面向未來交通的車輛“沖突-協商”機制的設計

（北方工業大學電氣與控制工程學院交通設備與控制工程系，北京 100144）

1 研究背景及意義

隨著現代城市交通的高速發展和機動車保有量的不斷增長，每年道路上60%以上的交通事故由于交通沖突造成[1]，數據表明交通沖突和交通事故存在密切的正相關關系。車輛在行駛至交叉口時由于司機避讓不及時或自身因素而發生的行駛沖突，是影響交叉口的道路行車效率，擾亂城市交通秩序和危害車輛人員安全的主要原因。研究表明，由于司機疲勞駕駛造成的事故率可達總交通沖突的40%，該情況引起了國家相關部門及城市交通局的高度重視，嚴重危害車輛的行駛安全，因此，應用道路車輛輔助駕駛系統十分重要。

目前，我國為解決“交叉口沖突”的問題采取的主要措施是渠化交通、實行交通管制、修建立交等方法，前兩種方法可以減少車輛間的相互干擾，但人力物力資源耗費巨大[2]，修建立交可以將沖突車輛從通行空間上分開，但工程量大、消耗大量資金。由于駕駛每輛車的司機自身情況的輕重緩急有所不同，在不清楚對方車輛情況是否緊急的狀態下貿然行駛會造成對雙方車輛人員的傷害。

本文在面向當前及未來城市交通車輛行駛沖突嚴重的問題上，能夠在即將發生沖突的車輛之間構成通信，減少城市交通事故發生率[3]，提高城市交通的安全性。

2 系統的設計與關鍵技術

2.1 系統設計

2.1.1 系統結構

基于無線通信的“沖突-協商”機制主要由通信子系統、車載子系統兩部分構成，本系統設定每個車輛按目的地等級劃分行車級別即為其行車優先級。

（1）通信子系統由數據采集分析模塊和信息收發模塊組成。數據采集分析模塊是接收同局域網車輛發送的車輛行駛優先級數據，并進行數據分析與比較；信息收發模塊是實現通信子系統與服務端或者客戶端之間進行信息傳輸的功能[4]。通信子系統以車載子系統中WiFi模塊為載體實現整個“沖突-協商”機制功能。

（2）車載子系統以WiFi模塊，超聲波測距模塊和紅外線循跡模塊為主。WiFi模塊是為實現嵌入式系統的無線網絡通信，由車輛串口和模塊串口相連，實現車輛行駛優先級數據→網絡→模塊→模塊串口→車輛串口及車輛串口→模塊串口→模塊→網絡→車輛行駛優先級數據，雙向的數據透傳。超聲波測距模塊檢測兩車距離小于2 m時，開啟WiFi模塊的通信系統，車輛進行優先級的發送與接收[5]。

系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2.1.2 工作流程

（1）客戶端。

系統初始化后，小車開始向前行駛，超聲波開始檢測車間距離，如果車間距大于有效距離，兩車繼續前行；如果車間距小于有效距離，則本車發送優先級數據給鄰車，且本車開始檢測是否收到鄰車行駛優先級數據，若沒有接收到鄰車行駛優先級數據，本車持續檢測是否接收到鄰車行駛優先級數據[6]，若本車檢測到鄰車行駛優先級數據，則開始判斷本車行駛優先級是否大于鄰車，若本車行駛優先級大于鄰車，本車繼續前進，且進行新一輪循環；若本車行駛優先級不大于鄰車，判斷本車行駛優先級是否小于鄰車，若小于鄰車，本車停止前進待鄰車前進后開始進行新一輪循環；若等于鄰車行駛優先級，兩車處于死鎖狀態，兩車任意發送一個優先級信號后開始新一輪優先級比較循環。

（2）服務端。

系統初始化后，小車開始向前行駛，超聲波開始檢測車間距離，如果車間距大于有效距離，兩車繼續前行；如果車間距小于有效距離，本車檢測是否收到鄰車行駛優先級信號，若沒有收到，本車持續檢測是否接收到鄰車行駛優先級信號，若本車檢測到鄰車行駛優先級信號，本車發送優先級信號給鄰車，開始判斷本車行駛優先級是否大于鄰車，若大于鄰車，則本車繼續行駛且進行新一輪循環，若本車行駛優先級不大于鄰車，則判斷本車優先級是否小于鄰車，若小于鄰車，則本車停止，等待鄰車行駛后再進入新一輪循環；若本車行駛優先級等于鄰車，兩車處于死鎖狀態，兩車重新發送任意優先級信號后開始新一輪接收優先級信號循環[7]。

本系統包括車輛客戶端和車輛服務端，客戶端和服務端的工作流程分別如圖2所示。

圖2 客戶端工作流程圖

2.2 系統功能設計

本系統基于Arduino開發環境，面向所有交通情景，以減少車輛沖突，提高行車效率，保證行車安全。

（1）通信子系統。本系統實現數據的接收、分析、存儲和發送，用于車輛行駛優先級在客戶端和服務端之間的信息傳遞，實現車與車在沖突發生時，及時進行優先級比較。（2）車載子系統。車輛用超聲波測量距離少于2 m時，為避免沖突，開啟WiFi通信模塊，接收到鄰車行駛優先級的車輛，進行優先級的比較，以判斷本車是否繼續前進。當兩個車行駛優先級相同時，隨機給本車發送優先級，再次開啟WiFi通信模塊，進行新一輪的優先級比較，直到兩車行駛優先級不同，可以判斷車輛行駛為止。

服務端工作如圖3所示。

圖3 服務端工作流程圖

2.3 系統主要方法與關鍵技術

2.3.1 串口轉WiFi通信模式

工作原理圖如圖4所示。

圖4 串口轉WiFi模塊工作原理

本通信模式是串口服務模塊和多功能WiFi模塊相結合的通信方式，可以實現全透明雙向數據傳輸，支持透明協議數據傳輸模式。本通信模式基于UDP通信協議，是一種無連接通信，數據傳輸的過程延遲小，數據的傳輸效率高，可保證車輛道路的行車安全。工作模式為AP+STA模式：AP模式即無線接入點；STA模式即無線站點是一個無線網絡的終端。在數據發送時，用戶設備通過串口發送車輛行駛優先級給WiFi模塊，再通過無線網絡將數據傳給服務端；在數據接收時，WiFi模塊通過無線網絡接收服務器傳輸的優先級，將數據通過串口傳輸給用戶，進行優先級的比較。

2.3.2 “沖突-協商”機制

車輛行駛示意圖如圖5所示，協商過程如圖6所示。

圖5 車輛行駛示意圖

圖6 車輛協商過程示意圖

“沖突-協商”機制作為輔助駕駛系統[8]的重要組成部分，可應用于無人駕駛，用于解決兩輛車處于沖突狀態時，可非人為的智能操作車輛停駛，以避免沖突。在本系統包括超聲波測距模塊、WiFi模塊、單片機處理模塊和車輛行駛狀態顯示模塊。該機制設定每輛車都有單獨的車輛行駛優先級，建立了一個以距離（distance）和優先級（priority）為輸入量，以行駛狀態顯示模塊為輸出量的模型系統。通過距離變化和優先級大小的比較制定了行駛狀態顯示的規則，

將距離區間分為兩級，distance≤有效距離時，為close（近）；distance＞有效距離時，為far（遠）；優先級分為三級，分別為low（priority=1）；average（priority=2）；high（priority=3）。當兩車之間距離為close等級時，兩車會發出各自提前根據自身輕重緩急情況確定的優先級，進行通信比較大小，達成其一優先行駛的目的，優先級高的車輛led燈亮綠燈繼續前行；當兩車優先級相同時，車輛均亮紅燈停止行駛處于死鎖狀態，車輛會進行優先級的隨機搖號進行優先級的比較，優先級大的一方亮綠燈優先行駛。

3 系統實現

3.1 硬件實現

在本系統中，硬件部分包括檢測模塊、WiFi模塊、單片機處理模塊和車輛行駛狀態顯示模塊。檢測模塊主要包括超聲波檢測模塊，主要采用的是HC-SR04超聲波模塊，通過超聲波發射與接收的時間差計算出到障礙物的距離，探測對象為前方物體，探測距離為2～400 cm；單片機處理模塊將檢測模塊檢測到的數據進行接收、分析處理與發送；通過WiFi模塊的完全集成串口轉無線TCP/UDP傳輸功能進行與單片機處理模塊間的數據發送；車輛行駛顯示模塊是分別用綠燈和紅燈顯示車輛下一步的行駛狀態，綠燈表示繼續前進，紅燈表示停止行駛。

系統硬件組成示意圖如圖7所示。

圖7 系統硬件組成示意圖

3.2 軟件實現

軟件部分主要是使用Arduino軟件的編譯和上傳功能，實現電腦程序下載到小車的單片機內。即將沖突的車輛在行駛小于一定距離時，可開啟WiFi模塊進行車輛行駛優先級的發送和接收，用戶在比較優先級之后，車輛智能決定車輛行駛狀態。

4 試驗測試

由于場地條件的限制，本試驗測試由兩輛智能小車A和B完成。設置小車A的車輛行駛優先級為1，小車B的車輛行駛優先級為3，選擇超聲波檢測器的有效距離為30 cm，使兩輛小車使用紅外線循跡功能沿在地面貼設的黑色軌跡呈直角行駛。當任一小車檢測到前方30 cm內有即將通行的另一小車時，在面臨沖突的小車間會相互發送各自的行駛優先級，小車A的led燈亮紅燈并停止行駛，小車B的led燈亮綠燈優先行駛。

通過多次改變小車行駛優先級的試驗驗證，該系統能夠有效實現通過無線網絡比較優先級來達到車輛避讓的目的，以有效解決車輛間的行駛沖突，保證行駛安全。

5 創新特色

本系統通過互聯網實現車輛實時通信，進一步與未來無人駕駛技術相聯系；創新應用“沖突-協商”機制模型，提高車輛通信效率，可有效實現車輛智能停駛；加入超聲波測距系統，有效測量車輛的行駛距離，進一步提高系統準確率。本系統針對道路行車安全的問題，有效降低道路車輛的事故率并保障行車安全。

6 應用前景

因現階段城市道路交通阻塞嚴重，車輛事故發生率日益增加，道路安全問題形勢嚴峻，“沖突-協商”機制的應用刻不容緩。

本系統針對現階段城市因人為注意力不集中或反應遲緩造成的行車沖突、緊急時刻車輛行駛延誤大和道路通行能力低下的問題[9]，進行了有效的改進，保證了行車安全，提高了道路的通行能力。本系統可應用于未來車聯社交網絡環境下多源交通信息交互平臺，進一步優化未來車聯社交網絡的信息傳輸，使人們出行成為一種服務和享受，增加人們的使用幸福率，更大限度實現全社會的智能化。