道路交叉口车路协调实验系统设计与实现

道路交叉口车路协调实验系统设计与实现

0基于车路协调的自主安全系统自20世纪末以来，信息技术和无线通信技术的快速开发和应用，以车辆和道路通信为基础的“车辆协调”系统（vii）的实施，解决了智能车辆和交通设施之间直接信息交换的问题，并将交通参与者、交通设施和路况有机结合。“车路协调”成为智能交通运输系统发展的趋势。从研究发展趋势来看,美国交通运输部在关于智能交通运输系统(ITS)的发展计划中,提出了基于车路协调的交叉口联合防撞系统(cooperativeintersectioncollisionavoidancesystem,CICAS)研究项目;日本新一代道路系统Smartway最重要的子系统ETC、VICS、AHS也利用了基于DSRC的车路协调技术;欧盟SAFESPOT、IPPReVENT等重要研究项目也以车路协调为支撑致力于提高交通安全水平,目前,上述项目仍处于研究过程中。而国内针对车路协调下道路交叉口车路协调系统的研究仍较为缺乏。建立实验平台对车路协调系统的设计与实现进行探索,对于发展我国智能交通运输系统具有重要的意义。实现基于车路协调的主动安全系统不仅要考虑系统与上层ITS框架的衔接,还要研究物理系统适用性、实现物理系统的设计与集成,方能使系统具有实用性。仅依靠分析与仿真难以准确地获得实际道路条件下系统的效果。据此,本文以单个道路交叉口为研究对象,在确定系统功能与框架的基础上,建立了车路协调实验系统,为研究提供实验平台,同时能为车辆运行特征及驾驶员特征分析提供数据。1系统功能和框架设计1.1道路交叉口主动安全设施服务方式与内容首先通过界定系统的用户主体、服务主体,确定谁来提供服务以及为谁服务的问题。进而确定服务方式与服务内容,即以何种方式提供何种服务的问题。道路交叉口主动安全系统用户主体是机动车驾驶员、非机动车驾驶员及行人,服务主体则包括系统设施的提供者与系统设施的管理者。系统服务方式包括车载或路侧安全信息提供以及交通控制信号的变化。1.2交通控制系统的外部终端逻辑框架描述系统应该做什么,是系统功能要求的模型化。首先根据服务内容,确定系统逻辑功能包括:①信息采集;②信息处理;③信息布。信息传输体现为各功能之间的关系,不作为单独的逻辑功能出现。系统外部终端则包括:①交通控制系统;②道路;③行人与自行车驾驶者;④自身车辆驾驶员;⑤其他车辆驾驶员。确定逻辑功能之后,可通过分析逻辑功能与外部终端之间的关系得到系统的逻辑框架。其中,圆圈表示逻辑功能,矩形表示外部终端,箭头表示数据流。外部终端包括信息采集与信息发布的对象,如图1。1.3车载定位与连接物理层次描述了物理系统中各子系统的功能和相互关系。文章中的子系统根据设置位置分为车载设备与路侧设备两类。其中,车载定位设备通常包括GPS定位设备或者车载传感器,人机界面可以为驾驶员提供语音或图像信息,车载处理单元与路侧处理单元分别称为OBU(onboardunit)、RSU(roadsideunit)。图2是系统物理框架示意图,粗连接线表示无线连接,细连接线表示有线连接。物理框架仅表示系统的连接方式,对于信息流的方向则应根据逻辑功能确定。1.4基于gps的信号可以提供警示服务在确定逻辑框架与物理框架的基础上,对于某一类服务即可确定信息流向,获得具体的信息流程。以车辆闯红灯警示服务为例,为了判断出车辆是否会闯红灯并向驾驶员提供警示信号,应通过短程无线通信将路侧传感器获得的信号控制周期(C0)、信号机当前时刻(t)等信息提供车载设备,通过与GPS获得的自身车辆位置速度等信息(v),并为驾驶员提供警示信息(Alert),如图3。其中,红线表示无线通信,蓝线表明有线通信。2测试系统的缺陷实验系统将从物理上实现道路交叉口车路协调系统的全部功能,但与后者相比,实验系统在可靠性、界面的友好性或其他方面上可能存在缺陷。通过测试确定物理系统的应用效果,同时采集交通运行数据为算法的改进提供依据。建立实验系统主要是要实现物理设备的连接与集成,根据前文分析,应分别建立各子系统,包括:交通信号控制子系统,车载GPS定位子系统,人机界面与车载处理子系统及路侧处理子系统,再通过有线与无线通信实现子系统之间的信息传输。2.1车辆运行记录系统车载定位子系统GPS定位系统,由GPS模块、天线、GPRS通信模块、车载电源接口等构成,实时记录车辆运行数据,包括时间、经纬度等,同时发送数据给服务器端,数据可通过客户端软件或车载读取。2.2信号控制系统的整体架构交通信号控制系统主要包括信号灯、信号控制机及连接线,可通过上位信号机实现控制,也可通过信号机调试软件或信号机控制面板改变信号控制方案,设定相位、相序、绿灯时长等参数,信号控制系统的整体架构如图4。在实验中采取直接在信号机控制面板设置的方式。2.3rsu与obu端路侧处理器与车载处理器均使用便携电脑,在Windows环境下用VC平台实现了RSU与OBU端软件,RSU界面可显示当前RSU本地IP地址,控制信号使用端口以及与其通信的OBU详细信息。车载处理单元同时运行OBU界面作为人机交互界面,显示当前各个路口的路口交通信号灯状态,也可显示相关技术参数信息。2.4无线设备选型路边单元处理器将处理后的相关信息(如交通控制信号信息)交付无线设备进行发送。通过无线设备将信息在其覆盖范围内进行广播,当车辆进入该RSU广播范围内,便可以接收信息从而实现车载设备与路侧设备之间的通信。由于DSRC处于制定阶段,协议正式版仍未公布,难以直接获得基于802.11p的产品,本实验中仍然使用基于802.11a/b/g的无线设备。RSU单元所使用的无线设备是基于802.11a/b/g的双模无线AP。由于考虑到无线设备的传输距离有限,在802.11b/g模式下的可靠传输距离一般在40m以内,并且由于该地区无线网络繁多,又有存在多个建筑物遮挡,因此用车载无线AP增强信号。路边单元中笔记本通过串口RS232协议读取信号机配时参数,然后通过802.11a协议传送至无线AP发送端;无线AP之间通过802.11b的方式进行通信;车载单元中无线AP接收端将接收到的信号灯配时信息通过802.11a发送至笔记本显示终端车载单元,显示信号灯状态、倒计时等。3实际运行条件在完成实验系统连接与集成基础上进行测试,在实际运行条件下测试子系统主要性能参数,同时考察实验系统能否按照系统流程传输信息,为进一步完善系统奠定基础。3.1目标点偏离子cep车辆定位精度对于安全信息的准确性至关重要,相关研究提出了基于车路协调的主动安全系统精度需求。但GPS误差非定值,而是概率分布,因此本文测试车辆定位系统的CEP(circularerrorprobability)定位精度。CEP定位精度表示定位点对目标点的偏离程度,是以目标为中心的圆概率偏差,包括了系统误差和随机误差。定位点落入以散点中心为圆心的概率为50%时,此圆的半径R0.5成为命中精度CEP。根据上述概念,CEP定位精度可表示为:12π⋅x⋅y∫∫x2+y2≤R2e(x-μx)22σ2x-(y-μy)22σ2ydxdy=0.5(1)12π⋅x⋅y∫∫x2+y2≤R2e(x−μx)22σ2x−(y−μy)22σ2ydxdy=0.5(1)根据相关研究提供的简化计算方法,设x与y独立且服从正态分布,μx=μy=0,σx=σy,则式(1)可化为:CEΡ=R0.5≈σ⋅√Ιn4(2)CEP=R0.5≈σ⋅In4−−−√(2)获取车辆不同时间在固定点的经纬度,经纬度散点表示在图5中。经过计算获得GPS的CEP定位精度为5.1025m,即GPS在50%的概率下误差小于5.1025m。3.2车路通信网络延时状态短程通信效果也会对系统应用效果造成较大的影响。在实现短程通信的情况下,通过使用ICMP协议,获得网络传输的延时,通过对这些延时数据的记录和分析,得到网络延时状态。如图6,车路通信网络的延时基本保持在25～80ms之间,其中也可能会出现220ms的较大延迟,这可能与网络拥塞或者数据包丢失有关。通过使用FTP协议测试,得到网络平均传输速率可达到340kb/s。与相关研究比较可认为基本满足需求,应通过进一步实验确定上述参数对安全信息的影响程度。3.3实验平台与测试设备在车辆以不同车速通过交叉口的过程中,实现信号灯状态(如当前相位灯色、当前相位倒计时等)的车载终端显示。该实验建立在各子系统联合工作的基础上,检验系统是否能够按照图3实现信息传输并考察其效果。选择GPS-B为车载定位系统,在交叉口周边共安装4个无线AP,每个无线AP包括4根天线(每根天线90°,总共360°),覆盖整个路网。车内装有1个无线AP用来加强信号。2台笔记本电脑分别用作路侧处理器与车载处理器,车载处理器显示屏同时作为人机交互界面显示交通控制信号。实验结果证明该系统可以完成信号灯状态的车载实时显示。当车辆低速行驶时,网络接入延迟问题并不明显,当行驶速度大于40km/h后,延迟问题较为明显;脱离网络时没有受到行驶速度的影响;在通信受到高楼等障碍物遮挡时,即使距离在802.11b有效传输距离内,通信无法得到保证。在进一步研究中,应针对上述问题改进相关技术。图7测试地点与设备。该实验系统不仅可以作为物理系统的实验平台,还可通过综合利用实验中获取的信号控制数据与车辆定位数据,对信号影响下车速变化特征进行分析。图8为利用实验系统获取的车速样本曲线,分别表示各种信号灯影响下的车速变化,曲线颜色与灯色对应。将在进一步研究中采集被试驾驶员车速曲线样本,为信息发布提供依据。4实验结果与分析1)该系统可提供的服务包括车载信息发布与交通信号改变两类,系统逻辑功能包括信息采集、信息处理、信息发布,物理系统则可分为车载设备与路侧设备两