還增加了交通事故的發生幾率。

車聯網（Internet of vehicles）是一種依據特定通信協議，實現車—X（X：車、路、行人及互聯網等）之間的無線通信和信息交換的大型網絡，也是一種能夠實現智能交通與動態信息服務的一體化網絡。車聯網是物聯網技術在交通系統領域的典型應用，也被視為下一代移動互聯網絡的重要組成部分[1]。車聯網有望徹底解決目前存在的一些交通難題，如交通事故、交通擁塞等[2]。

本文對單個交叉路口交通信號燈控制系統進行研究，設計了一種新的交叉路口交通信號燈系統，實現智能交通。該系統利用無線信號對交通信號燈發送信號，能夠實現準確控制，以規避闖紅燈的現象，保證交通通行安全。

1 車聯網

1.1 定義

車聯網是指裝載在車輛上的電子標簽通過無線射頻等識別技術。實現在信息網絡平臺上對所有車輛的屬性信息和靜、動態信息進行提取和有效利用。總結來說，車聯網就是車內是個局域網，車跟車組成車際網，車網與互聯網相連，三者基于統一的協議，實現人、車、路、云之間數據互通，并最終實現智能交通、智能汽車、智能駕駛等功能。

1.2 車聯網與物聯網之間的關系

國際電信聯盟（ITU）給物聯網的定義是：物聯網主要解決物品到物品油（thing to thing，T2T），人到物品（human to thing，H2T），人到人（human to Human，H2H）之間的互連。

車聯網是一類物聯網，是物聯網在城市交通網絡中的具體應用。車聯網通過車輛網絡動態地收集、分發和處理數據，使用無線通信方式共享信息，實現汽車與汽車、汽車與建筑物，以及汽車與其他基礎設施之間的信息交換，使汽車與城市網絡相互連接。車聯網可以幫助實現汽車與路上的行人和自行車、汽車與非機動車之間的“對話”[3]。

1.3 關鍵技術

1.3.1 車聯網體系結構

從網絡上看，車聯網系統是一個“端管云”三層體系，如圖1所示。

第一層（端系統）：端系統是汽車的智能傳感器，負責采集與獲取車輛的智能信息，感知行車狀態與環境;是具有車內通信、車間通信、車網通信的泛在通信終端;同時還是讓汽車具備車聯網尋址和網絡可信標識等能力的設備。

第二層（管系統）：解決車與車（V2V）、車與路（V2R）、車與網（V2I）、車與人（V2H）等互聯互通，實現車輛自組網以及多種異構網絡之間的通信與漫游，在功能和性能上保障實時性、可服務性與網絡泛在性，同時它是公網與專網的統一體。

第三層（云系統）：車聯網是一個云架構的車輛運行信息平臺，它的生態鏈包含了ITS、物流、客貨運、危特車輛、汽修汽配、汽車租賃、企事業車輛管理、汽車制造商、4S店、車管、保險、緊急救援、移動互聯網等，是多源海量信息的匯聚，因此需要虛擬化、安全認證、實時交互、海量存儲等云計算功能。

1.3.2 ITS

ITS即智能交通。是將先進的傳感器技術、通信技術、數據處理技術、網絡技術、自動控制技術、信息發布技術等有機地運用于整個交通運輸管理體系而建立起的一種實時的、準確的、高效的交通運輸綜合管理和控制系統。

1.3.3 RFID技術

RFID，是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別。它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。基本的RFID系統由標簽（Tag）、閱讀器（Reader）、天線（Antenna）組成。其工作原理如圖2所示。

1.3.4 CAN技術

CAN是控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）的簡稱，是由研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發的，并最終成為國際標準。是國際上應用最廣泛的現場總線之一。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應用于汽車計算機控制系統和環境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業環境。

1.3.5 云計算

云計算是一種基于互聯網的計算服務模型，云可以劃分為云基礎設施、云平臺、云應用及云客戶端四個層次。云計算中最關鍵的是虛擬化技術，即將硬件資源或操作系統虛擬化，為上層用戶提供抽象的計算平臺，隱藏底層的物理實現。

2 車聯網的應用

車聯網是一種全新的概念與應用，具有廣闊的應用前景和商業價值，車聯網所能提供的主要應用有：安全方面、交通管理方面、公共交通服務方面、商業增值服務方向等。

2.1 交叉口交通信號控制系統

交通信號控制系統（AITS100）是集現代計算機、通信和控制技術于一體的區域交通信號實時聯網控制系統，可實現對路口交通信號的實時控制、進行區域協調控制、中心和本地的優化控制。具有路口狀態的實時查詢與監控，路口信號燈的故障定位，配時方案的實時上傳與下載等功能。交通信號控制系統主要由數據庫服務器，交通信號管理服務器，網絡通訊設備，路口交通信號機組成，其系統架構見圖3。

2.2 基于車聯網的交叉口交通信號系統

2.2.1 系統邏輯架構

基于車聯網技術的交叉口交通信號系統由交通信號燈系統、信號發射模塊、信號接收模塊和車載控制模塊，其中，所述信號發射模塊與交通信號燈系統相連接，信號接收模塊和車載控制模塊均安裝在車輛上。信號發射模塊與信號接收模塊之間進行無線通信。系統邏輯架構如圖4所示。

2.2.2 工作原理

信號發射模塊讀取自身所在的方向交通信號燈系統的狀態（倒計時信號燈顯示剩余綠燈時間[4]）并發送，信號接收模塊接收信號發射模塊發送的信號，然后將信號發送給車載控制模塊（圖5）。車載控制模塊根據事先設定的閾值對車輛的運行狀態進行控制，如果剩余時間高于閾值，則繼續行進通過;否則進行報警提示（圖6），駕駛員根據提示控制車輛，能有效避免駕駛員判斷失誤導致闖紅燈。

3 結束語

借助車聯網技術的RFID技術、CAN技術以及云計算技術等，交叉口交通信號系統更加智能化，交通管理更加精細化。與現有技術相比，本文提出的基于車聯網技術的交通信號控制系統輔助駕駛員準確判斷能否在綠燈結束前通過交叉路口（即選擇通過區），且提醒車輛在行進方向上遵從信號燈的指引，可以有效地減少交叉口擁堵，提高道路通行能力，改善交通通行安全，為城市交通提供便利。

今后的研究中，將重點解決以下問題：實現對多個路口的協同控制。

參考文獻（References）：

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[3] 劉小洋，伍民友.車聯網：物聯網在城市交通網絡中的應用[J].計算機應用，2012.32（4）：900-904

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[5] 李金洋，陳儀香，王振輝.基于車速的自適應交通信號燈控制系統[J].計算機技術與發展，2016.26（9）：21-25

[6] 未來車聯網的技術挑戰與機遇[EB/OL].[2011-06-01].http：//www.internetofthings.net.cn/.

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