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[摘 要]V2X是物联网的具体应用，同时在智能交通中发挥着巨大的作用。可利用V2X技术有效地提高交通安全与交通效率，全方位提高汽车安全系统的感知范围，从而减小交通事故发生的几率和生命财产的损失。同时，也可以搭建车辆、路侧基础设施及行人之间的信息交互渠道，为车辆和其他实体提供高效可靠的交通环境信息，从而有效地提升道路的通行效率，改善交通环境。
[关键词]V2X技术；智能交通；交通监控系统
中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）11-0395-02
0.引言
现如今，人们的生活质量越来越高，路上的车辆数量也不断增加，同时因道路上车辆的骤增也引发了一系列严重可怕的社会问题：如交通堵塞、道路车辆信息更新滞后、交通事故频发等。这些问题的出现给人类的生命财产安全带来巨大的威胁和损失。道路上交通越来越拥堵，即使司机试图避开每天的高峰时段和高峰路段，但当前的交通管理系统也不允许司机绕过所有突发的交通拥堵，这些问题体现了实时数据的重要性。本文介绍了现如今的交通现状，尤其是交通安全和交通效率方面，介绍了V2X技术以及相关通信技术，提出了利用V2X技术的集群式交通监控系统，以达到提高交通安全和交通效率的目的。
1.背景介绍
随着车辆数目的增加，交通流量的管理，尤其大城市的交通流量的管理越来越具有挑战性。为了应对这些挑战，美国联邦公路管理局（FHWA）确定了三种减少交通拥堵的一般方法：
（1）扩展当前的基本容量，例如增加高速公路的数量和规模。
（2）鼓励需要较少资源的替代旅行和土地使用概念，例如：非汽车旅行模式。
（3）更有效地利用现有能力的策略[1]。
以上三种方法都可以减少交通拥堵发生的几率，但效果不同，其中，更有效地利用现有能力的策略相比于其他两种方法会产生更有效的影响，因为它们集中解决问题的基本原因，而不仅仅是去缓解负面影响。
故基于以上解决问题得思路，智能交通系统（ITS）近年来的快速发展让人们看到了解决交通问题的希望，其中，V2X是智能交通系统的关键技术。交通事故的发生大多是由于疲劳驾驶或注意力不集中造成的，故如果驾驶员驾驶的车辆能够称为驾驶员的第二双“眼睛”，那么从理论上会降低因注意力分散或能见度低、疲劳驾驶等造成的交通事故发生的几率。通过V2X可以把汽车变成驾驶员的第二双眼睛，利用V2X与其他实体的实时信息交互，能够在驾驶员注意到路上突发状况之前发现或注意到驾驶员难以观察到的拐角处的情况，然后来提醒驾驶员[2]。
解决交通问题可以通过V2X通信与合作推进完成。利用无线互联的车辆，行人，道路和基础设施收集有关的周边环境和交通信息，并实时与附近的其他车辆利用V2X交换此信息，如图一。因此，可以实时感知到车辆周边和道路上的潜在危险情况。
2.V2X及通信技术概述
2.1V2X概述
V2X，指车对外界的信息交互，同时也是对D2D（Deviceto Device）技术深入研究探讨的过程，其包括车辆到车辆（V2V），车辆到基础设施（V2I），车辆到网络（V2N）以及车辆到行人（V2P）的通信，将利用射频识别等技术获得到的车辆的行驶情况、车外的行人情况等信息传送到云端中，进而对得到的信息进行分析、计算和处理，然后将处理后的信息反馈传送给车辆，对驾驶员进行提醒，从而选择合适的行驶车速或重新规划路线以避开拥堵或事故路段。
图一
V2X的各类应用改善了道路和行人的安全性、改善了交通效率等。V2X可应用于以下场景：前方碰撞警告、十字路口让行提示、车道变更警告/盲区警告、特殊车辆让行提示、车辆变道预警、道路工程警告、工作区减速预警、闯红灯预警、紧急刹车预警以及安全信息提示[3]等。如自动停车系统包含一个市区内停车位的数据库，可提供停车位的实时信息，驾驶员可通过智能手机访问对这个数据库进行访问，驾驶员可通过数据库选择一个停车位，然后通过导航驾驶车辆进入停车位，可很大程度上提高了停车效率，减少交通拥堵。
2.2DSRC和LTE-V通信技术概述
目前，V2X通信技术主要有两种模式，其一是以IEEE 802.11p及其扩展延伸为代表的DSRC通信技术，其二是以蜂窝为基础的LTE-V通信技术。其中，还存在一些其他的通信技術，如蜂窝（2/3/4/5G）、WIFI、RFID（专用短程通信技术）、GPS、NFC等。
由于DSRC技术能够可靠地传输数据、具有低延迟等优点，适合应用在V2I（车与路边设施）和V2V（车与车）场景中，特别是一些与安全相关的场景。但DSRC技术也存在着明显的不足，当用户数较多时，系统容量会急剧下降从而导致容量不足，并且可靠性不可控，除此之外，DSRC难以实现大规模的商用。而以蜂窝为基础的LTE-V通信技术能够较容易的部署，可以共用蜂窝网络，频谱带宽能够灵活分配，并可根据实际情况进行增减，传输更为可靠，覆盖范围广等，但LTE-V的缺点也同样突出：没有明确统一的标准，技术成熟度较低[4]等。鉴于以上分析，本文研究的交通实时监控系统是基于蜂窝的LTE-V通信技术。
3集群式交通监控系统
为了确保道路使用者（驾驶者、行人等）能够以最高的效率利用道路，要求必须能够准确、实时地查看交通状况。本文提出的交通监控系统（TMS）能够收集和交互受监控道路上的车辆的实时信息，在智能交通系统（ITS）中发挥着重要作用。这些收集到的信息不仅有利于对交通进行管理，还能够用于提高交通效率，例如调整交叉路口的交通信号灯的定时周期、根据信息调整计算车辆的行驶车速、或重新规划行驶的路线等，有助于驾驶员和旅客能够以最少的能源消耗和时间到达目的地。这些系统不但可用于减少交通管理者和操作人员的工作量，也可以用来提醒驾驶员可能发生的危险情况。实际上，这种系统还可以自动监控道路情况并能够预测即将可能发生的交通事故或堵塞，从而减少事故的发生数量。 任何TMS都应该满足以下几个条：（1）TMS不应一成不变，应随着车辆密度的增加而扩展，同时能进行数据得传输以及信道访问。（2）TMS还应具备处理紧急交通流量的能力。（3）能够准确收集交通数据，要求采集到的数据实时、可靠。如使用摄像机来提取交通参数。（4）能够确保包含位置信息和速度的数据具有完整性，并且维护驱动程序的隐私。即要求TMS具备安全性和隐私性。
传统的交通监控系统依赖于安装于车上的特定传感器，例如安装在车辆中的GPS传感器，或安装在选定位置的摄像机和车辆计数器，通过传感器或摄像头获得的数据信息来分析交通状态，从而对驾驶者做出提醒。传统的交通监控系统关注点通常是主要街道，因为某些传感器的部署、维修和维护费用较贵，因此传统的交通监控系统无法在城市中无法大范围使用，也就无法提供出准确的交通监控。从而本文提出了通过一种新兴的V2X通信系统，建立能够获取准确的和可扩展的交通监控信息的新兴实时交通监控系统。
为了达到利用V2X技术提高交通效率和交通安全的目的，可选择沿着道路安装大量的RSU（路侧单元），以获得受监控道路上行驶车辆的实时快照。但这种解决方案的成本太高，使得其部署变得不切实际。故此方案不可取。
为了克服成本限制的问题，可在道路上安装一个或有限数量的RSU，即可监控长达几公里的整条道路，也就是集群式交通监控系统，集群式交通监控线系统如图二所示。道路被划分为具有预定义大小的集群，某个数量中的某个车辆负责收集其他车辆的信息，这个车辆就是簇头，簇头由动态选择来选定，该车辆依靠RFID，GPS和其他传感器技术来收集实时交通信息，这些传感器通常通过无线传感器网络或蜂窝技术互连到处理中心，处理中心接收信息并计算交通参数，例如车辆数量，车辆速度，车辆密度和流量。最后，它将它们发送回车辆，簇头负责向道路沿侧的RSU提供其所在集群中的其他车辆的信息。此方案与非集群的交通监控系统相比，能够收集道路上高达99%的车辆信息，并且需要安装的RSU数量大大减少，减少了约四分之一的开销。
其中群集的长度是预定义的，宽度设置为城市道路的宽度。假设每辆车上都配备了卫星导航系统（例如GPS）和城市集群中心列的地图。其中车辆和RSU都使用基于蜂窝的LTE-V通信技术。每辆车中都嵌入了一个位置表，可以保存收集的所有信息。为了减少开销，方案会自动选择最合适的车辆作为簇头。判断该方案是否可行，我们可考虑以下指标：
RSU中保存的车辆比例：它是、指所有RSU的位置表中保存的车辆数量的平均值除以实际车辆数量。
·成功率：RSU上已成功接收的数据包的平均数量超过最初从源触发的数据包数。
·车辆位置误差：RSU中保存的车辆位置与以米为单位的瞬间t的实际位置之间的差异。
4.结论
在“互联网+”的时代大背景下，交通智能化是发展大势，而车联网是交通智能化的重要阶段，而随着车辆数量的增多，交通拥堵、交通事故等交通问题也越来越突出，因此，寻找减少交通事故和提高交通效率的方法是世界各国急需要解决的问题。以此为基础，本文提出了一种使用V2X技术的交通监控系统，此系统利用集群式的方法，改善了传统交通监控系统开销大、准确性低的問题，能够以更低的投入获得更准确的交通信息，以此来提高路上交通的安全和效率。
参考文献
[1] Jan W. Wedel， Bj?rnSchünemann， IljaRadusch，V2X-Based Traffic Congestion Recognition andAvoidance， 009 10th International Symposium on Pervasive Systems， Algorithms， and Networks， 637-641
[2]科普中国”百科科学词条编写与应用工作项目[EB/OL].V2X.互联网：百度，2018年.https：//baike.baidu.com/item/V2X/8734150？fr=aladdin
[3] V2X（vehicle to X）-车联网_搜狐科技_搜狐网http：//www.sohu.com/a/127873947_553039
[4]陈荆花，黄晓彬，李洁.面向智能网联汽车的V2X通信技术探讨[J].《电信技术》，2016，5：24-27
[关键词]V2X技术；智能交通；交通监控系统
中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）11-0395-02
0.引言
现如今，人们的生活质量越来越高，路上的车辆数量也不断增加，同时因道路上车辆的骤增也引发了一系列严重可怕的社会问题：如交通堵塞、道路车辆信息更新滞后、交通事故频发等。这些问题的出现给人类的生命财产安全带来巨大的威胁和损失。道路上交通越来越拥堵，即使司机试图避开每天的高峰时段和高峰路段，但当前的交通管理系统也不允许司机绕过所有突发的交通拥堵，这些问题体现了实时数据的重要性。本文介绍了现如今的交通现状，尤其是交通安全和交通效率方面，介绍了V2X技术以及相关通信技术，提出了利用V2X技术的集群式交通监控系统，以达到提高交通安全和交通效率的目的。
1.背景介绍
随着车辆数目的增加，交通流量的管理，尤其大城市的交通流量的管理越来越具有挑战性。为了应对这些挑战，美国联邦公路管理局（FHWA）确定了三种减少交通拥堵的一般方法：
（1）扩展当前的基本容量，例如增加高速公路的数量和规模。
（2）鼓励需要较少资源的替代旅行和土地使用概念，例如：非汽车旅行模式。
（3）更有效地利用现有能力的策略[1]。
以上三种方法都可以减少交通拥堵发生的几率，但效果不同，其中，更有效地利用现有能力的策略相比于其他两种方法会产生更有效的影响，因为它们集中解决问题的基本原因，而不仅仅是去缓解负面影响。
故基于以上解决问题得思路，智能交通系统（ITS）近年来的快速发展让人们看到了解决交通问题的希望，其中，V2X是智能交通系统的关键技术。交通事故的发生大多是由于疲劳驾驶或注意力不集中造成的，故如果驾驶员驾驶的车辆能够称为驾驶员的第二双“眼睛”，那么从理论上会降低因注意力分散或能见度低、疲劳驾驶等造成的交通事故发生的几率。通过V2X可以把汽车变成驾驶员的第二双眼睛，利用V2X与其他实体的实时信息交互，能够在驾驶员注意到路上突发状况之前发现或注意到驾驶员难以观察到的拐角处的情况，然后来提醒驾驶员[2]。
解决交通问题可以通过V2X通信与合作推进完成。利用无线互联的车辆，行人，道路和基础设施收集有关的周边环境和交通信息，并实时与附近的其他车辆利用V2X交换此信息，如图一。因此，可以实时感知到车辆周边和道路上的潜在危险情况。
2.V2X及通信技术概述
2.1V2X概述
V2X，指车对外界的信息交互，同时也是对D2D（Deviceto Device）技术深入研究探讨的过程，其包括车辆到车辆（V2V），车辆到基础设施（V2I），车辆到网络（V2N）以及车辆到行人（V2P）的通信，将利用射频识别等技术获得到的车辆的行驶情况、车外的行人情况等信息传送到云端中，进而对得到的信息进行分析、计算和处理，然后将处理后的信息反馈传送给车辆，对驾驶员进行提醒，从而选择合适的行驶车速或重新规划路线以避开拥堵或事故路段。
图一
V2X的各类应用改善了道路和行人的安全性、改善了交通效率等。V2X可应用于以下场景：前方碰撞警告、十字路口让行提示、车道变更警告/盲区警告、特殊车辆让行提示、车辆变道预警、道路工程警告、工作区减速预警、闯红灯预警、紧急刹车预警以及安全信息提示[3]等。如自动停车系统包含一个市区内停车位的数据库，可提供停车位的实时信息，驾驶员可通过智能手机访问对这个数据库进行访问，驾驶员可通过数据库选择一个停车位，然后通过导航驾驶车辆进入停车位，可很大程度上提高了停车效率，减少交通拥堵。
2.2DSRC和LTE-V通信技术概述
目前，V2X通信技术主要有两种模式，其一是以IEEE 802.11p及其扩展延伸为代表的DSRC通信技术，其二是以蜂窝为基础的LTE-V通信技术。其中，还存在一些其他的通信技術，如蜂窝（2/3/4/5G）、WIFI、RFID（专用短程通信技术）、GPS、NFC等。
由于DSRC技术能够可靠地传输数据、具有低延迟等优点，适合应用在V2I（车与路边设施）和V2V（车与车）场景中，特别是一些与安全相关的场景。但DSRC技术也存在着明显的不足，当用户数较多时，系统容量会急剧下降从而导致容量不足，并且可靠性不可控，除此之外，DSRC难以实现大规模的商用。而以蜂窝为基础的LTE-V通信技术能够较容易的部署，可以共用蜂窝网络，频谱带宽能够灵活分配，并可根据实际情况进行增减，传输更为可靠，覆盖范围广等，但LTE-V的缺点也同样突出：没有明确统一的标准，技术成熟度较低[4]等。鉴于以上分析，本文研究的交通实时监控系统是基于蜂窝的LTE-V通信技术。
3集群式交通监控系统
为了确保道路使用者（驾驶者、行人等）能够以最高的效率利用道路，要求必须能够准确、实时地查看交通状况。本文提出的交通监控系统（TMS）能够收集和交互受监控道路上的车辆的实时信息，在智能交通系统（ITS）中发挥着重要作用。这些收集到的信息不仅有利于对交通进行管理，还能够用于提高交通效率，例如调整交叉路口的交通信号灯的定时周期、根据信息调整计算车辆的行驶车速、或重新规划行驶的路线等，有助于驾驶员和旅客能够以最少的能源消耗和时间到达目的地。这些系统不但可用于减少交通管理者和操作人员的工作量，也可以用来提醒驾驶员可能发生的危险情况。实际上，这种系统还可以自动监控道路情况并能够预测即将可能发生的交通事故或堵塞，从而减少事故的发生数量。 任何TMS都应该满足以下几个条：（1）TMS不应一成不变，应随着车辆密度的增加而扩展，同时能进行数据得传输以及信道访问。（2）TMS还应具备处理紧急交通流量的能力。（3）能够准确收集交通数据，要求采集到的数据实时、可靠。如使用摄像机来提取交通参数。（4）能够确保包含位置信息和速度的数据具有完整性，并且维护驱动程序的隐私。即要求TMS具备安全性和隐私性。
传统的交通监控系统依赖于安装于车上的特定传感器，例如安装在车辆中的GPS传感器，或安装在选定位置的摄像机和车辆计数器，通过传感器或摄像头获得的数据信息来分析交通状态，从而对驾驶者做出提醒。传统的交通监控系统关注点通常是主要街道，因为某些传感器的部署、维修和维护费用较贵，因此传统的交通监控系统无法在城市中无法大范围使用，也就无法提供出准确的交通监控。从而本文提出了通过一种新兴的V2X通信系统，建立能够获取准确的和可扩展的交通监控信息的新兴实时交通监控系统。
为了达到利用V2X技术提高交通效率和交通安全的目的，可选择沿着道路安装大量的RSU（路侧单元），以获得受监控道路上行驶车辆的实时快照。但这种解决方案的成本太高，使得其部署变得不切实际。故此方案不可取。
为了克服成本限制的问题，可在道路上安装一个或有限数量的RSU，即可监控长达几公里的整条道路，也就是集群式交通监控系统，集群式交通监控线系统如图二所示。道路被划分为具有预定义大小的集群，某个数量中的某个车辆负责收集其他车辆的信息，这个车辆就是簇头，簇头由动态选择来选定，该车辆依靠RFID，GPS和其他传感器技术来收集实时交通信息，这些传感器通常通过无线传感器网络或蜂窝技术互连到处理中心，处理中心接收信息并计算交通参数，例如车辆数量，车辆速度，车辆密度和流量。最后，它将它们发送回车辆，簇头负责向道路沿侧的RSU提供其所在集群中的其他车辆的信息。此方案与非集群的交通监控系统相比，能够收集道路上高达99%的车辆信息，并且需要安装的RSU数量大大减少，减少了约四分之一的开销。
其中群集的长度是预定义的，宽度设置为城市道路的宽度。假设每辆车上都配备了卫星导航系统（例如GPS）和城市集群中心列的地图。其中车辆和RSU都使用基于蜂窝的LTE-V通信技术。每辆车中都嵌入了一个位置表，可以保存收集的所有信息。为了减少开销，方案会自动选择最合适的车辆作为簇头。判断该方案是否可行，我们可考虑以下指标：
RSU中保存的车辆比例：它是、指所有RSU的位置表中保存的车辆数量的平均值除以实际车辆数量。
·成功率：RSU上已成功接收的数据包的平均数量超过最初从源触发的数据包数。
·车辆位置误差：RSU中保存的车辆位置与以米为单位的瞬间t的实际位置之间的差异。
4.结论
在“互联网+”的时代大背景下，交通智能化是发展大势，而车联网是交通智能化的重要阶段，而随着车辆数量的增多，交通拥堵、交通事故等交通问题也越来越突出，因此，寻找减少交通事故和提高交通效率的方法是世界各国急需要解决的问题。以此为基础，本文提出了一种使用V2X技术的交通监控系统，此系统利用集群式的方法，改善了传统交通监控系统开销大、准确性低的問题，能够以更低的投入获得更准确的交通信息，以此来提高路上交通的安全和效率。
参考文献
[1] Jan W. Wedel， Bj?rnSchünemann， IljaRadusch，V2X-Based Traffic Congestion Recognition andAvoidance， 009 10th International Symposium on Pervasive Systems， Algorithms， and Networks， 637-641
[2]科普中国”百科科学词条编写与应用工作项目[EB/OL].V2X.互联网：百度，2018年.https：//baike.baidu.com/item/V2X/8734150？fr=aladdin
[3] V2X（vehicle to X）-车联网_搜狐科技_搜狐网http：//www.sohu.com/a/127873947_553039
[4]陈荆花，黄晓彬，李洁.面向智能网联汽车的V2X通信技术探讨[J].《电信技术》，2016，5：24-27