車載智能交通信號燈顯示與車速誘導系統設計

魏立夏 袁 銘

（青島理工大學琴島學院土木工程系，山東 青島266000）

1 研究背景

隨著我國城鎮化進程的快速推進，大、中城市機動車保有量的持續攀升，車輛在平面交叉口的通行延誤、擁堵、事故、環境污染等問題，不斷加劇。目前，城市道路平面交叉口管理以信號控制為主。一般，車輛在交叉口的左轉、直行均受信號燈控制，因信號的阻滯作用影響，駕駛員需通過觀察交叉口處懸掛的信號燈燈色或倒計時，來判斷車輛在交叉口通行時的減速、緩行、停車、再次啟動過程；尤其是在排隊長度較長、信號周期較大的交叉口通行時，這一過程甚至要重復出現數次，即車輛在交叉口需等多個綠燈才能通過。上述過程中，駕駛員需時刻注意觀察前方車輛狀態、信號燈控制信息，出行體驗較差。此外，因前方大車遮擋、綠化樹蔭遮擋、信號燈架設位置不當等原因，導致駕駛員觀察信號燈狀態受阻，容易引起車輛反復停車、啟動等怠速、高污染排放狀態行駛，同時也加劇了交叉口的通行延誤，容易誘發事故發生。

針對以上問題，國內外結合交通信號控制信息的顯示方式也提出了一些探索性的解決方案，致力于實現交叉口控制信息以更加便捷的方式被駕駛員獲取，以減少在交叉口的延誤，提高行車安全與通信效率。

1.1 國內車載信號控制研究

2014 年11 月，發明人胡樂樂提出一種車載信號燈接收裝置的發明專利。無線收發單元通過無線網絡接入因特網，接收信號燈信息發布接口消息并送交處理單元，同時按照后者指令發送信號燈狀態查詢消息；處理單元根據GPS 單元得到車輛行使前方路口位置坐標和路名信息，并據此封裝信號燈狀態查詢消息送交無線收發單元發送，同時解析信號燈信息發布接口消息，獲取前方路口信號燈狀態信息和位置信息，并送交輸出單元；輸出單元以圖像、聲音、電子接口或者上述任意幾種組合的方式將前方路口信號燈狀態信息輸出。

1.2 國外車載信號控制研究

2014 年初德國奧迪公司研發了一套全新交通信號燈輔助系統Traffic Light Information (TLI)，能夠讓主板通過LTE 4G 網絡與交通信號燈相連，交通燈信息將會傳遞到車上，車輛儀表盤信息由此能顯示交通狀態、紅燈剩余時間等。

2015 年德國寶馬與美國俄勒岡州手機軟件開發商Connected Signals 合作研發應用。應用可在線連接到參與城市的交通信號控制系統中，獲取不同路段信號燈的顏色更換周期；隨后在使用手機中的GPS 定位，從而判斷當車輛經過該路口的時候信號燈會處于什么狀態，以便車主提前調整車速，避免持續加速浪費燃油。

1.3 移動網絡通信技術

近年來，我國移動終端設備、通信技術發展迅猛。2018 年2月，中國互聯網絡信息中心(CNNIC)發布的《中國互聯網絡發展狀況統計報告》中顯示，截至2017 年12 月，我國網民規模達7.72 億，其中，手機網民占97.5%。據此，帶動的移動互聯網應用業務，也快速滲透各行各業，交通行業也出現了一系列優秀的“互聯網+交通”的應用案例，切實的改善了交通系統的服務水平，如滴滴出行、共享單車/汽車、網上訂票等。隨著移動通信4G、5G 信號的普及，移動終端設備將成為“萬物互聯”的基礎硬件網絡，這也為車載智能交通信號控制信息提供了良好的基礎。

綜上所述，國內在車載信號方面的研究主要集中在硬件設備設計，明顯落后于基于移動互聯網技術的智能交通應用；國外在車載信號方面的探索主要是由汽車企業發起的，處于試驗研究階段。因此，本作品的研究具有實用性、創新性，符合我國的智能交通發展趨勢。

2 系統關鍵技術分析

2.1 車載信號燈顯示技術

圖1 車載信號燈顯示位置和信息的判斷流程示意圖

圖2 車速誘導與擁堵轉向誘導技術流程示意圖

車載信號燈顯示技術主要包含兩項內容：（1）基于移動終端應用與城市交通管控中心通信與數據交換，實現信號控制信息的實時獲取。獲取的信息包含：交叉口的名稱、信號控制相位、相序，信號各相位的放行時間狀態等。（2）基于GPS/北斗定位技術，GIS 電子地圖應用（如百度、高德地圖），獲取車輛的出行路徑規劃信息、車輛的位置信息、車輛的行駛速度、車輛距離交叉口中心的位置信息；基于不同車輛的“速度-安全操控距離”信息，設置信號燈控制信息顯示的觸發條件；基于圖像、語音模式，實現車載的、實時的交叉口信號控制信息主動服務。車載信號燈顯示位置和信息的判斷流程如圖1 所示。

在檢測區1，主要判斷車輛已駛入當前路口（A）的上游路段，從而定位到車輛即將到達的下一個路口，提前獲取該路口名稱、位置和進口道信號相位信息。依據不同車速下，終端設備定位、數據傳輸的效率與可靠性，可將該“檢測區1”定義在上游交叉口（B）出口道的50 米空間范圍內，保障90%的車輛檢出率。在檢測區2，主要判斷車輛距離交叉口的距離，判斷開始為駕駛員提供信號控制信息服務的位置，確保提供的信息可被駕駛員有效利用。信號控制信息提示的過早，對駕駛員來說屬于信息過載，否則，提示的過晚，不利于駕駛員及時采取相應的車輛操作，也不利于行車安全。

這里首先考慮一般情況，即非擁堵狀態下駕駛員在交叉口上下游功能區的反應、加減速、變道、制動等操作時間，推算不同行駛速度下信息提示距離：①15km/h≤V≤40km/h 時，車輛距離信號燈100 米時提示。②45km/h≤V≤65km/h 時，車輛距離信號燈150 米時提示。③速度≥70km/h 時，車輛距離信號燈200 米時提示。

2.2 車速誘導與擁堵轉向誘導技術

車速誘導技術、擁堵轉向誘導技術，其目的在于幫助駕駛員通過合理的速度控制、行駛轉向調整方法，減少車輛在交叉口的通行延誤、停車次數，提高交叉口的通行能力。

車速誘導技術：在擁堵狀態下，車輛進入檢測區2，進行信號控制信息顯示的距離位置定位。同時，依據車速、信號等放行狀態、路況信息，判斷車輛在交叉口的通行方式：均速通過、緩行通過、減速停車。

擁堵轉向誘導技術：該技術主要針對通過交叉口時，某一轉向相位擁堵的情況。例如，在一些大型平面交叉口常見左轉相位比較擁堵，而直行相位相對暢通，有條件時，可考慮變更到直行相位車道，繞行到達目的地；此過程，常常因駕駛員沒有對轉向擁堵情況的預判能力而放棄。因此，系統提出結合駕駛員的出行路徑規劃信息、信號控制信息、交叉口相位擁堵信息，判斷是否存在轉向擁堵情況，是否具有擁堵轉向繞行的條件。當某一轉向（如左轉）通過時間超過2 周期，即需要在交叉口等待至少2 個信號綠燈時間才能通過，則認為該轉向相位存在擁堵，觸發轉向擁堵誘導，并借助車載地圖導航，為駕駛員規劃繞行路線（圖2）。

2.3 交叉口延誤評價技術

交叉口延誤評價技術，基于系統應用過程中獲取個體車輛的出行軌跡GPS/北斗定位數據，包括車輛出行位置數據、速度數據、時間信息，計算車輛在通過交叉口時的延誤時間。交叉口延誤時間計算，為駕駛員提供了未來出行路徑規劃的依據，可以定量的了解出行路徑上的擁堵點，合理的避開擁堵點；車輛個體出行延誤的大數據，還可上傳到交通管控中心系統，為交管部門的信號控制優化、車流誘導、管理方案制定提供有力的數據支撐。

3 VTSS 系統設計

3.1 系統功能架構：VTSS 系統基于智能手機，開發手機端APP 軟件，為用戶提供車載智能信號燈控制信息顯示，包含圖像、語音提示；為用戶提供在交叉口的車速誘導、轉向擁堵誘導信息，幫助用戶高效、安全的通過交叉口；為用戶提供其出行路徑上各交叉口的通行延誤時間，為用戶未來的出行路徑規劃提供依據。

3.2 系統界面設計：VTSS 系統信號控制信息顯示與車速誘導界面，如圖3、圖4 所示；交叉口延誤評價界面，如圖5 所示；系統登錄界面，如圖6 所示。

4 創新特色

本文結合當前的移動互聯技術、GPS/北斗定位技術、車載交通信號燈顯示技術、車速和擁堵轉向誘導技術，提出一種創新模式的車載智能交通信號燈顯示與車速誘導系統方案，并以移動手機終端應用軟件的形式實現系統設計,即VTSS 系統。

圖3 信號顯示與車速誘導

圖4 擁堵轉向誘導

圖5 交叉口延誤評價界面

圖6 系統登錄界面

VTSS 系統提供車載的信號顯示，包含圖像和語音提示，為駕駛員主動提供的信息服務；系統基于路況和信號控制信息的綜合分析，進行車輛在交叉口的速度誘導、轉向擁堵誘導。系統的設計基于當前廣泛應用的移動終端應用技術，系統的功能和操作界面能滿足駕駛員用戶無障礙的使用。

系統的設計為駕駛員提供了一種全新的交叉口信號控制信息獲取方式，一種基于個體車輛的車速誘導和擁堵轉向誘導方法；系統運行過程中采集的車輛出行軌跡大數據，可為駕駛員出行路徑規劃、交通管理部門的信號優化提供充分的數據支撐。

5 應用前景

本文中研究的系統可單獨推廣應用，也可和現有的地圖導航、交通管控等應用結合使用；系統適用于向各大、中城市推廣，但要求應用區域的路口交通信號已實現聯網控制；系統市場需求明確、市場應用范圍廣闊，系統產品化、市場化運營可行性強，預期產品用戶超過千萬，經濟效益巨大。