基于環形線圈檢測的汽車防撞警報系統＊

燕姣，劉釗，李郁菡

（西安航空學院車輛工程學院，陜西 西安 710077）

前言

近些年，隨著人們水平的提高及飛速發展的公路建設，迅速增加了汽車的擁有量，交通事故發生的頻率也迅速增加，然而高速公路交通事故的形式為車輛追尾尤為凸顯，使個人及國家的損失極為嚴重。

鑒于高速公路上汽車追尾碰撞事故的比例日漸增多的情況，通過針對追尾交通事故分析，主要涵蓋由于駕駛員未能專心或疲勞駕駛導致不能與前車保持安全車距的兩種主要原因。因此愈發重視研究汽車的防撞系統。

汽車防撞系統屬于主動式車輛安全系統范圍，針對此方面的研究在國內外都備受關注，因此在研究成果方面也比較豐富。目前國內做的安全行車距離檢測儀大多安裝于汽車上，且基于車速傳感器、雷達、激光、聲納等技術，資金昂貴，并不是每輛車上配備了該防撞技術[1-7]，因而花費少、實用性高的基于線圈的事故黑點高速公路行車安全距離的檢測顯得更易推廣。

1 國內外安全評價技術的發展現狀

評價道路安全的指標主要有：①通過分析事故率及速度離散性間關系進行評價的方法；②通過分析具體沖突技術進行評價的方法；③通過分析速度差值進行評價的方法；④通過分析車頭時距進行評價的方法；⑤通過分析最小安全距離進行評價的方法。經過一系列比較分析得出，本文擇選最小安全距離（Minimum Safety Distance Equation, MSDE）為研究的安全性指標，其計算公式如下[8-13]：

針對以上公式各項目解析：前車車速（mph）為VL；后車車速(mph)為VF；車頭時距(s)為h；后車感知和反應的時間(s)為PRT；路面摩擦力系數為f；道路縱坡為g。然而PRT=t1+t2+t3。分別為：后車駕駛員感知反應時間為t1；抬腳至制動生效時間為；制動開始到制動結束時間t3。

表1 不同路面的附著系數（f）

通常情況下，當時的氣象條件、駕駛員的心理及生理反映對t1有著決定性的作用，而車輛性能及駕駛員操作經驗決定著t2時間，高速公路的條件、氣象條件及車輛性能決定著t3時間。然而依據各項數據基于美國各州公路工作者協會的規定計算，0.18s 為t1，0.17s 為t2，1～1.15s 為t3，因此，PRT=2.5～3.0s。針對修正t1和t3需基于路面及特殊氣象條件進行。而在本文中將2.5 秒作為PRT 在車輛安全時距中的取值。路面摩擦系數f 取0.7，當出現下雨天氣摩擦系數為0.4，冰雪天氣摩擦系數修正為0.2。如下表1 所示。當增加后車車速、減小前車車速及減小車頭時距h 時MSDE 會隨之減小；而表示前后車輛在安全車距范圍內的為MSDE＞0 的時候；然而表示前后車沖破安全車距為MSDE≤0 的時候，由此可見，發生事故的風險性隨著逐漸增大的MSDE 值而隨之增加。

通常情況下，人們僅對前后車輛的速度差或前后車輛的距離單獨考量作為前后車輛事故風險性的考量。事故的風險性基于前后車距越小而增加時是針對前后車距單獨考量時的結果；而事故風險性基于前后車速差越大而增加時是針對前后車速差單獨考量的結果。然而將前后車距結合速度差同時考量為等效最小安全車距MSDE，該方法考量事故風險性是基于兩項因素結合的綜合性考量。

2 國內外定點檢測技術的發展現狀

通過上面的分析，需要通過一定的檢測手段調查經過某一點處的前車速度、后車速度及車頭時距，及該點處的摩擦系數。因而需要使用定點檢測技術。

檢測器目前在交通調查領域應用的范圍很廣，屬于機械調查技術的范疇，已經從在路段上設置真空管過渡到使用定點檢測器。最常用的定點檢測器基于電磁感應技術，其他的方法則分別應用了微波、雷達、光電管、超聲波以及攝影技術。這種方法能夠比較方便的直接獲得流量、流率、精確的車頭時距及占用率[11]。

目前的各種檢測技術日趨成熟，可靠性也有了顯著的提高。機械調查不受天氣的影響，幾乎適用于所有的交通條件。唯一的缺點是設備投資及施工費用高，但是一旦投入使用，節省了大量的人力資源，且獲取的信息量大，長遠效益高。

在檢測的過程中，一般使用成對的檢測器，例如一對的電磁感應線圈，將兩個線圈前后相隔數米埋設在地下，車輛經過兩個線圈時引起場強變化并將信號傳遞給信號處理器，處理器記錄車輛通過兩個線圈所使用的時間，用相隔的距離除以時間即可得到地點車速。

3 安全車距原理

圖1 檢測器布置圖示

圖2 兩個環形線圈檢測器圖示

本文的主要目的就是提供一種經濟效益高的基于環形線圈檢測的汽車防撞警報系統。主要的原理如上式（1）所示，對于上面的參數，前車速度和后車速度可以通過環線線圈地點車速很容易測量得到，通過相鄰數據的記錄可以得到車頭時距，后車感知反應時間PRT 取2.5s，路面摩擦系數取0.7，在雨天、雪天該系數可調至0.4 或更低，道路縱坡依據當時的道路環境進行設定。主要的原理圖如上圖1、2 所示，其中檢測線圈為A、B，紅色方塊表示警報器。

其中地點車速公式如下（2）所示[11,4]：

式中：

D——兩檢測線圈的距離（m）

[(ton)n]A——車輛n 被A 檢測器檢測到的起始時刻

[(ton)n]B——車輛n 被B 檢測器檢測到的起始時刻

其中車頭時距：

或者

式中：

ht,n+1——n+1 車與n 車的車頭時距

[(ton)n]A、[(ton)n]B——車輛n 被A、B 檢測器檢測到的起始時刻

[(ton)n+1]A、[(ton)n+1]B——車輛n+1 被A、B 檢測器檢測到的起始時刻

4 實驗模擬——在交通仿真軟件VISSIM(仿真建模工具)中實現

基于種類眾多仿真軟件，系統的仿真時擇選適合的交通仿真軟件尤為重要。其中TransModeler（多功能交通仿真軟件包）、SimTraffic、VISSIM、Corsim（交通仿真軟件）、MITSIM、Paramics（微觀仿真軟件）及AIMSUN（交通分析軟件）為常見的微觀交通仿真軟件。經過對比分析，由VISSIM軟件進行仿真分析被應用在本文。其內部的兩部分構成了VISSIM，信號狀態及檢測器數據兩部分基于接口進行信息交換。針對排隊長度及形成時間等統計數據利用VISSIM 可以離線傳輸，而且針對可視化交通運行狀況可在線生成。

在實際應用中，按鈕及軌道電路、環形線圈及視頻攝像等均屬于檢測行人及車輛的方法。不同的類型的檢測器由VISSIM 利用相同的方法進行模擬：通過路網元素且可定義其長度，由實現VISSIM 中的檢測器。兩個脈沖信號的產生分別為車輛檢測器和車輛后端分開、和前段接近的時候，信號控制器收到傳送的信號，讀取則是由信號控制程序進行。

4.1 基本參數的設置

（1）基本路段的設置

本文以雙向四車道高速公路為研究對象，輸入一段長度為1000m 的路段，道路寬度為3.75m，中央分隔帶寬度為3m。

圖3 基本路段的設置

（2）交通條件的設置

交通組成為car： HGV=7：3，路段輸入交通量為1000pcu/h/ln，司機為職業駕駛員。小汽車的期望車速為120km/h，大貨車的期望車速為90km/h。

（3）駕駛員行為參數的設置

基本車輛跟車行為模型為跟車模型。模型的參數隨著不同模型也有所不同。Wiedemann 99 及Wiedemann 74 為兩種跟車模型，與高速公路交通及城際道路適應的便是前者，而后者針對城市的內部道路交通較適用。本文是對高速公路的仿真，選擇Wiedemann 99 模型作為本文的跟馳模型。

圖4 交通組成的設置

圖5 駕駛員行為參數的設置

（本文不做交通管理控制，因而車輛行駛規則部分不做設置。）

4.2 闡述檢測器的定義

（2）針對檢測器需要設置的路段進行擇選。

（3）在路段上選定的位置單擊右鍵進行檢測器的創建，且將檢測器窗口打開，而默認5m 為新建檢測器的長度。

（4）針對檢測器屬性進行設置。

（5）最后點擊確定。

4.3 評價文件的設置

依次選擇：評價— 文件 —……數據采集—配置，生成的文件為MER 格式。

4.4 生成文件的導入

將生成的MER 文件導入EXCEL，生成如下圖6 所示的表格。

圖6 生成的檢測點文件（圖中顯示的是4 個檢測點的數據）

4.5 數據處理

（1）樣本量的確定

大量的數據是基于VISSIM 仿真而獲得的，將最小的樣本量確定以確保既節省時間計算又保證為有效的實驗數據。相應的置信區間基于數理統計原理需求滿足，由下公式估算觀測的車速樣本量：

最小樣本量為n；置信水平系數為K，3 為在本位中的取值；估計樣本的標準偏差為σ，8 為在本文中的取值；觀測的車速允許誤差值（km/h）為E，主要由車輛平均車速下精度的需求所決定，2km/h 為常規取值。

因此，在公式（5）中將數值代入得出：

200 為本位所選取的最小樣本量。

（2）開發數據處理系統

篩選大量的基于VISSIM 而生成的數據，若使用Excel計算，過程復雜且耗時，本文開發了VISSIM 數據處理系統（如下圖7 所示），在該系統中數據的計算利用VB（Visual Basic，編程軟件）編程實現。迅速且無誤的數據處理便是基于該軟件進行的，且近100 倍的速度提升。

圖7 為VISSIM 數據處理系統界面

圖8 為VISSIM 中設置檢測點的對話框

在該系統中可直接導入生成的數據，針對數據處理菜單欄點擊，對話框圖8 便會彈出。將道路摩擦系數、檢測起點及終點編號輸入到對話框中，在文中檢測點設置了4 個，因此1 為起點，4 為終點，0.7 為摩擦系數，依據實際情況設置道路縱坡，0 為此處的取值，200 為采樣個數。

處理該系統時，將系統的多余的數據自動刪除，并自動換算速度單位，車頭時距以及最小安全距離的計算，并提取出所有監測點的數據，詳情參考圖9。最后將所有監測點MSDE 平均值生成如圖10 的工作表。

圖9 （以檢測點1 為例）系統處理后的數據

圖10 各檢測點MSDE 的平均值

在VISSIM 仿真實驗中，檢測器相當于實際中的檢測器，可以看到在VISSIM 中可以實現對路段上某一點的安全檢測，因而證明環形線圈是可以用于汽車防撞警報系統檢測的。

5 實現系統模型的過程

汽車防撞系統已給定，相應的參數的設定基于各參數的取值方位及影響因素而定，依據不同的路面類型，在行駛過程中，道路及輪胎的附著系數基于表1 數據進行設定。在事故多發地點設置若干檢測線圈，線圈檢測出來的數據通過無線傳感設備上傳至數據庫，導入公式（1）后，可判斷是否為安全距離，小于安全距離的情況下，路旁紅色閃燈打開對駕駛員予以警告。隨著線圈技術的廣泛應用，記載的數據可廣泛用于交通調查，事故判斷等[1]。

6 結論

本文從安全評價的角度出發，結合國內外定點檢測技術的發展，設計出了基于環形線圈檢測的汽車防撞系統，并通過VISSIM 進行了測試。在事故多發地點設置若干檢測線圈，線圈檢測出來的數據通過無線傳感設備上傳至數據庫，導入安全距離公式后。當得到的數據小于安全距離的時候，路旁紅色閃燈打開對駕駛員予以警告。隨著環形線圈檢測技術的廣泛應用，記錄在數據庫的數據可廣泛用于交通調查，事故判斷等。