智能网联汽车扩展碰撞预警系统

技术领域

本发明涉及智能车辆技术领域，特别涉及一种智能网联汽车扩展碰撞预警系统。

背景技术

随着物联网(Internet of Things,IoT)、数字孪生(Digital Twin,DT)等信息通讯技术(Information and Communications Technology,ICT)的发展应用，智能互联产品推动制造业向服务化发展转变，即智能产品服务系统(Smart Product-Service System,SPSS)，其目的是提供用户高满意度和低环境影响的整体解决方案。智能网联汽车扩展碰撞预警系统作为智能PSS的典型应用，在减少环境污染、减少交通事故、转变经济发展模式等方面更具研究价值。过去几年汽车数量增长迅速，驾驶安全问题成为亟待解决的关键性问题。因此现有车辆多配备高级驾驶辅助系统(Advanced Driving Assistance System,ADAS)，以减少交通事故发生。碰撞预警系统(Collision Warning System,CWS)作为ADAS系统中的重要一环，如何在概念设计阶段从功能角度对智能PSS视角下的碰撞预警系统建模显得尤为重要。现有技术中缺少在智能PSS视角下的碰撞预警系统的构建。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出基于智能网联汽车扩展碰撞预警系统，以至少部分地解决以上问题。

为达到上述目的，本发明的第一方面提供了一种智能网联汽车扩展碰撞预警系统，所述碰撞预警系统包括：感知层，包括智能终端、监控设备、道路传感网和车辆传感网；网络层，用于对来自所述感知层的信息进行数据处理，通过云计算对碰撞预警算法实时解算，并对应用层发送生成的服务指令；以及应用层，对来自所述网络层的服务指令执行对应的服务；所述应用层包括以下功能模块：合作驾驶模块、出行辅助模块、交通监管模块、信息发布模块、预警服务模块、车辆调度模块和事故处理模块。

优选的，所述网络层包括网络传输层和数据处理层；所述网络传输层用于实现实时性的数据传输；所述数据传输方式包括总线、以太网、蜂窝数据和WIFI中的一种或组合；所述数据处理层包括近场处理和云端处理，所述进场处理包括边缘计算，所述云端处理包括中心云、区域云和边缘云。

优选的，所述中心云用于与基础服务平台互联，所述基础服务平台包括安全服务平台、地图服务平台、和保险服务平台；所述区域云用于与区域性辅助服务部门互联，提供区域性服务信息；所述区域云还用于对数据库中的车辆和行人出行数据进行分析，对出现碰撞行为的路口进行数据分析，实现区域服务部门的管理调度；所述边缘云用于在网络边缘提供IT服务环境，还用于解决实时计算任务；所述边缘云在本地处理接收的计算任务，后将结果反馈至移动用户和IoT设备。

优选的，所述应用层包括业务应用层和用户对象层；所述业务应用层用于通过丰富的人机交互设计实现用户多重服务需求，所述服务需求包括安全服务、通信服务、监管服务、可视化服务和预警服务；用户对象层用于提供用户与所述碰撞预警系统的应用层交互的接口，所述用户包括管理部门、服务供应商、驾驶员和行人，所述管理部门包括交通部门和通信部门。

优选的，所述感知层中的智能产品系统功能模型通过以下步骤构建：对所述感知层实现的功能进行分析和分解，得到若干功能元，所述功能元为功能表达的最小单元；基于所述功能元确定对应的元件和超系统，所述元件为功能元的实现载体，所述超系统为在所述碰撞预警系统之外且与所述碰撞预警系统具有相互作用关系的系统；分析所述元件和超系统、元件与元件之间的作用效果，进而确定作用类型；基于所述作用类型确定所述元件之间的连接关系，以使功能模型图示化表达，得到所述智能产品系统功能模型。

优选的，所述用户对象层中的利益相关者功能模型通过以下步骤构建：确定利益相关者，所述利益相关者与所述用户的范围重合；将与所述利益相关者具有互交的元素确定为制品和超系统，所述制品为所述功能元的作用对象，所述制品属于所述超系统的元件；分析所述制品和超系统、制品与制品之间的作用效果，进而确定作用类型；基于所述作用类型确定所述制品之间的连接关系，以使功能模型图示化表达，得到所述利益相关者功能模型。

优选的，所述业务应用层中的碰撞预警服务系统功能模型通过以下步骤构建：确定数据流向，所述数据流向包括需接收的数据、需处理的数据和处理后的数据的发送端；基于所述数据流向确定元件和制品；所述元件为功能元的实现载体，所述制品为所述功能元的作用对象；分析所确定的元件和制品之间的元件与元件、元件与制品、制品与制品间的作用形式，进而确定作用类型；基于所述作用类型确定所述元件与制品之间的连接关系，以使功能模型图示化表达，得到所述碰撞预警服务系统功能模型。

优选的，所述业务应用层被配置为：提供所述碰撞预警系统中车辆与车辆之间的碰撞预警以及车辆与行人之间的碰撞预警。

优选的，所述碰撞预警系统还包括通过以下评价流程对所述碰撞预警系统进行评价：选择所述智能产品系统功能模型、所述利益相关者功能模型和所述碰撞预警服务系统功能模型的至少一者；基于所选择的功能模型中的要素进行两两比较，赋予标度值，基于所述标度值构建判断矩阵；所述要素包括元件和\或制品；对所述判断矩阵进行特征值计算和单层次一致性检验；基于所述单层次一致性检验，进行总层次一致性检验及最优决策确定。

优选的，所述碰撞预警系统采用智能产品服务系统所定义的开发方法进行开发。

本发明实施方式提供的技术方案，具有以下有益效果：本发明的实施方式从智能PSS视角形成的碰撞预警系统，能够从功能角度建立了有效途径继续优化预警服务功能，形成的整体解决方案能够提升用户满意度。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一实施方式中的智能网联汽车扩展碰撞预警系统的架构示意图；

图2为本发明一实施方式中的智能网联汽车扩展碰撞预警系统的整体架构示意图；

图3为本发明一实施方式中的智能产品系统功能模型的结构示意图；

图4为本发明一实施方式中的利益相关者功能模型的结构示意图；

图5为本发明一实施方式中的车-车碰撞预警服务系统功能模型的结构示意图；

图6为本发明一实施方式中的车-人碰撞预警服务系统功能模型的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

图1为本发明一实施方式中的智能网联汽车扩展碰撞预警系统的架构示意图，如图1所示，一种智能网联汽车扩展碰撞预警系统，所述碰撞预警系统包括：

感知层，包括智能终端、监控设备、道路传感网和车辆传感网；感知层是对利益相关者、车辆和道路等信息进行采集并传至网络层。感知层主要由智能终端、监控设备、道路传感网和车辆传感网等组成。智能终端方便行人接收预警服务信息，监控设备可以为有关部门提供实时路况，道路传感网为车辆提供实时路网信息，车辆传感网则将车辆传感器数据融合实时上传至云端。

网络层，用于对来自所述感知层的信息进行数据处理，通过云计算对碰撞预警算法实时解算，并对应用层发送生成的服务指令；网络层对来自感知层信息进行数据处理，通过云计算对碰撞预警算法实时解算，并对应用层发送相关服务指令。在网络层，借助网络通信技术实现人-车-路-云通信。云服务器对来自感知层的车辆和行人的实时位置参数等进行实时计算，计算车-车、车-人间是否有发生碰撞的可能性，以便给予安全的预警服务。当然，网络层存在着大量利益相关者、车辆和路侧设备的重要数据，网络安全非常值得注意。

应用层，对来自所述网络层的服务指令执行对应的服务；所述应用层包括以下功能模块：合作驾驶模块、出行辅助模块、交通监管模块、信息发布模块、预警服务模块、车辆调度模块和事故处理模块。应用层是对来自网络层的信息指令做出相关服务。在智能网联汽车时代，应用层一旦收到网络层的碰撞预警指令，应能将预警信息实时发送至相关车辆和行人，避免事故发生；若行人和车辆未能做出及时响应以至于发生堵塞，交通部门应迅速将相关信息发送至电子情报板等信息媒体，其他车辆以便根据附近路况信息做出适宜调整，通过车辆调度及各方利益相关者协作将交通出行效率最大化。

通过以上实施方式提供的以上系统架构，整体框架呈现了智能产品系统、利益相关者和预警服务系统三大模块要素及其交互，然后介绍了云平台要素和框架，并据此提出了整体概念方案构建框架。

图2为本发明一实施方式中的智能网联汽车扩展碰撞预警系统的整体架构示意图，如图2所示。在该实施方式中，所述网络层包括网络传输层和数据处理层；所述网络传输层用于实现实时性的数据传输；所述数据传输方式包括总线、以太网、蜂窝数据和WIFI中的一种或组合；网络传输层需要保证数据传递的实时性。车端通过总线或以太网技术进行高速数据传输，传输通道通过5G或WIFI等过渡网络连接方式实现。在保证数据传递的低时延前提下，完成整个控制链路的安全可靠传输。

所述数据处理层包括近场处理和云端处理，所述进场处理包括边缘计算，所述云端处理包括中心云、区域云和边缘云。数据处理层包括近场处理以及云端处理两过程。靠近车辆的路端设备中，通过边缘计算等技术可实现近场处理，远远降低了数据传输的链路长度，提高时效性，保障低时延需求。当然，数据处理层应包含多类型数据库，包括环境感知、决策算法和设备状态等。

在本发明提供的一种实施方式中，所述中心云用于与基础服务平台互联，所述基础服务平台包括安全服务平台、地图服务平台、和保险服务平台；中心云主要与全国性基础服务平台互联，包括安全、地图、保险等服务平台，提供基本出行服务保障。比如：高精地图可以为用户出行提供实时定位服务。

所述区域云用于与区域性辅助服务部门互联，提供区域性服务信息；所述区域云还用于对数据库中的车辆和行人出行数据进行分析，对出现碰撞行为的路口进行数据分析，实现区域服务部门的管理调度；区域云通过与区域性辅助服务部门互联(比如交通和通信)，提供区域性服务信息。区域云可对数据库中的车辆和行人出行数据进行分析，对出现碰撞行为的路口进行数据分析，借助技术支持实现区域服务部门的管理调度。

所述边缘云用于在网络边缘提供IT服务环境，还用于解决实时计算任务；所述边缘云在本地处理接收的计算任务，后将结果反馈至移动用户和IoT设备。边缘云服务器除了在网络边缘提供IT服务环境，还可以解决实时计算任务，以降低IoT设备对计算能力和电源的要求，并降低时延[36]。移动边缘计算中，用户和IoT设备可以对延迟敏感的计算任务上传至边缘服务器，边缘服务器在本地处理接收的计算任务，后将结果反馈至移动用户和IoT设备。另外，用户和IoT设备通过无线网络将设备的实时数据发送至服务器端保存，后台服务器可实时监测相关设备状态。

在本发明提供的一种实施方式中，所述应用层包括业务应用层和用户对象层；所述业务应用层用于通过丰富的人机交互设计实现用户多重服务需求，所述服务需求包括安全服务、通信服务、监管服务、可视化服务和预警服务；业务应用层包括安全服务、通信服务、监管服务、可视化服务、预警服务等多方面应用，可通过丰富的人机交互设计实现用户多重服务需求，最终实现“人-车-路-云”高效协同。

用户对象层用于提供用户与所述碰撞预警系统的应用层交互的接口，所述用户包括管理部门、服务供应商、驾驶员和行人，所述管理部门包括交通部门和通信部门。用户对象层是相关用户与云平台交互的接口，主要面向管理部门、服务供应商、驾驶员和行人等。

图3为本发明一实施方式中的智能产品系统功能模型的结构示意图，如图3所示。在本实施方式中，所述感知层中的智能产品系统功能模型通过以下步骤构建：对所述感知层实现的功能进行分析和分解，得到若干功能元，所述功能元为功能表达的最小单元；基于所述功能元确定对应的元件和超系统，所述元件为功能元的实现载体，所述超系统为在所述碰撞预警系统之外且与所述碰撞预警系统具有相互作用关系的系统；分析所述元件和超系统、元件与元件之间的作用效果，进而确定作用类型；基于所述作用类型确定所述元件之间的连接关系，以使功能模型图示化表达，得到所述智能产品系统功能模型。具体的，①元件和超系统的确定。基于功能分析、功能分解和功能模块划分等功能分析完成后，利用功能元来确定其实现载体，即元件。另外，碰撞预警系统能否实现还应考虑其之外的环境组成，与该系统有相互作用的系统，即超系统。②相互作用分析。元素组成确定后进行元件间的相互作用分析，通过分析元件与元件或元件与超系统之间的作用效果进而判断作用的类型，即标准作用、不足作用、过剩作用还是有害作用。作用分析可以帮助设计人员及时发现系统中存在的有害或不足作用，便于后期对系统针对性地改进设计。③功能模型图示化及完善。作用分析完成后通过箭头将元件进行连接以使功能模型图示化表达。图示化完成后，判断所建模型能否将系统所需功能完整呈现。若不能，返回步骤①重新确定相关元件组成直至问题解决。

图4为本发明一实施方式中的利益相关者功能模型的结构示意图，如图4所示。在本实施方式中，所述用户对象层中的利益相关者功能模型通过以下步骤构建：确定利益相关者，所述利益相关者与所述用户的范围重合；将与所述利益相关者具有互交的元素确定为制品和超系统，所述制品为所述功能元的作用对象，所述制品属于所述超系统的元件；分析所述制品和超系统、制品与制品之间的作用效果，进而确定作用类型；基于所述作用类型确定所述制品之间的连接关系，以使功能模型图示化表达，得到所述利益相关者功能模型。具体的，①制品和超系统的确定。基于用户对象层中已经明确利益相关者，对其建模时应主要考虑与其有交互的元素，即制品和超系统。制品是碰撞预警系统基本功能的作用对象，也是系统存在的目的，由于制品不是技术系统的一部分，因此制品属于超系统元件。②相互作用分析。确定制品和超系统后，通过分析制品与制品或制品与超系统间的相互影响，对二者间的作用类型进行判断。由于其间的作用关系不尽相同，在功能模型中需要体现其关系类别。另外，依据作用关系能否满足制品间的利益需求确定其作用类型。③功能模型图示化及完善。相互作用分析完成后，按照其作用关系对制品和超系统进行功能模型图示化表达，并对二者间的相互作用关系进行简要说明。图示化完成后，判断要素是否遗漏，以便对现有的制品和超系统进行补充，完善利益相关者功能模型。

在本发明提供的一种实施方式中，所述业务应用层中的碰撞预警服务系统功能模型通过以下步骤构建：确定数据流向，所述数据流向包括需接收的数据、需处理的数据和处理后的数据的发送端；基于所述数据流向确定元件和制品；所述元件为功能元的实现载体，所述制品为所述功能元的作用对象；分析所确定的元件和制品之间的元件与元件、元件与制品、制品与制品间的作用形式，进而确定作用类型；基于所述作用类型确定所述元件与制品之间的连接关系，以使功能模型图示化表达，得到所述碰撞预警服务系统功能模型。具体的，①功能分析。对于预警服务系统，其主要功能是接收来自智能产品系统的数据指令，并将相关指令经加工处理后发送至利益相关者等终端。具体地，应结合智能产品系统模块和利益相关者模块，以用户为出发点，明确所需功能。另外，大数据对智能产品系统模块进行挖掘与分析，可以促进服务的进一步发展，产生新的价值机会，以实现服务的价值增值。随着信息通讯技发展应用，碰撞预警系统不再仅仅依靠单车智能传感器进行预警，其逐渐向基于通信的碰撞预警系统转变。因此，我们应考虑的碰撞预警系统涉及范围更广，比如，车辆基于通信可预知遮挡车辆前方的相关信息。②元件和制品的确定。构建碰撞预警服务功能模型时，应主要考虑元件和制品，即服务实现的载体和作用对象。通过功能分析并结合用户服务需求，明确服务的实现方式及载体，并确定最终元件和制品。③作用分析。确定元件和制品后，通过分析元件与元件或元件与制品间的作用形式，对二者间的作用类型进行判断。④功能模型图示化及完善。元件、制品和作用分析完成后，按照其作用关系对制品和超系统进行功能模型图示化表达，并对二者间的相互作用关系进行简要说明。图示化完成后，判断功能模型能否将所需功能完整呈现，从而判断元件是否遗漏，以便补充完善功能模型，生成的功能模型将在后文详述。

在本发明提供的一种实施方式中，所述业务应用层被配置为：提供所述碰撞预警系统中车辆与车辆之间的碰撞预警以及车辆与行人之间的碰撞预警。图5为本发明一实施方式中的车-车碰撞预警服务系统功能模型的结构示意图，如图5所示。在车辆与车辆碰撞预警的情况下，云服务平台通过对存在碰撞可能的车辆实施发送预警指令。预警指令由云平台发出，经由LTE-V基站发送至路侧单元RSU，RSU对附近车辆S50的OBU和预碰车辆的OBU发送预警指令，并通过车辆以音/视频交互促使驾驶员采取制动。图6为本发明一实施方式中的车-人碰撞预警服务系统功能模型的结构示意图，如图6所示。在车辆与行人碰撞预警的情况下，驾驶员与车辆交互后采取制动行为，为给予行人1有效预警，车辆可以自动鸣笛示意行人1；另外，如若行人1未能对鸣笛示意及时作出反应，云服务平台通过提示其周边最近行人2，明确行人1存在碰撞风险，行人2对行人1给予行人1口头或行为提示以避免碰撞。

在本发明提供的一种实施方式中，所述碰撞预警系统还包括通过以下评价流程对所述碰撞预警系统进行评价：选择所述智能产品系统功能模型、所述利益相关者功能模型和所述碰撞预警服务系统功能模型的至少一者；基于所选择的功能模型中的要素进行两两比较，赋予标度值，基于所述标度值构建判断矩阵；所述要素包括元件和\或制品；对所述判断矩阵进行特征值计算和单层次一致性检验；基于所述单层次一致性检验，进行总层次一致性检验及最优决策确定。具体的，

步骤1：碰撞预警系统层次结构建模。明确碰撞预警系统评价的目标层，对于判断指标可以从划分模块要素的全面性、系统成本、系统交互性和预警服务度方面分别考虑。

步骤2：构建判断矩阵。模型构建完成后，进行要素的两两比较，给出相应标度值，构建目标-判断层判断矩阵、判断-方案层判断矩阵。

步骤3：特征值的计算及单层次一致性检验。计算判断矩阵各行元素乘积的n次方根

将

则W＝(ω

其中：n为判断层指标的个数，A为判断矩阵，W为特征向量，ω

最后进行一致性检验

其中：C.I.为一致性检验指标，R.I.为平均随机一致性指标，C.R.为一致性指标比率。

其中一致性检验指标

平均随机一致性指标R.I.查阅同阶平均随机一致性指标表，如表3所示。一般认为C.I.<0.1，R.I.<0.1，判断矩阵一致性可接受，进行下一步，否则调整功能模型，重新两两比较。

步骤4：总层次一致性检验及最优决策确定。各单层次检验一致性通过后计算三级要素的综合重要度W′

式(6)中：i＝1、2、...、n，j＝1、2、...、m。

在本发明提供的一种实施方式中，所述碰撞预警系统采用智能产品服务系统所定义的开发方法进行开发。智能PSS(product-service system)具有6个显著特征：消费者赋权、服务个性化、社区感受、服务参与、产品所有权和个人/共享体验，可帮助设计师创建智能PSS开发工具，以有效集成产品和服务。由IT驱动的PSS的发展过程可分为三个主要阶段：基于互联网的PSS到基于物联网的PSS再到智能PSS，并基于文献研究提取出智能PSS的关键元素，将其分为三个层次：产品服务层、系统层和系统的系统层。其在设计和再设计方面具有数字动态能力，包括智能能力、连接能力和分析能力。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的不同实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。