基于車聯網的交通預警系統設計

楊 峰，杜翠鳳，王新宇

（1.中電科普天科技股份有限公司，廣東 廣州 510310；2.廣州杰賽通信規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

隨著智慧城市的不斷建設，現在國內各城市的交通路口均設置了闖紅燈自動記錄系統，用于對車輛闖紅燈以及其他違規行為進行自動檢測和自動記錄取證。該系統既可以對有違法傾向的駕駛員起到威懾作用，又可以解放大量的警力，減輕交警的勞動強度，提高交警部門的管理水平，促進了交通秩序的良性循環，減少因交通事故造成的人員傷亡和財產損失，間接地創造了巨大的經濟價值[1]。

然而，該類系統也存在一些不足之處：一是目前的研究方法主要采用基于視覺檢測的方法[2-5]，受一些客觀環境影響，容易導致駕駛員誤闖紅燈，如一些大型貨車、樹枝等障礙物遮擋視線，或者紅綠燈安裝位置比較隱蔽，導致駕駛員來不及反應而誤闖紅燈；二是某些駕駛員故意遮擋車牌闖紅燈，現有監測系統無法及時識別并反饋給管理部門。為此，本文提出了一種基于車聯網的交通預警系統。該系統由車載終端設備、路側單元設備和一種基于車聯網的交通預警機制構成。

1 研究現狀

V2X 技術是車聯網技術的重要組成部分。V2X 技術的各項應用的實現都基于車-車、車-路的信息交互，對于每個信息交互節點均部署由通信設備、上層計算機、衛星定位模塊硬件設備組成的V2X 系統，其信息交互功能的可靠、有效、穩定運行對V2X系統的成功部署至關重要[6-10]。由于車-車、車-路信息交互環境復雜多變，網絡拓撲隨著車輛的運動快速變化，城市道路環境下的車輛和建筑物遮擋會給信息交互帶來極大的不確定性，這些都給V2X 通信的可靠性帶來了挑戰。同時，對于偏遠地區以及山區等無線信號覆蓋不完善的區域，車輛發出的求救信息或告警信息無法實現有效回傳，不利于車輛事故的搜救以及對于后續車輛的碰撞告警。同時，V2X 技術還存在以下缺點：

（1）受環境因素影響較大。由于車-車、車-路環境復雜多變，車輛的運動情況快速變化，城市道路中的車輛和建筑物遮擋會給車輛管理帶來很大的不確定性；同時，少量故意闖紅燈的人員會采取手段故意遮擋，干擾現有監控系統的正常運行。

（2）缺乏主動預警功能，車輛和交通管理系統缺乏信息交互。目前的紅綠燈管理系統跟車輛之間是沒有信息交互的，無法給予闖紅燈的車輛主動預警提示，對于誤闖紅燈和故意闖紅燈車輛無法進行有效區別和精細管理。

2 基于車聯網的交通預警系統架構

本文提供了一種基于信息交互的闖紅燈預警系統，車輛經過紅綠燈路口時，可以與路側單元進行信息交互，接收到路側單元發來的闖紅燈告警信息，車主根據告警信息提前進行車速控制，保證安全通過紅綠燈路口。如圖1 所示，本系統由車輛管理中心、紅綠燈控制器、路側單元和車載單元構成，其中車輛管理中心與紅綠燈控制器之間是有線連接，紅綠燈控制器和路側單元之間是有線連接，路側單元和車載終端之間是無線連接。

圖1 車聯網的網絡架構

路側單元和車載終端之間可以使用專網或者公網頻段，通過控制路側單元和車載終端的無線信號發射功率，進而控制路側單元和車載終端之間的無線通信距離。結合市區紅綠燈的部署情況，通?？刂苾烧咧g的無線通信距離在200 m以內，以避免車輛過早與路側單元建立通信連接，過早向行駛車輛發布預警信息，影響預警的準確性。

（1）車輛管理中心：用于登記路側單元相關信息，包括路側單元設備編號、所在地理位置（站點）識別碼信息等；登記車輛及車載終端相關信息，包括車輛型號、車牌號碼、車主信息、車載終端的編碼信息等。

（2）路側單元（RSU）：采用定向天線技術，為用戶的車載設備提供無線網絡接入服務。路側單元的系統架構如圖2 所示，主要包括：設備設置模塊、紅綠燈接口模塊、信息處理模塊、信息收發模塊、信息存儲模塊。

圖2 路側單元設備系統模塊

設備設置模塊：用于設置本路側單元的相關信息，設備投入使用前向后臺進行注冊認證，確保設備合法接入網絡；同時設置本設備空中接口的通信頻率、發射功率和通信協議，為車載單元提供無線接入服務。

紅綠燈接口模塊：用于連接紅綠燈控制系統，查詢當前紅綠燈狀態信息。

信息處理模塊：是路側單元的計算處理中心，用于各類信息的處理。各類信息具體包括異常告警信息、接收到的車輛接入信息以及與車輛管理中心的交互信息。

信息收發模塊：采用定向天線技術，只能向來車方向發送無線信號。通過移動通信公網/專網接收來自車輛管理中心的指令信息，通過無線網絡接收來自車載單元的接入請求信息；通過移動通信公網/專網向車輛管理中心發送本設備信息，以及轉發異常駕駛信息；采用定向天線技術向來車方向無線廣播發送本設備信標信息。

信息存儲模塊：存儲接入該路側單元的車輛車載單元信息，以及路側單元與車輛車載單元的通信狀態信息，具體包括通信鏈路建立信息、預警信息、預警解除信息等。

（3）車載單元：車載終端的系統架構如圖3 所示，主要包括設備設置模塊、異常觸發模塊、信息處理模塊、信息收發模塊、車輛OBD 接口模塊、信息存儲模塊、信息顯示模塊。

圖3 車載終端設備系統模塊

設備設置模塊：用于綁定車主及車輛信息，并向后臺進行注冊認證，確保合法用戶接入網絡，同時設置本車載單元的無線通信頻率和通信協議，保障車載終端可以通過無線方式接入路側設備。

信息處理模塊：它是車載終端的計算處理中心，主要用于各類信息的處理。各類信息具體包括路側單元發來的闖紅燈預警信息、本設備異常觸發模塊發來的闖紅燈告警信息。

信息收發模塊：采用定向天線技術，可以接收車輛正前方路側單元發來的無線信號，屏蔽側面和后面的無線信號。通過移動通信公網/專網接收來自路側單元發送的信標信息、闖紅燈預警信息；通過無線網絡向路側單元發送接入請求信息、闖紅燈告警信息。

車輛OBD 接口模塊：用于連接車輛控制系統，實時讀取車輛行駛信息。

信息存儲模塊：存儲接入的路側單元信息，以及路側單元與車輛車載單元的通信狀態信息，具體包括通信鏈路建立信息、預警信息、預警解除信息以及車載單元的異常模塊發布的闖紅燈告警信息等。

異常觸發模塊：如果車輛收到的告警信息未解除，且監測到車輛正常行駛時，車載終端會通過異常觸發模塊觸發闖紅燈告警信息，并將該告警信息發送給路側單元，該告警信息包含本車載終端識別碼、車輛的信息、告警發生時間等。

信息顯示模塊：車載終端接收到預警信息后，則通過信息顯示模塊顯示預警提醒，提示駕駛員提前做好預防措施。車輛安全通過紅綠燈路口，并解除預警后顯示模塊再關閉預警提醒。

3 具體實施方式

系統中的路側單元會周期性地（每間隔2 s）定向發布信標信息。車輛的車載終端發現路側單元的信標信息，發送接入請求信息，該接入請求信息包含本車輛的車載單元識別碼、接入請求時間；路側單元收到接入請求信息，識別車輛信息，查詢當前紅綠燈情況，執行如下流程：第一種情況，綠燈，不發送預警信息；第二種情況，黃燈，發送預警信息；第三種情況，紅燈，發送預警信息。當路側單元監測到紅綠燈狀態變為綠燈后，則向之前發送闖紅燈預警信息的車輛發布預警解除信息。

系統的車載單元設定信標信息重復接收規則。若車輛通過車載單元與路側單元建立了通信連接，再次收到信標信息則直接忽略。收到路側單元發布的闖紅燈預警信息，識別車輛信息和設備信息與本車輛是否一致，不一致則忽略該預警信息，否則就接收該預警信息繼續執行后續流程。車載單元通過顯示模塊發布預警提示信息，提醒車主注意。同時通過車輛OBD 模塊監測車輛行駛速度，每隔3 s 比對一次車速，如果車輛未減速且車速大于5 km/h，則發布闖紅燈告警信息給路側單元。待車載單元收到預警解除信息后，通過顯示模塊關閉闖紅燈預警信息。

下面結合圖4 進行具體業務流程說明。如圖4 所示，RSU1、RSU2、RSU3、RSU4 均采用定向天線技術，分別向南方、西方、北方、東方定向廣播信標信息。信標信息包含設備所在站點識別碼，由于這四個設備部署于同一站點，所以發布的信標信息包含的站點識別碼是一樣的。

圖4 交通預警系統部署示意圖

如圖4 所示，當車輛B 接近紅綠燈路口時，信息交互流程如下：

（1）RSU4 周期性廣播信標信息，該信標信息包含站點識別碼、當前時間信息；

（2）車輛B 收到了RSU4 發送的信標信息，車載終端解析該信標信息，確認站點識別碼；

（3）車輛B 根據站點識別碼，以及當前網絡連接狀態，判斷本車載單元是否已經與該站點的路側單元建立了通信連接，如果已經建立了連接，則丟棄該信息；否則，接收該信標信息，同時回復接入請求信息；

（4）RSU4 收到車輛B 回復的接入請求信息后，讀取當前紅綠燈的狀態：如果是紅燈或者黃燈，發送闖紅燈預警信息給車輛B；如果是綠燈，則不發送預警信息。其中，該預警信息包含該站點識別碼和當前時間標識以及預警信息的目標車輛；

（5）車輛B 收到該預警信息后，首先判斷預警信息的目標車輛是否是本車，如果不是則忽略該預警信息；否則接收該預警信息，通過車載終端的顯示模塊，提醒駕駛人員注意，預防闖紅燈。

（6）當車輛B 經過紅綠燈路口，行駛到車輛A 所在位置時，車輛B 離開了RSU4 的無線覆蓋范圍，則車輛B 斷開了與RSU4 的通信連接，車輛B 的車載終端提示通信中斷，并同時解除本車的預警信息。

車主故意闖紅燈時的處理流程如下：

（1）當車輛進入紅綠燈路口，車載單元和路側單元進行信息交互，此時為紅燈狀態，所以路側單元向車載單元發送闖紅燈預警信息；

（2）車主無視該告警信息，繼續通過紅綠燈路口；

（3）車載單元通過車輛車載自動診斷系統（On Board Diagnostics，OBD）接口監測到車輛持續移動，且預警信息未解除，即向路側單元發布闖紅燈告警信息；

（4）路側單元收到該闖紅燈告警信息后，提取其中的車載單元識別碼及車輛信息，轉發給車輛管理中心；

（5）車輛管理中心記錄車輛信息，并向車主發送闖紅燈處罰通知。

車輛轉彎后，信息交互流程如下：

（1）如圖4 所示，車輛B 右轉，進入到車輛E 的位置時，由于路側單元采用定向天線技術，此時車輛B 已經離開了RSU4 的無線信號覆蓋范圍，則中斷與RSU4 的網絡連接；如果之前收到了RSU4 發來的預警信息，則解除該預警信息。

（2）此時，由于車輛B 的車載單元也采用了定向天線技術，雖然車輛B 進入到了RSU3 的無線信號覆蓋范圍，但車輛B 無法再接收到RSU3 發布的信標信息，不影響車輛B 的正常行駛。

4 結 語

本文通過車聯網無線通信交互實現車輛的闖紅燈預警，避免了天氣環境以及其他障礙物干擾造成的闖紅燈現象，提高了行車安全性。同時，當車主故意闖紅燈時，車輛也可以主動觸發闖紅燈告警，使得交管部門可以直接鎖定違法車輛，實現了對闖紅燈行為的主動精準管理。

通過在車載終端進行功率控制，限定路側單元和車載單元之間的傳輸距離，車輛行駛進入路側單元的覆蓋范圍后，接入網絡；當車輛離開路側單元的覆蓋范圍后，即斷開車載單元和路側單元之間的網絡連接。同時由于路側單元采用定向天線技術，對進入紅綠燈路口的車輛進行無線覆蓋和空間分割，可以有效降低無效信息干擾，提高了路側單元和車載終端之間的通信效率。