基于安全距離和時(shí)空網(wǎng)格的交叉路口車輛防碰撞安全預(yù)警

摘" 要： 為保證交叉路口車輛行駛不出現(xiàn)碰撞問(wèn)題，提出一種基于安全距離和時(shí)空網(wǎng)格的交叉路口車輛防碰撞安全預(yù)警方法。將交叉路口劃分為多個(gè)網(wǎng)格，利用路側(cè)單元并根據(jù)車輛所占的網(wǎng)格數(shù)，初步判斷是否存在兩車共用同一網(wǎng)格的情況。若在某一時(shí)刻兩車占用相同的網(wǎng)格則會(huì)發(fā)生碰撞，故依據(jù)交叉路口車輛防碰撞安全距離，計(jì)算交叉路口前車未啟動(dòng)、前車勻速駕駛、前車均勻減速駕駛?cè)N工況的臨界行駛安全距離，結(jié)合此距離，將預(yù)警級(jí)別分為黃、綠、紅三級(jí)，進(jìn)行分級(jí)安全預(yù)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：采用所提方法后，交叉路口車輛均安全通行，能夠降低交叉路口車輛防碰撞安全預(yù)警的誤警率、預(yù)警虛報(bào)率，提高交叉路口車輛防碰撞安全預(yù)警精度。

關(guān)鍵詞： 車輛防碰撞； 交叉路口； 安全預(yù)警； 時(shí)空網(wǎng)格； 安全距離； 車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)； 多級(jí)預(yù)警提醒

中圖分類號(hào)： TN911.23?34； TP399" " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " 文章編號(hào)： 1004?373X（2024）10?0177?05

Vehicle collision prevention safety warning at intersections based on safety

distance and spatiotemporal grid

Abstract： In order to ensure that vehicles at intersections do not encounter collision issues， a collision prevention and safety warning at intersections based on safety distance and spatiotemporal grid is proposed. The intersection is divided into multiple grids， and roadside units are used to preliminarily determine whether there is a situation where two vehicles share the same grid based on the number of grids occupied by the vehicles. If two vehicles occupy the same grid at a certain moment， a collision will occur. Based on the collision prevention safety distance of vehicles at the intersection， the critical driving safety distance for three working conditions： the front vehicle is not started， the front vehicle is driving at a constant speed， and the front vehicle is driving at a uniform deceleration are calculated. In combination with this distance， the warning level is divided into three levels： yellow， green， and red， with graded safety warnings. The experimental results show that after adopting the proposed method， vehicles at intersections can safely pass through， which can reduce the 1 alarm rate and 1 alarm rate of collision prevention safety warnings for vehicles at intersections， and improve the accuracy of collision prevention safety warnings for vehicles at intersections.

Keywords： vehicle collision prevention; intersections; safety warning; spatiotemporal grid; safe distance; vehicle networking platform; multi level warning reminder

0" 引" 言

城市交叉路口是交通事故發(fā)生頻率最高的地方，這些交叉路口的交通流量很大，會(huì)影響車輛的駕駛安全和效率[1?3]。車聯(lián)網(wǎng)是目前處理交叉路口車輛安全駕駛問(wèn)題的核心技術(shù)[4]，已有大量關(guān)于車路協(xié)同碰撞預(yù)警問(wèn)題的研究成果。如文獻(xiàn)[5]在解決車輛碰撞預(yù)警問(wèn)題時(shí)，使用圖像處理技術(shù)檢測(cè)車道線，根據(jù)車速設(shè)定安全范圍。采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)視野中的車輛，當(dāng)車輛進(jìn)入不安全區(qū)域時(shí)發(fā)出碰撞預(yù)警。但該方法的圖像處理效果很大程度上依賴于環(huán)境條件，如光照、天氣、攝像機(jī)的角度等，在惡劣的天氣條件（如雨、雪、霧）或低光照條件下，預(yù)警性能可能會(huì)大幅下降。文獻(xiàn)[6]通過(guò)V2I通信，利用網(wǎng)聯(lián)信息獲取交叉口周圍車輛的定位信息，實(shí)現(xiàn)車輛碰撞感知與預(yù)警。雖然V2I通信技術(shù)已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但其在車輛碰撞預(yù)警中的應(yīng)用仍處于發(fā)展階段，技術(shù)成熟度有待進(jìn)一步提高。隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，V2I通信可能會(huì)面臨信號(hào)干擾和信道擁堵的問(wèn)題，這會(huì)影響通信的可靠性和實(shí)時(shí)性，導(dǎo)致車輛碰撞預(yù)警的實(shí)時(shí)性受到影響。

為優(yōu)化交叉路口車輛防碰撞安全預(yù)警的可靠性與實(shí)時(shí)性，本文提出一種基于安全距離和時(shí)空網(wǎng)格的交叉路口車輛防碰撞安全預(yù)警方法，計(jì)算車輛之間的安全距離，從而有效地預(yù)防車輛碰撞事故；其次，將交叉路口劃分為若干個(gè)時(shí)空網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格代表一定的時(shí)間和空間范圍，通過(guò)監(jiān)測(cè)車輛在時(shí)空網(wǎng)格中的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，可以初步判斷車輛運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，從而判斷是否存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，保障道路交通的安全和暢通。

1" 交叉路口車輛防碰撞安全預(yù)警方法

交叉路口是車輛進(jìn)出的關(guān)鍵點(diǎn)，研究交叉路口車輛防碰撞安全預(yù)警方法可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的沖突和危險(xiǎn)情況，向駕駛員提供預(yù)警提示，幫助車輛及時(shí)采取避讓或制動(dòng)等措施，保障行車安全。

基于安全距離和時(shí)空網(wǎng)格的交叉路口車輛防碰撞安全預(yù)警框架如圖1所示。

車輛防碰撞安全預(yù)警框架

圖1的預(yù)警框架中，車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)主要分為路側(cè)單元與車載單元[7?8]，單元之間主要通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。若車輛運(yùn)行至移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，車輛的車載單元便會(huì)與自身空間距離最小的路側(cè)單元連接，進(jìn)行信息通信。且車載單元和路側(cè)單元都具備單獨(dú)的電子標(biāo)簽，車輛能夠與其進(jìn)行預(yù)警信息定向通信。車輛實(shí)時(shí)感知信息主要通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至云端，云端計(jì)算分析車輛的時(shí)空網(wǎng)格信息、安全距離后，下發(fā)預(yù)警信息至車輛，進(jìn)行碰撞預(yù)警提示[9]。

1.1" 基于時(shí)空網(wǎng)格的車輛沖突分析方法

車輛沖突的時(shí)空特性明顯，即車輛沖突發(fā)生的時(shí)間和空間具有顯著的影響因素。基于時(shí)空網(wǎng)格對(duì)車輛沖突進(jìn)行分析，可以更好地理解和評(píng)估車輛沖突發(fā)生的規(guī)律和趨勢(shì)。

將道路網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)網(wǎng)格單元，每個(gè)網(wǎng)格單元代表一定的時(shí)間和空間范圍，通過(guò)統(tǒng)計(jì)和分析每個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)的車輛沖突數(shù)據(jù)，可以更好地識(shí)別車輛沖突的熱點(diǎn)區(qū)域和多發(fā)路段。交叉路口時(shí)空網(wǎng)格的構(gòu)建方法如下。

1） 結(jié)合車載單元實(shí)時(shí)采集的車輛時(shí)空數(shù)據(jù)，假如時(shí)空網(wǎng)格邊長(zhǎng)是[Z]，則車輛時(shí)空數(shù)據(jù)[R]轉(zhuǎn)換為正方形格子組建的時(shí)空數(shù)據(jù)網(wǎng)格[F]。

2） 按照設(shè)置的時(shí)序間隔數(shù)目[H]，將時(shí)空數(shù)據(jù)網(wǎng)格[F]中各個(gè)格子執(zhí)行均分處理，獲取[H]個(gè)時(shí)空網(wǎng)格，將車輛駕駛至交叉路口的時(shí)間點(diǎn)信息匹配至相應(yīng)的時(shí)空網(wǎng)格中。

時(shí)空網(wǎng)格示意圖如圖2所示。

利用此方法得到交叉路口時(shí)空網(wǎng)格轉(zhuǎn)換示意圖，如圖3所示。

圖3中，車輛行駛至交叉路口區(qū)域后，結(jié)合車輛在交叉路口時(shí)空網(wǎng)格中的占據(jù)比例，便可判斷車輛是否存在潛在碰撞的可能性，若多輛車輛同時(shí)在時(shí)空網(wǎng)格中占據(jù)1個(gè)或者1組網(wǎng)格，便可初步判斷此車輛存在碰撞概率。除此之外，車輛和車聯(lián)網(wǎng)的路側(cè)單元之間存在實(shí)時(shí)通信關(guān)系，車載單元實(shí)時(shí)采集車輛所在位置、所在網(wǎng)格、車速等信息傳輸至路側(cè)單元，路側(cè)單元將感知信息發(fā)送至云端，計(jì)算車輛的安全距離是否存在異常，若存在異常便將警報(bào)信息發(fā)送至車載單元，提醒駕駛?cè)薣10]。

1.2" 交叉路口車輛防碰撞安全距離建模

交叉路口車輛防碰撞安全距離的設(shè)置應(yīng)考慮具體的道路條件，如路面狀況、視線情況、交通標(biāo)志和信號(hào)燈等；同時(shí)，還應(yīng)考慮特殊環(huán)境因素，如雨雪天氣、山區(qū)道路等，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整安全距離。

在時(shí)空網(wǎng)格中，交叉路口車輛跟馳駕駛時(shí)，自車和前車之間的駕駛距離不可以小于兩車之間的臨界行車安全距離。圖4是交叉路口車輛防碰撞安全距離示意圖，其中，自車編碼為A，前車編碼為B。

圖4中：設(shè)置臨界行車安全距離與自車制動(dòng)距離分別是[C]、[rA]；前車制動(dòng)距離與前車停止駕駛時(shí)需保持的最小距離分別是[rB]、[c0]，則兩車的臨界行車安全距離計(jì)算公式為：

[C=rA+c0-rB]" " " " " "（1）

臨界行車安全距離不但受自車制動(dòng)距離影響，還受到前車的制動(dòng)距離所影響。前車的駕駛狀態(tài)對(duì)兩車的臨界行車安全距離存在直接干擾，則結(jié)合前車駕駛情況，從下述三種工況分析臨界行車安全距離。

1） 前車未啟動(dòng)

若前車未啟動(dòng)，其制動(dòng)距離[rB=0]。自車的制動(dòng)距離為：

式中：[bB]表示前車制動(dòng)速度最大值；[h1]、[h2]、[h3]分別表示駕駛員反應(yīng)耗時(shí)、車輛制動(dòng)器制動(dòng)協(xié)調(diào)耗時(shí)、減速度增長(zhǎng)耗時(shí)；[uA]表示自車車速。

車輛制動(dòng)過(guò)程如圖5所示。圖中，[h4]與[bmax]分別代表自車制動(dòng)持續(xù)時(shí)間與減速度最大值。

前車未啟動(dòng)的工況中，臨界行車安全距離為：

式中[uB]代表前車車速。

2） 前車勻速駕駛

前車勻速駕駛，假如[uAlt;uB]，則此交叉路口中車輛不會(huì)出現(xiàn)碰撞；假如[uAgt;uB]，則車輛減速時(shí)兩車減速值接近，存在碰撞的可能。假如輛車初始時(shí)刻的相對(duì)速度為：

[ur=uA-uB]" " " " " " " " "（4）

3） 前車均勻減速駕駛

1.3" 交叉路口車輛防碰撞安全預(yù)警級(jí)別劃分

通常根據(jù)潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重程度，將車輛防碰撞安全預(yù)警預(yù)警分為不同的級(jí)別，不同級(jí)別的預(yù)警可以根據(jù)情況確定不同的預(yù)警方式、預(yù)警時(shí)間和預(yù)警強(qiáng)度。

設(shè)置交叉路口某時(shí)段[h]自車速度是[uAh]，前車車速是[uBh]，前車位置是[Xh，Yh]。將交叉路口自車和前車之間距離[Oh]和臨界行車安全距離[C]與制動(dòng)臨界距離[C]進(jìn)行對(duì)比。

1） 若交叉路口[h]時(shí)段自車和前車之間距離不小于臨界行車安全距離[C]，表示前車不在自車預(yù)警范圍，預(yù)警裝置不動(dòng)作。

2） 若交叉路口[h]時(shí)段自車和前車之間距離未大于臨界行車安全距離[C]，但比制動(dòng)臨界距離[C]大，則前車處于自車的碰撞預(yù)警范圍內(nèi)，報(bào)警設(shè)備啟動(dòng)響應(yīng)。

2" 實(shí)驗(yàn)分析

2.1" 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用當(dāng)下交通領(lǐng)域使用較多的微觀交通模擬器VISSIM與網(wǎng)絡(luò)模擬器OMNET++搭建車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。微觀交通模擬器能夠模擬交叉路口微觀場(chǎng)景，網(wǎng)絡(luò)模擬器用以搭建移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)示意圖如圖6所示。

表1、表2分別為實(shí)驗(yàn)中交通交叉路口與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)條件。

2.2" 車輛防碰撞安全預(yù)警效果

表3所示為使用本文方法所得車輛防碰撞安全預(yù)警效果。

分析表3數(shù)據(jù)可知，本文方法對(duì)交叉路口車輛防碰撞安全預(yù)警的結(jié)果與實(shí)際需求預(yù)警狀態(tài)匹配無(wú)誤，證明了本文方法在不同交通流密度工況中，對(duì)交叉路口車輛防碰撞預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖7是使用本文方法后交叉路口車輛通行狀態(tài)。結(jié)合圖7實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，使用本文方法后交叉路口車輛均安全通行，未出現(xiàn)碰撞問(wèn)題。說(shuō)明本文方法可進(jìn)行準(zhǔn)確的交叉路口車輛防碰撞安全預(yù)警，從而保證交叉路口車輛通行狀態(tài)安全可靠。

綜合分析本文方法對(duì)交叉路口的車輛防碰撞預(yù)警效果，引入評(píng)價(jià)交叉路口車輛防碰撞安全預(yù)警效果的誤警率[θ]、預(yù)警虛報(bào)率[ρ]這兩個(gè)指標(biāo)，公式如下：

式中：[Ω1]、[Γ1]分別表示車輛發(fā)出預(yù)警時(shí)車輛出現(xiàn)碰撞的次數(shù)、預(yù)警提醒次數(shù)；[Ω2]、[Γ2]分別表示沒(méi)有預(yù)警提醒時(shí)交叉路口車輛碰撞次數(shù)、需要預(yù)警但沒(méi)有顯示預(yù)警的次數(shù)。

使用本文方法前后，交叉路口車輛防碰撞安全預(yù)警時(shí)的誤警率與預(yù)警虛報(bào)率如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，使用本文方法前后，交叉路口車輛防碰撞安全預(yù)警的誤警率、預(yù)警虛報(bào)率對(duì)比明顯，說(shuō)明本文方法能夠降低交叉路口車輛防碰撞安全預(yù)警的誤警率、預(yù)警虛報(bào)率，誤警率、預(yù)警虛報(bào)率的降低幅度明顯。

3" 結(jié)" 論

本文提出一種基于安全距離和時(shí)空網(wǎng)格的交叉路口車輛防碰撞安全預(yù)警方法，能夠?qū)④囕v時(shí)空信息轉(zhuǎn)換為時(shí)空網(wǎng)格狀態(tài)，計(jì)算車輛安全距離，并將時(shí)空網(wǎng)格的占據(jù)狀態(tài)與車輛安全距離相結(jié)合，準(zhǔn)確判斷車輛是否存在碰撞概率，從而發(fā)出預(yù)警，具有可用價(jià)值。本文研究可協(xié)助車輛安全行駛，在出現(xiàn)碰撞概率時(shí)發(fā)出警報(bào)。

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