一种基于5G通信的高速公路车辆异常行为预警系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于5G通信的高速公路车辆异常行为预警系统，当车辆驶入智能RSU以及路侧传感器检测范围内时，获取车辆数据并传输给智能RSU；智能RSU对物理地址相同以及时间差过小的数据进行加权融合处理，利用条件判断和循环神经网络模型进行对车辆行为多级判断，最后输出车辆该时间段属于不同行为的概率矩阵，将不同行为的概率矩阵与数据库中存储的行为组合数据对比，由相似度确定车辆行为，再由行为确定对应的提醒信息，发送到对应车辆；如果相似度低于阈值，则将数据发送到信息处理中心，由信息处理中心对数据进行二次处理，并向车辆直接发出相应的提示。本发明专利技术在车辆识别过程中能够得到更加准确的车辆行为，同时也提高了数据发送的及时性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于5G通信的高速公路车辆异常行为预警系统
本专利技术属于智能交通
，特别涉及一种基于5G通信的高速公路车辆异常行为预警系统，以及车路协同信息交互方式、智能路侧单元和一种车辆行为判别方式。
技术介绍
随着时代的发展，高速公路已经成为了人们重要的出行途径之一。高速公路上动态的驾驶环境需要驾驶员时刻关注周围车辆等信息，这将造成驾驶员精力的巨大损耗，对道路上的车辆异常行为不能持续关注，容易造成车辆碰撞等交通事故。因此，构建高速公路车辆异常行为预警系统是十分必要，对提高高速公路行驶车辆的安全性有着重要意义。现有的高速公路车辆监测系统以车辆超速检测为主，车辆测速可分为区间测速和固定点测速，区间测速利用监拍摄像机获取车辆通过两个测速点的时间，计算该区间车辆平均行驶速度；固定点测速测量利用测速雷达或者地感线圈测量车辆通过测速点的瞬时速度，将测得速度与道路限速比较评判车辆是否超速。在这种测速方式中，测速传感器的布置间距以公里为单位，只能获得车辆在区间内的平均车速以及几个测速点的瞬时速度，仅仅只能检测区间内的超速行为，不能检查出车辆监控盲区的超速行为。而且，高速公路车辆监测系统还未具备对道路车辆行为进行识别的能力，对于车辆占用应急车道违规停车、车辆异常驾驶、车辆内部异常等行为不能对车辆驾驶员以及周边车辆驾驶员进行预警提醒，降低了车辆在高速公路上行驶的安全性。此外，智能交通系统中利用路侧单元RSU作为车路协同的一种通信单元，路侧单元利用DSRC通信技术与车辆进行通讯，但是DSRC通信技术受车速影响比较大，能保持稳定传送数据的车速在60km/h以下，不满足高速公路所需要的车速条件。同时，DSRC通信技术在道路交通量较大的情况下数据传输会受到较大影响，可能会出现丢包的情况。近年来，5G技术发展突飞猛进，其空口时延在1ms左右，端到端时延控制在毫秒级，并且通信鲁棒性较好，能够满足车联网通信的低时延和高可靠要求。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提出了一种基于5G通信的高速公路车辆异常行为预警系统，设置5G通信条件下的路侧单元及路端传感器，通过D2D通信模式在车路之间传输数据和信息，实现了车-路信息的低延迟高效率传输和处理；智能路侧单元内部处理模块可基于传感器和车辆数据进行多级判断，相比于传统机器学习算法和深度学习模型，能够精确地识别出车辆的异常行为，并具有较好的实时性，可以显著提升高速公路的交通安全。本专利技术提出高速公路车辆异常行为预警系统如图1所示，具体包括以下几个部分：智能路侧单元(RSU)、路侧传感器、车辆(设置有车载T-Box)和信息处理中心，其中，路侧传感器与智能RSU进行信息交互处理，车辆与智能RSU进行信息交互处理，智能路侧单元RSU及信息处理中心完成预警提醒信息的处理和发送。其中，智能RSU以5G基站信号覆盖范围为基础，从而得到给定高速公路路端设置智能RSU，路侧传感器设置毫米波雷达、测速摄像头的最佳距离的近似值，具体实施可以此为参照。路侧传感器主要实现数据获取与传输功能，当车辆驶入智能RSU以及路侧传感器检测范围内，路端设置的毫米波雷达、测速摄像头获取通过车辆的车速和姿态数据。然后，路侧传感器将检测到的车辆信息传输给智能RSU，智能RSU将数据储存在内部数据储存模块内。智能RSU和车辆数据传输通信过程：智能RSU与车辆进行基于D2D通信技术的通讯，以欧式距离为基础利用分簇算法将车辆进行分簇，簇头车辆将获取的各簇内车辆自身传感器采集的车辆各项参数数据传输给距离最近的智能RSU，储存在智能RSU内部数据储存模块。储存到数据储存模块的数据包括：车辆MAC地址、时间、车辆速度、加速度、角速度、横向位移、姿态角、车道位置、地理坐标等。数据处理及提示信息发送：智能RSU将储存数据导入到内部的数据处理模块，对于物理地址相同以及时间差过小的数据进行加权融合处理。输入融合后的数据后，利用条件判断和循环神经网络模型进行对车辆行为的多级判断，最后输出车辆该时间段属于不同行为的概率矩阵。将各行为概率矩阵与车辆行为数据库中的车辆行为组合数据进行对比，当相似度达到一定大小后确定车辆在该时间段的行为。将该行为与数据库中行为相对应，获取该行为下应发送的车辆提醒信息，通过无线通信模块发送到对应车辆，提醒驾驶员及时对车辆进行相应的操作。如果信息相似度略低于设定值，则将数据发送到信息处理中心，由信息处理中心对数据进行二次处理，并向车辆直接发出相应的提示。本专利技术的有效效益：(1)本专利技术提出的高速公路路侧单元和传感器设置方式，能够将车速测量范围以百米为单位，获得更精确的车辆速度信息。同时将毫米波雷达和摄像头获取的数据与车辆上传的自车数据进行融合以增加数据的真实性和精确性，在车辆识别过程中能够得到更加准确的车辆行为。(2)本专利技术提出的智能路侧单元包含了即时数据处理的功能，能够有效将较长道路内的车辆信息处理任务分担到道路上各路侧单元的处理模块中，且将判断过程分为两部分，提高了车辆行为识别的准确性和计算速度，减小了数据处理量以及信息中心数据处理负担，同时也提高了数据发送的及时性。(3)提示信息来源于智能路侧单元以及信息理中心二次处理后发送，极大提高了数据以及车辆行为判断的准确性。5G通信技术中的D2D通信模式应用于系统间数据的交互，避免了高速运行车辆数据传输不稳定的问题，同时降低了通信的延迟，降低了通信系统核心网络和基站的压力，提高了频谱利用率和数据吞吐量，使得数据的发送和接受更为及时。附图说明图1为车辆异常行为提示系统原理图图2为智能RSU内部模块图3为基于D2D通信模式的通信连接方式图4为RSU数据处理流程图图5车辆异常行为识别流程图具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。本专利技术提出了一种基于5G通信的高速公路车辆异常行为预警系统，实现了车路信息交互及预警功能。本专利技术提出了智能路侧单元内部具有数据储存及处理模块，可基于传感器和车辆数据进行多级判断，精确地识别出车辆的异常行为，对5G通信的应用使得系统能够实时发出针对异常行为的提示预警信息，对高速公路的交通安全有着巨大的提高。如图3所示为本系统的通信处理原理和过程，主要用于对于进入智能RSU通讯范围内的车辆，智能RSU通过自身的通信模块与车辆进行通信，获取车辆终端传感器数据，与路侧传感器设备所获取的车辆行为数据进行融合。本系统的通信主要依靠5G通信模块、数据储存模块、数据处理模块和数据库实现。高速公路车辆异常行为预警系统主要设置及运行方法如下：第一步：智能路侧单元及路侧传感器的设置对于给定高速公路路端每间隔距离L设置一个智能RSU，路侧传感器设置毫米波雷达、测速摄像头。对于毫米波雷达，使用MIMO(MultiInputMultiOutput)技术的79Ghz毫米波雷达，其包含产生较大的发射孔径与更窄的波束的更大的收发天线阵列，拥有非常高的角度分辨率，最高可以提供4GHz的带宽以及7.5cm的目标分离精度。满足了更长本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于5G通信的高速公路车辆异常行为预警系统，其特征在于，包括：智能路侧单元RSU、路侧传感器、车辆和信息处理中心；其中，路侧传感器与智能RSU进行信息交互处理，车辆与智能RSU进行信息交互处理，智能路侧单元RSU及信息处理中心完成预警提醒信息的处理和发送。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于5G通信的高速公路车辆异常行为预警系统，其特征在于，包括：智能路侧单元RSU、路侧传感器、车辆和信息处理中心；其中，路侧传感器与智能RSU进行信息交互处理，车辆与智能RSU进行信息交互处理，智能路侧单元RSU及信息处理中心完成预警提醒信息的处理和发送。


2.根据权利要求1所述的一种基于5G通信的高速公路车辆异常行为预警系统，其特征在于，所述智能RSU和路侧传感器设置的间隔距离为L，该L需满足：



其中，n为车道数，d为车道宽度，r为5G基站信号覆盖半径，一般在300-400m之间。


3.根据权利要求1所述的一种基于5G通信的高速公路车辆异常行为预警系统，其特征在于，所述路侧传感器包括毫米波雷达、测速摄像头，实现数据获取与传输功能，当车辆驶入智能RSU以及路侧传感器检测范围内，路端设置的毫米波雷达、测速摄像头获取通过车辆的车速和姿态数据，并将检测到的车辆信息传输给智能RSU，智能RSU将数据储存在内部数据储存模块内。


4.根据权利要求1所述的一种基于5G通信的高速公路车辆异常行为预警系统，其特征在于，所述车辆与智能RSU的信息交互：
智能RSU与车辆之间基于D2D通信技术进行通讯，以欧式距离为基础利用分簇算法将车辆进行分簇，簇头车辆将获取的各簇内车辆自身传感器采集的车辆各项参数数据传输给距离最近的智能RSU，储存在智能RSU内部数据储存模块；所述车辆自身传感器采集的车辆各项参数包括：车辆MAC地址、时间、车辆速度、加速度、角速度、横向位移、姿态角、车道位置、地理坐标。


5.根据权利要求4所述的一种基于5G通信的高速公路车辆异常行为预警系统，其特征在于，所述智能RSU与车辆之间的通信具体设计为：
(1)基站与智能RSU以及其信号覆盖范围内的车辆建立控制通信链路用以进行通信资源的调配设备在基站的帮助下建立连接后互相通信；基站实现认证设备接入通信的功能，以及对设备进行连接控制和资源调配；D2D通信模式中设备层上的D2D连接与传统蜂窝网络共享授权频带；
(2)在D2D应用服务器建立终端通信模型，首先对基站通信范围内各个智能RSU进行编号，作为该基站下的确定点终端设备；智能RSU与基站建立控制链路接入D2D通信授权频带，通过核心网与网关服务以及D2D应用服务器相连；
(3)将基站信号覆盖范围内的车辆通过LEACH-REC分簇算法，优化传感器传输数据消耗的节点能量；其中，以欧氏距离为条件将车辆进行分簇处理；
欧式距离公式为：



其中Vi为当前车辆速度，Vj为周围车辆车速，T为数据更新周期，y为两车横向距离；
得到入簇系数λ：



其中ωi和μi为速度差和欧式距离的加权系数，dD2D为D2D通信的最大距离。λ用以确定当前车辆是否可以继续分入该簇：当λ过大，说明车辆与周围车辆速度差过大或者车距过大无法达到通信要求，当λ超过设定的阈值则将该时刻的i车移出簇；
(4)同一簇内的车辆之间与基站建立控制链路协调进行D2D通信；将簇内位置处于最前方的车辆标记为通讯车辆，通信组内各车辆将自车传感器数据发送给通讯车辆，并暂时存储在通讯车辆的T-BOX的储存模块内；根据通讯车辆的与各智能RSU之间信号强度确定距离最近的智能RSU，利用T-BOX内的通信模块与该智能RSU建立基于基站控制下的D2D通信链路；T-BOX通过接口接入CAN总线，获取车辆内部加速度传感器、陀螺仪、毫米波雷达、摄像头、车速传感器等传感器检测到的车辆速度、加速度、横向位移、姿态角，并将采集到的实时数据保存在内部存储介质中；T-BOX内的车载单元OBU模块可提供档位、油耗、故障代码以及车辆MAC地址和各项数据的获取时间等信息，在其数据处理模块进行解析，最后将车辆各项参数数据以及传输给智能RSU，智能RSU接收数据并储存到数据储存模块。


6.根据权利要求1所述的一种基于5G通信的高速公路车辆异常行为预警系统，其特征在于，所述智能路侧单元RSU及信息处理中心完成预警提醒信息的处理和发送：
所述智能RSU对于物理地址相同以及时间差过小的数据进行加权融合处理，利用条件判断和循环神经网络模型进行对车辆行为的多级判断，最后输出车辆该时间段属于不同行为的概率矩阵；将各行为概率矩阵与车辆行为数据库中的车辆行为组合数据进行对比，当相似度达到一定大小后确定车辆在该时间段的行为，将该行为与数据库中行为相对应，获取该行为下应发送的车辆提醒信息，通过无线通信模块发送到对应车辆，提醒驾驶员及时对车辆进行相应的操作；如果信息相似度略低于设定值，则将数据发送到信息处理中心，...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡英凤，汪梓豪，吕志军，王海，李祎承，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32