一种车载终端、获取路口交通信号控制信息的方法及系统与流程

本发明涉及智能交通技术领域，尤其涉及一种获取路口交通信号控制信息的方法、一种车载终端以及一种包括该车载终端的获取路口交通信号控制信息的系统。

背景技术：

《道路交通安全法》第25条规定“全国实行统一的道路交通信号”，而国家强制标准《道路交通信号灯设置与安装规范(gb14886-2016)》和《道路交通信号控制机(gb25280-2016)》规定了交通信号灯组合显示方式、灯色转换顺序、控制条件和安全性能等要求。安装在路口的交通信号控制机用于控制和显示不同方向的交通信号灯，也用于控制倒计时显示器以及进口车道上的可变车道标志。目前国内大中城市用于的交通信号控制机基本上采用联网控制方式，即由中心级或区域级的交通信号控制系统远程控制和管理，但仅约20％的中小城市在部分交叉口使用了倒计时显示器，用于显示不同方向的红灯等候时间或绿灯剩余时间，因此在多数情况下，司机是无法知晓路口当前红灯等候时间或绿灯剩余时间。还有部分大中城市在一些特殊路口实施了可变车道实时控制，以适应某转向交通流量在某时段变化显著的情形，提高该路口的通行效率。

当前，物联网技术、车联网技术和人工智能技术发展迅速，未来的车联网技术将是智能交通系统的核心和基础，它将基于无线通信、传感探测等技术实现车路协同和信息交互，达到优化利用道路资源、提高道路交通安全的目的。

在车联网技术中，如何让汽车或驾驶员提前获知或准确识别前方路口交通信号控制信息(包括交通信号灯状态信息和可变车道指示标志状态信息)是关键所在，同时还应确保获得的信息是可信的和有时效的。目前国际上有多种形式的识别技术或信息感知技术被提出，这些技术包括视觉传感器识别技术、短程无线通讯技术以及4g移动互联网技术等。如谷歌、百度、特斯拉等企业采用了基于视觉传感器识别技术的摄像头+高精度电子地图，根据视频图像中红色、黄色和绿色的斑点数量和大小来识别和判断交通信号灯颜色(如谷歌公司于2013年获得的发明专利us9145140b2“一种用于检测交通信号及其关联状态的方法和设备”)。而苹果公司2014年获得的发明专利us20140129121a1“routingbasedondetectedstops(基于检测红绿灯规律的导航系统)”，则基于实时众包采集技术，通过收集和分析来自不同移动终端(iphone等)上传的交通出行数据，从而确定红绿灯的具体位置和状态，并计算路线上的红绿灯和路程时间，为用户提供最短路线以及显示目的到达地所需时间。这些技术和方法存在的缺点是：一是无法获得当前交通信号灯色剩余时间(国内外大多数路口的信号灯没有安装倒计时显示器，且视频摄像头难于准确识别每秒变动的倒计时数字)；二是恶劣天气条件下难于准确识别交通信号灯灯色状态。而国外基于车路协同技术获取交通信号灯状态的相关专利和应用均没有考虑安全认证机制。国内发明专利号201410157544.9“一种基于车路协同的城市平交路口车内信号指示系统”、发明专利201410306450.3“基于车路协同的发动机起停控制系统及其方法”、发明专利201210139864.2“具有快速通行提示功能的车路协同预警系统及其预警方法”、发明专利201610807902.5“一种基于车路协同技术的信号灯状态终端显示方法及系统”、实用新型专利201620739614.6“基于车路协同和4g网络的主动安全预警装置”以及赵士鹏等的学术论文“基于zigbee的车载交通信号灯状态采集系统设计”、烟台大学高祥硕士论文“车联网环境下信号交叉口通行方法研究”等，虽然均提出采用无线通讯实现路口交通信号灯状态信息的传输和接收，但是均没有考虑车载终端如何确保接收到交通信号灯状态信息是可信的，更没有提出实现路口可变车道标志状态信息的传输方法。

因此，如何安全的获取交通信号控制信息成为亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种获取路口交通信号控制信息的方法、一种车载终端以及一种包括该车载终端的获取路口交通信号控制信息的系统，以解决现有技术中的问题。

作为本发明的第一个方面，提供一种获取路口交通信号控制信息的方法，其中，所述方法包括：

与当前位置的路侧单元建立无线通信连接；

接收所述路侧单元周期性发送的经过数字签名的当前时刻的交叉口的各进口方向的交通信号控制信息；

根据当前车辆行驶方向筛选得到当前时刻的行驶进口方向的交通信号控制信息；

对所述经过数字签名的当前时刻的行驶进口方向的交通信号控制信息进行数字签名验证；

当所述数字签名验证通过时，确认当前时刻的行驶进口方向的交通信号控制信息可信；

显示所述当前时刻的行驶进口方向的交通信号控制信息。

优选地，所述交通信号控制信息包括交通信号灯状态信息、可变车道指示标志信息和时间戳信息，其中所述交通信号灯状态信息包括各进口方向编号、左转信号灯灯色、左转信号灯灯色剩余时间、直行信号灯灯色、直行信号灯灯色剩余时间、右转信号灯灯色及右转信号灯灯色剩余时间，所述可变车道指示标志信息包括各进口方向编号、可变车道当前指示方向、可变车道当前指示剩余时间及信息生成时间戳，左转信号灯灯色、直行信号灯灯色和右转信号灯灯色均包括红色、绿色和黄色。

优选地，所述方法还包括在所述显示所述当前时刻的行驶进口方向的交通信号控制信息的步骤后进行的：

当显示的当前灯色剩余时间≤5秒时，发出提示信号。

优选地，所述各进口方向的编号与所述交叉口所接入道路的条数相关。

作为本发明的第二个方面，提供一种车载终端，其中，所述车载终端包括：

无线通信模块，所述无线通信模块用于与当前位置的路侧单元建立无线通信连接；

接收模块，所述接收模块用于接收所述路侧单元周期性发送的经过数字签名的当前时刻的交叉口的各进口方向的交通信号控制信息；

信息筛选模块，所述信息筛选模块用于根据当前车辆行驶方向筛选得到当前时刻的行驶进口方向的交通信号控制信息；

安全模块，所述安全模块用于对所述经过数字签名的当前时刻的行驶进口方向的交通信号控制信息进行数字签名验证；

确认模块，所述确认模块用于当所述数字签名验证通过时，确认当前时刻的行驶进口方向的交通信号控制信息可信；

显示模块，所述显示模块用于显示所述当前时刻的行驶进口方向的交通信号控制信息。

优选地，所述车载终端还包括：

提示模块，所述提示模块用于当显示的当前灯色剩余时间≤5秒时，发出提示信号。

优选地，所述提示信号包括数字闪烁提示信号或声音预警提示信号。

优选地，所述无线通信模块包括dsrc通信模块、let-v通信模块或4g/5g通信模块。

优选地，所述显示模块包括汽车仪表盘或车载终端显示器。

作为本发明的第三个方面，提供一种获取路口交通信号控制信息的系统，其中，所述系统包括：

交通信号控制机、路侧单元和前文所述的车载终端；

所述交通信号控制机与所述路侧单元通信连接，所述交通信号控制机用于对交叉口的交通信号控制信息进行数字签名，并将经过数字签名的交叉口的交通信号控制信息发送至所述路侧单元；

所述路侧单元与多个所述车载终端无线通信连接，用于在所述交通信号控制机的控制下周期性向外发送经过数字签名的交叉口的交通信号控制信息。

本发明提供的获取路口交通信号控制信息的方法及系统，车载终端能够与路侧单元进行无线通信，且车载终端与路侧单元的数据交互的信息时经过数字签名认证的，从而能够避免“黑客”和“伪基站”发布虚假的交通信号灯状态等，以及避免视频识读在恶劣天气下的不准确的问题，提高了交互信息的可信度与安全性，因此车载终端能够安全的获取交通信号控制信息。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提供的获取路口交通信号控制信息的方法的流程图。

图2为本发明提供的车载终端的一种结构示意图。

图3为本发明提供的车载终端的另一种结构示意图。

图4为本发明提供的车载终端上路口交通信号灯状态显示方式示意图。

图5为本发明提供的获取路口交通信号控制信息的系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明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，并不用于限制本发明。

作为本发明的第一个方面，提供一种获取路口交通信号控制信息的方法，其中，如图1所示，所述方法包括：

s110、与当前位置的路侧单元建立无线通信连接；

s120、接收所述路侧单元周期性发送的经过数字签名的当前时刻的交叉口的各进口方向的交通信号控制信息；

s130、根据当前车辆行驶方向筛选得到当前时刻的行驶进口方向的交通信号控制信息；

s140、对所述经过数字签名的当前时刻的行驶进口方向的交通信号控制信息进行数字签名验证；

s150、当所述数字签名验证通过时，确认当前时刻的行驶进口方向的交通信号控制信息可信；

s160、显示所述当前时刻的行驶进口方向的交通信号控制信息。

本发明提供的获取路口交通信号控制信息的方法，车载终端能够与路侧单元进行无线通信，且车载终端与路侧单元的数据交互的信息时经过数字签名认证的，从而能够避免“黑客”和“伪基站”发布虚假的交通信号灯状态等，以及避免视频识读在恶劣天气下的不准确的问题，提高了交互信息的可信度与安全性，因此车载终端能够安全的获取交通信号控制信息。

具体地，所述交通信号控制信息包括交通信号灯状态信息、可变车道指示标志信息和时间戳信息，其中所述交通信号灯状态信息包括各进口方向编号、左转信号灯灯色、左转信号灯灯色剩余时间、直行信号灯灯色、直行信号灯灯色剩余时间、右转信号灯灯色及右转信号灯灯色剩余时间，所述可变车道指示标志信息包括各进口方向编号、可变车道当前指示方向、可变车道当前指示剩余时间及信息生成时间戳，左转信号灯灯色、直行信号灯灯色和右转信号灯灯色均包括红色、绿色和黄色。

需要说明的是，当所述数字签名验证不通过时，放弃当前时刻的行驶进口方向的交通信号控制信息

本发明提供的获取路口交通信号控制信息的方法中，在所述交通信号控制信息中设置有可变车道指示标志信息，使得车载终端通过获得该信息能够得知可变车道的状态，为驾驶员驾驶提供了方便。

进一步具体地，所述方法还包括在所述显示所述当前时刻的行驶进口方向的交通信号控制信息的步骤后进行的：

当显示的当前灯色剩余时间≤5秒时，发出提示信号。

具体地，本发明提供的获取路口交通信号控制信息的方法的详细步骤包括以下步骤：

(a)路侧交通信号控制机通过路侧单元(rsu)的无线通信模块周期性广播(发布)交通信号控制信息(包括交通信号灯显示状态、可变车道标志显示信息和时间戳等信息)和对应的数字签名信息；

(b)进入信号覆盖范围的汽车利用车载终端(obu)的无线通信模块接收相关信息，并利用行驶位置和方向等属性信息，过滤掉无效(或失效)信息，仅保留本进口方向i的交通信号控制信息等。如当前时间t-时间戳ts≥5秒时，则可将接收的信息判断为已超出时限的失效信息。

(c)行驶中的汽车通过车载终端的安全模块及其密钥进行安全验证，获得可信的交通信号控制信息，并在汽车仪表盘或终端显示器上匹配显示前方左转、直行和右转信号灯状态实时信息或可变车道标志状态信息，而对安全验证不成功的，则放弃已接收的信息；

优先地，所述车载终端的安全模块及密钥亦可直接使用公安机关正在推进的汽车电子标识芯片中现有的sm7国密安全算法和密钥。

(d)当信号灯灯色(相位)变化前数秒时，及时提醒汽车和驾驶员选择正确的操作方式行驶。其中：提醒方式包括在信号灯灯色变化前数秒(如实时显示的当前灯色剩余时间≤5秒)采用数字闪烁显示或声音预警提示。

(e)汽车离开路口后将过滤该路口交通信号控制机发出的信息，准备接收下一个路口发出的交通信号控制信息。

需要说明的是，所述各进口方向的编号与所述交叉口所接入道路的条数相关。例如，对于交叉口类型为t型或y型的，则上述进口方向i仅有三个，即i∈{1，2，3}；对于交叉口有5条道路接入的，则i∈{1，2，3，4，5}。

因此，本发明提供的获取路口交通信号控制信息的方法解决了目前车路协同v2i应用案例和专利中普遍存在的交互信息可信度问题，避免“黑客”和“伪基站”发布虚假的交通信号灯状态等，避免视频识读在恶劣天气下的不准确问题，使得车载终端能够获取路口交通信号控制机发出的、经数字签名认证的交通信号灯状态，为汽车和驾驶人掌握前方路口当前绿灯通行剩余时间和红灯等候时间以及可变车道标志状态等信息，作出正确的判断和驾驶操作，确保车辆运行安全。另外，针对不同路口信号灯设置现状，可按三种显示方式展示右转、直行和右转信号灯的相关信息，解决多相位信号灯状态显示问题。

作为本发明的第二个方面，提供一种车载终端，其中，如图2所示，所述车载终端30包括：

无线通信模块31，所述无线通信模块31用于与当前位置的路侧单元建立无线通信连接；

接收模块32，所述接收模块32用于接收所述路侧单元周期性发送的经过数字签名的当前时刻的交叉口的各进口方向的交通信号控制信息；

信息筛选模块33，所述信息筛选模块33用于根据当前车辆行驶方向筛选得到当前时刻的行驶进口方向的交通信号控制信息；

安全模块34，所述安全模块34用于对所述经过数字签名的当前时刻的行驶进口方向的交通信号控制信息进行数字签名验证；

确认模块35，所述确认模块35用于当所述数字签名验证通过时，确认当前时刻的行驶进口方向的交通信号控制信息可信；

显示模块36，所述显示模块36用于显示所述当前时刻的行驶进口方向的交通信号控制信息。

本发明提供的车载终端能够与路侧单元进行无线通信，且车载终端与路侧单元的数据交互的信息时经过数字签名认证的，从而能够避免“黑客”和“伪基站”发布虚假的交通信号灯状态等，以及避免视频识读在恶劣天气下的不准确的问题，提高了交互信息的可信度与安全性，因此车载终端能够安全的获取交通信号控制信息。

进一步地，如图3所示，所述车载终端30还包括：

提示模块37，所述提示模块37用于当显示的当前灯色剩余时间≤5秒时，发出提示信号。

具体地，所述提示信号包括数字闪烁提示信号或声音预警提示信号。

优选地，所述无线通信模块31包括dsrc通信模块、let-v通信模块或4g/5g通信模块。

优选地，所述显示模块36包括汽车仪表盘或车载终端显示器。

为了更加清楚的理解本发明提供的车载终端的工作原理，以下结合附图和具体实施例，并假设交叉口为十字路口，对本发明提供的车载终端作进一步地详细说明。

如图4所示，对应于国家标准gb14886-2016有关规定，显示方式a用于显示未分设左、直、右方向控制相位的路口信号灯状态信息，因此只显示一组圆盘信号灯和一个计时显示器；显示方式b用于显示设有独立的左转控制相位的路口信号灯状态信息，因此只显示1组圆盘信号灯、1组左转方向指示信号灯和2个计时显示器；显示方式c用于显示设有独立的左转和右转控制相位的路口信号灯状态信息，因此需显示1组圆盘信号灯、1组左转方向指示信号灯、1组右转方向指示信号灯和独立的3个计时显示器。

如图5所示，所述路测设备端主要包括道路交通信号控制机10和路测单元20，其中所述道路交通信号控制机10包括主控模块11、灯控模块12和第一通信模块13，所述路测单元20主要包括第二通信模块21，因此在路侧设备端：

首先，所述路侧交通信号控制机(rtsc)的主控模块11将当前进口方向i的交通信号灯状态信息/可变车道指示标志信息ssi、交通信号控制机设备编号id进行非对称加密运算，形成一个字符串dmi，即dmi＝ae(id，ssi，pkey)，

其中，ae为某个非对称加密运算函数，pkey为加密公钥，在交通信号控制机主控模块内置该加密算法和公钥；交通信号灯显示状态信息ssi＝{进口方向编号i，(左转信号灯灯色lci，灯色剩余时间rti¹)，(直行信号灯灯色sci，灯色剩余时间rti²)，(右转信号灯灯色rci，灯色剩余时间rti³)，信息生成时间戳tsi}，而可变车道标志显示信息ssi＝{进口方向编号i、可变车道当前指示方向ldi及剩余时间rti，信息生成时间戳tsi}。当某个转向信号灯无时，该转向的信号灯色lc和灯色剩余时间lt均设为零；无可变车道控制的路口交通信号控制机则不广播该信息。

其次，通过路侧单元(rsu)的第二通信模块21定期重复广播(发布)该交叉口各进口方向的经过数字签名的交通信号控制信息(即ssi和dmi)，持续2至5秒，然后返回重新产生当前交通信号控制信息。

由前文所述可知所述车载终端30的结构，因此在所述车载终端30端，具体的：

第一步，所述车载终端(obu)的无线通信模块31实时接收到路侧交通信号控制设备发出的信号并进行过滤处理和判断(如可根据车辆行驶方向以及路侧交通信号控制设备位置信息等判断)，仅接收前方进口方向i的交通信号控制信息(即ssi和dmi)；利用所述车载终端30的安全模块34内置的非对称密码算法和解密私钥rri_key，对接收到的信息进行数字签名安全验证，即其中，异或运算。当dm′i安全验证成功的，则解析得到的ssi和tsi是可信的信息；当dm′i安全验证不成功的，则放弃已接收的信息，重复第一步工作。

第二步，在所述车载终端30的显示模块36(泛指车载终端显示器或汽车仪表盘)匹配显示前方进口方向i的左转、直行和右转信号灯状态实时信息(包括当前灯色状态和灯色剩余时间)或可变车道标志状态信息(包括左转或直行或右转指示，以及剩余时间)。显示的当前灯色状态仍用“红”“黄”、“绿”表示，显示的某转向j的剩余时间δti^j为获取的灯色剩余时间-(当前时间t-时间戳)，j＝1，2，3分别表示左转、直行和右转)。例如，直行车道(j＝2)灯色剩余时间计算公式为：

直行车道灯色剩余时间

如果计算得到的可变车道标志灯色剩余时间δti^j≥100秒时，则δti^j取值99，即车载显示设备上最多显示99秒。

第三步，在所述车载终端(obu)的无线通信模块31在获得最新的交通信号控制信息dmi前，所述显示模块38每秒递减显示灯色剩余时间；否则返回第一步。

第四步，在当前灯色剩余时间≤5秒时，所述车载终端(obu)通过数字闪烁或声音预警提示等方式提醒驾驶员注意信号灯灯色转换、选择正确的驾驶操作；当前灯色剩余时间＝0时，自动更新显示下一步信号相位内容。

需要补充说明的是，对于交叉口类型为t型或y型的，则上述进口方向i仅有三个，即i∈{1，2，3}；对于交叉口有5条道路接入的，则i∈{1，2，3，4，5}。

关于本发明提供的车载终端的描述还可以参照前文的获取路口交通信号控制信息的方法的描述，此处不再赘述。

作为本发明的第三个方面，提供一种获取路口交通信号控制信息的系统，其中，如图5所示，所述系统1包括：

交通信号控制机10、路侧单元20和前文所述的车载终端30；

所述交通信号控制机10与所述路侧单元20通信连接，所述交通信号控制机10用于对交叉口的交通信号控制信息进行数字签名，并将经过数字签名的交叉口的交通信号控制信息发送至所述路侧单元20；

所述路侧单元20与多个所述车载终端30无线通信连接，用于在所述交通信号控制机10的控制下周期性向外发送经过数字签名的交叉口的交通信号控制信息。

本发明提供的获取路口交通信号控制信息的系统，车载终端能够与路侧单元进行无线通信，且车载终端与路侧单元的数据交互的信息时经过数字签名认证的，从而能够避免“黑客”和“伪基站”发布虚假的交通信号灯状态等，以及避免视频识读在恶劣天气下的不准确的问题，提高了交互信息的可信度与安全性，因此车载终端能够安全的获取交通信号控制信息。

具体地，安装于路侧的交通信号控制机10主要包括主控模块11、灯控模块12和第一通信模块13，所述路侧单元20主要包括第二通信模块21，所述车载终端30包括前文所述的结构。其中，所述交通信号控制机10通过第一通信模块13与路侧单元20的第二通信模块21进行网络连接和数据传输，通过所述灯控模块12，实现对各方向信号灯灯色状态的显示控制；所述路侧单元20与车载终端30的无线通信模块31进行无线通信和数据传输。

需要说明的是，所述交通信号控制机10的主控模块11除了包括传统的交通信号处理功能外，还存储有非对称加密算法、密钥和唯一的交通信号控制机设备编码。

优选地，所述路侧单元20可以集成嵌入交通信号控制机10中，以提高集成可靠性并节约设备成本。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。