车载智能交通信号灯显示与车速诱导系统设计

魏立夏 袁 铭

（青岛理工大学琴岛学院土木工程系，山东 青岛266000）

1 研究背景

随着我国城镇化进程的快速推进，大、中城市机动车保有量的持续攀升，车辆在平面交叉口的通行延误、拥堵、事故、环境污染等问题，不断加剧。目前，城市道路平面交叉口管理以信号控制为主。一般，车辆在交叉口的左转、直行均受信号灯控制，因信号的阻滞作用影响，驾驶员需通过观察交叉口处悬挂的信号灯灯色或倒计时，来判断车辆在交叉口通行时的减速、缓行、停车、再次启动过程；尤其是在排队长度较长、信号周期较大的交叉口通行时，这一过程甚至要重复出现数次，即车辆在交叉口需等多个绿灯才能通过。上述过程中，驾驶员需时刻注意观察前方车辆状态、信号灯控制信息，出行体验较差。此外，因前方大车遮挡、绿化树荫遮挡、信号灯架设位置不当等原因，导致驾驶员观察信号灯状态受阻，容易引起车辆反复停车、启动等怠速、高污染排放状态行驶，同时也加剧了交叉口的通行延误，容易诱发事故发生。

针对以上问题，国内外结合交通信号控制信息的显示方式也提出了一些探索性的解决方案，致力于实现交叉口控制信息以更加便捷的方式被驾驶员获取，以减少在交叉口的延误，提高行车安全与通信效率。

1.1 国内车载信号控制研究

2014 年11 月，发明人胡乐乐提出一种车载信号灯接收装置的发明专利。无线收发单元通过无线网络接入因特网，接收信号灯信息发布接口消息并送交处理单元，同时按照后者指令发送信号灯状态查询消息；处理单元根据GPS 单元得到车辆行使前方路口位置坐标和路名信息，并据此封装信号灯状态查询消息送交无线收发单元发送，同时解析信号灯信息发布接口消息，获取前方路口信号灯状态信息和位置信息，并送交输出单元；输出单元以图像、声音、电子接口或者上述任意几种组合的方式将前方路口信号灯状态信息输出。

1.2 国外车载信号控制研究

2014 年初德国奥迪公司研发了一套全新交通信号灯辅助系统Traffic Light Information (TLI)，能够让主板通过LTE 4G 网络与交通信号灯相连，交通灯信息将会传递到车上，车辆仪表盘信息由此能显示交通状态、红灯剩余时间等。

2015 年德国宝马与美国俄勒冈州手机软件开发商Connected Signals 合作研发应用。应用可在线连接到参与城市的交通信号控制系统中，获取不同路段信号灯的颜色更换周期；随后在使用手机中的GPS 定位，从而判断当车辆经过该路口的时候信号灯会处于什么状态，以便车主提前调整车速，避免持续加速浪费燃油。

1.3 移动网络通信技术

近年来，我国移动终端设备、通信技术发展迅猛。2018 年2月，中国互联网络信息中心(CNNIC)发布的《中国互联网络发展状况统计报告》中显示，截至2017 年12 月，我国网民规模达7.72 亿，其中，手机网民占97.5%。据此，带动的移动互联网应用业务，也快速渗透各行各业，交通行业也出现了一系列优秀的“互联网+交通”的应用案例，切实的改善了交通系统的服务水平，如滴滴出行、共享单车/汽车、网上订票等。随着移动通信4G、5G 信号的普及，移动终端设备将成为“万物互联”的基础硬件网络，这也为车载智能交通信号控制信息提供了良好的基础。

综上所述，国内在车载信号方面的研究主要集中在硬件设备设计，明显落后于基于移动互联网技术的智能交通应用；国外在车载信号方面的探索主要是由汽车企业发起的，处于试验研究阶段。因此，本作品的研究具有实用性、创新性，符合我国的智能交通发展趋势。

2 系统关键技术分析

2.1 车载信号灯显示技术

图1 车载信号灯显示位置和信息的判断流程示意图

图2 车速诱导与拥堵转向诱导技术流程示意图

车载信号灯显示技术主要包含两项内容：（1）基于移动终端应用与城市交通管控中心通信与数据交换，实现信号控制信息的实时获取。获取的信息包含：交叉口的名称、信号控制相位、相序，信号各相位的放行时间状态等。（2）基于GPS/北斗定位技术，GIS 电子地图应用（如百度、高德地图），获取车辆的出行路径规划信息、车辆的位置信息、车辆的行驶速度、车辆距离交叉口中心的位置信息；基于不同车辆的“速度-安全操控距离”信息，设置信号灯控制信息显示的触发条件；基于图像、语音模式，实现车载的、实时的交叉口信号控制信息主动服务。车载信号灯显示位置和信息的判断流程如图1 所示。

在检测区1，主要判断车辆已驶入当前路口（A）的上游路段，从而定位到车辆即将到达的下一个路口，提前获取该路口名称、位置和进口道信号相位信息。依据不同车速下，终端设备定位、数据传输的效率与可靠性，可将该“检测区1”定义在上游交叉口（B）出口道的50 米空间范围内，保障90%的车辆检出率。在检测区2，主要判断车辆距离交叉口的距离，判断开始为驾驶员提供信号控制信息服务的位置，确保提供的信息可被驾驶员有效利用。信号控制信息提示的过早，对驾驶员来说属于信息过载，否则，提示的过晚，不利于驾驶员及时采取相应的车辆操作，也不利于行车安全。

这里首先考虑一般情况，即非拥堵状态下驾驶员在交叉口上下游功能区的反应、加减速、变道、制动等操作时间，推算不同行驶速度下信息提示距离：①15km/h≤V≤40km/h 时，车辆距离信号灯100 米时提示。②45km/h≤V≤65km/h 时，车辆距离信号灯150 米时提示。③速度≥70km/h 时，车辆距离信号灯200 米时提示。

2.2 车速诱导与拥堵转向诱导技术

车速诱导技术、拥堵转向诱导技术，其目的在于帮助驾驶员通过合理的速度控制、行驶转向调整方法，减少车辆在交叉口的通行延误、停车次数，提高交叉口的通行能力。

车速诱导技术：在拥堵状态下，车辆进入检测区2，进行信号控制信息显示的距离位置定位。同时，依据车速、信号等放行状态、路况信息，判断车辆在交叉口的通行方式：均速通过、缓行通过、减速停车。

拥堵转向诱导技术：该技术主要针对通过交叉口时，某一转向相位拥堵的情况。例如，在一些大型平面交叉口常见左转相位比较拥堵，而直行相位相对畅通，有条件时，可考虑变更到直行相位车道，绕行到达目的地；此过程，常常因驾驶员没有对转向拥堵情况的预判能力而放弃。因此，系统提出结合驾驶员的出行路径规划信息、信号控制信息、交叉口相位拥堵信息，判断是否存在转向拥堵情况，是否具有拥堵转向绕行的条件。当某一转向（如左转）通过时间超过2 周期，即需要在交叉口等待至少2 个信号绿灯时间才能通过，则认为该转向相位存在拥堵，触发转向拥堵诱导，并借助车载地图导航，为驾驶员规划绕行路线（图2）。

2.3 交叉口延误评价技术

交叉口延误评价技术，基于系统应用过程中获取个体车辆的出行轨迹GPS/北斗定位数据，包括车辆出行位置数据、速度数据、时间信息，计算车辆在通过交叉口时的延误时间。交叉口延误时间计算，为驾驶员提供了未来出行路径规划的依据，可以定量的了解出行路径上的拥堵点，合理的避开拥堵点；车辆个体出行延误的大数据，还可上传到交通管控中心系统，为交管部门的信号控制优化、车流诱导、管理方案制定提供有力的数据支撑。

3 VTSS 系统设计

3.1 系统功能架构：VTSS 系统基于智能手机，开发手机端APP 软件，为用户提供车载智能信号灯控制信息显示，包含图像、语音提示；为用户提供在交叉口的车速诱导、转向拥堵诱导信息，帮助用户高效、安全的通过交叉口；为用户提供其出行路径上各交叉口的通行延误时间，为用户未来的出行路径规划提供依据。

3.2 系统界面设计：VTSS 系统信号控制信息显示与车速诱导界面，如图3、图4 所示；交叉口延误评价界面，如图5 所示；系统登录界面，如图6 所示。

4 创新特色

本文结合当前的移动互联技术、GPS/北斗定位技术、车载交通信号灯显示技术、车速和拥堵转向诱导技术，提出一种创新模式的车载智能交通信号灯显示与车速诱导系统方案，并以移动手机终端应用软件的形式实现系统设计,即VTSS 系统。

图3 信号显示与车速诱导

图4 拥堵转向诱导

图5 交叉口延误评价界面

图6 系统登录界面

VTSS 系统提供车载的信号显示，包含图像和语音提示，为驾驶员主动提供的信息服务；系统基于路况和信号控制信息的综合分析，进行车辆在交叉口的速度诱导、转向拥堵诱导。系统的设计基于当前广泛应用的移动终端应用技术，系统的功能和操作界面能满足驾驶员用户无障碍的使用。

系统的设计为驾驶员提供了一种全新的交叉口信号控制信息获取方式，一种基于个体车辆的车速诱导和拥堵转向诱导方法；系统运行过程中采集的车辆出行轨迹大数据，可为驾驶员出行路径规划、交通管理部门的信号优化提供充分的数据支撑。

5 应用前景

本文中研究的系统可单独推广应用，也可和现有的地图导航、交通管控等应用结合使用；系统适用于向各大、中城市推广，但要求应用区域的路口交通信号已实现联网控制；系统市场需求明确、市场应用范围广阔，系统产品化、市场化运营可行性强，预期产品用户超过千万，经济效益巨大。