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交叉口环境下的智能网联汽车危险状态研究

来源:中国软件评测中心  作者:薛晓卿 宋娟 周唯 何承坤  投稿时间:2017-07-31

  1. 研究背景
 

  道路交叉口的交通安全问题是世界各国面临的共同难题。针对交叉口安全问题的研究主要集中于人、车、路、环境等交通影响因素及其与交通事故的关系分析方面,并以此为依据改善道路设计、加强交通管控措施等,或者在车辆上安装主被动型安全装置来提高行车安全,但这些传统的道路设计、交通控制和管理技术只能在一定程度上减少交通流的冲突数或降低冲突的严重程度,并不能有效的防止交通事故的发生,无法达到交叉口安全效益最优,更难以从本质上解决交通问题。尤其是对于无信号灯控制的交叉口,虽然国家有一部分针对无信号灯控制交叉口的让行通过的法律法规,但在复杂的交通环境下,无信号灯控制的交叉口仍呈现无序状态,其安全水平低于有信号灯控制交叉口。
 

  车联网和智能网联驾驶汽车的发展为解决交通安全问题提供了新的机会。车联网能够实现车路协同系统,通过采集车辆的信息,经过服务器整理分析,为车辆提供安全可靠的服务。对于提高行车安全、缓解交通拥堵以及未来的节能减排都具有重大的意义。随着无线技术的发展,网络通信能力的增强大幅度的提升了整个系统的实时性。也使得安全预警成为可能。本文在分析道路交叉口冲突的基础上,以车辆与冲突区域之间的碰撞时间作为依据,提出一种时空冲突结合的车辆危险状态表示方法。
 

  2. 研究方法
 

  2.1 车辆简化模型分析
 

  对于车辆在道路交叉口发生冲突的分析中,通常将车辆视为质点、矩形及圆形或椭圆形。在文献[1]中,作者提出一套车辆协同碰撞预警系统,将车辆看作质点,利用车辆的位置、速度、航向等信息计算车辆在未来可能发生冲突的位置。在文献[2]中,作者将车辆看作质点,利用最接近点法(Closest Point of Approach),计算两辆车在通过交叉口时的最小相对距离,以此作为判断车辆安全的依据。
 

  在文献[3]中,将车辆看作以车辆对角线为直径的圆模型,计算车辆之间的距离,分析车辆的碰撞时间,提出冲突消解算法。
 

  在实际交通运行环境中,如果只计算质点之间的距离,在冲突检测方面会造成较大的误差。 CPA最接近点方法通常在航海中使用,用于船舶对周边船舶位置及速度的获取,并且通过该方法确定船舶行驶是否存在危险。由于船舶的尺寸对于海洋航行来说可以忽略不计。另外,航海时没有像陆地一样的典型十字交叉口,所以需要方位角及航向确定位置,以及速度向量判断危险。将车辆看作圆形一是因为质点计算存在误差,二是因为将车辆看作矩形计算复杂,三是因为车辆在行驶过程中存在一定的安全区域。因此,本文中将车辆看作矩形进行计算。首先与质点方法相比,将车辆看作矩形计算更加准确,也能够更加清楚的描述车辆之间的相对位置关系。另外,与圆形方法相比,主要是从预警的角度考虑,对于预警的依据分析需要更加准确的车辆相对位置的描述,而且如果预警的效果使车辆能够在临界位置停下,即是避免了现实运行环境中的交通事故。
 

  2.2 碰撞时间(Time to Collision TTC)
 

  对于一维交通,也就是车辆在同方向上行驶的交通环境,车辆之间的关系可以通过相对距离和相对速度进行表示;而对于二维交通,也就是在道路交叉口处,车辆之间还存在行驶方向,转向等因素影响,造成的冲突以及事故种类也较多,因此,需要提出更符合实际的碰撞时间计算方法,更合理的表示危险程度。以典型的双向两车道道路交叉口为例进行说明。假设双向四车道交叉口,不同方向上两辆直行的车辆通过交叉口。如图1所示。
 


 

  图中红色区域为冲突区域。A车由西向东行驶,B车由南向北行驶。两辆车的碰撞时间(TTC)的差值决定了是否存在冲突,对于碰撞来说,是一个二值问题,即碰撞或者没有碰撞。如果将车辆看做质点,那么当两个质点同时运动到某一点时,也就是两个质点的TTC相同,则认为此时质点之间存在冲突。而如果将车辆看作矩形,车辆在冲突区域会发生下面几种方式的碰撞。

 

  两辆车几乎同时到达冲突区域,如图2(a)所示,车辆A的右前点和车辆B的左前点在冲突区域接触,两辆车发生碰撞。
 

  车辆A首先进入冲突区域,在未通过冲突区域时,车辆B到达冲突区域,两辆车发生侧碰。如图2(b)所示。
 

  车辆B首先进入冲突区域,在未离开冲突区域时,车辆A到达,两辆车发生侧碰。如图2(c)所示。


 

 
图2 道路交叉口冲突类型
 

  对于车辆A,存在


 

  其中,tA1,tA2分别是车辆A车头到达冲突区域前和车尾离开冲突区域的时间。dA为车辆距离冲突区域前沿的距离,KB为车辆B的宽度,LA为车辆A的长度。

同理对车辆B有:



其中,tB1,tB2分别是车辆B车头到达冲突区域前和车尾离开冲突区域的时间。dB为车辆距离冲突区域前沿的距离,KA为车辆A的宽度,LB为车辆B的长度。

 

  2.3 危险状态表示方法
 

  基于对车辆通过冲突区域时间的分析,由于此时车辆在交叉口处并不是质点,而是将车辆作为矩形考虑。因此,如果其中一辆车的到达时间正好处于另外一辆车到达时间与离开时间组成的区间内时,说明此时如果两车保持当前运行状态不变的话,未来就可能同时出现在冲突区域,发生碰撞事故。以A车为例,P(A)表示A车发生碰撞事故的概率,有


当〖 t〗_A1∉[t_B1,t_B2 ]时,A车的到达时间越接近阈值区间的下边界,或者A车的离开时间越接近阈值区间的上边界,车辆发生碰撞事故的概率越大。发生事故的概率计算如下:

 
 

  由于车辆的制动距离与驾驶员的反应时间、制动减速度等因素有关,因此,本文选取车辆的安全制动距离作为距离计算的临界点。假设车辆面对可能存在的事故时只能以减速制动的方式进行避让,那么,当车辆与冲突区域的距离小于车辆的安全制动距离时,车辆即使以最大的减速度进行减速,也无法在冲突区域前停下,因此无法避让事故。也就是对于由时间参数计算得到的事故发生概率在不同的距离下对于不同的驾驶员紧急程度不同。根据上述关系,建立修正系数β表示当前碰撞事故发生的概率对于驾驶员的紧急程度,对危险状态识别方法进行改进。如图3所示,dA为车辆距离冲突区域的实际距离,而dAS为车辆的安全制动距离,定义修正系数β的计算方法如下:
 

  

 

  其中,td为驾驶员的反应时间,amax为车辆的最大减速度。

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