基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的汽車防撞預(yù)警

1、 基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的汽車防撞預(yù)警摘要：隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，人們的出行需求不斷增加，隨之帶來的交通問題也稱為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。車聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代智能交通發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，其是將車輛和道路等因素作為一個(gè)有機(jī)整體考慮。在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中，針對(duì)行車安全問題發(fā)展出來的車輛防撞預(yù)警系統(tǒng)能夠有效的減少交通事故的發(fā)生，為駕駛員的駕駛提供有效的保障。關(guān)鍵詞：交通；車聯(lián)網(wǎng)；行車安全；防撞預(yù)警1.車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述1.1車聯(lián)網(wǎng)的定義車聯(lián)網(wǎng)（Connected Vehicles）:由車輛的位置、速度及行駛路線等集合而成的信息交互網(wǎng)絡(luò)，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合了現(xiàn)代交通技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)，具有安全、快捷、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。首先，通過攝像頭、RFID、各類

2、傳感器、GPS及圖像處理等電子設(shè)備，來對(duì)采集交通環(huán)境信息；其次，車、路、人、基礎(chǔ)設(shè)置之間的信息，通過車聯(lián)網(wǎng)特有的通信協(xié)議來進(jìn)行信息交互1；最后控制中心對(duì)收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理，從而得出實(shí)時(shí)的交通狀況，為駕駛員提供準(zhǔn)確可靠的駕駛信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)人、車、路的智能監(jiān)控、調(diào)度和管理。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于交通領(lǐng)域，是現(xiàn)代通信技術(shù)與汽車技術(shù)的有效融合。1.2車聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)功能要求車聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)功能要求有以下幾部分：（1）具備一定的無線通信能力，如：具有適當(dāng)?shù)臒o線通信范圍，有一定能滿足通信要求的帶寬和比特率，無線通信信道具有較強(qiáng)的魯棒性，以及通信過程有一定的糾偏糾錯(cuò)能力，路側(cè)單元（RSU）能滿足車

3、輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的信息的交換；（2）網(wǎng)絡(luò)通信功能，如：具有一定兼容性的傳播方式，數(shù)據(jù)聚合功能，數(shù)據(jù)擁塞控制能力，消息優(yōu)先級(jí)分級(jí)能力，能對(duì)信道進(jìn)行有效的管理，支持IPv6或IPv4尋址等；（3）車輛具有定位功能，如：全球定位系統(tǒng)（GPS），全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS），組合定位功能等；（4）車輛安全的通信功能，如：信息的完整性和保密性，具有一定的抗干擾能力，數(shù)據(jù)的真實(shí)性，尊重用戶的隱私等；（5）車輛的其他功能，如：設(shè)備之間相互兼容等2。2.車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀2.1美國美國的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始與上世紀(jì)50年代的汽車自動(dòng)控制系統(tǒng)，到了60年代在政府交通部門的帶領(lǐng)下開始研制電子路徑引導(dǎo)系統(tǒng)（Electro

4、nic Route Guidance Systems，ERGS），70年代到80年代美國的智能交通處于停滯時(shí)期。到了21世紀(jì)，為了跟上現(xiàn)代交通的發(fā)展趨勢(shì)，解決交通安全問題，美國政府交通部門和汽車制造商對(duì)V2V安全應(yīng)用程序進(jìn)行了改進(jìn)開發(fā)了測(cè)試，對(duì)車載安全系統(tǒng)的性能有極大的提高，同期又提出了車輛基礎(chǔ)設(shè)施一體化（VII）概念3。2009年9月，啟動(dòng)商用車基礎(chǔ)設(shè)施一體化工程（Commercial Vehicle Infrastructure Integration），同年12月DOT 發(fā)布了智能交通系統(tǒng)戰(zhàn)略研究計(jì)劃：2010-20144，目標(biāo)是利用無線通信建立一個(gè)全國性多模式的地面交通系統(tǒng)，形成車輛、

5、道路基礎(chǔ)設(shè)施、乘客的便攜式設(shè)備之間互連的交通環(huán)境，為期五年，每年投入1億美元，核心項(xiàng)目為 IntelliDrive （智能駕駛），預(yù)計(jì)于 2014 年完成。2011年8月到2012年初，為了在車輛駕駛安全方面有所突破，美國在多個(gè)地區(qū)進(jìn)行了安全測(cè)試，以此來評(píng)估用戶對(duì)新的V2V技術(shù)的掌握程度。2012年到2013年，繼續(xù)對(duì)安全駕駛模型進(jìn)行研究，對(duì)車聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證5。2012年12月，DOT 發(fā)布了2015-2019 ITS戰(zhàn)略計(jì)劃，目的在于出臺(tái)美國下一代的ITS的研究方向，進(jìn)一步對(duì)車聯(lián)網(wǎng)的安全性、流暢性和環(huán)境保護(hù)進(jìn)行了進(jìn)一步的深化。2.2日本日本的車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展相較與美國稍晚些，起步于2

6、0世紀(jì)70年，20世紀(jì)80年代中期到20世紀(jì)90年代中期十年間，完成了路-車通信系統(tǒng)（RACS）、交通信息通信系統(tǒng)（TICS）、超智能車輛系統(tǒng)（SSVS）、安全車輛系統(tǒng)（ASV）等方面的研究。2000年左右，日本開始實(shí)施ETC計(jì)劃，目標(biāo)是在3年左右的時(shí)間覆蓋全國900個(gè)收費(fèi)站。于2003年發(fā)布了日本智能交通系統(tǒng)戰(zhàn)略規(guī)劃，對(duì)日本的智能交通做了一個(gè)詳細(xì)的描述和規(guī)劃5。日本于2011年開始引進(jìn)“ITS 站點(diǎn)智能交通系統(tǒng)”，這個(gè)系統(tǒng)能夠?yàn)檐囕v提供及時(shí)的道路信息，改善交通擁堵的現(xiàn)象。2.3中國 中國于1986年開始開發(fā)第一套交通控制系統(tǒng)，1991年完成安裝與調(diào)試。2007年，通用公司和上汽集團(tuán)合資成立了

7、一家公司，推出了通用的Onstar服務(wù)。2009年隨著中國很多企業(yè)推出Telematics車載服務(wù)系統(tǒng)，中國進(jìn)入Telematics時(shí)代。于2010年正式在首屆“車聯(lián)網(wǎng)”研討會(huì)中提出“車聯(lián)網(wǎng)”概念，隨后又提出智能車、路協(xié)同技術(shù)等6。中國汽車信息化領(lǐng)域正在不斷創(chuàng)新，正朝著智能交通方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的協(xié)同發(fā)展。3.車輛碰撞分類3.1碰撞分類的意義安全距離算法、數(shù)據(jù)挖掘智能方法和碰撞時(shí)間差算法是現(xiàn)有的三種主要的碰撞預(yù)警算法。其中，安全距離算法只適用于汽車追尾的碰撞，且需要根據(jù)實(shí)際的行車情況來計(jì)算剎車距離，碰撞時(shí)間差算法的計(jì)算驗(yàn)證過程較復(fù)雜，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是現(xiàn)代汽車防撞技術(shù)的新的發(fā)

8、展方向，但需要建立在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上。由于車輛碰撞的情形很多，且實(shí)際環(huán)境復(fù)雜多變，所以在選擇預(yù)警算法的時(shí)候，應(yīng)選擇簡(jiǎn)單可行的算法。實(shí)際中大部分車輛是沒有碰撞危險(xiǎn)的，所以僅僅需要對(duì)少部分有碰撞趨勢(shì)的車輛進(jìn)行預(yù)警。3.2碰撞分類算法影響行駛中的車輛的安全參數(shù)主要有：車速、車輛間距和行駛方向。車輛的行駛方向主要用于判斷車輛的碰撞類型，可以分為直線碰撞和側(cè)面碰撞兩種類型，其中，直線碰撞又分為追尾碰撞和正面碰撞。如圖3-1是車輛的碰撞示意圖。 圖3-1 車輛碰撞示意圖如圖所示，為航向角，取值范圍為，為相對(duì)角，航向角和相對(duì)角均以正北方向?yàn)閰⒖挤较颉Ｈ閮绍嚨钠矫孀鴺?biāo)，為兩車的相對(duì)的航向角。根據(jù)上圖有如下關(guān)

9、系式：。表3-1是和的關(guān)系。 表3-1和的關(guān)系表 Table 1同理，可以對(duì)進(jìn)行求解。令，為兩車之間連線與車輛行駛方向之間的夾角。為方便計(jì)算分類，將的取值范圍限定在。為正代表車輛行駛方向在兩車連線右側(cè)，反之在連線左側(cè)。即當(dāng)異號(hào)時(shí)，兩車的行駛方向和兩車的同側(cè)，反之則處于異側(cè)。根據(jù)以上描述可以將碰撞分為以下幾種類型：（1）當(dāng)時(shí)，兩車處于相向行駛的平行狀態(tài)，此時(shí)可能發(fā)生正面碰撞；（2）當(dāng)時(shí)，兩車處于同向行駛的平行狀態(tài)，此時(shí)可能發(fā)生追尾碰撞；（3）當(dāng)，且異號(hào)時(shí)，兩車處于同側(cè)相向行駛的狀態(tài)，此時(shí)可能發(fā)生側(cè)面碰撞；（4）其它情況，行車安全。其中，正面碰撞和追尾碰撞均屬于直線碰撞，以上考慮的均是兩車處于平行

10、狀態(tài)的，而現(xiàn)實(shí)中的車輛很難做到完全平行狀態(tài)，所以在計(jì)算過程中需要考慮一定的余量。4.車輛防撞預(yù)警4.1預(yù)警算法駕駛員采取一定的措施避免危險(xiǎn)所需要的最短的時(shí)間稱為最小安全時(shí)間，最小安全時(shí)間可以分為兩個(gè)部分：反應(yīng)時(shí)間和控制車輛的時(shí)間。通常以碰撞時(shí)間（TTC）作為衡量行車安全的一個(gè)重要的指標(biāo)，碰撞時(shí)間應(yīng)該大于最小安全時(shí)間。直線碰撞時(shí)，橫向安全距離是是一個(gè)關(guān)鍵因素，即兩車會(huì)車的最小距離（DCPA），這個(gè)值應(yīng)該大于一個(gè)車道的寬度。如圖4-1是直線碰撞的預(yù)警示意圖。 圖4-1 直線碰撞的預(yù)警示意圖Fig.4-1根據(jù)上圖有如下關(guān)系式：，表示正面碰撞時(shí)的狀態(tài)，表示追尾碰撞時(shí)的狀態(tài)。相比直線碰撞，側(cè)面碰撞可以根

11、據(jù)當(dāng)前車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而對(duì)碰撞的時(shí)間和碰撞點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。影響此狀態(tài)的因素有：車輛的大小、行車速度及兩車的相對(duì)位置。可以通過計(jì)算兩車距離碰撞時(shí)間的差值來對(duì)車輛的安全狀態(tài)進(jìn)行判定，同時(shí)可以忽略車輛的大小帶來的影響。如圖4-2是車輛側(cè)面碰撞示意圖。 圖4-2車輛側(cè)面碰撞示意圖 Fig.4-2從上圖可知，碰撞安全距離可以表示為：，；同理可以求得，則碰撞的時(shí)間差可以表示為。已知，還需要求解兩車間的距離。測(cè)量兩車的間距需要使用GPS坐標(biāo)系統(tǒng)，再將兩車的經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到平面上進(jìn)行計(jì)算7。如圖4-3是整個(gè)防撞預(yù)警算法的流程圖。 圖4-3 防撞預(yù)警算法流程圖 Fig.4-34.2預(yù)警參數(shù)

12、選擇設(shè)定準(zhǔn)確的報(bào)警閾值不僅能減少對(duì)無用報(bào)警對(duì)駕駛員來的干擾，還能為駕駛員提供及時(shí)準(zhǔn)確的報(bào)警信息。因此，可以設(shè)置多級(jí)報(bào)警機(jī)制。第一級(jí)為警示，提醒駕駛?cè)藛T前方有危險(xiǎn)；第二級(jí)為警告，警告駕駛員前方有危險(xiǎn)。根據(jù)交通流理論可知，駕駛員的反應(yīng)時(shí)間通常為0.7秒至1.5秒，控制時(shí)間隨駕駛狀況的不同而不同。提前5秒以上的預(yù)警信息可能被駕駛?cè)藛T忽略，此值應(yīng)該作為TTC的第一個(gè)閾值，TTC的第二個(gè)閾值一般選為3秒。車道寬度一般為，綜合GPS的誤差的范圍，最小會(huì)車距離應(yīng)該大于5米7。如表4-2是直線碰撞的預(yù)警機(jī)制。表4-1直線碰撞預(yù)警機(jī)制 Table 4-1危險(xiǎn)警告危險(xiǎn)提示無危險(xiǎn)對(duì)于交叉路口，通常設(shè)置兩車的安全時(shí)間

13、為2秒，因此TD的閾值為2秒。如表4-3是側(cè)面碰撞的預(yù)警機(jī)制表。 表4-2側(cè)面碰撞預(yù)警機(jī)制Table 4-2危險(xiǎn)警告危險(xiǎn)提示無危險(xiǎn)5.總結(jié) 車輛安全一直都是現(xiàn)代智能交通的研究熱題，傳統(tǒng)的車載雷達(dá)實(shí)現(xiàn)的防撞預(yù)警往往會(huì)帶來較高的成本，且精度不一定很高。利用現(xiàn)代車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的車輛間的通信來實(shí)現(xiàn)信息共享，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碰撞預(yù)警。本文設(shè)計(jì)了碰撞的分類的算法，對(duì)碰撞進(jìn)行了分類研究，只針對(duì)可能發(fā)生碰撞的車輛進(jìn)行研究。對(duì)直線碰撞和側(cè)面碰撞，采用不同的防碰撞算法，并設(shè)置不同的預(yù)警參數(shù)。1 劉小洋，伍民友. 車聯(lián)網(wǎng)：物聯(lián)網(wǎng)在城市交通網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用 J.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，32（4）：900-904.2王建強(qiáng)，吳辰文，李曉軍.車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究J.微計(jì)算機(jī)信息，2011，27(4)：156-158.3 US Department of Transportation Research and InnovativeTechnology Administration. ITS strategic plan EB/OL. 2013-11-014 中國 智能 交 通 協(xié) 會(huì) . USDOT.ITS Strategic