面向無信號交叉口的車輛防碰撞預警系統

姚博 胡寶雨 鄒常豐

摘? 要：為改善車輛在通過無信號交叉口時交通事故頻發的現狀，本文設計研發出一種車輛防碰撞預警系統。本系統由采集子系統、核心處理子系統、車載預警子系統組成，采集子系統用于采集車型等基本信息，以及行駛速度等實時信息，核心處理子系統針對不同車型做出相應車輛行駛安全橢圓，預測車輛行駛軌跡，并根據各車輛的車輛行駛安全橢圓重合面積判定沖突等級，車載預警子系統則通過語音播報的形式，向駕駛人傳遞對應等級預警信息。本文所述系統能夠為駕駛人預報潛在的沖撞風險，在鄉村道路等情況復雜的交通條件下確保車輛的安全通行，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：交通安全? 碰撞預警? 無信號交叉口? 沖突等級

中圖分類號：U491? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）09（b）-0008-06

Abstraction： In order to improve the present situation that traffic accidents take place frequently when vehicles passing the unsignalized intersections， this paper put forward a kind of early warning system which can prevent collisions among vehicles. This system is consist of acquisition subsystem， core processing subsystem and vehicle early warning subsystem， acquisition subsystem is used to collect basic information such as vehicle type and real-time information such as speed， core processing subsystem make corresponding vehicles traveling safety ellipse in the light of different vehicle types， forecasts vehiclestraveling routes， and determine the degree of collision according to the overlapped area of vehicles traveling safety ellipse among vehicles， vehicle early warning system passes on the corresponding grades early warning information to the drivers by voice. The system which introduced by this paper has the ability to predict potential risk of collision， ensure safety passage of vehicles when facing complex traffic condition such as rural roads， has a wide application prospect.

Key Words：Traffic safety; Early warning system for preventing collision; Unsignalized intersection;The grade of collision

近些年來，隨著我國社會的發展與進步，我國汽車保有量在不斷增加。據公安部統計，截至 2014 年 11 月 27 日，我國機動車駕駛人數量突破 3 億大關，位居世界第一，其中汽車駕駛人 2.44 億人;全國民用機動車保有量達 2.64 億輛，數量僅次于美國，居全球第二位[1]。由此帶來交通問題也日益增加，我國道路交通事故數、死亡人數等各項指標參數在20世紀90年代后的增長速度極為明顯，在 2002 年左右達到最高峰，隨后幾年呈現逐步改善的趨勢，事故起數，死亡人數等逐年下降，但自2016年始，相關指標又有逐步上升的趨勢，仍需要多加關注[2]。

在我國所有的交通事故中，約有60%發生在交叉口或交叉口附近[3]，干線無信號交叉口交通事故頻發，嚴重影響道路網整體交通安全性[4]。以北京101國道為例，據相關部門統計，2012年1月—2015年6月北京101 國道 57.4% 的交通事故發生在交叉口，其中以無信號交叉口居多[5]。可見，改善無信號交叉口綜合安全水平尤為重要。

在實際交通情況下的交叉口，假若駕駛人能提早0.5s 預知危險，就可減少50%的追尾和交叉口碰撞事故，正面碰撞事故減少30%;假若早1s 預知危險，就可避免90%的交通事故[6]。因此，使駕駛人預知到可能發生的危險是降低交通事故的有效措施。

為了改善無信號交叉口綜合安全水平，金陽[7]提出只對道路幾何線性進行改變是不全面的，需要配以輔助系統。Marián Lamr等為了避免預警時間過早，造成駕駛人誤解，采用了多階段預警的方法分階段對駕駛人進行預警[8]。在2014年，劉明劍等提出了交叉路口道路時空網格車輛避碰算法[9]。將交叉路口劃分為多個網格，利用路側單元根據車輛當前車速、方向預測車輛行駛軌跡即車輛所占的網格數，若在某一時刻兩車占用相同的網格則判定會發生碰撞。然而，無信號交叉路口廣泛存在于城鎮小巷、鄉村道路等情況較為復雜、變化較為多樣、相似度較低的地域，難以對于每一路口均作出符合實際，行之有效的網格劃分，較難對其進行準確的預判。于是該系統的效果便不能很好地發揮出來。

1? 系統設計

如圖1所示，本系統主要由采集子系統、核心處理子系統、車載預警子系統3個部分組成。采集子系統分為路面信息采集模塊和車載信息采集模塊，用于采集道路上行駛的車輛的車型、整車長、整車寬等車輛基本信息，以及行駛的速度等實時信息，將采集到的信息傳遞給核心處理子系統;核心處理子系統接收采集子系統采集的信息，通過預判車輛行駛軌跡，作出相應處理，將處理信息傳遞給車載預警子系統;車載預警子系統接收核心處理子系統的處理信息，通過語音播報的形式將預警信息告知駕駛人，規避潛在風險。

2? 采集子系統

采集子系統在交叉口各個進口道均進行安裝，由路面信息采集模塊和車載信息采集模塊兩部分組成，兩模塊相互協作，共同完成信息采集任務。

2.1 路面信息采集模塊

如圖2所示，路面信息采集模塊設置于距離交叉路口停止線50m處，由兩部分測速裝置組成，每部分測速裝置由兩組壓力管組成，兩部分測速裝置間隔5m，每組測速裝置中兩組壓力管相距0.5m。本文為使圖像清晰明了，示例中對車道寬度適當縮小。

車輛行駛速度作為道路幾何線性等諸多要素共同作用于汽車的結果，是預測車輛行駛軌跡的一個重要參數[10]。路面信息采集模塊記錄車輛行駛經過兩組測速裝置中壓力管的時間節點，結合模塊裝置間的固定距離，以求得車輛行駛的速度、加速度。以車輛通過測速裝置時的平均速度近似代替通過該組測速裝置第二個壓力管時的瞬時速度，以車輛通過路面信息采集區域時的平均加速度代替車輛在該路段上行駛的加速度。通過路面信息采集模塊求得車輛在接近無信號交叉路口時在車道上的行駛速度、加速度的計算為：

其中：Vi表示車輛通過第i組測速裝置（i=1，2，下同）時的平均速度;△ti表示車輛通過第i組測速裝置前后兩個壓力管時間差的絕對值;ti'表示車輛通過第i組測速裝置中第一個壓力管的時刻;ti〞表示表示車輛通過第i組測速裝置中第二個壓力管的時刻;a表示車輛在該路段上行駛過程中的平均加速度;T表示車輛行駛通過前后兩組測速裝置中第二個壓力管時間差的絕對值。

2.2 車載信息采集模塊

車載信息采集模塊安裝于車輛本身，提供車輛車型基本信息，包括整車長h、整車寬b、軸距l等;并采集車輛車輪轉向方向，轉向弧度Ф等實時信息。

3? 核心處理子系統

3.1 車輛行駛安全橢圓

提出車輛行駛安全橢圓的定義：如圖3所示，車輛在行駛過程中，以車輛車身中心為橢圓中心，車輛車身中心與車輛前方安全范圍最遠點的距離為半長軸長度，車輛車身中心與車輛側方安全范圍最遠點的距離為半短軸長度，做橢圓，該橢圓成為車輛行駛安全橢圓。

在此說明：由于小客車，中型車，大型車等在行駛過程中視距、視野、以及相同速度下的制動距離具有很大差異，不同車型的所需的安全距離往往也不相同;同樣，對于任意車型，其在行駛過程中，縱向，即行駛方向上，橫向，即與行駛方向相垂直的方向上，所需要的安全距離也不盡相同。如表1所示，是本文對于不同車型所給定的車輛安全距離取值。

3.2 核心處理子系統工作步驟

核心處理子系統在接到采集子系統傳來的車輛行駛速度，加速度，轉向弧度等車輛實時信息，車輛整車長，整車寬等車輛基本信息后，結合不同車型在行駛方向上、與行駛方向相垂直的法線方向上的安全距離、實際道路信息，預測出車輛行駛軌跡，模擬出車輛行駛安全橢圓在車輛通過交叉路口這一時間段內任意時刻的具體位置，并與其他車輛的車輛行駛安全橢圓進行比對。

如公式（4）所示，車輛在通過交叉口任意時刻時的具體方位，由位置向量N表示;以交叉口中央為原點，東西方向為x軸，由西向東方向為x軸正方向，南北方向為y軸，由南向北方向為y軸正方向，建立坐標軸;位置向量N的取值與上文已求得的車輛速度v，車輛行駛加速度a，以及車輛整車長h，車輛整車寬b，軸距l，轉向弧度Ф，所求車輛位置的具體時刻t相關。

交通事故是車輛之間激烈碰撞產生的，在二維時空上表現為車輛行駛軌跡之間的重合[11]，對于任意即將通過交叉口的車輛，通過比對其自身與其他車輛的車輛行駛安全橢圓，可以預測出車輛在通過交叉口的過程中，自身的車輛行駛安全橢圓與其他車輛的車輛行駛安全橢圓是否有重合，在有重合的情況下，重合面積的具體數值。并由此得出：該車輛在通過交叉口時，是否會交通事故，在預測發生交通事故的情況下，交通事故的具體程度。

如圖4所示，為核心處理子系統工作流程。

如表2所示，給定兩車輛之間沖突面積判定閾值表。此閾值表用于根據沖突面積判定沖突等級，此表表明：

若沖突面積為零，則預測車輛在通過交叉口過程中不會與其他車輛產生沖突，無需做出預警;若兩車輛沖突面積介于零與兩車型對應判定閾值（查表獲得）之間，則預測車輛在通過交叉口過程中會與其他車輛產生沖突，沖突等級低;若兩車輛沖突面積大于兩車型判定閾值，則預測車輛在通過交叉口過程中會與其他車輛產生沖突，沖突等級高。

3.3 車輛行駛安全橢圓沖突等級舉例

列舉出若干個具有代表性，發生概率較高的案例，以兩輛車輛在交叉口的沖突作為示例，多輛車輛之間在交叉口的沖突原理與其相同，為使圖形表達清晰明了，不對多輛車輛在交叉口的沖突加以詳述。

如圖5所示，以箭頭表示車輛行駛方向，以虛線表示車輛行駛過的軌跡，以車輛重合處的陰影代表車輛行駛安全橢圓間的沖突面積。如圖5a所示，以小客車為例，車輛在通過交叉口的過程中，會與其它車輛產生沖突，預測將發生交通事故，沖突等級低（由于此時兩車輛行駛方向相同，為使圖形清晰明了，圖5a中用一箭頭代表兩車輛行駛方向）;如圖5b所示，以小客車為例，車輛在通過交叉口的過程中，會與其它車輛產生沖突，預測將發生交通事故，沖突等級高;在實際交通條件下，大貨車等大型車與小客車的行駛特性有很大不同，其安全距離也有很大差異，需要單獨考慮，如圖5c所示，以大貨車為例，車輛在通過交叉口的過程中，會與其它車輛產生沖突，預測將發生交通事故，沖突等級高;在實際交通條件下，部分交通事故發生于不同車型之間，不同車型的安全距離有明顯的差異性，需要單獨考慮，如圖5d所示，以小客車和大貨車之間的沖突為例，車輛在通過交叉口的過程中，會與其它車輛產生沖突，預測將發生交通事故，沖突等級高。