面向V2X的智能網(wǎng)聯(lián)交通場景概念設(shè)計(jì)

劉婧 張帥飛 謝靜 曾紅亮 張璐 張?jiān)姴?/p>

摘 要 為了研究V2X技術(shù)在未來交通中的應(yīng)用場景，進(jìn)行了智能網(wǎng)聯(lián)交通場景概念設(shè)計(jì)。在本文的設(shè)計(jì)中，依次從提高交通安全、綠色經(jīng)濟(jì)、人性化和全息智能網(wǎng)聯(lián)高速公路四個(gè)方面對多個(gè)場景進(jìn)行場景描述和分析，并對應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行了概括，最后使用PreScan對場景進(jìn)行建模，并通過動畫直觀體現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)交通場景。本設(shè)計(jì)可以為V2X技術(shù)在具體交通場景的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞 智能網(wǎng)聯(lián)交通 概念設(shè)計(jì) 交通場景 自動駕駛 V2X

中圖分類號：TN915.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）02-0009-03

智能網(wǎng)絡(luò)交通（Intelligent Connected Traffic，ICT）是實(shí)現(xiàn)車輛智能化、道路協(xié)同、自動駕駛，是使交通更加安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的新一代道路交通系統(tǒng)。移動互聯(lián)網(wǎng)、智能感知等技術(shù)使得以自動駕駛為主的ICT成為未來交通發(fā)展的必然趨勢。

V2X技術(shù)是實(shí)現(xiàn)ICT的關(guān)鍵技術(shù)之一，該技術(shù)由車輛與車輛（V2V）、車輛與行人（V2P）、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、車輛與網(wǎng)絡(luò)中心（V2N）組成[1]，主要通過車端、云端、路側(cè)端的信號通信，實(shí)現(xiàn)對所有參與道路交通和影響交通的實(shí)體信息交互。

本文面向V2X技術(shù)從提高交通安全、綠色經(jīng)濟(jì)、人性化服務(wù)和智能網(wǎng)聯(lián)全息高速公路四個(gè)方面出發(fā)，對交通場景進(jìn)行設(shè)計(jì)并對應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行分析，然后利用PreScan軟件仿真建模，通過動畫演示直觀地表現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)交通應(yīng)用場景，為V2X技術(shù)在具體交通場景的應(yīng)用提供了參考方案，有助于暢想未來交通的新樣貌。

1 ICT場景設(shè)計(jì)必要性分析

ICT與傳統(tǒng)交通相比，最大的優(yōu)勢在于其依托于V2X技術(shù)，兼具高度的自動化和智能化特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)單車智能和車路協(xié)同。對傳統(tǒng)交通進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)：

（1）行車安全隱患有大型車輛盲區(qū)、車輛進(jìn)入交叉口時(shí)盲區(qū)、追尾碰撞、車輛變道超車、不良環(huán)境下行駛等;

（2）車輛行駛車速、排隊(duì)時(shí)的停車次數(shù)、行車路徑選擇不當(dāng)?shù)刃袨槭窃斐少Y源浪費(fèi)的主要因素;

（3）現(xiàn)有的學(xué)校、商場等人流量大的場所，缺乏就近過街的途徑，公交車缺乏考慮乘客需求，如在現(xiàn)實(shí)中逢站必停等現(xiàn)象與以人為本不適應(yīng);

（4）傳統(tǒng)高速公路的路網(wǎng)信息缺乏且準(zhǔn)確性較低、隧道進(jìn)出口盲點(diǎn)和匝道進(jìn)出口視野盲區(qū)問題暫未得到有效解決以及車輛編隊(duì)行駛效率低下。

目前，ICT已成為國際研究熱點(diǎn)。歐美日等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將智能網(wǎng)聯(lián)交通提升為國家戰(zhàn)略，我國也正在積極布局以充分參與未來國際競爭[2]。我國ICT強(qiáng)調(diào)車路一體化發(fā)展，不僅需要“智慧的車”，也要“智慧的路”[3]。

新一代信息和通信技術(shù)由于其自身智能和互聯(lián)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)環(huán)境下的互聯(lián)互通，最終在整個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮主導(dǎo)作用，實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市交通網(wǎng)絡(luò)的完美規(guī)劃[4]。

2 ICT場景設(shè)計(jì)理念

ICT場景概念設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮傳統(tǒng)交通的缺點(diǎn)以及未來交通發(fā)展對ICT場景的需求，場景的設(shè)計(jì)應(yīng)符合已有的行業(yè)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前，各行各界對于ICT場景概念設(shè)計(jì)的研究在不斷完善中，且設(shè)計(jì)場景趨于多樣性和創(chuàng)新性。

本文通過對目前已經(jīng)發(fā)表的ICT場景設(shè)計(jì)的研究成果進(jìn)行整合優(yōu)化;另一方面參考T/KJDL 001-2019《營運(yùn)車輛智能網(wǎng)聯(lián)終端通用技術(shù)規(guī)范》[5]、《智能網(wǎng)聯(lián)汽車道路測試管理規(guī)范（試行）》等一系列針對ICT的道路設(shè)施和技術(shù)等方面的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

為了達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、高效及以人為本的目的，同時(shí)為了解決傳統(tǒng)交通存在的不足，本文挑選了ICT環(huán)境下具有代表性的場景進(jìn)行了前瞻性概念設(shè)計(jì)。基于提高交通安全，從360度車輛安全感知和道路環(huán)境實(shí)時(shí)感知兩個(gè)角度進(jìn)行了預(yù)警場景設(shè)計(jì)和不同環(huán)境自適應(yīng)場景設(shè)計(jì);基于綠色經(jīng)濟(jì)，從減少停車次數(shù)、減短車輛路徑和車速選擇進(jìn)行場景設(shè)計(jì);基于人性化服務(wù)場景，考慮到城市行人交通需求角度，進(jìn)行了動態(tài)人行橫道、響應(yīng)式公交和無人出租車場景設(shè)計(jì);基于高速公路基建角度，從解決傳統(tǒng)高速公路盲區(qū)視野和路網(wǎng)信息缺乏問題、新型專用車道編隊(duì)行駛進(jìn)行了場景設(shè)計(jì)。具體場景分類見圖1。

3 ICT場景概念設(shè)計(jì)

3.1 交通安全場景設(shè)計(jì)

3.1.1 360度車輛安全感知

360度車輛安全技術(shù)是指智能網(wǎng)聯(lián)車輛通過多個(gè)傳感器和攝像頭，在全車范圍內(nèi)采集全車360度“瞬時(shí)信息”，實(shí)時(shí)識別車輛周圍環(huán)境的狀況，為車輛提供完整準(zhǔn)確的車輛環(huán)境信息，確保車輛處于相對安全的行駛狀態(tài)。對此設(shè)計(jì)以下場景：

1.行人鬼探頭預(yù)警及避讓。通過人車、車路交互，車輛實(shí)時(shí)感知周圍的車流、人流狀況。盲區(qū)中有行人橫穿進(jìn)入車輛危險(xiǎn)感知范圍，車輛發(fā)出“鬼探頭”預(yù)警信息，立即減速或停車。

2.交叉口預(yù)警及減速通行。車輛通過高精度地圖提前獲得路段信息，在駛近交叉口一定距離時(shí)實(shí)時(shí)感知路口車流，當(dāng)交叉口路段左右向路段有車輛竄出，車輛感知范圍內(nèi)潛在“交叉口預(yù)警”，發(fā)出預(yù)警信息并立即減速讓行。

3.換道預(yù)警。當(dāng)車輛換道時(shí)，自動檢測是否具備換道條件。若不滿足換道條件，停止換道操作，等待下一換道時(shí)機(jī);若滿足換道條件，發(fā)出換道預(yù)警信息，提醒后方車輛保持安全間距，并控制自身車速，完成換道操作。

4.緊急減速預(yù)警。車輛在道路上行駛時(shí)緊急制動，會立即發(fā)出緊急減速預(yù)警信息并將信息擊鼓傳花式傳遞給后方車輛。后方車輛接收預(yù)警后，立即減速，增大車輛間距。

3.1.2 道路環(huán)境實(shí)時(shí)感知

通過將環(huán)境傳感器、光傳感器和其他傳感器結(jié)合起來，車輛可以感知道路上的環(huán)境數(shù)據(jù)，如暗冰和光照強(qiáng)度，減少不良天氣造成的道路環(huán)境問題或交通事故，保證車輛安全通行。對此設(shè)計(jì)以下場景：

1.夜間行車。車輛可以根據(jù)時(shí)間、行駛環(huán)境光強(qiáng)度等信息判斷是否夜間行車，并執(zhí)行自動打開車燈、遠(yuǎn)近光自動切換等操作，同時(shí)控制行車速度，保證車輛安全間距。

2.不良天氣行車。車輛環(huán)境傳感器感應(yīng)到大霧天、雨天、冰雪天氣時(shí)，會執(zhí)行打開霧燈、開啟雨刷、降低車速、增大車間距等適應(yīng)環(huán)境的駕駛操作。

3.暗冰道路反饋。車輛在潛在暗冰道路上行車時(shí)，若檢測到道路暗冰，會立即將暗冰警告?zhèn)鬟f給后方車輛，同時(shí)降低車速，增大安全車距，后方車輛接收到前車發(fā)出的暗冰警告后，及時(shí)降低車速，擴(kuò)大安全間距。同時(shí)車輛將暗冰警告上傳給云中心，云中心采取措施處理道路暗冰。

3.2 綠色經(jīng)濟(jì)場景設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)聯(lián)汽車在行駛的過程中，采用對環(huán)境影響較小的行駛狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)自身車速提高對能源的利用率，減少汽車停車的次數(shù)資源浪費(fèi)及有害氣體排放，選取最佳路徑提高路網(wǎng)通信能力。對此設(shè)計(jì)以下場景：

1.自身節(jié)能速度。車輛獲取路網(wǎng)信息進(jìn)行分析并采取適應(yīng)于路段的最佳車速。

2.單車綠波行駛。車輛接收到信號控制機(jī)給出的動態(tài)綠燈時(shí)間差，結(jié)合道路區(qū)間的實(shí)時(shí)通行速度和自身定位，對綠波帶區(qū)域進(jìn)行云計(jì)算得出適應(yīng)車速，并調(diào)整自身車速，加速趕上當(dāng)前綠波帶或減速進(jìn)入下一個(gè)綠波帶，減少停車。

3.區(qū)域交通最優(yōu)。車輛在適應(yīng)信號控制機(jī)時(shí)間調(diào)配的同時(shí)，信號控制機(jī)也會根據(jù)每輛汽車向云端反饋的移動數(shù)據(jù)智能地調(diào)節(jié)信號燈的配時(shí)方案，并向相鄰的信號控制機(jī)實(shí)時(shí)傳輸交通數(shù)據(jù)，促使其對路網(wǎng)車流狀態(tài)提前預(yù)測并優(yōu)化其配時(shí)方案。同時(shí)，信號控制機(jī)也能向即將通過它的車輛提供交通信息。當(dāng)信號控制機(jī)檢測到區(qū)域交通量即將達(dá)到滿負(fù)荷時(shí)，就向駛近區(qū)域車輛提出繞行建議，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)多個(gè)信號控制機(jī)與多輛網(wǎng)聯(lián)汽車相互配合。

3.3 人性化服務(wù)概念設(shè)計(jì)

人性化服務(wù)交通是將交通場景中的輔助工具例如信號燈、斑馬線、指示牌等要素進(jìn)行拆分、重組、并按當(dāng)?shù)氐膶?shí)時(shí)交通需求做出細(xì)節(jié)改良，使輔助工具的使用環(huán)節(jié)更多融入到交通參與者需求的考慮中，力求交通參與者在不參加其設(shè)計(jì)過程的情況下，也能更多地享受到交通輔助工具提供的便利與安全。對此設(shè)計(jì)以下場景：

1.動態(tài)全息人行橫道。動態(tài)人行橫道根據(jù)行人過街需求呈現(xiàn)有無兩種狀態(tài)。在學(xué)校等特殊路段處，采用動態(tài)人行橫道設(shè)施，無行人過街時(shí)該設(shè)施不可見，當(dāng)路邊兩側(cè)等待過街人數(shù)或等待時(shí)間超過一定數(shù)值后，人行橫道才會顯示出來，且橫向兩側(cè)會發(fā)出信號，提示車輛減速停車;當(dāng)行人過街完畢，人行橫道消失，將道路通行權(quán)歸還給車輛。

2.響應(yīng)式公交線路。乘客可以使用手機(jī)或公交站牌處的智能顯示屏向云中心提交出發(fā)站點(diǎn)和目標(biāo)站點(diǎn)，云中心將乘客的位置、起訖點(diǎn)通過云計(jì)算技術(shù)幫助智能公交決策一條最優(yōu)的路線，同時(shí)智能公交運(yùn)行過程中只在有上下車需求的公交站點(diǎn)停車，避免無需求停車。

3.預(yù)約式無人出租車。乘客有乘車需求且起訖點(diǎn)距離公交站點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，可以預(yù)約乘坐無人出租車。乘客可以使用手機(jī)向云中心提出乘車需求并提交上下車地點(diǎn)進(jìn)行預(yù)約，成功預(yù)約后云中心根據(jù)上車地點(diǎn)匹配附近的閑置無人車或順風(fēng)無人車來接單，接送乘客到達(dá)目的地。

3.4 智能網(wǎng)聯(lián)全息高速公路

智能道路設(shè)施和車輛之間信息交換，提供交通流、天氣趨勢和精確的車輛地圖，實(shí)現(xiàn)道路和車輛交互，實(shí)現(xiàn)安全高效的駕駛[6]。對此設(shè)計(jì)以下場景：

1.全息高速路網(wǎng)[7]。全息高速路網(wǎng)配有氣象環(huán)境、路面環(huán)境等檢測系統(tǒng)和廣域全息、路側(cè)超視距等環(huán)境感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高速公路全天候、全覆蓋、全要素全息感知，車輛駛?cè)敫咚俟房跁r(shí)獲得交通環(huán)境信息。

2.專用車道車輛編隊(duì)行駛。車輛通過V2V通信技術(shù)相互作用，當(dāng)兩輛或兩輛以上的車輛在道路上行駛時(shí)，自動建立以車輛引導(dǎo)為核心的速度和方向控制系統(tǒng)，形成車輛隊(duì)列，以車隊(duì)的形式運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)低距離、高速度的駕駛。

3.隧道出入口盲點(diǎn)感知。在隧道出入口設(shè)置廣域全息感知設(shè)施，實(shí)時(shí)獲取隧道出入口處的車流狀態(tài)，感知隧道內(nèi)外信息，并通過V2I技術(shù)將接近車輛的盲區(qū)信息傳遞給車輛終端。

4 結(jié)語

本文著眼于未來ICT場景，從安全、經(jīng)濟(jì)、以人為本以及全息高速公路四個(gè)角度進(jìn)行了ICT下“云—邊—路”三方面的構(gòu)想，基于單車智能和車路協(xié)同設(shè)計(jì)了眾多交通場景，最后通過3DMAX、PreScan、MATLAB等軟件進(jìn)行了建模，直觀展示未來交通樣貌。本設(shè)計(jì)為ICT應(yīng)用場景提供了參考，但是V2X技術(shù)場景所基于的高速信息傳輸技術(shù)還有待發(fā)展。隨著V2X技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，可以更好地實(shí)現(xiàn)場景優(yōu)化。

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