城市道路交叉口防碰撞預警的研究

胡艷 樊亞云 曹鉆

摘 ? 要：城市道路交叉路口被認為是交通事故發生概率比較高的區域，文章詳細分析了城市交叉路口碰撞預警算法及其存在的不足之處，對改進的算法進行論述?；贑-V2X交叉碰撞預警，通過車、路、人和基礎設施數據信息共享和互聯，準確預測車輛軌跡，給出行駛建議速度，有效解決城市交叉路口碰撞安全問題。

關鍵詞：蜂窩車聯網通信技術;道路交叉口;碰撞預警;車-車

城市道路交叉口碰撞預警作為交通沖突技術的主要應用領域，因其分布數量多、構造復雜、場景眾多，發生交通安全事故的概率較高，一直以來都是交通沖突防碰撞預警研究的主要對象。根據車輛的車速、車輛間距和行駛方向等車輛狀態參數，城市十字路口碰撞分類分為正面碰撞、交叉碰撞和縱向追尾沖突。

本研究列舉常用的交叉路口碰撞預警算法，針對存在的問題和不足，對改進的防碰撞預警算法進行說明。從單車智能利用自身車輛的傳感設備（雷達和視頻）并不能良好地解決交叉路口安全問題。蜂窩車聯網通信技術（Cellular-Vehicle to Everything，C-V2X）作為車聯網的一種關鍵技術，基于4G/5G等蜂窩網通信技術演進形成的車用無線通信技術，借助車-車（Vehicle to Vehicle，V2V）、車與路（Vehicle to Road，V2R）側基礎設施、車與人（Vehicle to Pedestrian，V2P）之間的無線通信，實時感知車輛周邊狀況并及時預警，實現了車輛狀態信息和交通環境信息之間的實時數據共享，成為有效解決道路交叉口安全問題的方法。

1 ? ?安全距離碰撞預警

安全距離算法只適用于汽車追尾的碰撞[1]。當距離小于設置的安全距離門限時，提醒駕駛員應對可能發生的緊急碰撞風險。

判斷前方緊急碰撞風險，首先計算前車在速度Vf時，以減加速度ufg剎車直至停止的行駛路徑為Df;后車在速度Vb時，以減加速度ubg剎車直至停止的行駛路徑為Db;駕駛員的反應時間為Thum，后車的系統制動過程需要時間為Tsys，預警信息傳輸時間為Ttrans。

安全距離Ds是前車和后車必須保持的最小距離。如果后車制動距離Db大于前車的制動距離Df加上最小安全距離Ds，可能發生追尾碰撞，產生碰撞預警。即：

Ds=Df-Db+d0 ? （3）

式中，d0設定的時距空余。

2 ? ?交叉路口防碰撞預警

交叉路口防碰撞預警[2]為：

若某一時刻，車輛A和車輛B的位置分別為（x1，y1），（x2，y2），速度分別為v1，v2，方位角分別為θ1，θ2，此刻車輛狀態如圖1所示。

計算車輛到達沖突點的預期時間（Time to Intersection，TTX），式（6—7）中，，表示兩車的速度向量;，表示兩車在行駛方向指向沖突點（xp，yp）的距離向量;sign（）表示判斷車輛是否通過沖突點的函數;若距離向量和速度方向相反，說明車輛在沖突點另一端，值為負值，即為﹣1。

2.3 ?預測軌跡沖突點是否碰撞

需要對TTX1和TTX2進行比較，如果|TTX1-TTX2|

2.4 ?判斷和篩選潛在沖突點

如果碰撞時間為TTC（Time-to-Collsion），防碰撞時間為TTA（Time-to-Avoidance），二者差值小于最小安全時間門限值，就會產生預警信號，即：

|TTC-TTA|

TimeThr_warning為預警效果參數，值越大，算法越保守、越安全，但頻繁告警提醒會干擾駕駛員駕駛。所以，值為合理值，才能達到預警效果。

其中，TTA主要受駕駛員的反應時間tr、車輛制動的敏捷性、防撞行為等方面影響。一旦駕駛員給出剎車防撞行為，則TTA計算方法如下：

（8）

式中，μ是估算的輪胎與路面摩擦系數，不同的路面條件下取值不同;g是重力加速度;v是當前速度;β是防撞目標參數;β取1表示在防撞時間TTA之內本車必須完全停止，如果β取值范圍為（0，1]，沒有必要完全停車，通過剎車或者轉向等行為消除碰撞。

3 ? ?交叉口碰撞預警改進算法分析

首先，十字交叉口防碰撞預警需要考慮駕駛員行為，例如反應時間。其次，需要對軌跡進行預測，才能準確預判斷是否產生沖突點，也需要考慮可能存在剎車和轉向等行為，可進一步降低碰撞風險。最后，給出建議速度，輔助提醒駕駛員注意減速。

3.1 ?沖突區域

考慮到車輛大小，從沖突點概念引入沖突區域概念。沖突區域將車輛看作有面積的實體，是車輛軌跡線交匯區域。因車輛型號大小和行駛路線不同，沖突區域可能為不規則的形狀，例如圓形、矩形、正方形等。改進沖突區域以車道線延長交互的重疊區域作為沖突區域，把交叉口劃分為車道數與車道數乘積的沖突區域[3]。

3.2 ?時空網格

劉明劍等[4]主要解決如何精準預測車輛運動軌跡的問題。交叉路口分割連續的網格，利用交叉路口時空網格方法，路側終端根據車輛的行駛軌跡，確定車輛在不同時刻占用的網格數，若在某一時刻兩車占用共同網格則表明將發生碰撞，根據車輛當前運動狀態給出碰撞車輛的避險方式和安全速度建議。

3.3 ?軌跡預測和速度顯示

宋曉琳等[5]主要針對已有的車輛碰撞預警系統中，車輛軌跡預測誤差較大問題，通過卡爾曼濾波方式來優化定位裝置的準確度和精度，提高車輛位置預測準確度，發出碰撞預警時，給出合理的規避方式建議并顯示速度。