一種面向車輛闖黃燈和處理兩難區問題的控制策略

劉潤喬， 韓加蓬

(山東理工大學 交通與車輛工程學院， 山東 淄博 255091)

我國新交通法規定：駕駛機動車違反道路交通信號燈通行的，一次記6分[1].此次規定黃燈表示警示，闖黃燈屬于違反道路交通信號燈通行.法規認定：黃燈亮時，只要機動車車身任何一部分已越過停止線，車輛可繼續通行，不定為闖黃燈.如沒過線則應剎車停住，哪怕越過斑馬線也要停住，只要停住就不處罰.

防止車輛闖黃燈不僅能提高交叉口的安全性，還能顯著減小車輛陷入兩難區的概率.兩難區是駕駛員在交叉口處既通不過也停不下的區域,即駕駛員在看到黃燈亮后既不能安全停在停止線上，又不能在不超速違規行駛的前提下順利通過交叉口，無論駕駛員選擇停還是行，在紅燈期間都將落在交叉口內[2].

迄今為止,國內外學者在黃燈時間調整和兩難區預警控制中獲得了大量研究成果.李克平等[3]在黃燈時間優化方面進行研究分析，提出適合中國國情的最小黃燈時間；張存保等[4]通過車路協同技術提出了降低兩難區概率的改善方法.本文對車載預警和黃燈控制進行深入研究，提出一種面向車輛闖黃燈和處理兩難區問題的控制策略.

隨著智能交通系統(ITS)的發展，安裝有中央處理器的信號燈可隨時變換時間，不再有信號燈倒計時顯示[5].為了讓駕駛員實時獲取信號燈的變換時間以及降低車輛闖黃燈和陷入兩難區事件的發生，本文設計車載預警控制策略，通過ZIGBEE實時獲得剩余綠燈時間T1和車輛到交叉口的距離S1，根據GPS實時測得車速v和制動減速度a，以及計算出的制動距離S，憑借以上參數對車輛是否將要闖黃燈進行實時監控和預警提示.此外還設計了黃燈控制策略，通過ZIGBEE實時獲取交叉口處車輛的位置、車速、排隊情況等信息，并根據交叉口處車輛的實際排隊情況和車速設定黃燈合理時間，并對黃燈結束期間還未離開交叉口的車輛進行黃燈延時控制，讓其順利通過交叉口.

1 車載預警控制策略

1.1 車載預警系統

車載預警可有效降低車輛闖黃燈事件的發生，進而減小車輛陷入兩難區的概率.

車載預警系統結構如圖1所示，主要包括ARM微處理器、GPS模塊、ZIGBEE無線通信模塊、交通信息檢測模塊、報警模塊以及顯示模塊等.

圖1 車載預警系統結構示意圖

車載系統的控制中心采用32位ARM嵌入式微處理器；GPS采用載波相位實時差分獲得多普勒觀測值，然后計算速度值，測速精度在0.03m/s左右；通過ZIGBEE實時獲取交叉口信號燈的變換時間，還可實時獲得車輛到交叉口的距離，該距離參數可通過交通信息檢測模塊中的環形線圈式車輛檢測器或視頻檢測器獲取，由ZIGBEE傳給車載系統.

1.2 制動距離和制動減速度分析

1．2．1 理論分析

圖2為駕駛員在接受了緊急制動信號后，制動踏板力Fp、汽車制動減速度ab與制動時間τ的關系曲線.

圖2 制動踏板力、汽車制動減速度與制動時間的關系曲線圖

整個制動過程可分為駕駛員反應時間τ1，制動器起作用時間τ2，持續制動時間τ3，放松制動器時間τ4四部分.

其中汽車的制動距離是指制動器起作用和持續制動兩個階段汽車駛過的距離.根據汽車理論知識，制動距離計算公式為[6]

(1)

整個制動過程的總制動距離為

(2)

式中：ua0是制動初速度，abmax是最大制動減速度.

實際制動過程中的最大制動減速度會隨著路面狀況的變化而變化.最大制動減速度為

abmax=φp·g

(3)

式中φp為峰值附著系數，不同路面的峰值附著系數見表1.

表1 不同路面的峰值附著系數

1．2．2 緊急制動和普通制動分析

(1)緊急制動時，要使車輛在一瞬間制動，需立即猛踩制動踏板，此時汽車的最大減速度可由式(3)得到，即

abmax=φp·g=0.7×9.8=6.86(m/s2)

(2)普通制動時，可以柔和地踩剎車使車輛平穩停住，通常制動減速度最大為3m/s2，否則會使乘客感到不舒服或發生危險，將其代入式(2)得

1．2．3 實際制動分析

實際制動時，交叉口處車輛速度v可通過GPS獲取，制動減速度a可通過短時間內速度變化率來獲得，即

(4)

式中：v1、v2分別表示前后時刻GPS測得的車速；Δt表示測量的時間間隔.

由式(2)可知，制動距離S為

(5)

式中：v為制動初速度，a為制動減速度.

1.3 最大剩余綠燈時間分析

由圖2可知整個制動過程的制動時間T為

(6)

普通制動時制動時間T≈5s，該制動時間即為車輛可能闖黃燈的最大剩余綠燈時間.

1.4 車載闖黃燈預警控制策略

通過ZIGBEE實時獲得剩余綠燈時間T1和車輛到交叉口的距離S1，根據GPS實時測得車速v和制動減速度a，以及求得的制動距離S，憑借以上參數對車輛是否將要闖黃燈進行實時監控.

但普通制動下車輛會緩慢制動，如果在黃燈啟亮之后以此制動狀態越過停止線，雖然新交通法規定只要停住就不罰，但可能會被認為沒有剎車停住而被誤判為闖黃燈.所以需對車輛進行緊急制動報警.

圖3 車載闖黃燈預警控制流程圖

2 黃燈控制策略

2.1 黃燈控制系統

黃燈時間的調整可顯著減小車輛進入兩難區的概率[7]，提高交叉口的安全性.

黃燈控制系統結構如圖4所示，該系統以AT89S52單片機為控制核心，通過ZIGBEE實時獲取交通信息檢測模塊采集的交叉口車輛位置、車速、排隊情況等信息，并將其傳給黃燈控制系統.

圖4 黃燈控制系統結構示意圖

2.2 黃燈合理時間模型

黃燈合理時間指黃燈亮時剛越過停車線的車輛完全通過交叉口的時間，之后的車輛在黃燈亮后安全停在停車線外.該時間為司機的反應時間、汽車通過交叉口的行駛時間和汽車減速停車的時間總和.

(7)

在無車輛排隊的情況下，黃燈合理時間為

(8)

在有車輛排隊的情況下，黃燈合理時間為

(9)

2.3 黃燈控制策略

通過ZIGBEE實時獲取交通信息檢測模塊采集的交叉口車輛位置、車速、排隊情況等信息.將交叉口處車輛的實際排隊情況和車速代入模型中，求出黃燈合理時間，并對黃燈結束期間還未離開交叉口的車輛進行黃燈延時控制，讓其順利通過交叉口.黃燈控制流程圖如圖5所示.

圖5 黃燈控制流程圖

2.4 算例分析

參數設置：

車長L=4.5m

交叉口的大小：S=15m

兩汽車間的距離：S1=2m

在有車輛排隊的情況下汽車的行駛速度：V=20km/h

在無車輛排隊的情況下汽車的行駛速度：V=40km/h

司機的反應時間：T1=0.7s

停車速度：V0=0km/h

(1)無車輛排隊的情況下

所以在無車輛排隊的情況下，黃燈合理時間T無=T1+T2=2.455s，如圖6所示.

圖6 無車輛排隊的情況下黃燈合理時間

(2)有車輛排隊的情況下

所以在有車輛排隊的情況下，黃燈合理時間T有=T1+T2+T3=4.93s，如圖7所示.

圖7 有車輛排隊的情況下黃燈合理時間

2.5 初值計算

進行程序編寫時，可選擇方式1作為其定時方式,即M1M2=01時，定時最大值為65.536ms.對于定時器來說，公式如下：x=M-(定時值/T),其中M為其最大計數值即2^16.單片機晶振為12MHz時，T=1μs.

若求出有車輛排隊的情況下黃燈合理時間為4.9s，進行程序編寫時可先設定時值為5ms，則x=2^16-5ms/1μs=EC78H，初值為EC78H，初值低8位78H寫入TL1，高8位ECH寫入TH1，再在原來5ms基礎上循環980次，用DJNZ條件指令作為循環語句，即可得到4.9s定時.

3 結束語

由于新交通法規定黃燈亮時未越過停止線的車輛要剎車停住，所以本設計只對綠燈亮時或黃燈剛亮起時車身任何一部分已過線的車輛進行相應的黃燈延長控制，其他情況應制動停車，不對其進行黃燈延時控制.

本次設計的車載預警控制和黃燈控制策略，算法簡單可行，車輛和信號燈參數的獲取具有實時性，符合實際路況的需求，能夠顯著降低交叉口車輛闖黃燈和處于兩難區事件發生的概率.

[1] 機動車駕駛證申領和使用規定(公安部令第123號)[Z].北京：中華人民共和國公安部, 2013.

[2] 陳雪峰,馬萬經.信號協調條件下交叉口兩難區仿真分析[J].交通科學與工程, 2011, 27(3): 87-93.

[3]李克平,楊佩昆,倪穎.城市道路交叉口信號控制中的黃燈問題[J].城市交通, 2010, 8(4): 67-72.

[4] 張存保,陳超,嚴新平.車路協同下信號控制交叉口兩難區問題改善方法[J].中國安全科學學報, 2012, 22(6): 86-91.

[5] 高云峰,胡華.有倒計時的信號控制交叉口的綠燈間隔時間[J].公路交通科技, 2013, 30(2): 99-103.

[6] 余志生.汽車理論[M]. 5版.北京:機械工業出版社, 2010.

[7] 錢洪波,韓皓.再論道路交叉口信號控制中黃燈信號問題[J].交通信息與安全, 2012, 30(5): 94-101.