智能道路标牌系统设计综述_陈瑞东.pdf

电子技术应用 2023年 第49卷 第1期Review and Comment综述与评论智能道路标牌系统设计综述陈瑞东，秦会斌，刘伟（杭州电子科技大学 电子信息学院 新型电子器件与应用研究所，浙江 杭州 310018）摘 要：智能标牌系统是实现智能交通和智能城市快速发展的重要工具。传统的道路标牌只能用固定的文字、符号、颜色向交通参与者单方面传递信息，无法实现对交通流的有效控制和满足人们的出行需求，智能标牌的出现弥补了这些缺陷。首先对传统道路标牌的现状进行了综述，针对智能标牌在人们出行和未来城市道路发展方面的影响，从信息感知、信息通信、低功耗不同角度分析了传统标牌的不足和智能标牌的发展需求，阐述了智能标牌中的关键技术，最后对未来的发展做了展望与总结。关键词：智能标牌；智能交通；智慧城市；信息交互；信息通信中图分类号：U491 文献标志码：A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.222944中文引用格式：陈瑞东，秦会斌，刘伟.智能道路标牌系统设计综述J.电子技术应用，2023，49(1)：1-7.英文引用格式：Chen Ruidong，Qin Huibin，Liu Wei.Overview of intelligent road sign system designJ.Application of Electronic Technique，2023，49(1)：1-7.Overview of intelligent road sign system designChen Ruidong，Qin Huibin，Liu Wei(Institute of New Electron Device and Application，School of Electronic Information，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China)Abstract：Intelligent signage system is an important tool to realize the rapid development of intelligent transportation and intelligent city.Traditional road signs can only use fixed words,symbols and colors to unilaterally transmit information to traffic participants,which cannot effectively control traffic flow and meet people s travel needs.The emergence of intelligent signs makes up for these defects.Firstly,the current situation of traditional road signs is reviewed.In view of the impact of intelligent signs on people s travel and future urban road development,the shortcomings of traditional signs and the development needs of intelligent signs are analyzed from different perspectives of information perception,information communication and low power consumption.The key technologies in intelligent signs are expounded.Finally,the future development is prospected and summarized.Key words：smart signs；intelligent transportation；smart city；information interaction；information communication0 引言在城市道路区域不断扩大的过程中，道路信息也变得越来越复杂，许多十字路口汇聚了不同方向的行人、机动车以及非机动车混合交通流，由于缺少信息采集、数据分析、信息指示为一体的道路标牌设计，不能对混合交通流实现正确的引导和分流，容易造成交通事故。目前 80%以上的道路标牌采用了非智能系统，所面临的主要问题为：(1)道路信息更新较慢，导致驾驶员和行人对路况的感知性降低。(2)维护频率较高，标牌字体的夜间反光性随着时间的 久 远 而 变 差，导 致 驾 驶 员 和 行 人 对 标 牌 的 可 观 性降低1。(3)LED 点阵式电子标牌通常循环显示固定的道路信息，智能化水平不高，当道路施工或指向信息变动时，标 牌 没 有 及 时 显 示，会 在 高 峰 通 行 期 间 受 到 较 大影响2。与传统标牌相比，智能标牌的优势主要体现在以下三个方面：(1)减少标牌的制造成本和人力投入。传统的道路标牌以静态的形式呈现，不能更换标志信息，在道路发生变化的情况下必须对旧标识重新设计，而智能标牌克服了这些缺点，能够实现远程更新信息。(2)提升交通信息的准确性和实时性。一旦周围路1Review and Comment综述与评论www.ChinaAET.com段发生积水、结冰、塌陷等危险情况，标牌能自动更新显示信息，降低了由于道路异常引起的交通事故34。(3)提升交通的流畅性。传统的标牌无法采集道路信息，智能标牌自动感知道路的变化情况，将一些异常信息上报至后台数据中心做进一步的分析处理，统一调度和发布，引导驾驶员和行人选择合理的路线5。本文首先阐述了智能标牌在信息感知、信息通信、低功耗不同方面的应用需求，分析了在开发方面用到的一些关键技术：人工智能技术、嵌入式技术、车联网技术、GIS+GPS 技术，最后对未来的发展趋势进行了展望和总结。1 智能标牌的需求分析1.1 道路信息感知需求作为智能交通发展过程中的一部分，标牌应该具有对道路信息的感知功能，感知的数据不仅包括道路信息，也包含过往车辆信息，数据采集节点将信息上报至数据管理中心，这些数据将作为交通信息服务的主要依据。对道路信息的采集主要包含路面状况信息、交通流信息、行人移动轨迹信息，通过位于道路两侧的传感器采集。Dong G 等6提出车速和道路路面是影响交通事故的主要因素，在平坦区域车速较高，或路面湿润时事故的发生率较大，特别是在暴雪的情况下，由于道路表面过于光滑，车辆与路面的摩擦力降低，驾驶员无法准确地控制车速，导致发生重大事故。户建平3通过对不同道路积雪状态的研究，提出了一种能够实时检测三种路面积雪（新积雪、雪板、冰板）的动态限速 LED 指示系统解决方案，文献中分析了道路表面不同的积雪状态和对应的内部结构特征，根据不同的摩擦力并结合人、车、路三要素确定了对应的安全车速限制值，通过超声波检测将限速值传输到 LED 显示屏，最大程度地为驾驶员提供准确的限速值，减少交通事故的发生。设计结构如图1 所示。1.2 道路信息通信需求传统的道路标牌只能采集固定的信息，不利于整个城市交通的智能化发展，车联网技术可以实现车与车之间、车与基础设施之间、车和行人之间的通信。梁柱扬5提出将车联网技术应用到智能标牌系统，通过汽车传感器提供车辆行驶状态信息、道路传感器提供道路环境信息、行人检测器提供人流状态信息，标牌的通信模块从可变情报板和监控中心为主的路况转发设备中获取道路信息，转发设备利用 WiFi 或 GPRS 技术将数据发送到标牌单元，标牌单元汇总后下发给通信范围内的车辆，车载通信单元通过智能终端接收来自标牌单元发送的数据，以语音、图片、文字的形式提醒驾驶员注意安全，当标牌单元获取通信范围内的车辆信息和道路信息后，通过网关单元上报至数据监控中心，统一调度道路异常信息的发布。InZnak 项目7中提出一种由各种传感器和显示器组成的新型道路标牌，为驾驶员提供准确的道路信息和安全限速值。项目中利用长期演进技术（Long Term Evolution，LTE）、远 距 离 无 线 电 技 术（Long Range Radio，LoRa）、车用无线通信技术（Vehicle to X，V2X）的优势，实现不同分组标牌之间的监测数据交换，LTE 连接用于从互连的智能道路标牌组到交通管理中心方向的数据传输；LoRa 技术将智能标牌互连，在 EU863-870MHz 频段实现不同标牌组之间的数据交换；V2X 通信技术将建议的限速值从智能标牌直接发送到有效通信范围内的汽车，通知驾驶员最新的行驶路段信息。为了保证信息在传输过程中的实时性，也存在高质量、低延迟的通信质量需求8。通信系统设计模型如图 2 所示。1.3 低功耗需求智能化道路标牌在维护交通正常运行和提高人们图 1动态限速标牌设计模型图图 2通信系统设计模型图2Review and Comment综述与评论电子技术应用 2023年 第49卷 第1期出行效率的同时，应考虑电能的消耗问题，电量消耗主要来源于 LED 显示屏模组、传感器模组、无线通信模组。电子标牌的低功耗设计可从以下几个方面进行：(1)对显示屏模组低功耗设计可采用电子墨水技术。电子墨水屏有着可读性好和实时切换内容的优点，它利用太阳能供电，功耗低，将其应用在道路标牌的显示系统，免去了挖地布线的成本，同时满足了在大量应用环境中的低功耗需求9。为解决现有的显示牌存在能耗大、成本高、视角范围小、光污染等问题，张志永10提出使用澳大利亚 VISIONECT 公司开发的电子墨水屏弥补这些缺陷，克服常见的交通信号能见度、供电及连接问题，电子墨水屏标牌通过无线网络实现信息通信，建立基于电子墨水显示技术的智能标牌系统，提升人们出行时的服务质量。(2)Jeon B C11选用太阳能供电，开发了一种由太阳能转换单元、能量储能单元、充放电控制单元组成的LED 道路标牌控制系统，采用锂离子电池充电系统、最大功率点跟踪来提高能量转换效率和电池寿命。测试结果显示太阳能转换效率为 94%，待机功率为 8.8 mW，有效降低了电能的消耗。(3)对传感器模组的低功耗设计可参考文献12对器件的选型方式，对无线传感器网络进行设计时采用一些低功耗模块13，或者在系统程序设计方面增加一些传感器的工作条件，当满足某个阈值时传感器开始工作，否则进入停机模式。(4)对通信模组进行低功耗设计的时候必须考虑设备的实际运行情况，设备有重要数据传输时，保持通信模组的正常工作状态，当前道路交通正常，没有重要信息需要传递时降低数据发送的频率。使数据传输频率与系统空闲时间成反比，在系统空闲初期尝试进入浅睡眠模式，到了后期直接进入深睡眠模式，有突发情况时直接从睡眠模式中唤醒。傅仁轩等14提出基于窄带物联网低功耗的数据采集与监视控制系统，研究了低功耗下的通信方式，通过周期巡测模式和事件驱动模式相结合，解决了整个系统的功耗问题。2 智能道路标牌中的关键技术2.1 人工智能技术传统的标牌只能静态显示当前交通道路信息，无法对交通运行调度起更多的帮助作用，基于人工智能（Artificial Intelligence，AI）15技术的标牌打破了这种局限性。在智能标牌系统中加入高清摄像头，并放置在城市中的重大路段枢纽，利用深度学习和图像识别技术16对道路上的各个区域进行实时交通流量监控和预测，在信号控制、交通引导、路线规划等各种应用中发挥着基础性作用。将采集到的信息上传至数据管理中心，经分析评估后再下发到各个标牌单元，使驾驶员和行人更清楚地掌握前方道路状况，从而减少出行时间，提高道路利用率，建立起人工智能指挥交通通行网络17。一些地图平台也积极地开始向公共服务领域发展，通过 AI 智能算法18和大数据分析19，在标牌上实