基于車聯網的車輛與行人碰撞預警方法研究

吳宇通，張洪昌，曾 娟

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢430070）

1 引言

目前，由于車輛行業的不斷發展，車輛的人均保有量不斷增加，由此導致交通事故的發生率也隨之提升，因此，降低事故發生率成為了迫在眉睫的問題之一。俗稱的“鬼探頭”就是一種由于行人或非機動車從駕駛員視線盲區突然出現而駕駛員反應不及而導致的一種交通事故。數據顯示，2019年全國的交通事故中，有26%是由于行人或非機動車從駕駛員視野盲區出現所導致的，因而急需要一種預防措施來判斷發生碰撞的可能性，提醒駕駛員及行人從而減少甚至避免這樣的事故發生。

本文設計了一種采用遠程服務器、行人信息、行駛車輛信息以及道路信息之間進行交互的系統，計算并比較行人運動時間及車輛預算行駛時間能直觀且準確地判斷雙方是否能夠發生碰撞，從而對行人及駕駛員進行雙向預警，使得行人與車輛碰撞的風險大大降低。

2 方法總體設計

本文所使用的車輛與行人碰撞預警的方法流程如圖1所示，主要由車載信息獲取單元、行人信息獲取單元、道路信息獲取單元以及遠程服務器四個部分組成。首先通過所獲取的條件計算出預測碰撞點與測量起始點的距離，通過從車載信息獲取單元和道路信息獲取單元得到的車輛行駛速的差距對差值的大小2 s一級進行合理分級，以提醒行人及駕駛員對不同等級警報采取不同緊急程度的措施，避免出現過激或反應不及時的情況，從而有效提高車輛在道路上的行駛安全以及行人安全，有效降低交通事故發生率。

在本文所使用的車輛與行人碰撞預警的結構中，各部分的功能及介紹包括：用于獲取車輛、行人以及道路信息并進行交互的遠程服務器；裝載于行駛車輛上，用于獲取車輛速度、位置以及行駛方向，上傳至遠程服務器，并從中獲取行人及道路信息，具有預警功能的車載信息獲取單元；將軟件行駛裝在行人手機上，用于獲取行人速度、位置以及行進方向，上傳至遠程服務器，并從中獲取行人及道路信息，具有預警功能的行人信息獲取單元；裝載于道路兩側，用于收集附近道路信息并上傳至遠程服務器的道路信息獲取單元。結構流程如圖1所示。

圖1結構流程圖

3 碰撞預警模型建立

本文所使用車輛與行人碰撞模型如圖2所示，其中包含3個數學模型。

圖2車輛與行人碰撞模型圖

3.1 車輛運動時間運算模型

3.1.1 車輛首先經過限速牌的模型

當車輛檢測起始點與限速牌距離小于與減速帶之間的距離時，獲取道路及車輛相關數據后計算到預測碰撞點的行駛時間，行駛時間分為非道路影響行駛時間以及道路影響行駛時間，其中非道路影響行駛時間計算方法為：

t1+t2即為非道路影響行駛時間。

所述道路影響行駛時間分為3種工況。

第一種，當車輛在進入減速帶的減速區域尚未減速到限速牌的限定車速且在經過減速帶前能夠減速到限定車速時，計算方法為：

t3即為道路影響行駛時間。

則該種工況下車輛預算行駛時間為：

第二種，當車輛在進入減速帶的減速區域尚未減速到限速牌的限定車速，且在經過減速帶后還未減速到限速牌的限定車速時，計算方法為：

t3+t4即為道路影響行駛時間。

則該種工況下車輛預算行駛時間為：

第三種，當車輛在進入減速帶的減速區域前已減速到限速牌的限定車速時，計算方法為：

t3+t4+t5即為道路影響行駛時間。

則該種工況下車輛預算行駛時間為：

式（1）～（24）中：t1為車輛開始制動前勻速行駛的時間；t2為車輛在限速牌前減速到限速牌限定速度的制動時間；t3為車輛減速到限速牌限定車速后勻速行駛到減速帶減速區域前的時間；t4為車輛在減速帶減速區域的制動時間；t5為車輛經過減速帶后勻速行駛的時間；tc為車輛預算行駛時間；S為由于減速帶導致的由駕駛員操作習慣決定的制動點與減速帶之間的距離；S1為車輛經過減速帶后減速到限速牌限制速度的制動距離；X為減速帶與檢測起始點距離；V為即時車速；fi為減速帶減速系數；i取決于減速帶類型；Vc1為車輛與減速帶接觸后速度；Vc為車輛與減速帶接觸前速度；L為車輛檢測起始點與預測碰撞點的距離；fn為安全系數；V0車為車輛初速；a為制動時減速度；S安為安全距離；Y為限速牌與檢測起始點距離；A為由于限速牌導致的制動點與限速牌之間的距離；Vm為限速牌限定速度。

3.1.2 車輛首先經過減速帶的模型

當車輛檢測起始點與限速牌距離大于與減速帶之間的距離時，獲取道路及車輛相關數據后計算預測到預測碰撞點的行駛時間，行駛時間分為非道路影響行駛時間以及道路影響行駛時間，其中非道路影響行駛時間計算方法為：

t1+t2即為非道路影響行駛時間。

所述道路影響行駛時間分為3種工況：

第一種，當車輛經過減速帶后的車速小于限速牌限定車速時，計算方法為：

則該種工況下車輛預算行駛時間為：

第二種，當車輛經過減速帶后的車速大于限速牌限定車速時，計算方法為：

則該種工況下車輛預算行駛時間為：

公式（25）～（36）中：t1為車輛行駛到減速帶減速區域前勻速行駛的時間；Vc為車輛與減速帶接觸前速度；Vc1為車輛與減速帶接觸后速度；fi為減速帶減速系數；i取決于減速帶類型；S為由于減速帶導致的由駕駛員操作習慣決定的制動點與減速帶之間的距離；a為制動時減速度；V0車為車輛初速；t2為車輛在減速帶減速區域中減速的制動時間；t3為車輛經過減速帶后勻速行駛的時間；L為車輛檢測起始點與預測碰撞點的距離；S2為車輛經過減速帶后減速到限速牌限定車速的制動距離；t4為車輛經過減速帶并減速到限速牌限定車速后勻速行駛至預測碰撞點的行駛時間；tc為車輛預算行駛時間。

3.2 行人運動時間運算模型

本文采用的行人運動運算模型，通過獲取行人運動及道路信息預測行人到預測碰撞點的時間，計算方法為：

式（37）（38）中：t障為總障礙物阻擋時間；n為障礙物數量；tik為路面障礙物阻擋時間，i由障礙物類型決定（k=1，2，3，…）；tp為行人預算運動時間；B為行人的檢測起始點與預測碰撞點之間的距離；V0人為行人初速；α為行人速度與垂直車速方向的夾角。

3.3 碰撞預警分級模型

通過比較tp和tc進行預警并通過其具體差值對預警進行分級，如果tp-tc≤3 s或tp-tc≤5 s時，發出一級警報；如果3 s＜tp-tc≤5 s或5 s＜tp-tc≤7 s時，發出二級警報；如果5 s＜tp-tc≤7 s或7 s＜tp-tc≤9 s時，發出三級警報；如果7 s＜tp-tc或9 s＜tp-tc時，則判斷不會碰撞。

4 結束語

在本文介紹的車輛與行人碰撞預警的系統中，可根據車輛的不同運動參數選擇不同的計算方法，將計算出的車輛預算行駛時間最后與計算出的行人預算運動時間比較算出差值，依據碰撞預警分級模型將警報分級后提醒駕駛員及行人，駕駛員及行人可根據不同的分級采取不同的應對策略。本系統重點考慮了道路因素對駕駛員操作的影響以及行人運動的影響因素，進一步提升了預測的合理性、準確性與真實性，從而有效預防了行人與車輛的碰撞，最終最大可能地避免事故的發生。