CN100511325C - 基于视图的车辆预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于视图的车辆预警方法，它包括车辆信息感知步骤，视图生成步骤，追尾事故的预警步骤和告警信息传播步骤；以及利用外部设备获取车辆位置，速度，刹车，加速等信息的步骤，为车辆分配唯一标志号的步骤，为车辆分配一个发送数据列表的步骤；这些步骤使得车辆信息构成视图的形式，实时反映当前周围车辆的状态，从而预先计算可能存在的追尾事故，对司机发出告警，并将该信息传播出去，使在指定的范围内，车辆接收到事故信息。该方法感知范围广，预警反应时间短，覆盖率高，从而提高高速公路上车辆的安全性。

Description

基于视图的车辆预警方法

技术领域

本发明涉及无线网络通信技术领域，具体涉及移动自组织网络技术，特别是车用网安全预警方法。

背景技术

统计数据和研究资料表明，我国已经进入道路交通事故的高发期，道路交通安全形势十分严峻。根据公安部公布全国道路交通事故情况显示，仅2007年4月份全国共发生道路交通事故27788起，造成6349人死亡、32246人受伤，直接财产损失0.9亿元。与各国横向比较，我国交通事故死亡人数居世界第一。

减少交通事故带来的损失是全世界各个国家所面临的重大问题，对于我国这样一个大力发展公路交通和汽车工业的国家来说，这个问题更显紧迫。现代计算机技术和通信技术的发展，为从技术上减少交通事故，保障交通安全，优化整体交通状况提供了契机。

目前，车辆安全预警机系统的方法有：一)使用超声波或微波雷达测距传感器作为测距和检测装置，收集绝对车速、相对车速、相对距离等信息，用一个数据处理单元来对实时信息进行处理，选择合适的算法来计算安全距离，同时控制人机界面显示信息。其缺点是传感器难以区分接收到的回波(如路边的树木、牌子或柱子等发射回来的回波)，在多车道公路上，传感器接收到来自其它车道车辆的回波，从回波上难于把它们与来自同一车道的车辆区分开来。相关发明专利有：Jpn.Pat.Appln.K0KAI Publication No.2000-330637，刘曙阳、堵兆君、刘松申请号为CN02113003.5的中国发明专利申请，天津大学申请号为：CN02100762.4的中国发明专利申请。与我们的预警方法相比，使用超声波或微波雷达测距传感器的方法只能对本地车辆进行事故预警，当前方发生交通事故时，不能在最短的时间内将预警信息传播到其它车辆，避免连环追尾事故，与我们的预警方法不同。

二)使用GPS获得车辆的地理位置信息，将信息发送给其它车辆。授予Arbinger等的美国专利U.S.Pat.No.6,339,382描述了一种基于GPS的车辆事故预警系统，该发明用事故车辆上的射频发射机发送事故车辆的位置信息，在射频发射机发射范围内，移动车辆的射频接收机接收到信息，移动车辆的微处理器根据事故车辆的位置信息和本地的位置信息计算安全距离，当进入危险范围内，用指示灯向驾驶员报警。授予King等的美国专利U.S.Pat.No.6,895,332改进了Arbinger的发明，用不同的显示灯显示事故车辆在本地车辆的大致位置(如前方、后方、左边、右边)。相关发明专利还包括美国专利U.S.Pat.No.6,405,132，U.S.Pat.No.5,636,123，U.S.Pat.No.6,160,493等。与我们的预警方法相比，他们的发明不能显示其它车辆的具体位置，驾驶员不能得到准确的信息，而且他们的方法都是一跳传输，不能将预警信息传播到较远的车辆，因此当前方发生交通事故时，不能提示较远车辆的驾驶员改道，避免交通拥堵。与我们的预警方法不同。

发明内容

本发明的目的是：克服现有车辆预警方法的下列缺陷：采用GPS获得车辆的地理位置信息，但只能显示事故车辆的方位，不能显示全部车辆的具体位置，提供一种基于视图的车辆预警方法，该方法能对公路(特别是高速公路)上的大范围内的全部车辆运动状况进行监测，为可能发生碰撞的车辆司机提供预警信息，避免事故的发生。

本发明提供的技术方案是：一种基于视图的车辆预警方法，其特征在于：

(1)、感知公路检测段内全部车辆状态信息，这些信息是：利用GPS获取公路检测段内全部车辆位置信息，利用车辆仪表获取全部车辆速度，利用车辆传动装置获取全部车辆刹车、加速、转弯信息；

(2)、为车辆分配唯一标志号(车辆的唯一标志号用于区分不同的车辆，使用它的原因是：在车辆互相交互信息的过程中，将哪些信息属于哪辆车区分开来，从而进行信息感知和视图算法，它是必须的步骤)，为车辆分配一个发送数据列表(当进行车辆信息感知的步骤时，车辆根据算法要求发送融合后的具有时效性的信息，这些信息的存放位置在数据发送列表)；

(3)、生成公路检测段内全部车辆视图；

(4)、追尾事故的预警和告警信息传播。

如上所述的基于视图的车辆预警方法，其特征在于：车辆状态信息感知的具体步骤为：

(1)期性获取车辆状态信息；

(2)启动最大停滞时间定时器；

(3)如果达到最大停滞时间期间，未收到其它车辆状态信息，则发送自身车辆状态信息，并转到(2)；

(4)如果未达到最大停滞时间时，接收到其它车辆状态信息，启动退避计时器，并终止最大停滞时间定时器；

(5)根据接收到信息中的距离确定退避间隔；

(6)在退避间隔内，继续接收其它车辆状态信息；

(7)退避计时器递减到零，检验所有接收到信息的时效性，将时效性小于有效信息门限的信息融合后，发送出去，并转到(2)的步骤。

如上所述的基于视图的车辆预警方法，其特征在于：高速公路车辆视图生成的具体步骤为：

(1)动周期性广播定时器；

(2)广播定时器到达预设时间T，依概率

确定是否发送自身所感知到的网络状态信息的步骤，其中n_i表示各个节点自身感知到的节点个数；

(3)如果发送，设定包的最大跳数max_hop；

(4)所有收到该数据包的节点将max_hop减一；

(5)如果max_hop＝0，将收到信息结合自身感知的信息转化为车辆视图，并转到(1)；

(6)否则，计算概率P的步骤，P是距离的函数，距离越大，P越大；距离越小，P越小；

(7)节点依概率P确定是否转发；

(8)对于负责转发的节点，将自身的信息与已收到包中的信息融合，然后转发出去；

(9)转到(4)。

如上所述的基于视图的车辆预警方法，其特征在于：追尾事故的预警的具体步骤为：

(1)基于车辆视图计算车辆间相对位置和相对速度；

(2)计算相邻车辆碰撞的时间；

(3)计算碰撞避免时间TTC的步骤，TTC包括司机反应时间，汽车制动时间和空余时间量；

(4)TTC与决策阈值Th比较；

(5)如果TTC<Th，执行预警准则的步骤，预警准则：在一次碰撞预警中只能有一次预警；如果没有路线交叉不发布预警；

(6)将预警信息传播出去。

如上所述的基于视图的车辆预警方法，其特征在于：告警信息传播的具体步骤为：

(1)于车辆状态信息感知获取车辆信息；

(2)计算Fresnel绕射参数；

(3)计算绕射增益；

(4)推导信号接收强度；

(5)计算两辆车辆间接收概率；

(6)计算差集内接收概率和；

(7)最大接收概率和的节点作为中继；

(8)由退避函数计算退避间隔；

(9)退避结束，发送数据包；

(10)转到(1)。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)车辆感知范围广，综合全局形势。在公路上，情况变化多端，难以预测。车辆行驶状态与交通规则以及司机意图，习惯都有关系。因为视图能够显示大范围区域内的车辆的行驶状况，在较大范围内(>1000m)，车辆都能够获知该区域的整体行驶情况，对可能发生的事故预先感知。

(2)预警反应时间短。对于事故隐患，通过判决碰撞避免时间TTC与决策阈值Th，可以预先对司机发出告警，从而大大减少事故发生的概率。

(3)覆盖率高。由于告警方法采用依接收概率选择中继的方法，即选择可靠且覆盖率高的车辆作为中继，告警信息的覆盖率相对于其它方法得到很大的提高。

附图说明

图1是本发明实施例的预警系统整体框架图；

图2是车辆状态信息感知流程图；

图3是车辆状态信息感知时间序列图；

图4是视图生成方法流程图；

图5是告警决策方法图；

图6是基于视图的告警示意图；

图7是远距离传输流程图；

图8是车辆状态信息感知实例图；字母A至M为不同车辆；

图9是车辆视图生成实例图；

图10是追尾事故的预警实例图；

图11是告警信息传播实例图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细的描述。

本发明的基于视图的车辆预警方法，其特征在于：

(1)、感知公路检测段内全部车辆状态信息，这些信息是：利用GPS获取公路检测段内全部车辆位置信息，利用车辆仪表获取全部车辆速度，利用车辆传动装置获取全部车辆刹车、加速、拐弯信息；

(2)、为车辆分配唯一标志号，为车辆分配一个发送数据列表；

(3)、生成公路检测段内全部车辆视图。

(4)、追尾事故的预警和告警信息传播。

参见图1，车辆预警的软件框架包括四个部分：信息感知，视图生成，车辆预警和远距离传输。四个模块采用分层结构。每个模块独立完成一个功能，依赖前一模块的数据支持。车辆在道路上行驶，产生基本的车辆信息，如速度、位置、接收数据量等。信息感知模块通过基于距离的退避函数，协调节点的发送次序。通过一系列的信息交互，每个节点能够感知到它邻近车辆的情况。对于更远距离的车辆状况，生成的视图能够提供足够的信息。首先每个节点按照概率决定是否将前一模块感知到的内容传播出去，其次这种数据包被限制在传播的最大范围内，最大范围由跳数和信息新鲜度决定。对于将会产生危险的车辆，根据采集到的相对车距和相对车速，决策判断是否应该发出预警信号。预警信息的传播主要考虑到要求传播速度快，覆盖率高，因此采用计算两两车辆间的接收概率，使拥有最大概率和的车辆作为中继的方法，使预警信息传播满足实时性和可靠性要求。

图2是车辆状态信息感知流程图。首先，车辆初始化数据与定时器。数据包括：节点的争用等待时间值域，而随机延迟变量X，有效信息门限Time_Thresh_。定时器包括：争用等待间隔 $T_{\mathrm{contend}}=1-\frac{0.99d}{R}+X,$ 最大停滞间隔T_cycle，信息采集周期T_lcal。启动最大停滞间隔定时器。当它到期时，发送自身感知到的车辆状态信息。紧接着再次启动最大停滞间隔定时器。只有在最大停滞间隔内没有收到其它节点的数据包，才循环发送自身感知的车辆信息；否则，消除最大停滞定时器，并启动争用等待间隔计时器。在其到期的时间内，如果接收到其它节点发送的车辆状态信息数据包，更新自身的发送列表。并在定时器到期时发送自身感知的信息，同时再次启动最大停滞定时器。

图3是车辆状态信息感知时间序列图，该图表示的是两个车辆之间状态信息感知的例子。当节点A初始化之后发送beacon数据包后，节点B启动争用等待间隔计时器，到期后发送自身车辆的信息。随着车辆的运动，自身的信息不断改变，二者之间的交互不会中断。当beacon包遭遇信道质量下降丢失时，如B的beacon数据包。节点A在最大停滞周期T_cycle内将重新发送自身的车辆状态信息。

图4是视图生成方法流程图，在车辆信息感知的基础上，节点依概率自发发送自身感知的信息；中继节点根据概率函数P＝f(d)，选择退避时间，更远的节点有更高的优先级。Max_hop逐跳递减，控制传播的最大范围。从而使信息传播到更远的范围，每跳节点都可以生成和刷新视图。视图周期定时器能够不断的生成和刷新各节点的车辆视图。

图5是告警决策方法图。根据视图生成方法，视图不断更新其信息。从车辆视图中，计算该车辆与周围车辆的相对速度，位置等参量。当计算出有存在车辆碰撞的可能性时，比较其发生所需的时间与告警门限，小于告警门限时，对司机发出告警。其示意图如图6所示。车辆的速度信息显示在车上方。图中显示了四辆车的相对位置，其中中间的车表示本车；右下角显示预警信号，当碰撞时间小于决策阈值，发布预警，右下角显示红灯，提醒驾驶员避免追尾；否则，右下角不显示红灯。

图7是远距离传输流程图，基于车辆信息感知机制，车辆可以感知到周围车辆的分布。根据车辆间距离，车辆高度以及发射机、接收机高度，计算Fresnel绕射参数，从而计算出绕射增益。由自由空间模型及绕射增益推导出信号的接收强度，再结合发射速率，信道带宽和调制解调方式，得到两两车辆之间传输数据包的接收概率。对于远距离源目车辆间通信，确定中继的方法是：下一跳节点所覆盖差集区域内所有节点的接收概率和最大，则当选为中继节点，其退避计时器选择的退避间隔为所有其它候选中继中的最小值。

本发明的一个实施例如下：

假设高速公路宽20米，13辆车随机分布在1500米范围内。所有车辆均可获得自身的位置信息，速度，车辆行驶状态等信息。同时根据车辆告警设备的MAC地址作为该车的唯一标志号，并在其内存中预留一个数据发送列表的空间。预警的具体步骤包括：

(1)车辆状态信息感知步骤

根据图2，所有车辆启动自身的最大停滞计时器；如果该计时器递减到零，没有收到其它车辆发送的信息，则发送自身的状态信息，并重新启动最大停滞计时器；如果在该计时器递减到零之前收到其它车辆的信息，则启动退避计时器，并关闭最大停滞计时器。退避计时器的值是由接收到第一个信息所对应的车辆与本车之间的距离确定的。退避间隔内再收到的数据包，则根据有效信息门限进行筛选，并进行数据融合，将得到的信息列表发送出去。如图8，车辆G获得的信息包括{E，F，H，G，I，J}。

(2)车辆视图生成步骤

通过基于概率的多跳传输，每辆车获得更远范围内车辆的状态信息。本例中设Max_hop＝2。根据概率，车辆D将自身的信息广播出去，车辆E收到之后，检查Max_hop，发现大于零，将Max_hop减一，将自身感知到的信息融合进去再转发出去，同时更新自身的视图。车辆G收到之后同样将Max_hop减一，同时更新自身的视图。这时，Max_hop＝0，车辆G不再转发。车辆MOJOG，是同样的过程。最后车辆G获得车辆视图为{B，C，D，E，F，G，H，I，J，K，L，M}，如图9。由于该方法对所有车辆是对等的，所以所有车辆有能够获得自身较大范围内的车辆视图。

(3)追尾事故的预警步骤

假设车辆J在时刻t0发生故障，G车的视图显示G与J的距离是d，G与J的相对速度为v，则碰撞的时刻为t0+d/v。设司机反应时间为1，汽车制动时间为z，空余时间量b，TTC＝l+z+b，显然Th>TTC才能保证预警的有效性。G车应在时刻t0+d/v-Th发出告警信息。而其它车辆根据视图和该预警方法仅提醒本车司机。如图10。

(4)告警信息传播步骤

如图11，G车的告警信息传播出去之后，根据告警信息传播算法，选择下一跳车辆与当前车辆所覆盖车辆的差集概率和最大的为中继，具体的实施办法是使中继的退避计时器的值最小。则从车G依次选择车E，D，C，以及车I，J为中继，这样整个网络中的车辆都可以被覆盖到。

本发明的突出特点在于：

1.车辆信息感知方法，将车辆广播自身信息的时机与距离联系起来，使得数据有序竞争，减少了数据包之间的冲突；同时，车辆仅将自身接收到的时效性较高的信息传递出去，有效地遏制了陈旧信息对车辆预警产生的不良影响，提高了信息的实时性。

2.视图生成算法将车辆的信息传播到多跳范围，扩大了车辆的感知距离，从而对远处可能发生的事故预先做出防范。

3.通过车辆视图获取车辆参数，制定告警规则，能够预先对司机发出告警。

4.预警信息的传播方法可靠性高。在于选下一跳车辆所覆盖差集区域内所有车辆的接收概率和最大的车辆作为中继车辆。

Claims (4)

1、一种基于视图的车辆预警方法，包括：

感知公路检测段内全部车辆状态信息，这些信息是：利用GPS获取公路检测段内全部车辆位置信息，利用车辆仪表获取全部车辆速度，利用车辆传动装置获取全部车辆刹车、加速、转弯信息；

为车辆分配唯一标志号，为车辆分配一个发送数据列表；

生成公路检测段内全部车辆视图；

追尾事故的预警和告警信息传播；

其特征在于：车辆状态信息感知的具体步骤为：

(1)周期性获取车辆状态信息；

(2)启动最大停滞时间定时器；

(3)如果达到最大停滞时间期间，未收到其它车辆状态信息，则发送自身车辆状态信息，并转到(2)；

(4)如果未达到最大停滞时间时，接收到其它车辆状态信息，启动退避计时器，并终止最大停滞时间定时器；

(5)根据接收到信息中的距离确定退避间隔；

(6)在退避间隔内，继续接收其它车辆状态信息；

(7)退避计时器递减到零，检验所有接收到信息的时效性，将时效性小于有效信息门限的信息融合后，发送出去，并转到(2)的步骤。

2、如权利要求1所述的基于视图的车辆预警方法，其特征在于：高速公路车辆视图生成的具体步骤为：

(1)启动周期性广播定时器；

(2)广播定时器到达预设时间T，依概率

确定是否发送自身所感知到的网络状态信息的步骤，其中n_i表示各个节点自身感知到的节点个数；

(3)如果发送，设定包的最大跳数max_hop；

(4)所有收到该数据包的节点将max_hop减一；

(5)如果max_hop＝0，将收到信息结合自身感知的信息转化为车辆视图，并转到(1)(6)否则，计算概率P的步骤，P是距离的函数，距离越大，P越大；距离越小，P越小；

(7)节点依概率P确定是否转发；

(8)对于负责转发的节点，将自身的信息与已收到包中的信息融合，然后转发出去；

(9)转到(4)。

3、如权利要求1所述的基于视图的车辆预警方法，其特征在于：追尾事故的预警的具体步骤为：

(1)基于车辆视图计算车辆间相对位置和相对速度；

(2)计算相邻车辆碰撞的时间；

(3)计算碰撞避免时间TTC的步骤，TTC包括司机反应时间，汽车制动时间和空余时间量；

(4)TTC与决策阈值Th比较；

(5)如果TTC<Th，执行预警准则的步骤，预警准则：在一次碰撞预警中只能有一次预警；如果没有路线交叉不发布预警；

(6)将预警信息传播出去。

4、如权利要求1所述的基于视图的车辆预警方法，其特征在于：告警信息传播的具体步骤为：

(1)基于车辆状态信息感知获取车辆信息；

(2)计算Fresnel绕射参数；

(3)计算绕射增益；

(4)推导信号接收强度；

(5)计算两辆车辆间接收概率；

(6)计算差集内接收概率和；

(7)最大接收概率和的节点作为中继；

(8)由退避函数计算退避间隔；

(9)退避结束，发送数据包；

(10)转到(1)。

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