技術(shù)報(bào)告人車協(xié)同感知系統(tǒng)

1、計(jì)劃類別 項(xiàng)目編號(hào) 項(xiàng)目技術(shù)報(bào)告課題名稱 項(xiàng)目主持人 承擔(dān)單位 題目：人車協(xié)同感知系統(tǒng)研究隨著機(jī)動(dòng)車輛的迅速發(fā)展和普及，為人們出行帶來了安全隱患，尤其國內(nèi)基礎(chǔ)交通設(shè)施還不夠完善，行人和機(jī)動(dòng)車混行情況嚴(yán)重，存在人身不安全問題。本文提出人車協(xié)同系統(tǒng)的概念并能夠?yàn)樯鲜鰡栴}提供一種解決方法，該系統(tǒng)能夠依靠距離傳感器獲取目標(biāo)信息，通過移動(dòng)設(shè)備中的GPS獲取車輛和行人的地理位置，并使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器形成大數(shù)據(jù)共享。服務(wù)器將處理后的數(shù)據(jù)共享給每一個(gè)用戶，最后能夠在移動(dòng)終端上顯示出人與車的位置和相對(duì)位置，并對(duì)目標(biāo)的移動(dòng)軌跡進(jìn)行預(yù)測，當(dāng)人車距離過近時(shí)，通過車上安裝超聲波傳感器，獲取人車精準(zhǔn)距離，通過設(shè)定安

2、全距離，進(jìn)而對(duì)用戶進(jìn)行語音報(bào)警提醒。本文給出了人車協(xié)同系統(tǒng)框架，對(duì)其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了研究與分析，并且對(duì)其中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入分析。關(guān)鍵詞：智能交通；GPS；超聲波傳感器；人車協(xié)同；智能預(yù)測1 引言（Introduction）交通問題日益嚴(yán)峻，普遍的人工管理辦法已經(jīng)不能夠跟上時(shí)代的步伐。20世紀(jì)80年代，美國提出了智能交通這一種新的概念“智能交通系統(tǒng)”1。智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS）應(yīng)用于交通監(jiān)控、道路安全2，包括分布式交通安全3。通過多種技術(shù)的聯(lián)合運(yùn)用，構(gòu)建起了一套完整的交通運(yùn)輸管理體系，能夠準(zhǔn)確、及時(shí)、高效地管理道路車輛，維

3、護(hù)交通秩序4。車路協(xié)同系統(tǒng)（Connected Vehicle System，CVS）是ITS的重要發(fā)展方向。該系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)車路的有效協(xié)同，不但采用了先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)與通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)車輛與道路、車輛與車輛之間的信息交互，還在車輛能夠自主控制和道路的協(xié)同管理方面進(jìn)行了道路信息的采集與融合，以此來使道路交通更加的安全快捷。本文在對(duì)車路協(xié)同系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)發(fā)展綜述基礎(chǔ)上提出了人車協(xié)同系統(tǒng)的概念及其技術(shù)框架。該系統(tǒng)除了針對(duì)行進(jìn)車輛與交通道路外，將非機(jī)動(dòng)車輛和行人也納入系統(tǒng)中，較大改善了車輛道路的行車安全。2 國內(nèi)外發(fā)展情況（The development situation athome and abr

4、oad）近些年來，車路協(xié)同技術(shù)一直伴隨著智能交通的發(fā)展而不斷進(jìn)步。隨著城市車輛增多，帶來了交通擁擠、交通安全和環(huán)境污染等問題，使得世界各國對(duì)此系統(tǒng)的研究就更加重視。2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)80年代以來，美、歐、日等發(fā)達(dá)國家就紛紛開始立項(xiàng)，投入大量的人力和物力從事智能路的研究。美國作為全球ITS技術(shù)最嫻熟的國家，1997年完成了自動(dòng)車隊(duì)演示，此次演示不但大大的提高了行人出行的安全性，還極大的減少了道路交通事故的發(fā)生。并在1998年提出了IVI計(jì)劃（Intelligent Vehicle Initiative）。此計(jì)劃提出三年之后，就對(duì)行車安全通訊項(xiàng)目展開了深入研究與實(shí)際操作，并在2005年提

5、出了車輛與道路設(shè)備集成方案（VII，Vehicle Infrastructure Integration）5。伴隨著車路協(xié)同的進(jìn)一步發(fā)展，美國交通部（US.DOT，United States Department of Transportation）賦予了VII一個(gè)新的名字“IntelliDriveSM”，并提出了三個(gè)理念“Safer”“Smarter”和“Greener”。這個(gè)方案的著重點(diǎn)在于提高行人出行的安全性，為了使得駕駛員能夠?qū)ξ粗ｋU(xiǎn)實(shí)時(shí)地做出反應(yīng)，它采用了通信技術(shù)與車載設(shè)備結(jié)合的情況下啟動(dòng)自動(dòng)相應(yīng)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)使得駕駛員能夠及時(shí)做出反應(yīng)并降低道路事故的發(fā)生幾率。該項(xiàng)目在管理方面能夠

6、使得行人、車輛等及時(shí)獲得所在道路的路況信息，從而大大的提高車輛的安全性與高效性，保證了道路交通的安全。此項(xiàng)目在2014年完成了車載設(shè)備與交通信號(hào)燈之間的通訊6，并且通過了車聯(lián)網(wǎng)的初步測試。2000年左右歐洲的車路協(xié)同系統(tǒng)開始發(fā)展。在第10屆智能交通世界大會(huì)上，歐洲ERTICO組織首先提出了“eSafety”系統(tǒng)7并將車輛與車輛之間的通信、行人與車輛之間的通信作為了重點(diǎn)研究的方面，該項(xiàng)重要舉措后被列入歐盟計(jì)劃。eSafety系統(tǒng)主要通過車輛與道路之間、車輛與車輛之間的協(xié)同技術(shù)來獲取道路的環(huán)境信息，進(jìn)而評(píng)估未知的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)，并優(yōu)化車輛的主動(dòng)安全系統(tǒng)功能。該計(jì)劃主要包括以PReVENT、CVIS、Car

7、Talk2000、COMeSafety為代表的70余項(xiàng)相關(guān)的研發(fā)項(xiàng)目。其中，PReVENT項(xiàng)目是“eSafety”的一個(gè)重要組成部分，它以先進(jìn)的車路通訊技術(shù)、定位技術(shù)及傳感器技術(shù)為研究目標(biāo)，將其融入到車輛輔助駕駛系統(tǒng)中，這樣司機(jī)便可借助車車通信來監(jiān)測周圍隱患，并依據(jù)駕駛員的駕駛行為特點(diǎn)來有效地避免事故的發(fā)生。CVIS計(jì)劃的研究目標(biāo)則是在車路、車車通信技術(shù)的支持下，創(chuàng)建出一個(gè)完全集成、開放的“互聯(lián)網(wǎng)汽車”系統(tǒng)，此項(xiàng)計(jì)劃于2006由歐盟提出。CarTalk2000的研究目標(biāo)是開發(fā)一種基于車間通信的駕駛員輔助駕駛系統(tǒng)，測試其在真實(shí)場景的輔助駕駛功能演示情況8。為了提高道路安全性，提出了COMeSaf

8、ety，它主要設(shè)計(jì)車間和車路通信架構(gòu)來模擬通信。歐洲的車路協(xié)同技術(shù)側(cè)重于車輛道路安全，包括交通通信技術(shù)的研究和交通體系框架的構(gòu)建，更加推動(dòng)了歐洲綜合交通運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展。日本在此方面也沒有落后，在1995年便開始研發(fā)道路車輛和信息通信系統(tǒng)（VICS，Vehicle Information and Communication System）。此系統(tǒng)為了能夠極大限度的提高道路交通的通行效率，不但應(yīng)用了GPS導(dǎo)航技術(shù)，還使其與無線通信技術(shù)相結(jié)合，實(shí)時(shí)的將當(dāng)前的道路交通情況反映給了駕駛者。日本國土交通部是主導(dǎo)車路協(xié)同技術(shù)研究發(fā)展的一個(gè)重要部門9，并為日本車路協(xié)同系統(tǒng)的研究和發(fā)展提供了資金上的支持。 2.

9、2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀在相等程度下，我國在人車路協(xié)同技術(shù)范疇的研究要晚于發(fā)達(dá)國家。國家ITS中心對(duì)人車路協(xié)同的研究在2000年才開始，并于同一年在北京舉行了“智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，簡稱ITS）”年會(huì)10?？萍疾扛辈块L馬頌德在2003年11月份攜我國的政府代表團(tuán)一同參加了第十屆ITS世界大會(huì)，同時(shí)科技部結(jié)合其他幾個(gè)部門成功申辦了“2007年第十四屆ITS世界大會(huì)”。此次大會(huì)象征著我國的ITS系統(tǒng)將在未來多變的環(huán)境中發(fā)展迅速。為了加強(qiáng)我國在ITS領(lǐng)域的對(duì)外的交流發(fā)展，我國于2007年10月913日在北京舉行了第十四屆智能交通世界大會(huì)11。此次大

10、會(huì)不但使得我國對(duì)外的交流取得迅速發(fā)展，還展示了我國來自不同地區(qū)的諸多部門在這一領(lǐng)域取得的諸多成果。2010年，對(duì)于我國交通日益嚴(yán)重的問題，我國的高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）為提高我國道路安全保障的66767需求設(shè)立一項(xiàng)重大課題智能車路系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究。該課題不但對(duì)智能車路協(xié)同的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究還對(duì)其體系框架進(jìn)行了建立與開發(fā)。除此之外，此課題于2014年由諸多單位一起進(jìn)行了結(jié)題并獲得了科技部的驗(yàn)收12。雖然此成果對(duì)我國的車路協(xié)同研究的影響比較大，然而與國外的ITS系統(tǒng)的研究相比，我國在一些關(guān)鍵技術(shù)研究方面只能說在初等水平上取得了一定的進(jìn)步，在其通信體系方面還沒有給予嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x。就我

11、國目前而言，還有許多不及國外的地方。如我們的專用短程通信技術(shù)所工作的短頻還沒有開放，另一重大問題就是我國現(xiàn)在沒有適合協(xié)議的設(shè)備13。2014年2月16日，清華大學(xué)與其他大學(xué)等一起成功完成了十二五“863”項(xiàng)目。為了向各層參加會(huì)議的領(lǐng)導(dǎo)、專家學(xué)者、各大企業(yè)，以及媒體網(wǎng)絡(luò)展示成果，該項(xiàng)目模擬了多個(gè)智能人車路協(xié)同系統(tǒng)的不同應(yīng)用場景。該項(xiàng)目的成果演示與驗(yàn)收在河北清華研究所試驗(yàn)地舉行，多輛具有人車路協(xié)同系統(tǒng)功能的車輛在道路上行駛，演示了這十多個(gè)應(yīng)用場景盲區(qū)預(yù)警、交叉口避免沖突、非機(jī)動(dòng)車行人避撞、多車優(yōu)先通行等14。而作為國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李必軍領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)，他們針對(duì)這一系統(tǒng)的子課題進(jìn)行了深入的探討與試驗(yàn)并取得

12、了極大的突破。其中作為此系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟路側(cè)單元解決了許多問題。如對(duì)數(shù)據(jù)的接收、處理、分析與發(fā)送都精確了許多。除此之外，安裝在路側(cè)機(jī)柜中的計(jì)算機(jī)采用了許多先進(jìn)技術(shù)使可以獲得這些車輛在道路上能夠正常行駛的必需信息15。對(duì)此有許多實(shí)例，如為了能夠使得車輛在所有的交叉路口能夠及時(shí)得知當(dāng)前行人在此的行動(dòng)狀況，這時(shí)路測設(shè)備就能夠通過視頻檢測攝像頭與使用圖像處理的方法獲得這些信息，以保證車輛可以在避開行人的前提下安全行駛；又如為了使得車輛能夠獲得的通行道路更加暢通安全，這時(shí)路側(cè)設(shè)備便可以根據(jù)安裝的無線車輛檢測器來獲得所有道路上運(yùn)行的車輛的行駛情況。從而可以對(duì)周邊道路情況作以詳盡的分析與準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)，以此使得車

13、輛的行駛更加暢通安全；再如為了及時(shí)對(duì)車輛進(jìn)行預(yù)警，天氣傳感器便派上了用場。它可以根據(jù)在特殊天氣中檢測到的道路路面上可能發(fā)生的結(jié)冰等情況來確定道路的能見度，以此來將這些信息及時(shí)的傳送給路側(cè)設(shè)備。這樣便能夠保障了預(yù)警的及時(shí)性與準(zhǔn)確性。研究成果方面我國也有很大成就，如王褀等為了使我國城市道路中的車輛可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的通信仿真與分析，便建成了車路協(xié)同一體化的仿真系統(tǒng)，此系統(tǒng)對(duì)于我國具有很大的意義；又如張存保等為了使得單點(diǎn)信號(hào)能夠控制參數(shù)便創(chuàng)建了其在車路協(xié)同環(huán)境下的優(yōu)化模型與求解算法；再如黃羅毅等為了能夠得到車輛數(shù)與吞吐量、時(shí)延之間的微妙關(guān)系便建立了城市在車路協(xié)同環(huán)境下的平面交叉路口的仿真環(huán)境，其在我國更加

14、具有研究與創(chuàng)新意義16。3 人車協(xié)同系統(tǒng)框架（Human vehicle cooperativesystem framework）作為ITS的一個(gè)重要的子系統(tǒng)、人車路協(xié)同感知系統(tǒng)的分支，主要研究人與車之間的協(xié)同感知。除了針對(duì)行進(jìn)車輛外，將非機(jī)動(dòng)車輛和行人也納入系統(tǒng)中，對(duì)改善非機(jī)動(dòng)車輛道路的安全問題有很大幫助。依據(jù)我國智能交通的發(fā)展階段，本系統(tǒng)的主要內(nèi)容如圖1所示，主要包括行人與車輛位置信息的采集、數(shù)據(jù)通信與共享、數(shù)據(jù)組織與處理和軌跡預(yù)測四部分。4 人車協(xié)同系統(tǒng)關(guān)鍵問題（Key issues of humanvehicle coordination system）人車協(xié)同感知系統(tǒng)作為智能車路的分

15、支，其中需要解決的關(guān)鍵問題如下。（1）目標(biāo)感知與測距目標(biāo)感知作為協(xié)同式自動(dòng)駕駛技術(shù)的基礎(chǔ)，在人車協(xié)同系統(tǒng)中發(fā)揮著不可或缺的作用。對(duì)于障礙而言，它可以作為一個(gè)系統(tǒng)存在，并且這個(gè)系統(tǒng)能夠主動(dòng)地進(jìn)行識(shí)別，提前預(yù)知危險(xiǎn)。各個(gè)不同的系統(tǒng)共同協(xié)同工作，對(duì)不同種類相同時(shí)刻發(fā)生的危險(xiǎn)進(jìn)行綜合處理實(shí)現(xiàn)是人車感知系統(tǒng)的核心途徑。對(duì)于障礙的檢測與測量，可以應(yīng)用超聲波距離傳感器技術(shù)。超聲波的長處是靈活反應(yīng)快，傳播距離較遠(yuǎn)，實(shí)用領(lǐng)域較廣，精度較高，受外界干擾能力較小。（2）數(shù)據(jù)組織與處理對(duì)系統(tǒng)需求分析，人車協(xié)同系統(tǒng)的功能主要是監(jiān)控行人、車輛的運(yùn)行情況，在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)做出協(xié)同處理，而服務(wù)器主要用于接收行人和車輛的定位信息。

16、對(duì)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是整個(gè)系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊都是通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和控制信息交換的。數(shù)據(jù)庫中的組件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、轉(zhuǎn)換操作，最后把處理后的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)挖掘提供的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。（3）軌跡預(yù)測算法軌跡預(yù)測不符根據(jù)所建立的軌跡預(yù)測系統(tǒng)模型，以及不同路況下人車行進(jìn)的模擬場景，通過智能預(yù)測算法來預(yù)測其運(yùn)動(dòng)軌跡，以此來達(dá)到對(duì)目標(biāo)行人與行駛車輛的方位的測量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)軌跡的預(yù)測。 5 結(jié)論（Conclusion）隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，作為智能交通系統(tǒng)子系統(tǒng)的人車協(xié)同感知系統(tǒng)建設(shè)日趨完善。它能夠智能判斷人車協(xié)同感知，人車之間、車車之間會(huì)建設(shè)出準(zhǔn)確及時(shí)的信息溝通，使車輛與道路資源得

17、以充分被使用，較大地降低發(fā)生交通事故的頻率。本文對(duì)人車協(xié)同系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)研和分析，對(duì)其中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入探討并提出了基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的人車協(xié)同系統(tǒng)原型。隨著研究人員對(duì)人車協(xié)同系統(tǒng)的進(jìn)一步研究和發(fā)展，該系統(tǒng)能夠在智能交通中得到應(yīng)用并在一定程度上解決安全隱患，為社會(huì)發(fā)展帶來積極的社會(huì)價(jià)值。參考文獻(xiàn)（References）1 Eftekhari H R，Ghatee M.An inference engine for smartphones to preprocess data and detect stationary and transportation modesJ.Tr

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