未來道路的AR虛擬交通標識系統(tǒng)設計方案

未來道路的AR虛擬交通標識系統(tǒng)

設計方案寧波工程學院鐘佳音2018年10月目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"未來道路的AR虛擬交通標識系統(tǒng)設計方案 3\o"CurrentDocument"一、 AR技術簡介 3\o"CurrentDocument"二、 交通標識系統(tǒng)現(xiàn)狀分析 4道路交通標志標線在設置中存在的問題 4\o"CurrentDocument"三、 交通標識AR增強現(xiàn)實的概念 6\o"CurrentDocument"四、 AR交通標識系統(tǒng) 7虛擬風擋系統(tǒng) 7虛擬標識系統(tǒng) 8AR+汽車電子標識 8AR+無人駕駛汽車 8\o"CurrentDocument"五、 AR交通標識系統(tǒng)的應用 9精細化交通管控 9AR交通標識系統(tǒng)在節(jié)假日、高峰期時的應用 9AR交通標識系統(tǒng)在救援時的應用 10AR無人駕駛系統(tǒng)的應用 10\o"CurrentDocument"六、 AR交通標識系統(tǒng)的優(yōu)點 11減少各部門沖突 11標識標線虛擬現(xiàn)實化 11標識標線位置、順序動態(tài)調整 11可實行精細化交通管控 11交通事故大幅度降低 11道路使用率大幅度提高 12\o"CurrentDocument"七、 結語 12未來道路的AR虛擬交通標識系統(tǒng)設計方案前言：隨著社會經(jīng)濟發(fā)展到2050年，城市規(guī)模大范圍擴大，城市人口和機動車保有量迅猛增長，無人駕駛汽車處于普遍狀況，交通需求與道路交通標識設施之間的矛盾日益突現(xiàn)，交通擁堵、交通事故等問題已經(jīng)逐步影響了人們的日常生活，同時也給道路交通實現(xiàn)現(xiàn)代化管理提出了新難題。交通安全設施屬于道路網(wǎng)的基礎設施，它對排除各種縱、橫向干擾，降低事故的嚴重程度，提高道路服務水平，提供視線誘導，改善道路景觀等起到重要的作用。交通標志標線又是交通安全設施最基本和最重要的組成部分之一。傳統(tǒng)的道路交通標志系統(tǒng)大多還局限在對標志外觀尺寸、顏色搭配、信息表述形式和設施結構等方面，而且國內舊的交通標志標線數(shù)量很大，各地在實施標準上還存在不同程度的問題，因此如何利用交通信息化技術和成果，有效提升路網(wǎng)的服務水平和運行效率是一大核心難題。本方案把交通設施和AR技術聯(lián)系起來，交通標識系統(tǒng)用ar技術生成，再加之與自動駕駛技術相結合，可以不用安裝任何交通設施與標線，交通設施與標線通過大數(shù)據(jù)終端發(fā)送至各行駛車輛，而且在AR世界里，設施也不會損壞，如果有需要修改的也只要遠程操作、不需要人到現(xiàn)場。想像下當我們行走在或者驅車行駛在路上。通過增強現(xiàn)實顯示器，信息化圖像將出現(xiàn)在您的視野之內，并且所播放的聲音將與您所看到的景象保持同步。這些增強信息將隨時更新，以反映當時大腦的活動。在這篇文章中，我們將了解這項未來技術、其技術構成以及如何使用該技術。一、AR技術簡介現(xiàn)在有三個技術的熱詞，VR、AI和AR。VR是虛擬現(xiàn)實，AI是人工智能，AR是增強現(xiàn)實。增強現(xiàn)實技術，它是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，是把原本在現(xiàn)實世界的一定時間空間范圍內很難體驗到的實體信息（視覺信息，聲音，味道，觸覺等），通過電腦等科學技術，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗。真實的環(huán)境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間同時存在。增強現(xiàn)實技術，不僅展現(xiàn)了真實世界的信息，而且將虛擬的信息同時顯示出來，兩種信息相互補充、疊加。在視覺化的增強現(xiàn)實中，用戶利用頭盔顯示器，把真實世界與電腦圖形多重合成在一起，便可以看到真實的世界圍繞著它。增強現(xiàn)實技術包含了多媒體、三維建模、實時視頻顯示及控制、多傳感器融合、實時跟蹤及注冊、場景融合等新技術與新手段。增強現(xiàn)實提供了在一般情況下，不同于人類可以感知的信息。在這里我們主要介紹一下AR這一塊，現(xiàn)在AR的應用場景已經(jīng)非常豐富，比如輔助駕駛系統(tǒng)，有一些車已經(jīng)實現(xiàn)，在開車的過程中，不需要低頭去看儀表盤或者輔助的顯示系統(tǒng)，直接看著前方相應的導航信息、車況信息就可以了。還有大家耳熟能詳?shù)墓雀柩坨R、早期飛行員的飛行模擬訓練以及電影特效也是基于AR技術。AR的本質，就是在真實的視覺場景上疊加相應的數(shù)字化信息。比如谷歌眼鏡，你看到的是一個真實世界，但是上面會疊加很多的文本信息，疊加圖片信息，甚至是視頻或者音頻信息，主要目的是豐富你對世界的信息感知，可以把超出人類的視覺之外的一些信息疊加上來，加大信息的感知量。二、交通標識系統(tǒng)現(xiàn)狀分析目前，我國大部分近三十年興建的城市道路都已步入維護期，有待改造升級的老舊道路存量較大，而老舊道路又是標志標線存在問題最復雜和最典型的，所以對標志標線存在問題進行研究進而提出對應解決措施具有較強的必要性和緊迫性。交通標志標線的合理設置有助于駕駛員在道路上安全、快速的行駛，提高駕駛舒適度，緩解行車壓力，減少交通事故發(fā)生。但是，由于各種因素導致城市道路交通標志標線存在設置不合理等大量問題。本文將重點指出交通標志標線在設置中存在的問題，并結合實踐結果提出合理的解決措施，以減少因標志標線不合理的問題導致的交通事故發(fā)生率。1.道路交通標志標線在設置中存在的問題1.1相關管理部門利益沖突嚴重道路交通標志標線設置中存在很多問題的多個部門共同管理存在很大關系，每個管理部門都是一個相對獨立的系統(tǒng)，之間常常出現(xiàn)利益沖突，它們往往會為了本部門的利益，而不顧及整個交通系統(tǒng)的大局，最終導致交通標志標線設置存在問題突出。城市道路的交通標志標線主要由交通管理部門全權負責，可是交通標志標線的設置還是受到很多約束。以寧波為例，城市管理部門也有標志的管理權限，由此兩部門之間難免發(fā)生管理沖突，往往這種沖突沒有協(xié)調處理好時就會導致標志設置的不合理，如標志牌密度過高、位置布局不當?shù)取?.2標志牌雜亂，損壞嚴重部分路段的標志種類繁多，既有交通公路的標志，又有公安交警的禁令標牌，還有其它企業(yè)(如廣告、宣傳、策劃等)的自制標牌，相互間有重復、歧義及混亂的情形，缺乏統(tǒng)一性、合理性和適用性。交通標志牌埋置地點距離路肩過近，造成部分超寬車輛將標牌拉裂、拉壞，甚至拉倒，未能及時修復或更換，一些地方的標志已被銹蝕破壞，沒有及時更換。1.3標志牌位置不合理位置不利于警示效果發(fā)揮。有些警告標志設置位置過低，或者標志牌距離危險地點過近或者過遠，均不利于警示效果的發(fā)揮。選擇位置時考慮不周全。如哉計時考慮的不充分(如：懸臂式、門架式標志設置在人行天橋后面，被人行天橋遮擋)、自然條件的變化(如：路側綠化樹木的枝葉日益茂盛)等。標志牌排放順序不合理。對于并設的交通標志的排列順序，應按標志含義的重要性依次安排。實際設置過程中并沒有按眼動習慣，先上后下，先左后右的順序來設置警告、禁令、指示標志的順序［3］。1.4標志牌內容不合理信息量過大。在同一地點設置多個交通標志，駕駛員處理的信息過載，辨認時間過長，不易記憶和及時做出反應［4］。標志牌上漢字大小和內容多少不協(xié)調。道路信息更新不及時。如高速公路上增加互通后，原有標志內容沒有及時改變。1.5標線設置施劃不合理（1） 標線設置施劃不準確。標線的設置沒有考慮整個路網(wǎng)的交通狀況，只是考慮了某一條道路本身的一些交通特點，造成標線提供的信息不連續(xù)，例如在上一路段預告的信息在下一段中卻沒有了體現(xiàn)，造成信息斷鏈。（2） 標線設置施劃不規(guī)范。國標中對于標線的寬度、顏色等數(shù)字特性有明確的規(guī)定，然而在標線的設置施劃中卻存在很多不符合標準的問題，往往隨意盲目的設置。三、交通標識AR增強現(xiàn)實的概念AR增強現(xiàn)實是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的技術，按所用的方法分為物理增強現(xiàn)實和數(shù)學模型增強現(xiàn)實即計算機虛擬現(xiàn)實。物理增強現(xiàn)實就是對真實系統(tǒng)建立物理模型；數(shù)學模型增強現(xiàn)實就是運用計算機及相應的程序代碼表示實際系統(tǒng)，使之運行時與實際系統(tǒng)在邏輯上具有相同或類似的特性，從而可以用它來代替實際系統(tǒng)，彌補實際系統(tǒng)的不足之處，使之能夠替代現(xiàn)實，并且具有統(tǒng)一、靈活、易修改等特點、。具體來說，交通標識AR技術是運用現(xiàn)代計算機技術建立能夠替代實際交通標識系統(tǒng)的計算機模型的研究過程，該模型能夠實現(xiàn)現(xiàn)實交通系統(tǒng)的特性，還能根據(jù)各種條件及時靈活調整交通標識系統(tǒng)可。宏觀增強現(xiàn)實和微觀增強現(xiàn)實是根據(jù)交通標識模型的不同而對交通增強現(xiàn)實進行研究的兩種主要方法。根據(jù)交通宏觀參數(shù)來描述交通流狀態(tài)的模型是宏觀交通模型，它主要是針對車流整體。而側重模擬車輛個體運動狀態(tài)的研究方法則是微觀交通模型。若交通流的運行是通過流量一一密度關系來控制，流體運動的機制通過交通流的運動來處理，且模型不追蹤單個車輛處理，則主要應用在宏觀仿真中。典型的宏觀仿真問題有節(jié)假日出行，出入流量不對稱，則可以通過宏觀數(shù)據(jù)，及時調整虛擬車道線，合理分配道路資源。微觀仿真模型以單個車輛為描述對象，以跟車模型為基礎，追蹤每輛車的運動過程，在微觀模型中，每輛車的位置和當前速度是很重要的參數(shù)，在交通網(wǎng)絡環(huán)境中單個“駕駛員一一車輛元素”的動態(tài)變化是微觀模型的考察重點。在考察過程中，要遵循的二個規(guī)則：車輛移動的基本規(guī)則（跟車模型和換道模型）、信號約束規(guī)則和服務優(yōu)先規(guī)則。

四、AR交通標識系統(tǒng)在未來的道路交通中，現(xiàn)實將沒有標識標線，而標識標線通過車輛客戶端顯示器虛擬顯示。應用AR的交通標志系統(tǒng)依照實際的交通設施設計方法設計，采用三維增強現(xiàn)實技術，從人機功效學的角度，實現(xiàn)人、車、路三維互動建模，最大程度的逼真的重現(xiàn)現(xiàn)實，以保證最基本的沉浸感。目前國內外交通工程領域對交通標志的研究大多還局限在對標志外觀尺寸、顏色搭配、信息表述形式以及設施結構等方面，道路設計行業(yè)使用的交通標識標圖4.1：交通標志三維動態(tài)設計界面1.虛擬風擋系統(tǒng)線設計模塊也都停留在平面圖形庫水平。利用圖4.1：交通標志三維動態(tài)設計界面1.虛擬風擋系統(tǒng)使用虛擬風擋，你再也不用在霧霾天下死盯著前方交通指示牌，穿梭在繁華都市長長的堵車當中。因為整個前風擋除了會顯示車輛以及關鍵路況的信息之外，虛擬風擋還會顯示出與行車安全、生活便利以及娛樂資訊等相關的小貼士，圖4.2：圖4.2：虛擬擋風玻璃界面還會出現(xiàn)交管部門根據(jù)擁堵情況及時規(guī)劃線路的信息。虛擬風擋玻璃其實就是增強現(xiàn)實（AugmentedReality，之后簡稱AR）技術在汽車風擋上的應用。所謂AR技術，是通過攝像頭、GPS、羅盤以及傳感器等等通過處理器計算，將信息顯示在顯示屏上。簡單來說，就是在視線中的現(xiàn)實世界，加入虛擬的影像。在這一期間，人們需要學習如何去自動駕駛。出于人類最基本

2.虛擬標識系統(tǒng)圖4.3:虛擬標識標線系統(tǒng)的好奇心，只有了解和熟悉一項技術的應用，才會漸漸地去適應和相信。眼見為實，這一階段AR的加入會很好得讓人們體驗到自駕系統(tǒng)處理道路環(huán)境的過程及該過程中的樂趣，這樣駕駛的人才會感到更安全和舒適。虛擬擋風玻璃，它可以使用具有全息膜的組合器玻璃，同時該玻璃可以作為透鏡并反射特定的波長，于是人們可以通過擋風玻璃前面的組合玻璃來觀察投影視頻或交互界面。當然，伴隨著汽車2.虛擬標識系統(tǒng)圖4.3:虛擬標識標線系統(tǒng)“在日益復雜的世界中，高品質的信息將大大減輕司機的負擔，未來道路上將不會再有交通標識標線，全部用AR技術代替。通過AR技術，可以將虛擬提示信息直接移動到駕駛員視線中。在寬約為130cm和高約60cm的駕駛員視野截區(qū)內，AR可將全彩圖像的標識標線插入車輛前方300米的真實街景中。顯示內容不光局限于標識、標線、車速等信息，還會增加前方車輛的車況資料，以及自己的行車虛擬路線等。仿佛是在玩一款賽車游戲一般。AR+汽車電子標識圖4.4：AR+汽車電子標識圖4.4：車輛信息顯示把汽車電子標識和智能交通的業(yè)務系統(tǒng)、AR技術相結合。面向交管，可以實現(xiàn)路口精準可視化管理、車道級流量采集及可視、相位配時效果自動評估、假套牌車輛稽查布控和機動車精準畫像等等。通過特勤可視化跟蹤，AR可以提高定位準確性，可視化特勤信息展示和高低聯(lián)動、自動跟蹤。另外是路口精準可視化管理，特殊車輛實時報警，信號自動協(xié)同放行。通過AR技術和汽車電子標識技術在智能交通的融合應用，逐步探索一種新型的城市智能交通治理模式，使用AR為廣大的安保人員和交通指揮人員帶來一種所見即所得的全新調度、指揮體驗。AR+無人駕駛汽車

圖4.5:AR無人駕駛汽車把AR技術與無人駕駛汽車相結合，是通過車載AR系統(tǒng)感知道路環(huán)境，將周圍環(huán)境由實際逆向轉變?yōu)樘摂M，通過計算機自動規(guī)劃行車路線并控制車輛到達預定目標的智能汽車。它是利用車載AR圖4.5:AR無人駕駛汽車和速度，從而使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛，集自動控制、體系結構、人工智能、視覺計算等眾多技術于一體，是計算機科學、模式識別和AR智能控制技術高度發(fā)展的產(chǎn)物。五、入日交通標識系統(tǒng)的應用精細化交通管控AR交通標識系統(tǒng)根本目的是為了實現(xiàn)城市精細化交通管控。對于城市的交通管理和出行人員來說，以往更關注交通宏觀態(tài)勢，比如在交管或者交運的指揮中心、里面，看到更多的是整個城市的交通路網(wǎng)動態(tài)情況?，F(xiàn)在很多人也養(yǎng)成了這個習慣，出行之前打開地圖，查詢一下目的地周邊道路交通狀況，所以我們更多的是關注宏觀的態(tài)勢。對于城市交通管理人員來說，他還需要解決一些交通微觀問題，例如看到這條路是紅色的，是擁堵的，但是它為什么擁堵？是怎么發(fā)生的？發(fā)生了之后怎么去解決它？能否在指揮中心，僅靠一群專業(yè)的人，一個特別好的產(chǎn)品或者工具，能夠快速的做出相應的判斷或處置預案，并且執(zhí)行。AR交通標識系統(tǒng)是從三個方面來解決微觀的交通管控問題。一個是看得見，第二個是看得懂，第三個是看得透。看得見，指路口信息可視化，交通態(tài)勢一眼通。交通信號相位時序、交通流量、路口過車信息、交通違章記錄和誘導信息。看得懂，管控系統(tǒng)集成，交通業(yè)務一手管。信號相位更改、標志標線誘導信息下發(fā)、車輛違章布控和交通警情監(jiān)測。看得透，警力可視加預案，指揮調度一站控。警力可視化、文本預案和可執(zhí)行預案。我們認為未來城市的智能交通的管理一定是宏觀和微觀相結合，地圖和實景的相結合。AR交通標識系統(tǒng)在節(jié)假日、高峰期時的應用如左圖所示，節(jié)假日、高峰期車流量巨大，往往會出現(xiàn)出入交通流量不相同，導致半幅車道擁擠，半幅車道車輛較少；如假期時，出城車輛數(shù)量極大，進

城車輛數(shù)量極小的現(xiàn)象。圖5.1:節(jié)假日高峰期擁堵針對這種情況，城市管理者可以用AR終端，及時調整進出線路車道數(shù)。調整后的車道信息數(shù)據(jù)通過云端平臺發(fā)布到各行駛機動車終端，通過圖5.1:節(jié)假日高峰期擁堵3.AR交通標識系統(tǒng)在救援時的應用3.AR交通標識系統(tǒng)在救援時的應用隨著城市的發(fā)展，人口越來越集中，大型公共場所人員密集程度加大，應急救援難度也隨之增大，當遇到車輛極度擁擠的情況時，想要打通一條救援通道十分困難，緊緊通過交警的疏導和救援車輛的鳴笛遠遠不夠。針對這種情況，城市管理者可以用AR終端，及時規(guī)劃一條救援通道。調整后的救援通道信息數(shù)據(jù)通過云端平臺發(fā)布到正在行駛的各行駛機動車終端，通過AR圖5.2:生命通道虛擬顯示 技術提前將車流分開，預留一條應急通道，該車道在車輛終端上將會警告顯示，救援通道禁止駛入的信息，從而大幅度提高救援速度。4.AR無人駕駛系統(tǒng)的應用通過使用AR無人駕駛汽車，人們通過智能手機使車輛自主運行，出行、接送朋友、泊車均可自動完成。該系統(tǒng)主要是利用車載AR系統(tǒng)來感知車輛周圍環(huán)境，并將感知所獲得的道路、車輛位置和障礙物信息，控制車輛的轉向和速度，從而使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛，集自動控制、體系結構、人工智能、視覺計算等眾多技術于一體，是計算機科學、模式識別和AR智能控制技術高度發(fā)展的產(chǎn)物。AR無人駕駛系統(tǒng)還有一種系統(tǒng)是牽引和穩(wěn)定控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)平時不太引人注目，通常只有出現(xiàn)不安全圖5.3：AR圖5.3：AR無人駕駛系統(tǒng)任何駕駛員的反應都靈敏。與防抱死制動系統(tǒng)不同的是，這些系統(tǒng)非常復雜，各系統(tǒng)會協(xié)調工作防止車輛失控。當汽車即將失控側滑或翻車時，穩(wěn)定和牽引控制系統(tǒng)可以探測到險情，并及時啟動防止事故發(fā)生。這些系統(tǒng)不斷讀取汽車的行駛方向、速度以及輪胎與地面的接觸狀態(tài)。當探測到汽車將要失控并有可能導致翻車時，穩(wěn)定或牽引控制系統(tǒng)將進行干預。這些系統(tǒng)與駕駛員不同，它們可以對各輪胎單獨實施制動，增大或減少動力輸出，相比同時對四個輪胎進行操作，這樣做通常效果更好。當這些系統(tǒng)正常運行時，可以做出準確反應。相對來說，駕駛員經(jīng)常會在緊急情況下操作失當，調整過度，而該系統(tǒng)會做出很準確的反應。六、AR交通標識系統(tǒng)的優(yōu)點減少各部門沖突運用AR交通標識系統(tǒng)后，標志標線的制定、實施均可采用后臺模擬，多部門聯(lián)合協(xié)調，由數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一整理并實施，各部門之間的沖突，均可在實施前得到系統(tǒng)性的協(xié)調，從而減少了各部門的沖突。對于部分路段的標志種類繁多，既有交通公路的標志，又有公安交警的禁令標牌，避免了相互間的重復、歧義及混亂的情形，使得標識具有統(tǒng)一性、合理性和適用性。標識標線虛擬現(xiàn)實化通過標識標線的虛擬現(xiàn)實化，標識標線將通過ar系統(tǒng)呈現(xiàn)，因此現(xiàn)實中將不需要安設標識標線，避免了標識標線的損壞。臨時增減標識標線也僅需在后臺輸入相關數(shù)據(jù)即可，大幅度降低了安設標識標牌的費用。標識標線位置、順序動態(tài)調整針對因選擇位置時考慮不周全，且排放順序不合理的標識，可以在后臺進行動態(tài)調整，標識標線可以根據(jù)時間段、環(huán)境因素、車流量、車速管控等相關因素動態(tài)調整，最大程度的發(fā)揮標識標線的作用。可實行精細化交通管控AR交通標識系統(tǒng)可以實現(xiàn)城市精細化交通管控。在節(jié)假日、高峰期車流量巨大時，可以根據(jù)出入交通流量不相同，及時調整進出線路車道數(shù)。從而解決節(jié)假日車輛擁堵狀況和大幅度提高道路使用效率。對于城市的交通管理人員來說，可以第一時間針對交通狀況，制定相關措施，措施指定后通過云端發(fā)送至車輛終端，誘導車輛行駛，從而保證交通的暢通。對于車輛用戶來說，能更好的享受道路路網(wǎng)服務。在搶險救援時，交通管理者可以提前通過后臺規(guī)劃出救援路線，車輛終端在收到救援路線信息時，通過標識標線的變化，會自動留出救援通道，保證救援通道的暢通。交通事故大幅度降低汽車逐漸成為市民日常出行代步工具的今天，駕駛員群體日趨龐大。據(jù)公安部交通管理科學研究所統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全