基于車路協(xié)同的行人過街主動安全預(yù)警系統(tǒng)

李海洋，曲大義，劉浩敏，王少杰，張可琨

(青島理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520)

城市道路交叉口是車流與人流的交匯點，是交通事故的多發(fā)區(qū)域。據(jù)統(tǒng)計，60%以上的交通事故發(fā)生在城市道路交叉口，而其中90%發(fā)生在信號過渡期間[1]。研究[2]發(fā)現(xiàn)，如果行人在綠燈變化前最后5 s內(nèi)開始過街，則在紅燈啟亮前幾乎無人能完成過街。如果行人在信號過渡期間過街，通常會出現(xiàn)行人未完全通過，而車輛已獲通行權(quán)并開始啟動，行人過街與車輛產(chǎn)生沖突，進而造成交通事故。在交通參與者中，行人是數(shù)量最多、范圍最廣的，也是交通系統(tǒng)中的弱勢群體[3]。交通事故中行人的傷亡人數(shù)約占交通事故傷亡總?cè)藬?shù)的20%，而行人過街過程中的傷亡人數(shù)則超過了其中的50%[4]。由此可見，信號過渡期間行人過街安全問題亟待解決。

針對行人過街過程中的人車沖突問題，國內(nèi)外學(xué)者設(shè)計了多種安全系統(tǒng)，以減少交通事故的發(fā)生。Jin等[5]設(shè)計了一種包含發(fā)光標志、發(fā)光二極管(LED)人行橫道燈、文字顯示、語音裝置的人行橫道安全系統(tǒng)；當出現(xiàn)超速車輛接近過街行人時，系統(tǒng)向車輛和行人雙方傳遞視覺和聽覺警示信息。Sowmiya等[6]為了減少行人在斑馬線處發(fā)生交通事故和死亡的情況，設(shè)計一種包括車廂模塊、傳感器模塊、交通燈模塊、電源模塊的智能車廂，有效保證了行人和車輛的安全。陸毅忱等[7]對行人和車輛運動狀況進行檢測，根據(jù)檢測情況進行信號控制，并增設(shè)物理隔離和語音提示裝置，改善行人過街安全性。陳澤等[8]針對行人反應(yīng)快于車輛制動的特性，建立了一種根據(jù)車速和信號控制方案不同，通過顯示不同燈色的斑馬線對車輛和行人進行雙向警示的安全警示系統(tǒng)。楊艷等[9]針對行人過街與車輛沖突現(xiàn)象，設(shè)計了一種以單片機為核心并且可進行光電、聲音雙重提示的安全裝置，以保證交通安全。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者在設(shè)計行人過街安全系統(tǒng)的過程中，對信號過渡期間的解決方案考慮不夠系統(tǒng)，尚未綜合考慮人車特性，另外在預(yù)警時沒有分車道精細化控制。為了解決信號過渡期間行人過街安全問題，同時兼顧人車特性，本文中設(shè)計一種基于車路協(xié)同的行人過街主動安全預(yù)警系統(tǒng)，在改進停車視距模型和行人過街安全心理模型的基礎(chǔ)上，提出考慮人車特性的車輛安全制動距離模型。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于車路協(xié)同的行人過街主動安全預(yù)警系統(tǒng)共分為4個模塊，即檢測模塊、控制模塊、預(yù)警模塊及無線通信模塊，如圖1所示。系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，每個交叉口安置1個主控、3個副控，布置在交叉口斑馬線盡頭處的行人等待區(qū)，從而覆蓋交叉口整個行人過街區(qū)域。系統(tǒng)具有行人檢測、車輛檢測、行人通過時間計算、系統(tǒng)內(nèi)無線通信、智能斑馬線變換燈色預(yù)警、語音警告等功能。

1.1 檢測模塊

檢測模塊包含車輛檢測和行人檢測2個部分。通過對行人和車輛雙重檢測，防止行人與車輛因信息不對稱而產(chǎn)生不安全問題。

1.1.1 車輛檢測

毫米波雷達通過發(fā)射電磁波并接收障礙物的反射波，可同時檢測多車道、多目標的物體信息，用于檢測交叉口各進口道停車線前是否有車輛停止。

采用視頻檢測的方式，并選擇目前應(yīng)用較廣泛的差分圖像法采集車速等信息。在交叉口進口道前預(yù)先設(shè)定視頻檢測區(qū)，并在視頻檢測區(qū)內(nèi)劃定一組虛擬線圈Loop 1、Loop 2，用于檢測車速，以實現(xiàn)類似傳統(tǒng)雙線圈檢測器的測速功能。

通過對所拍攝的視頻進行圖像差分分析，能夠得到車輛通過2個虛擬線圈Loop 1、Loop 2的平均速度。車輛檢測部分如圖2所示。

分別提取相鄰2幀圖像的特征，即統(tǒng)計相鄰2幀圖像的RGB(紅、綠、藍三原色)值，再對2個RGB統(tǒng)計值進行差分，可得車輛經(jīng)過Loop 1、Loop 2時產(chǎn)生的信號。圖像RGB統(tǒng)計值的差分dRGB[10]為

(1)

式中：f(x,y,t)為第t幀圖像點(x,y)處的像素值；RGB(·)為(x，y)處的紅、藍、綠色通道值以及灰度值的統(tǒng)計函數(shù)；M、N分別為圖像的長度、寬度。 車輛經(jīng)過Loop 1、Loop 2時產(chǎn)生的圖像差分信號能反映車輛經(jīng)過虛擬線圈的整個過程[10]，如圖3所示。

車輛通過Loop 1、Loop 2的平均速度va[11]為

(2)

圖1 基于車路協(xié)同的行人過街主動安全系統(tǒng)組成

圖2 檢測模塊中的車輛檢測部分

車輛到達、駛離Loop 1時的時間；車輛到達、駛離Loop 2時的時間。圖3 車輛經(jīng)過虛擬線圈Loop 1、Loop 2時產(chǎn)生的圖像差分信號輸出

根據(jù)各交叉口實際交通情況確定視頻檢測區(qū)中虛擬線圈劃定的位置，依據(jù)實際工程案例中的經(jīng)驗，虛擬線圈一般設(shè)置在停車線前40 m左右處。

虛擬線圈位置確定后，需要計算車輛從虛擬線圈到停車線剛好能夠安全停車的初始運行速度v0。v0由停車視距模型[12]反推得出，即

(3)

式中：S0為停車視距；t0為駕駛?cè)酥苿臃磻?yīng)時間，考慮到反應(yīng)遲緩的情況，取為2.5 s；g為重力加速度，取為9.8 m/s2；φ為潮濕系數(shù)，在較潮濕的情況下取為0.4；φ為粗糙系數(shù)，取為0.03～0.05。

由式(3)反推出車輛剛好能夠安全停車的初始運行速度v0后，通過比較v0與車輛駛過虛擬線圈的平均速度va，判斷車輛是否處于安全車速。

1.1.2 行人檢測

行人檢測是對整個區(qū)域多個目標進行檢測與跟蹤的過程，為了保證數(shù)據(jù)的精確度與可靠性，采用敏感度較高、測速測距精度相對較高的調(diào)頻連續(xù)波毫米波雷達。該雷達具有較強的抗干擾能力，能連續(xù)跟蹤測得多個目標的距離與速度。行人檢測部分如圖4所示。

圖4 檢測模塊中的行人檢測部分

由于雷達捕捉較敏感，因此需要剔除與行人相似的其他目標物[13]。在判斷目標物是否為行人時，設(shè)雷達到目標物頂端和底端的距離為l1、l2，雷達到目標物頂端和底端的夾角為α1、α2，可得檢測到的目標物高度h為

(4)

由于行人一般高度為0.7～2 m[13]，因此可將h與行人一般高度進行比較，判斷并剔除不在高度區(qū)間內(nèi)的目標，即非行人目標。

通過計算行人與雷達的相對距離可以確定行人所處的位置。行人與雷達存在相對運動時，距離的測算公式[14]為

(5)

式中：r為雷達與行人的相對距離；T為信號周期；c為光速；Δf-、Δf+分別為信號重疊后負向、正向調(diào)頻段的差頻信號頻率；ΔF為調(diào)頻帶寬。

在行人相對雷達的運動過程中，也可測算行人運動速度[14]，即

(6)

(7)

(8)

式中：Δf為發(fā)射信號和反射信號的頻差；f0為發(fā)射信號的中心頻率；vb為目標相對于雷達的運動速度；vp為行人運動速度。

通過檢測行人的位置與速度，可以精確掌握各車道前方行人狀況，與各車道檢測到的車速形成配合，可以針對不同車道的不同情況，進行分車道精細化預(yù)警控制。

1.2 控制模塊

控制模塊包含微控制單元(MCU)、行人信號剩余時間讀取、車速提取、行人運動檢測、智能斑馬線及語音提示樁控制6個部分。微控制單元以單片機為核心，讀取行人信號剩余時間，在綠燈剩余時間為10 s時開始工作。當檢測到行人存在過街意圖但是無法在剩余通行時間內(nèi)完成過街時，語音提示樁通過聲音預(yù)警，提醒行人無法通過。當行人無視語音預(yù)警，執(zhí)意過馬路時，智能斑馬線啟動，根據(jù)不同情況變換顏色對行人和車輛進行雙向預(yù)警。

為了判斷行人能否完成過街或抵達安全島，系統(tǒng)需要計算行人過街行程時間tp[15]，即

(9)

其中：Lc為單條車道寬度；k為車道個數(shù)；x′、y′分別為斑馬線左、右兩側(cè)行人個數(shù)；s為安全系數(shù)，一般取為5。

通過對比行人過街行程時間tp和行人綠燈剩余時間u，可判斷行人能否完成過街或到達路中央安全島。當語音預(yù)警無效，行人已在斑馬線上時，根據(jù)前方下一車道停車線前車輛狀態(tài)，智能斑馬線預(yù)警可分為3種情況，如圖5所示。

1)情況1。如果有車輛停止，則控制行人所在車道和前方下一車道前的斑馬線紅燈閃爍(見圖5(a))，從而防止當信號切換時，車輛駕駛?cè)艘蜃⒁饬Σ患衃16]或疏于觀察而起步，造成交通事故。

2)情況2。如果目前無車停止，并且有超過安全車速的車輛駛來，則控制前方下一車道前的斑馬線紅色預(yù)警(見圖5(b))，從而警告車輛和行人即將發(fā)生危險。

3)情況3。如果目前無車停止，并且有未超過安全車速的車輛駛來，則控制前方下一車道前的斑馬線黃色預(yù)警(見圖5(c))，從而警告駕駛?cè)撕托腥嗽谂袛喟踩那闆r下通過。

針對行人過街的全過程，控制模塊的控制流程如圖6所示。

u—行人綠燈剩余時間；tp—行人過街行程時間。圖6 基于車路協(xié)同的行人過街主動安全預(yù)警系統(tǒng)中控制模塊的控制流程

1.3 預(yù)警模塊

預(yù)警模塊包括語音提示樁和智能斑馬線，語音提示樁采用現(xiàn)有交叉口語音提示樁即可，可重新修改現(xiàn)有交叉口語音提示樁的控制程序，接入到系統(tǒng)。如果交叉口無語音提示樁，則可增設(shè)語音提示樁。

Rista等[17]通過研究LED嵌入式標志對司機收益率的影響發(fā)現(xiàn)，采用LED嵌入式標志是人行道、較小運行速度處提高司機收益率的有效處理方案。鑒于此，選擇LED燈作為智能斑馬線發(fā)光組件，并將智能斑馬線安裝于傳統(tǒng)斑馬線位置代替?zhèn)鹘y(tǒng)斑馬線。

考慮到在工程運用中，LED燈需要具有亮度高、易識別、壽命長、能耗低等特點，因此本文中選擇ND16系列LED高亮指示燈，效果如圖7所示。

圖7 ND16系列發(fā)光二極管高亮指示燈效果

根據(jù)國家標準GB 5768.3—2009《道路交通標志和標線》中的規(guī)定，斑馬線基本長度為3～5 m，每條寬度為45～60 cm，間距為60 cm。假設(shè)每條斑馬線的長度和寬度均取最小值，可以確定理想情況下斑馬線長度為300 cm，寬度為45 cm。

ND16系列LED高亮指示燈直徑約為3 cm，每條斑馬線中安置5列，LED高亮指示燈兩兩之間的間隔為5 cm，則每列需要布置300/(3+5)≈37個LED高亮指示燈，每條斑馬線需要安置37×5=185個LED高亮指示燈。

考慮到智能斑馬線在應(yīng)用過程中需要有防水和抗壓性能，因此在智能斑馬線表面密封安裝高強度鋼化玻璃，使智能斑馬線在保證透光性的前提下，具有很好的耐久性。同時，為了防止表面過于光滑造成行人和車輛打滑，對鋼化玻璃表面作防滑處理。

另外，考慮到LED高亮指示燈容易產(chǎn)生眩光，影響行人與車輛的視覺，因此對鋼化玻璃表面作防眩光(AG)處理[18]，即在高強度鋼化玻璃表面噴涂特殊化學(xué)制劑，使玻璃表面變?yōu)閱」饴瓷浔砻?。智能斑馬線結(jié)構(gòu)如圖8所示。

1.4 無線通信模塊

鑒于有線設(shè)備的鋪設(shè)需要破壞路面，為了減少施工并提高系統(tǒng)的智能化程度，選擇無線通信的方式進行系統(tǒng)內(nèi)部和區(qū)域范圍內(nèi)多個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，如圖9所示。

LED—發(fā)光二極管；I/O—輸入輸出。圖8 預(yù)警模塊中的智能斑馬線結(jié)構(gòu)

圖9 基于車路協(xié)同的行人過街主動安全預(yù)警系統(tǒng)中的無線通信模塊

無線通信主要通過物聯(lián)網(wǎng)(IoT)模塊進行，IoT模塊固化于系統(tǒng)內(nèi)部，通過通用異步收發(fā)傳輸器(UART)接口與單片機連接。通過IoT模塊實現(xiàn)交叉口處各分布的系統(tǒng)間信息交互，同時也在系統(tǒng)內(nèi)部各模塊間同步車輛、行人和信號方案等數(shù)據(jù)，保證整套系統(tǒng)的協(xié)同運行。系統(tǒng)中交換的數(shù)據(jù)包括信號方案剩余時間、車速信息、行人過馬路意圖、斑馬線上行人的位置及速度等。

2 考慮人車特性的車輛安全制動距離模型

在基于車路協(xié)同的行人過街主動安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計中，車輛檢測部分采用停車視距模型。結(jié)合實際工程案例發(fā)現(xiàn)，當車輛向行人駛來時，盡管能夠停在行人前方，但是會導(dǎo)致行人表現(xiàn)出變速、轉(zhuǎn)向等隨機性突出的行為，易產(chǎn)生安全問題?，F(xiàn)有的停車視距模型僅考慮了道路因素和車輛特性，沒有考慮行人特性，因此本文中綜合考慮車輛和行人特性，構(gòu)建一種考慮人車特性的車輛安全制動距離模型。

2.1 車輛最小安全制動距離模型改進

最小安全制動距離是車輛能夠安全停車的最短距離，也稱為停車視距。停車視距模型如式(3)所示。現(xiàn)有的停車視距計算模型僅考慮了駕駛?cè)酥苿臃磻?yīng)時間，而實際制動過程中還涉及克服制動踏板自由行程、車輛制動蹄與制動鼓接觸的時間及駕駛?cè)思哟罅Χ炔认轮苿犹ぐ迨怪苿訙p速度達到最大的時間。制動的后2個過程雖然時間較短，但是也應(yīng)在模型建立過程中加以考慮。

t0—駕駛?cè)酥苿臃磻?yīng)時間，其中為制動意識時間，為制動行為時間；t1—制動減速度aj產(chǎn)生時間；t2—aj增大時間；t3—aj持續(xù)時間；t4—aj消除時間；O—坐標系原點；a—緊急制動信號接收時刻；b—制動踏板壓力p產(chǎn)生時刻；c—aj產(chǎn)生時刻；d—p最大時刻；e—aj最大時刻；f—p消失時刻；h—aj消除時刻。圖10 簡化的車輛制動過程

根據(jù)車輛制動過程，在式(3)所示停車視距模型的基礎(chǔ)上，同時考慮制動踏板自由行程、車輛制動蹄與制動鼓間隙、制動減速度上升時間以及道路縱坡等因素，提出停車視距的改進模型，即

(10)

2.2 行人安全心理制動距離建模

當車輛與行人發(fā)生沖突而需要制動時，如果僅滿足最小安全制動距離，則會因車輛過快而導(dǎo)致停車過于靠近行人，對行人產(chǎn)生巨大的心理沖擊[20]。由此可知，當車輛與行人發(fā)生沖突時，不僅要保證車輛的安全制動，還應(yīng)考慮行人的安全心理距離，防止車輛過快或停車過于靠近行人造成行人恐懼等情緒，進而產(chǎn)生冒進、回跑等無法預(yù)測的危險行為。

行人過街安全心理距離Lp[21]為

(11)

式中：vi為第i車道車速；n為車道個數(shù)；tr為行人反應(yīng)時間，平均值為1.8 s；Cs為到達車輛距行人的安全距離，取為3～5 m。

由于行人過街安全心理距離針對的是車輛不減速的情況，因此需要加入減速項進行修正。制動過程速度減小很快，忽略空氣阻力，由力的平衡方程可得車輛制動減速度aj為

(12)

式中δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，一般取為1.1～1.4。

研究[22]表明，行人對安全心理距離的要求還與車輛類型和大小有關(guān)。當面對不同車輛類型和外觀大小的車輛時，行人的安全心理距離為

(13)

式中：rs為行人面對不同車輛時的安全心理距離；K為行人的特征參數(shù)，與行人的性別、年齡、冒險行為傾向等因素有關(guān)，一般取值大于0；a0、b0分別為目標車身長度、高度；a*、b*分別為參考車輛的車身長度、高度。

(14)

2.3 考慮人車特性的安全制動距離建模

綜合改進后的停車視距模型和行人安全心理制動距離模型，根據(jù)不同地段行人與車輛對路權(quán)要求程度的不同和車輛與行人的通行需求不同，在保證安全的前提下，將兩者賦予不同的權(quán)重β，可得考慮人車特性的安全制動距離S為

(15)

其中β取值為0.5～1。為了保證車輛能夠安全制動并兼顧到行人的心理影響，同時又不使安全停車距離過大而失去實際意義，β的取值一般不小于0.5。

忽略常數(shù)項，并把式(14)中的vi用各車道的v0替換，可得考慮人車特性的安全制動距離模型，即

(16)

為了直觀地分析車輛初始運行速度v0和權(quán)重β對模型的作用，將其他因素取為定值，可得考慮人車特性的車輛安全制動距離曲面，如圖11所示。

v0—車輛初始運行速度；β—權(quán)重；S—考慮人車特性的安全制動距離。圖11 考慮人車特性的車輛安全制動距離曲面

3 模型對比分析

為了驗證所提出的考慮人車特性的車輛安全制動距離模型的合理性與安全性，通過數(shù)值計算，將該模型與停車視距模型、停車視距改進模型、行人過街安全心理制動模型進行對比分析。

為了便于比較，將除了車輛初始運行速度v0和權(quán)重外的其他所有參數(shù)進行統(tǒng)一的標定與取值。

考慮到反應(yīng)遲緩的情況，駕駛?cè)酥苿臃磻?yīng)時間取為2.5 s，制動力上升時間取為0.6 s，重力加速度g取為9.8 m/s2，在較潮濕的情況下潮濕系數(shù)取為0.4，粗糙系數(shù)取為0.04，道路縱坡度取為0，安全距離取為5 m；只討論行人穿越某車道的情況，車道個數(shù)n取為1，單條車道寬度Lc設(shè)定為3.5 m，行人過街步速vp取為一般標準速度1.5 m/s，行人反應(yīng)時間tr取為平均值1.8 s，到達車輛距行人距離Cs取為3 m，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)取為1.2，求得車輛制動減速度aj為3.6 m/s2，行人特征參數(shù)K按一般情況取為1；按普通小汽車外觀尺寸確定目標車身長度和高度分別為4.8、1.4 m，參考車輛的車身長度和高度分別取為5、1.6 m。

S0—停車視距；改進后的停車視距；Lp—行人過街安全心理距離；β—權(quán)重。圖12 不同權(quán)重時考慮人車特性的車輛安全制動距離模型求解的安全距離

綜上，通過對比不同權(quán)重時的考慮人車特性的車輛安全制動距離模型、停車視距模型、停車視距改進模型和行人過街安全心理制動距離模型，能直觀地說明所提出模型的合理性和安全性。

4 結(jié)論

本文中針對交叉口信號過渡期間行人與車輛產(chǎn)生沖突的現(xiàn)狀，基于車路協(xié)同理論，設(shè)計了一種行人過街主動安全預(yù)警系統(tǒng)，并針對現(xiàn)有停車模型未考慮對行人心理的現(xiàn)狀，提出一種考慮人車特性的安全制動距離模型，得到以下主要結(jié)論：

1)所設(shè)計的系統(tǒng)實時檢測行人和車輛的位置及速度，對行人與車輛的沖突進行分情況判別，針對不同情況運行不同的預(yù)警方案。通過語音提示樁對行人進行預(yù)警，通過智能斑馬線的啟亮紅色、紅色閃爍、啟亮黃色，對行人和車輛進行雙向預(yù)警，能夠有效減少行人與車輛的沖突，避免交通事故。

2)所提出的模型在改進車輛停車視距模型的基礎(chǔ)上，融合了行人安全心理距離和對車型影響的考慮，使得車輛制動安全性進一步改善，同時減小了制動過程對行人心理的沖擊。

本文中針對行人過街安全問題從理論和技術(shù)2個方面提出了優(yōu)化方案，為解決行人過街安全問題提供了新的依據(jù)。