基于傳感器網的智能交通系統防追尾模型研究

李德杰

（徐州工程學院 信電學院，徐州 221008）

0 引言

近年來，高速公路上多發汽車連環相撞的特大事故，這些案例給我們帶來了沉痛的教訓。分析高速公路的事故類型，大多數為追尾碰撞事故。這是因為高速公路全封閉、立體交叉、具有中央分隔帶，所以車輛橫向碰撞、對面相撞及撞人的事故極少，但因車速高，在惡劣天氣下很容易發生制動側滑、甩尾或行車視距不足而導致追尾碰撞事故。我們必須設法遏制追尾碰撞事故的頻頻發生。

美國加利福尼亞大學的學者研究發現，追尾碰撞中的半數以上都能夠預防。日本學者研究指出，借助于預警使駕駛員提前制動，追尾事故數量可以減少62%，所以發展一種高速公路行駛車輛的追尾預警系統具有重要的意義。

1 防追尾預警系統概述

防追尾預警系統是一種現代信息技術和傳感器技術相結合的主動安全系統，是“基于傳感器網的智能交通系統”的子系統，主要用于追尾碰撞事故的警告與預防。

系統的關鍵是通過測距傳感器測定兩車的間距、相對速度和加速度等信息，因此必須正確選擇距離傳感器。目前常用的距離傳感器有超聲波測距儀、雙目攝像系統測距儀、毫米波雷達測距儀及激光雷達測距儀等四種，后兩種測距儀實時反應較快，故適用于在高速公路上作為測距儀。毫米波雷達測距儀及激光雷達測距儀能測出前后兩車之間的實際距離及相對車速，再加上后車的車速信息及制動減速度就可以確定前后兩車之間的臨界安全車距。所以，為了提高信息采集的可靠性，在考慮各種傳感器的綜合性能的前提下，采用多傳感器混合使用，同時注意傳感器的選取方式以及布局，并采用多種測距方式，保證各個傳感器的數據能準確地反映汽車實時的行車狀況。

控制單元負責安全車距的計算和危險等級的評估。首先通過對各車道中的信息，如前車速度或減速度、后車的加速度、兩車的間距及等參數及安全距離的分析建立數學模型，其次根據路面狀況(干/濕)、后面車速及相對車速，計算出臨界車間距離，當實測車間距接近安全臨界車間距離時，報警器發出警告信號。對不同程度的跟車距離，如安全跟車、跟車距離偏小、存在追尾危險等，發出不同等級的預警。

為了更準確地描述汽車的追尾碰撞事故與行車狀態的關系，在此將Petri網模型引入系統，建立Petri網模型并對模型進行分析，為系統的開發提供理論依據。

2 系統建模與分析

Petri網采用簡潔的幾何圖形元素用直觀的方法表述復雜系統，特別適合于描述動態變化、快速演化的，以及需要多次、多角度觀察，或者多人協作觀察的大型分布式的復雜系統行為， Petri網天然的異步并發特性，天生就是用來解決共享與協作問題的?；赑etri網的建模，能夠利用計算機實現對復雜系統的可視化建模仿真，提供針對系統模型的動態特性的仿真分析平臺。

2.1 系統建模的準備與假設

行車安全距離就是指在同一條車道上，同向行駛前后兩車間的距離(后車車頭與前車車尾間的距離)，保持既不發生追尾事故，又不降低道路通行能力的適當距離。當前車減速或后車超速時，相鄰兩汽車就有追尾的可能。通過對各傳感器監控的目標車輛進行實時監控避免汽車相撞。當然，行車安全距離受多種因素的影響，是動態變化的，可以在傳感器網動態監測相關參數的前提下經過計算得出，計算模型在文獻[4]中有具體描述。這樣，建立對應的Petri網模型，相應的監控預警問題可以描述為Petri網標識的線性不等式約束。

一個受控Petri網可以用一個有向圖表示，受控Petri網是一個五元組，形式化定義如下：Nc＝(P, T, F, C, B)。其中：

P是狀態庫所集，是一個有限非空集P={P1，P2，…，Pm}；

T是變遷集，是一個有限非空集T={T1，T2，…，Tn}；可控變遷集表示為Tc：= {t ∈ T | ?c ∈ C,(c, t) ∈ B}，不可控變遷的集合表示為Tu：= T-Tc。

F是一個有向弧集，F=P×T∪T×P, P和T還滿足P∪T=?，且P∩T≠?；

C是控制庫所集；

B ? (C×T)是控制庫所和變遷組成的二元組的集合。

在實際圖示中，庫所用圓圈表示；變遷用杠表示；帶箭頭的直線段表示有向弧，庫所與變遷之間用有向弧連接。

2.2 系統的Petri網模型

在路口或事故易發地段將每一條車道分為4個區段，每個區段為當前計算出的行車安全距離，限制每一區段只能出現一輛汽車，從而避免汽車追尾。

文獻[3]討論了不影響對象網運行的觀測器的設計方法并給出了一個應用示例，

本文據此給出一條車道相鄰4個區段（k-2、k-1、k和k+1）的Petri網模型，如圖1所示。

網內的1個token表示一輛汽車。網內的庫所排成4行4列。

每一行庫所對應描述汽車通過相應區段的一種行車模式：第一行庫所描述的行車模式是先加速后減速或停車；第二行庫所描述的行車模式是先加速后勻速通過；第三行庫所描述的行車模式是先勻速后減速或停車；第四行庫所描述的行車模式是勻速駛過整個區段。

每一列庫所對應描述一個區段：庫所p1、p2、p3和p4對應區段k-2；庫所p5、p6、p7和p8對應區段k-1；k是一個路口或事故易發地段，庫所p9和p10對應區段k；庫所p11和p12對應區段k+1。

變遷的激發有兩個含義：一是汽車離開其輸入庫所對應的區段，并駛入其輸出庫所對應的區段；二是汽車的行車模式切換為該變遷的輸出庫所對應的行駛模式。

p3中有一個token的含義是：一輛汽車勻速行駛至k-2區段逐漸減速或停車。

P10中有一個token的含義是：一輛汽車勻速行駛至k區段（一個路口或事故易發地段）逐漸減速或停車。

圖1 同一車道4個區段的Petri網模型

為了避免追尾，同一車道的每個區段最多出現一輛汽車，其對應的Petri網控制目標是一組廣義互斥約束：要求每列庫所的標識之和不超過1。

2.3 仿真試驗

在Matlab/ Simulink環境下進行本模型的仿真,設計結構圖如圖2所示。

圖2 仿真模型設計結構圖

由仿真的結果可以得出：前車剎車制動，兩車間距先是縮小，將至行車安全距離時，通過預警，后車平穩減速，兩車相對速度變化不是很劇烈；當前車停車時，后車還具有一定的速度，它將繼續減速至停車，并與前車保持一定的安全距離。

3 結論

本文對車輛追尾預警問題進行了研究，運用前后兩車的速度差與距離差的變化情況對可能發生的追尾進行預警，建立了Petri網模型，并用Matlab進行了仿真試驗。結果表明，通過預警，能有效地保證后車經過短暫的速度變化后與前車保持安全距離，避免碰撞追尾事故的發生，驗證了模型的正確性。

要說明的是，模型和仿真試驗都是在外界條件良好這一假設條件下完成的，沒有對整個系統受外界條件影響的情況進行更深入地分析，如天氣狀況和駕駛員的身體精神狀況等。系統還可以做以下方面的改進：提高傳感器精度；縮短系統動態響應時間；提高系統工作電源的穩定性和抗干擾性；改進系統軟件結構，減小系統累積誤差等。

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