基于车联网技术的交叉口交通信号控制系统研究

陈利红

摘  要： 文章阐述了交通信号控制系统与车联網的内涵和外延，以及车联网与物联网的区别，分析了车联网的发展前景、关键技术架构以及车联网目前的应用场景。详细介绍了车联网技术在交通管理交通信号控制系统中的应用，该系统能减少交叉口的拥堵，提高道路通行能力，改善交通通行安全。

关键词： 智能交通系统; 车联网; 交通信号控制系统; 交通通行安全

中图分类号：U495          文献标志码：A     文章编号：1006-8228（2019）01-09-04

Abstract： In order to improve the traffic condition of intersections， to enhance the traffic efficiency and to reduce the potential danger of road traffic， this paper expounds the intension and extension of traffic signal systems and Internet of Vehicles， as well as the difference between Internet of Vehicles and Internet of Things， analyzes the development prospect of Internet of Vehicles、key technology and the application scenarios of Internet of Vehicles. The application of Internet of Vehicles technology in the traffic management of traffic signal control system is introduced in detail， the system can reduce the intersection congestion， improve the traffic capacity and improve the traffic safety.

Key words： ITS; Internet of Vehicles; traffic signal control system; traffic safety

0 引言

交通信号灯是交通信号的重要组成部分，由红灯（开启表示禁止通行）、黄灯（开启表示警示）、绿灯（开启表示允许通行）组成，适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地通行。然而，现行的交通通行管理系统中，交通信号灯仅仅起到引导交通车辆的通行的作用，无法避免机动车辆闯红灯的情况。通常，车辆在到达交叉路口时绿灯仅剩下几秒即结束，此时驾驶员由于客观或者主观感知的原因无法准确判断他能否顺利地通过交叉路口。如果驾驶员判断失误，不但会影响车道车辆的通行，还增加了交通事故的发生几率。

车联网（Internet of vehicles）是一种依据特定通信协议，实现车—X（X：车、路、行人及互联网等）之间的无线通信和信息交换的大型网络，也是一种能够实现智能交通与动态信息服务的一体化网络。车联网是物联网技术在交通系统领域的典型应用，也被视为下一代移动互联网络的重要组成部分[1]。车联网有望彻底解决目前存在的一些交通难题，如交通事故、交通拥塞等[2]。

本文对单个交叉路口交通信号灯控制系统进行研究，设计了一种新的交叉路口交通信号灯系统，实现智能交通。该系统利用无线信号对交通信号灯发送信号，能够实现准确控制，以规避闯红灯的现象，保证交通通行安全。

1 车联网

1.1 定义

车联网是指装载在车辆上的电子标签通过无线射频等识别技术。实现在信息网络平台上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行提取和有效利用。总结来说，车联网就是车内是个局域网，车跟车组成车际网，车网与互联网相连，三者基于统一的协议，实现人、车、路、云之间数据互通，并最终实现智能交通、智能汽车、智能驾驶等功能。

1.2 车联网与物联网之间的关系

国际电信联盟（ITU）给物联网的定义是：物联网主要解决物品到物品油（thing to thing，T2T），人到物品（human to thing，H2T），人到人（human to Human，H2H）之间的互连。

车联网是一类物联网，是物联网在城市交通网络中的具体应用。车联网通过车辆网络动态地收集、分发和处理数据，使用无线通信方式共享信息，实现汽车与汽车、汽车与建筑物，以及汽车与其他基础设施之间的信息交换，使汽车与城市网络相互连接。车联网可以帮助实现汽车与路上的行人和自行车、汽车与非机动车之间的“对话”[3]。

1.3 关键技术

1.3.1 车联网体系结构

从网络上看，车联网系统是一个“端管云”三层体系，如图1所示。

第一层（端系统）：端系统是汽车的智能传感器，负责采集与获取车辆的智能信息，感知行车状态与环境;是具有车内通信、车间通信、车网通信的泛在通信终端;同时还是让汽车具备车联网寻址和网络可信标识等能力的设备。

第二层（管系统）：解决车与车（V2V）、车与路（V2R）、车与网（V2I）、车与人（V2H）等互联互通，实现车辆自组网以及多种异构网络之间的通信与漫游，在功能和性能上保障实时性、可服务性与网络泛在性，同时它是公网与专网的统一体。

第三层（云系统）：车联网是一个云架构的车辆运行信息平台，它的生态链包含了ITS、物流、客货运、危特车辆、汽修汽配、汽车租赁、企事业车辆管理、汽车制造商、4S店、车管、保险、紧急救援、移动互联网等，是多源海量信息的汇聚，因此需要虚拟化、安全认证、实时交互、海量存储等云计算功能。

1.3.2 ITS

ITS即智能交通。是將先进的传感器技术、通信技术、数据处理技术、网络技术、自动控制技术、信息发布技术等有机地运用于整个交通运输管理体系而建立起的一种实时的、准确的、高效的交通运输综合管理和控制系统。

1.3.3 RFID技术

RFID，是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。基本的RFID系统由标签（Tag）、阅读器（Reader）、天线（Antenna）组成。其工作原理如图2所示。

1.3.4 CAN技术

CAN是控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）的简称，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准。是国际上应用最广泛的现场总线之一。近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

1.3.5 云计算

云计算是一种基于互联网的计算服务模型，云可以划分为云基础设施、云平台、云应用及云客户端四个层次。云计算中最关键的是虚拟化技术，即将硬件资源或操作系统虚拟化，为上层用户提供抽象的计算平台，隐藏底层的物理实现。

2 车联网的应用

车联网是一种全新的概念与应用，具有广阔的应用前景和商业价值，车联网所能提供的主要应用有：安全方面、交通管理方面、公共交通服务方面、商业增值服务方向等。

2.1 交叉口交通信号控制系统

交通信号控制系统（AITS100）是集现代计算机、通信和控制技术于一体的区域交通信号实时联网控制系统，可实现对路口交通信号的实时控制、进行区域协调控制、中心和本地的优化控制。具有路口状态的实时查询与监控，路口信号灯的故障定位，配时方案的实时上传与下载等功能。交通信号控制系统主要由数据库服务器，交通信号管理服务器，网络通讯设备，路口交通信号机组成，其系统架构见图3。

2.2 基于车联网的交叉口交通信号系统

2.2.1 系统逻辑架构

基于车联网技术的交叉口交通信号系统由交通信号灯系统、信号发射模块、信号接收模块和车载控制模块，其中，所述信号发射模块与交通信号灯系统相连接，信号接收模块和车载控制模块均安装在车辆上。信号发射模块与信号接收模块之间进行无线通信。系统逻辑架构如图4所示。

2.2.2 工作原理

信号发射模块读取自身所在的方向交通信号灯系统的状态（倒计时信号灯显示剩余绿灯时间[4]）并发送，信号接收模块接收信号发射模块发送的信号，然后将信号发送给车载控制模块（图5）。车载控制模块根据事先设定的阈值对车辆的运行状态进行控制，如果剩余时间高于阈值，则继续行进通过;否则进行报警提示（图6），驾驶员根据提示控制车辆，能有效避免驾驶员判断失误导致闯红灯。

3 结束语

借助车联网技术的RFID技术、CAN技术以及云计算技术等，交叉口交通信号系统更加智能化，交通管理更加精细化。与现有技术相比，本文提出的基于车联网技术的交通信号控制系统辅助驾驶员准确判断能否在绿灯结束前通过交叉路口（即选择通过区），且提醒车辆在行进方向上遵从信号灯的指引，可以有效地减少交叉口拥堵，提高道路通行能力，改善交通通行安全，为城市交通提供便利。

今后的研究中，将重点解决以下问题：实现对多个路口的协同控制。

参考文献（References）：

[1] Kakkasageri M S，Manvi S S.Information management in vehicular ad hoc networks： A review[J]. Journal of Network and Computer Applications，2014.39（1）：334-350

[2] 王建强，吴辰文，李晓军.车联网架构与关键技术研究[J].微计算机信息，2011.27（4）：156-158

[3] 刘小洋，伍民友.车联网：物联网在城市交通网络中的应用[J].计算机应用，2012.32（4）：900-904

[4] 刘涛.倒计时信号灯对驾驶员心理及行为影响机理研究[D].青岛理工大学，2014.

[5] 李金洋，陈仪香，王振辉.基于车速的自适应交通信号灯控制系统[J].计算机技术与发展，2016.26（9）：21-25

[6] 未来车联网的技术挑战与机遇[EB/OL].[2011-06-01].http：//www.internetofthings.net.cn/.

[7] LIU H，GUO X.A passive UHF RFID system with 9Huffman sequence spreading backscatter signals[C]//IOT'08： Proceedings of the 1st International Conference on The Internet of Things. Berlin：Springer-Verlag，2008：184-195