智能信號環預警系統研究

楊 雪，楊新興，汪 丹，陳宇舵，劉 璐

（四川交通職業技術學院，四川 成都 610000）

1 預警系統關鍵技術研究

1.1 研究背景及意義

2010 年我國發生交通事故累計219521 起，彎道因素引發的交通事故占總數的10.5%，可見彎道是一個事故易發地。焦明東在《智能預警系統在公路彎道中的應用研究》一文中，指出汽車通過路況復雜的彎道時，若駕駛員對彎道區的具體路況了解不足，司機將很難做出高效質的應急反應，更容易發生誤判，從而導致交通事故。根據德國戴姆勒-奔馳公司對汽車事故調查結果顯示，若駕駛員能提早0.5s 意識到危險并采取措施，則可避免30%的迎面碰撞事故和50%追尾碰撞事故，若能提前1s 則可避免90%的事故發生[1]。由于視線不清晰或道路安全引導標志等客觀因素，國省干線與縣鄉道路的交叉路段、急彎和連續彎道的路段，通常是彎道交通安全事故的易發地。據我國交通事故統計年報顯示，彎道路段發生的交通事故占全部交通事故的7.84%，彎道死亡事故則高達全部交通死亡事故的16.3%[2]。十字路口和急彎道路等特殊路段的道路交通安全問題遭受質疑。因此，如何升級智能系統與提高科技水平融合發展，進而降低彎道路段交通事故率是是現世研究者和科研者共同研究的對象。基于有效降低彎道交通事故的發生率，為有效實現交通道路安全，本文首先說明了車輛彎道盲區狀況和彎道安全事故類型及原因，進而從系統設計和技術設計兩方面研究創新設計智能彎道預警系統，最后對系統的社會經濟效益進行了分析。

1.2 國內彎道預警系統研究現狀

近年來國內從事對彎道預警研究主要是一些大學和研究院，如：同濟大學道路與交通工程教育部重點地方許多、方守恩、陳雨研究的預警機制，即通過行車記錄儀等設備對短時間內對車輛的移動行駛狀態進行記錄，再結合實際道路的復雜程度，應用遞歸神經網絡的算法，創建兩者之間的關系。后車完成對前車行車信息的收集傳輸，進而完成預警任務[3]。北京理工大學交通運輸工程學院周洋研究的車輛前向碰撞預警系統利用計算機視覺的方法，對車輛前向碰撞系統中的關鍵技術進行了研究，重點研究了基于視覺的彎道檢測算法、準確的汽車檢測方式以及車距測量方法，創建了基于視覺的汽車碰撞預警系統模型。東北林業大學付欣月、孟晗、沈芳冰、高冠宇、孟令澤提出了根據這個地感線圈技術設計研發了一款彎道預警系統，為監測車輛行駛狀況埋設地感線圈，并將檢測信息傳遞給控制系統進行信號控制，達到提前預警的目的。另外增設彎道預警顯示裝置，提前讓行人及駕駛員等交通參與者了解前方彎道的車況[4]。下面從這幾個方面介紹智能信號環預警系統。

首先，針對大型車輛有較大的視線盲區的問題，距離大車很近時，司機很可能注意不到周圍的環境。它通過信號環的探測器和無線傳輸模塊，實時采集對面車輛速度等行駛數據，并把檢測的對面車輛信息反饋給車輛上的GPS 預警系統。通過GPS 預警單元，駕駛員能提前洞悉彎道處其他車輛的行駛動態和詳情信息，進而有效幫助駕駛員從容安全駕駛通過彎道。

其次，針對現有車輛檢測方法無法準確定位車輛位置，在車輛檢測的基礎上，劃定車輛周圍20m 處的區域，利用物聯網技術實現GPS 形成一個信號環再結合車載圖像的特性，使其變得更為安全，還可智能控制（盲區/彎道時，降低的事故發生率）和彎道、盲區智能調節（根據彎道范圍、盲區范圍、人多范圍時發出警報），以及故障自動報警等功能，大大方便了城市交通安全的維護。

最后，GPS 根據車輛制動過程及駕駛員的駕駛行為，制定了簡單的行車安全標準。結合路測傳感設備和微波探測儀器、AI 智能算法及GPS 信號環，再將GPS 信號環實時采集反饋的信息通過語音播報、文字警示的方式告知駕駛員，讓駕駛員能夠提前了解前方道路的情況，并采取相應的措施達到彎道預警的效果，從而為道路交通帶來一定的經濟社會效益。

1.3 結合彎道檢測的智能信號環預警系統關鍵技術

1.3.1 路測傳感器

目前，多傳感器融合是路側探測的主要升級空間。全息感知是智慧道路發展的底層基礎，需要路側感知設備提供全面、高質、穩定的交通數據。路側感知以高清攝像頭和毫米波雷達方案為主，華為等大廠已相繼推出了全息感知方案。

政策加持，路側智能感知市場迎來發展風口期，預計到2025 年路側智能感知（包括RSU、攝像頭、米波雷達、激光雷達、雷視一體機）的市場規模累計將超過400 億元。其中攝像頭和毫米波雷達仍然是路側感知使用的主流設備，雷視一體、激光雷達也會呈現明顯增長。

場景應用將是發展路側智能感知設備的有效模式。整個市場的發展是一個長期過程，彎道交通是路側感知設備的一個重要落地場景。

路側感知數據GPS 數據平臺，可將原始數據和本地處理的結果上傳GPS 信號環，通過對運行數據進行整合處理，為提升彎道交通的效率提供了有效的解決方案。

1.3.2 信號環的探測器和無線傳輸模塊

對對向車輛時速等行駛信息進行采集，并把檢測的對面車輛信息反饋給車輛上的GPS 預警系統。通過GPS 預警單元，駕駛員能提前洞悉彎道處其他車輛的行駛動態和詳情信息，進而有效幫助駕駛員從容安全駕駛通過彎道。據實測，該系統可提前預警車輛20m 范圍內的機動車動向，進而達到減速慢行和具體路況提醒的目的。

1.4 內容介紹

（1）首先介紹了智能信號環預警系統的研究背景及意義，總結了其國內的研究研究現狀，然后對系統內的關鍵技術做了概括和分析。最后對論文的內容結構進行說明。

（2）針對大型車輛有較大的視線盲區問題進行研究分析。側重于對右轉彎“內輪差”、固定視線盲區、人為視線盲區和隨機視線盲區的概括和分析。

（3）針對無法準確定位車輛位置的問題進行分析。根據路測傳感設備和微波探測儀器AI 智能算法等實時采集車輛20m 范圍內的周圍環境，并通過GPS 信號檢測對向車輛的速度數據及周圍環境是否存在異物的情況，將收集的數據反饋給該車輛的導航系統。

（4）結合前面的檢測方法達到的彎道預警效果進而對經濟社會產生的效益。通過GPS 信號環實時傳輸反饋的信息通過語音播報、文字警示的提前告知駕駛員，從而提高彎道會車安全、降低事故發生率、促進交通安全治理的升級和創新。

2 車輛視線盲區范圍問題研究分析

2.1 右轉彎盲區

右轉彎盲區產生的原因主要是駕駛員處于正常駕駛座位置，其視線容易被車體遮擋而無法得到全視角的觀察，而對于大型車輛來說車廂更大，障礙更多，于是就存在很大的“內輪差”。在右轉過程中，重點要注意右側道路上直行的摩托車、非機動車及行人的動態，要與上述車輛和行人保持一定的安全橫向距離，掌握右側視線盲區內的情況，并且要做好隨時停車避讓的準備。大型車輛右轉視線盲區是指車輛在右轉時，由于右側前后輪行駛軌跡不一致，存在“內輪差”盲區，使駕駛人無法正確判斷路側行人與非機動車輛的狀態信息的區域[5]。根據車輛轉彎時有“內輪差”的特性，車輛在右轉彎時，車輛的后輪要往右外多“拐”一定的距離，并且車輛與右邊的人和非機動車較近，車輛前部位碰不到人或其他車子，但并不一定車輛后半部位碰不到。若安裝智能信號環后，當車輛行駛到距離路口大約20m 時，智能信號環就會發出預警警報，提醒司機仔細觀察道路左、右側情況，著重右側情況，讓司機能夠有更充足的時間去關注到右轉彎處的人或車輛。為右轉彎做好準備，以免離路口過近時和別的右轉彎車輛爭道而產生危險情況。貨車在道路行駛中的軌跡與視覺盲區如圖1所示。

圖1 貨車在道路行駛中的軌跡與視覺盲區

2.2 固定視線盲區

固定視線盲區主要是受外界環境（公路線形、路旁建筑物等）和車輛結構等影響而形成的。在彎道、交叉路口、陡坡等地形，尤其是交叉路口，由于車輛行人行進方向交錯，情況復雜，使得駕駛員視野受到很大限制。

2.3 人為視線盲區

除了一些本身存在的盲區，還有一些盲區是人為造成的。

2.3.1 駕駛車輛的客觀因素

如貼顏色較深的車膜，在后擋風玻璃前放置毛絨玩具、靠枕、紙巾盒等。

2.3.2 駕駛員本身的主觀因素

當受到某些因素的影響時，駕駛員的駕駛技能將會收到限制，比如精力不集中或者不能發揮不正常，導致人為視線盲區的形成。駕駛技能受到限制的具體表現為：駕駛疲勞、開情緒車、開賭氣車；或者是在車輛行駛過程中駕駛員與人談話聊天、使用手機、抽煙、吃東西；或在進行常規的操作（倒車入庫超車行駛，調頭和轉彎）時的操作不正確等，甚至可是在交叉路口闖信號燈、快速行駛車輛、轉彎時忘記打燈提示后面來車等人為的現象，人為的擴大了視線盲區的范圍，給道路交通的行車安全造成了威脅[6]。

2.4 隨機視線盲區

駕駛員在駕駛車輛的過程中會有些不安全的因素隨機出現。比如在駕駛田園路段，可能會從田園草堆里面蹭出人來；停靠在路邊的車輛，乘客突然下車，甚至可能從后車的車前通過給后車車輛造成的視線盲區。因為隨機視線盲區具有不確定性，使得駕駛員一旦遇到隨機視線盲區將會不知所措，這樣往往容易造成交通事故的發生[7]。

3 智能信號環預警系統設計研究

3.1 項目原理

彎道預警系統由前面路測傳感設備和微波探測儀器AI 智能算法等實時采集車輛20m 范圍內的周圍環境（圖2），再由GPS信號環檢測器、后端一體化車輛預警裝置組成，其中后端一體化車輛預警裝置，又由電源模塊，無線傳輸模塊，速度顯示模塊，文字警示模塊，語音警示模塊，系統控制模塊構成。

圖2 彎道車輛相遇的預警范圍

3.2 智能信號環預警系統功能

通過路測傳感設備和微波探測儀器AI 智能算法等實時采集車輛20m 范圍內的周圍環境，根據彎道車輛上自帶的GPS 信號環，實時采集對向車輛速度等行駛數據，并將信息反饋到對向車輛GPS 上，再通過語音播報、文字警示提醒該車輛司機減速行駛，GPS 信號環功能流程如圖3 所示。

圖3 GPS 信號環功能流程

3.2.1 功能設計

（1）自動化運行，穩定可靠，無須人工干預。

（2）模塊化設計，結構緊湊合理。

（3）車輛檢測精度高，安裝GPS 信號環，只需將GPS 系統升級，安裝施工簡單。

（4）信息實時傳輸延遲小，適用于快速同步觸發的要求。

智能信號環系統功能優勢如圖4 所示。

圖4 智能信號環系統功能優勢

3.2.2 技術設計

（1）會車警示：當對向來車時，本車輛將通過車輛的GPS 信號環檢測對向車輛的速度，實時采集對向車輛的速度數據及周圍環境是否存在異物的情況，并將采集的信息反饋給該車輛。

（2）語音播報、文字警示：將GPS 信號環實時采集反饋的信息通過語音播報、文字警示的方式告知駕駛員，讓駕駛員能夠提前了解前方道路的情況，并采取相應的措施。

3.2.3 系統構成

智能信號環預警系統由一套GPS 信號環系統構成，每個單元包括：微波探測模塊、無線傳輸模塊、反饋信息模塊、供電系統、AI 智能算法、路測感知設備6 部分組成。

4 智能信號環預警系統經濟社會效益分析

4.1 提高彎道會車安全

通過GPS 信號環檢測車輛時速和具體方位，讓車輛實時顯現當前車況及路況，從而從根本上解決駕駛人在彎道會車時對緊急情況應急反應不良，或狀況誤判等問題，為駕駛人提供方便，保證彎道會車的安全[1]。

4.2 降低事故發生率

通過智能車輛信號環的安裝，能夠有效增進駕駛員對于彎道交通實際情況的了解，增強駕駛員對彎道會車的安全意識，減少彎道碰撞事故的發生，進而降低事故發生率。

4.3 促進交通安全治理的升級和創新

智能信號環預警系統的應用，不僅能夠促使彎道會車安全程度進行大幅度提升，從而排除影響道路的整體安全的危險因素，宏觀來看，也可以維護道路的整體安全，可以促進傳統公路安全預警方式更新換代，實現現代化發展要求，促進預警系統的升級和應用。

5 結語

鑒于地形地貌的影響，道路工程實施過程中一定會存在彎道或急彎狀況，因此彎道交通中車輛行駛的安全是整個道路交通安全的重要原因。在“智能交通”“科學交通”等工程迅速發展的影響下，為保證彎道交通安全，有必要對彎道的智能預警技術的提升的進行更深層次的研究。本文提出的智能信號環預警系統可使駕駛者提前發現彎道內側的路面狀況，提高駕駛預見性，降低事故發生率，為司機帶來看得見的“安全感”，可為相關人員（或工程）提供參考。