面向無信號(hào)交叉口的車輛防碰撞預(yù)警系統(tǒng)

姚博 胡寶雨 鄒常豐

摘? 要：為改善車輛在通過無信號(hào)交叉口時(shí)交通事故頻發(fā)的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)研發(fā)出一種車輛防碰撞預(yù)警系統(tǒng)。本系統(tǒng)由采集子系統(tǒng)、核心處理子系統(tǒng)、車載預(yù)警子系統(tǒng)組成，采集子系統(tǒng)用于采集車型等基本信息，以及行駛速度等實(shí)時(shí)信息，核心處理子系統(tǒng)針對(duì)不同車型做出相應(yīng)車輛行駛安全橢圓，預(yù)測(cè)車輛行駛軌跡，并根據(jù)各車輛的車輛行駛安全橢圓重合面積判定沖突等級(jí)，車載預(yù)警子系統(tǒng)則通過語音播報(bào)的形式，向駕駛?cè)藗鬟f對(duì)應(yīng)等級(jí)預(yù)警信息。本文所述系統(tǒng)能夠?yàn)轳{駛?cè)祟A(yù)報(bào)潛在的沖撞風(fēng)險(xiǎn)，在鄉(xiāng)村道路等情況復(fù)雜的交通條件下確保車輛的安全通行，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：交通安全? 碰撞預(yù)警? 無信號(hào)交叉口? 沖突等級(jí)

中圖分類號(hào)：U491? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）09（b）-0008-06

Abstraction： In order to improve the present situation that traffic accidents take place frequently when vehicles passing the unsignalized intersections， this paper put forward a kind of early warning system which can prevent collisions among vehicles. This system is consist of acquisition subsystem， core processing subsystem and vehicle early warning subsystem， acquisition subsystem is used to collect basic information such as vehicle type and real-time information such as speed， core processing subsystem make corresponding vehicles traveling safety ellipse in the light of different vehicle types， forecasts vehiclestraveling routes， and determine the degree of collision according to the overlapped area of vehicles traveling safety ellipse among vehicles， vehicle early warning system passes on the corresponding grades early warning information to the drivers by voice. The system which introduced by this paper has the ability to predict potential risk of collision， ensure safety passage of vehicles when facing complex traffic condition such as rural roads， has a wide application prospect.

Key Words：Traffic safety; Early warning system for preventing collision; Unsignalized intersection;The grade of collision

近些年來，隨著我國(guó)社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，我國(guó)汽車保有量在不斷增加。據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，截至 2014 年 11 月 27 日，我國(guó)機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藬?shù)量突破 3 億大關(guān)，位居世界第一，其中汽車駕駛?cè)?2.44 億人;全國(guó)民用機(jī)動(dòng)車保有量達(dá) 2.64 億輛，數(shù)量?jī)H次于美國(guó)，居全球第二位[1]。由此帶來交通問題也日益增加，我國(guó)道路交通事故數(shù)、死亡人數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)在20世紀(jì)90年代后的增長(zhǎng)速度極為明顯，在 2002 年左右達(dá)到最高峰，隨后幾年呈現(xiàn)逐步改善的趨勢(shì)，事故起數(shù)，死亡人數(shù)等逐年下降，但自2016年始，相關(guān)指標(biāo)又有逐步上升的趨勢(shì)，仍需要多加關(guān)注[2]。

在我國(guó)所有的交通事故中，約有60%發(fā)生在交叉口或交叉口附近[3]，干線無信號(hào)交叉口交通事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響道路網(wǎng)整體交通安全性[4]。以北京101國(guó)道為例，據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，2012年1月—2015年6月北京101 國(guó)道 57.4% 的交通事故發(fā)生在交叉口，其中以無信號(hào)交叉口居多[5]?？梢姡纳茻o信號(hào)交叉口綜合安全水平尤為重要。

在實(shí)際交通情況下的交叉口，假若駕駛?cè)四芴嵩?.5s 預(yù)知危險(xiǎn)，就可減少50%的追尾和交叉口碰撞事故，正面碰撞事故減少30%;假若早1s 預(yù)知危險(xiǎn)，就可避免90%的交通事故[6]。因此，使駕駛?cè)祟A(yù)知到可能發(fā)生的危險(xiǎn)是降低交通事故的有效措施。

為了改善無信號(hào)交叉口綜合安全水平，金陽[7]提出只對(duì)道路幾何線性進(jìn)行改變是不全面的，需要配以輔助系統(tǒng)。Marián Lamr等為了避免預(yù)警時(shí)間過早，造成駕駛?cè)苏`解，采用了多階段預(yù)警的方法分階段對(duì)駕駛?cè)诉M(jìn)行預(yù)警[8]。在2014年，劉明劍等提出了交叉路口道路時(shí)空網(wǎng)格車輛避碰算法[9]。將交叉路口劃分為多個(gè)網(wǎng)格，利用路側(cè)單元根據(jù)車輛當(dāng)前車速、方向預(yù)測(cè)車輛行駛軌跡即車輛所占的網(wǎng)格數(shù)，若在某一時(shí)刻兩車占用相同的網(wǎng)格則判定會(huì)發(fā)生碰撞。然而，無信號(hào)交叉路口廣泛存在于城鎮(zhèn)小巷、鄉(xiāng)村道路等情況較為復(fù)雜、變化較為多樣、相似度較低的地域，難以對(duì)于每一路口均作出符合實(shí)際，行之有效的網(wǎng)格劃分，較難對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)判。于是該系統(tǒng)的效果便不能很好地發(fā)揮出來。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，本系統(tǒng)主要由采集子系統(tǒng)、核心處理子系統(tǒng)、車載預(yù)警子系統(tǒng)3個(gè)部分組成。采集子系統(tǒng)分為路面信息采集模塊和車載信息采集模塊，用于采集道路上行駛的車輛的車型、整車長(zhǎng)、整車寬等車輛基本信息，以及行駛的速度等實(shí)時(shí)信息，將采集到的信息傳遞給核心處理子系統(tǒng);核心處理子系統(tǒng)接收采集子系統(tǒng)采集的信息，通過預(yù)判車輛行駛軌跡，作出相應(yīng)處理，將處理信息傳遞給車載預(yù)警子系統(tǒng);車載預(yù)警子系統(tǒng)接收核心處理子系統(tǒng)的處理信息，通過語音播報(bào)的形式將預(yù)警信息告知駕駛?cè)?，?guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2? 采集子系統(tǒng)

采集子系統(tǒng)在交叉口各個(gè)進(jìn)口道均進(jìn)行安裝，由路面信息采集模塊和車載信息采集模塊兩部分組成，兩模塊相互協(xié)作，共同完成信息采集任務(wù)。

2.1 路面信息采集模塊

如圖2所示，路面信息采集模塊設(shè)置于距離交叉路口停止線50m處，由兩部分測(cè)速裝置組成，每部分測(cè)速裝置由兩組壓力管組成，兩部分測(cè)速裝置間隔5m，每組測(cè)速裝置中兩組壓力管相距0.5m。本文為使圖像清晰明了，示例中對(duì)車道寬度適當(dāng)縮小。

車輛行駛速度作為道路幾何線性等諸多要素共同作用于汽車的結(jié)果，是預(yù)測(cè)車輛行駛軌跡的一個(gè)重要參數(shù)[10]。路面信息采集模塊記錄車輛行駛經(jīng)過兩組測(cè)速裝置中壓力管的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，結(jié)合模塊裝置間的固定距離，以求得車輛行駛的速度、加速度。以車輛通過測(cè)速裝置時(shí)的平均速度近似代替通過該組測(cè)速裝置第二個(gè)壓力管時(shí)的瞬時(shí)速度，以車輛通過路面信息采集區(qū)域時(shí)的平均加速度代替車輛在該路段上行駛的加速度。通過路面信息采集模塊求得車輛在接近無信號(hào)交叉路口時(shí)在車道上的行駛速度、加速度的計(jì)算為：

其中：Vi表示車輛通過第i組測(cè)速裝置（i=1，2，下同）時(shí)的平均速度;△ti表示車輛通過第i組測(cè)速裝置前后兩個(gè)壓力管時(shí)間差的絕對(duì)值;ti'表示車輛通過第i組測(cè)速裝置中第一個(gè)壓力管的時(shí)刻;ti〞表示表示車輛通過第i組測(cè)速裝置中第二個(gè)壓力管的時(shí)刻;a表示車輛在該路段上行駛過程中的平均加速度;T表示車輛行駛通過前后兩組測(cè)速裝置中第二個(gè)壓力管時(shí)間差的絕對(duì)值。

2.2 車載信息采集模塊

車載信息采集模塊安裝于車輛本身，提供車輛車型基本信息，包括整車長(zhǎng)h、整車寬b、軸距l(xiāng)等;并采集車輛車輪轉(zhuǎn)向方向，轉(zhuǎn)向弧度Ф等實(shí)時(shí)信息。

3? 核心處理子系統(tǒng)

3.1 車輛行駛安全橢圓

提出車輛行駛安全橢圓的定義：如圖3所示，車輛在行駛過程中，以車輛車身中心為橢圓中心，車輛車身中心與車輛前方安全范圍最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離為半長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，車輛車身中心與車輛側(cè)方安全范圍最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離為半短軸長(zhǎng)度，做橢圓，該橢圓成為車輛行駛安全橢圓。

在此說明：由于小客車，中型車，大型車等在行駛過程中視距、視野、以及相同速度下的制動(dòng)距離具有很大差異，不同車型的所需的安全距離往往也不相同;同樣，對(duì)于任意車型，其在行駛過程中，縱向，即行駛方向上，橫向，即與行駛方向相垂直的方向上，所需要的安全距離也不盡相同。如表1所示，是本文對(duì)于不同車型所給定的車輛安全距離取值。

3.2 核心處理子系統(tǒng)工作步驟

核心處理子系統(tǒng)在接到采集子系統(tǒng)傳來的車輛行駛速度，加速度，轉(zhuǎn)向弧度等車輛實(shí)時(shí)信息，車輛整車長(zhǎng)，整車寬等車輛基本信息后，結(jié)合不同車型在行駛方向上、與行駛方向相垂直的法線方向上的安全距離、實(shí)際道路信息，預(yù)測(cè)出車輛行駛軌跡，模擬出車輛行駛安全橢圓在車輛通過交叉路口這一時(shí)間段內(nèi)任意時(shí)刻的具體位置，并與其他車輛的車輛行駛安全橢圓進(jìn)行比對(duì)。

如公式（4）所示，車輛在通過交叉口任意時(shí)刻時(shí)的具體方位，由位置向量N表示;以交叉口中央為原點(diǎn)，東西方向?yàn)閤軸，由西向東方向?yàn)閤軸正方向，南北方向?yàn)閥軸，由南向北方向?yàn)閥軸正方向，建立坐標(biāo)軸;位置向量N的取值與上文已求得的車輛速度v，車輛行駛加速度a，以及車輛整車長(zhǎng)h，車輛整車寬b，軸距l(xiāng)，轉(zhuǎn)向弧度Ф，所求車輛位置的具體時(shí)刻t相關(guān)。

交通事故是車輛之間激烈碰撞產(chǎn)生的，在二維時(shí)空上表現(xiàn)為車輛行駛軌跡之間的重合[11]，對(duì)于任意即將通過交叉口的車輛，通過比對(duì)其自身與其他車輛的車輛行駛安全橢圓，可以預(yù)測(cè)出車輛在通過交叉口的過程中，自身的車輛行駛安全橢圓與其他車輛的車輛行駛安全橢圓是否有重合，在有重合的情況下，重合面積的具體數(shù)值。并由此得出：該車輛在通過交叉口時(shí)，是否會(huì)交通事故，在預(yù)測(cè)發(fā)生交通事故的情況下，交通事故的具體程度。

如圖4所示，為核心處理子系統(tǒng)工作流程。

如表2所示，給定兩車輛之間沖突面積判定閾值表。此閾值表用于根據(jù)沖突面積判定沖突等級(jí)，此表表明：

若沖突面積為零，則預(yù)測(cè)車輛在通過交叉口過程中不會(huì)與其他車輛產(chǎn)生沖突，無需做出預(yù)警;若兩車輛沖突面積介于零與兩車型對(duì)應(yīng)判定閾值（查表獲得）之間，則預(yù)測(cè)車輛在通過交叉口過程中會(huì)與其他車輛產(chǎn)生沖突，沖突等級(jí)低;若兩車輛沖突面積大于兩車型判定閾值，則預(yù)測(cè)車輛在通過交叉口過程中會(huì)與其他車輛產(chǎn)生沖突，沖突等級(jí)高。

3.3 車輛行駛安全橢圓沖突等級(jí)舉例

列舉出若干個(gè)具有代表性，發(fā)生概率較高的案例，以兩輛車輛在交叉口的沖突作為示例，多輛車輛之間在交叉口的沖突原理與其相同，為使圖形表達(dá)清晰明了，不對(duì)多輛車輛在交叉口的沖突加以詳述。

如圖5所示，以箭頭表示車輛行駛方向，以虛線表示車輛行駛過的軌跡，以車輛重合處的陰影代表車輛行駛安全橢圓間的沖突面積。如圖5a所示，以小客車為例，車輛在通過交叉口的過程中，會(huì)與其它車輛產(chǎn)生沖突，預(yù)測(cè)將發(fā)生交通事故，沖突等級(jí)低（由于此時(shí)兩車輛行駛方向相同，為使圖形清晰明了，圖5a中用一箭頭代表兩車輛行駛方向）;如圖5b所示，以小客車為例，車輛在通過交叉口的過程中，會(huì)與其它車輛產(chǎn)生沖突，預(yù)測(cè)將發(fā)生交通事故，沖突等級(jí)高;在實(shí)際交通條件下，大貨車等大型車與小客車的行駛特性有很大不同，其安全距離也有很大差異，需要單獨(dú)考慮，如圖5c所示，以大貨車為例，車輛在通過交叉口的過程中，會(huì)與其它車輛產(chǎn)生沖突，預(yù)測(cè)將發(fā)生交通事故，沖突等級(jí)高;在實(shí)際交通條件下，部分交通事故發(fā)生于不同車型之間，不同車型的安全距離有明顯的差異性，需要單獨(dú)考慮，如圖5d所示，以小客車和大貨車之間的沖突為例，車輛在通過交叉口的過程中，會(huì)與其它車輛產(chǎn)生沖突，預(yù)測(cè)將發(fā)生交通事故，沖突等級(jí)高。