CN109102696A - 基于主动安全的交叉频密路段冲突预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于主动安全思想的交叉口冲突预警系统，适用于行政办公区、科技园区、高档社区等交叉频密的路段。该系统通过车辆和路侧设备间的实时信息交互，优化交叉口车辆间的相对位置关系，提高路段的通行能力与行车安全。系统由数据采集设备和信号传输设备组成，冲突预警逻辑主要分为数据采集、环境感知、危险评估以及决策执行四部分。系统通过路侧数据采集设备实时检测主路、支路的车辆/行人信息，通过判断两方向车辆是否满足冲突发生阈值，确定是否启动冲突消解算法，并根据车辆优先权计算，确定对哪个方向车辆发出预警信号，最终达到消解交叉口冲突的目的。本发明弥补了小间距街区交叉口安全设计方面研究的不足，具有较强的实用特性。

Description

基于主动安全的交叉频密路段冲突预警方法

技术领域

本发明基于车辆主动安全思想，是一种适用于交叉频密路段的冲突预警方法。

背景技术

随着“窄马路、密路网”的城市道路布局理念在行政办公区、科技园区、高档社区等地的贯彻推广，形成了街口小间距，支路小流量的“宜居街区”。

频密的交叉支路必然增加道路的横向干扰；过小的转弯半径使交叉口视距严重不足。加上该区域缺乏有效的安全预警设施，驾驶员无法及时发现危险，导致路口安全事故频发。

由于相交道路间距较小，若设置信号灯，频密的信号管控不仅投入增大，且会大大降低路段的通行能力。

由于支路流量不大，若设置黄闪灯，较小的冲突概率以及过频繁的黄闪警示，极易使司机产生警觉疲劳，无法达到警示效果。

考虑到交叉频密路段人车混行严重，先进的车联网技术仅限于车- 车间的相互协调，无法将行人、非机动车纳入联网环境，无法有效保证车辆的安全平稳运行。

发明内容

本发明的目的就是为了减少交叉频密路段的车-车、人-车冲突，提出一种适用于交叉频密路段的冲突预警方法。

本文的目的可以通过以下技术方案来实现:

基于主动安全的交叉频密路段冲突预警方法，用于“宜居街区”交叉频密路段等特殊的道路交通环境，所述的方法包括以下步骤：

S1、数据采集：安装在交叉口两侧的数据采集设备实时采集主路和支路靠近交叉口车辆/行人的位置和速度信息，判断是否在两条道路上同时检测到移动物体，若存在则进行步骤S2，否则表示行车安全，重复S1；

S2、环境感知：当在两条道路上同时检测到移动物体时，路车单元将计算车辆或行人到达冲突点所需的时间(TTC)，确定车辆的冲突发生阈值，若车辆到达时间超过冲突阈值，进行步骤S3，若没有超过则继续重复S2；

S3、危险评估：通过冲突发生阈值，评估车辆是否有冲突可能性。一旦预测到潜在的冲突，系统会启动计算道路的优先权算法，判定哪条道路车辆具有优先权，进行步骤S4；

S4、决策执行：依据路权分配结果，确定对主路还是支路发出预警信号。在算法确认道路安全之前，预警信号不会被解除。

所述的数据采集阶段包括两个要点：检测器位置设置和数据监测范围。

检测器位置设置：检测器的设置高度以及与路面的垂直角度直接影响到探测距离的远近。检测器设置太高无法满足检测范围的要求；设置太低，横杆会影响车辆通行。结合实际的检测范围需求，并考虑车辆行驶安全，拟定检测器设置高度为5.5m。由雷达探测器几何关系(图3)可知，在设置高度一定的情况下，夹角越大，检测区域越小；夹角越小，探测范围越大。在交叉口前150m处，有预警工况的车辆速度开始发生变化。因此，检测器范围拟定在 30m～150m之间。

在主路支路两方向分别设置车辆检测器，为了量化车辆间的相对位置关系，以冲突点为原点，以主路为X轴，支路位Y轴，建立直角坐标系，如图4所示。

由几何位置关系可得：

X为车辆距冲突点的距离；X₀为检测器距冲突点的距离；H为检测器设置高度；图3为检测线与水平面间的夹角；L₀为雷达检测线的长度；

由于检测器高度H＝5.5m；由于车辆检测范围L_X∈(30m,150m)，得检测线的水平距离L∈(35.43m,155.10m)，由几何关系计算得，

数据检测范围：道路的检测区域为辐射场在道路上的投影区，检测区域长度(沿着车辆移动方向)和宽度(垂直于车辆移动方向)可以按如下公式计算：

沿行车方向：

垂直于行车方向：

X₁、X₂分别为检测区域的起点和终点；X₀为检测器距冲突点的距离；D_x为检测区域的宽度；H为雷达测速仪安装高度；θ为测速仪垂直界面安装角度，如图4所示；β为测速仪垂直界面辐射角，β≤7°可以满足精度需求；α为测速仪水平界面的辐射角度。

按照雷达检测器放置高度H＝5.5m，对主路检测区域进行计算：带入β＝7°；H＝5.5m；X₀＝-5m；D_X＝3.75m；X₂＝150m；得θ＝5.5°；X₁＝28.7m；α＝6°。因此，主路检测区域为距交叉口150m～30m范围。

同理，对支路检测区域进行计算：带入β＝7°；H＝5.5m；Y₀＝8m； D_Y＝3.75m；Y₂＝120m；得θ＝6.3°；Y₁＝39.8m；α＝6.6°。因此，支路检测区域为距交叉口120m-40m范围。

环境感知包括四部分要点：到达冲突点时间计算、停车视距计算、冲突危险区域定义和进出冲突区计算。

到达冲突点时间(TTC)：默认车辆的速度按照减速度为0(匀速) ～1.11(稳定匀减速)运行。设检测距冲突点X米处车辆速度为V_x，X∈(30,150)。

当按匀速行驶时，车辆到冲突点所需时间TTC_n1为：

当按稳定匀减速行驶时，车辆到交叉口所需时间TTC_n2为：

故在无预警时，车辆到达交叉口的时间在之间。

停车视距计算：停车视距由反应距离S₁、制动距离S₂、安全距离 S₃三部分组成。即：

SSD＝S₁+S2+S3

SSD为车辆的停止视距；S₁为反应距离，即从司机发现障碍物起到采取制动措施止行驶的距离；S₂为制动距离，即从车辆开始制动起到完全停止行驶的距离；S₃为安全距离，即车辆停止后距障碍物之间的安全距离，一般取3m～5m。

反应距离S₁与制动距离S₂的表达式如下所示：

其中，V为车辆运行速度，以km/h计；t为驾驶员的感知反应时间，通常为2.5秒；φ为附着系数，无量纲，通常选取较差的潮湿路面，一般取值为 0.31～0.44；ψ为道路阻力系数，无量纲，ψ＝滚动阻力系数f+道路纵坡度i。

则，停车视距可表示为：

考虑到行车的安全性，S₃取值为5m。φ取值依据设计车速60km/h，选取在路面潮湿状况下的摩阻系数，取值为0.33；坡度i按照平坡<3％计算。故，车辆的停车视距可表示为：

SSD≈1.25V

据调查，交叉频密路段主路的行车速度在40Km/h～60Km/h之间，为最大限度的保证行车安全，主路行车速度按照60Km/h计算，则主路车辆从看到障碍物起，到安全停止所需的时间TSSDx＝SSD*3.6/60＝4.5s。

冲突危险区域定义：依据主路直行车辆和支路左转、右转、直行三种工况下车辆的运行轨迹，定义冲突危险区域为'ABCD'，如图5所示。

为了确保在安全，扩大主路和支路的危险区域在最小安全距离S₃外，并保证在支路车辆到达危险区域时，主路车辆距交叉口距离满足停车视距。

进出冲突区时间：当预测到两车同时到达冲突区域时，就有可能发生冲突。车辆进入和离开冲突区所需的时间可以通过以下公式计算：

进入冲突区时间：

T_x1、T_y1分别为主路和支路车辆到达冲突区所需时间；TTC_x、TTC_y分别为主路和支路车辆到达冲突点所需时间；S_c1为左转冲突区边界距冲突点的距离；S₃为车辆间的最小安全距离，通常为3～5m；W为车辆宽度，通常为1.6～ 1.8m，但为了安全起见，保守取值为2m。

离开冲突区时间：

T_x2、T_y2分别为主路和支路车辆离开冲突区所需时间；S_c2为右转冲突区边界距冲突点的距离；L为车辆长度，通常为3.8～4.3m；δ为左右转偏差系数，取值为0～3s。

危险评估：当两方向车辆进出冲突区所需时间满足以下两种情况时，车辆有发生冲突的可能性。

情况一：T_x1≤T_y1≤T_x2：主路车辆先到达冲突区域，在支路车辆到达冲突区域时，主路车辆未能完全离开。其计算公式为：

取SSD＝1.25Vx，S_c1＝6m；S_c2＝4m，L＝4m， W＝2m，S₃＝5m，化简得：

即，当主路和支路车辆速度位置关系满足上式，即认为有冲突发生的可能性。

情况二：T_y1≤T_x1≤T_y2：支路车辆先到达冲突区域，在主路车辆到达冲突区域时，支路车辆未能完全离开。其计算公式为：

由于不确定车辆在交叉口左转右转还是直线，因此考虑最危险的情况(δ取值为3s)，即左转的情况，SSD＝1.25V_x，化简得冲突发生阈值计算公式：

即，当主路和支路车辆速度位置关系满足上时，即认为有冲突发生的可能性。

附图说明

图1为本发明冲突预警方法构成；

图2为本发明预警方法基本框架；

图3为雷达检测器示意图；

图4为检测范围示意图；

图5为交叉口冲突区域示意图；

图6为交叉口车—车冲突示意图；

决策执行包括两部分要点：临界间隙定义和车辆优先权判定。

临界间隙定义：临界间隙是指主路车流提供给支路车辆安全穿越交叉口的最小可穿越间隙。

支路车辆通过主路的最小间隙，必须保证支路车辆通过交叉口后在主路前后车之间的安全。

主路车辆在双车道无信号交叉口直行时可能发生的冲突形式有：1) 与支路直行车辆冲突；2)与支路左转车辆冲突；3)与支路右转车辆冲突。如图6所示。

通过对不同地区无信号交叉口大量的交通观测，应用Ashworth法计算得出我国各地区的可穿越间隙值。

表1可穿越间隙观测结果平均值

从临界间隙统计数据分析可知，左转所需的可穿越间隙平均值最长。因此，为了保证安全，定义以左转车辆穿越交叉口所需可穿越间隙作为临界间隙。取支路车辆的临界间隙为左转工况下的可穿越间隙5.77s。

车辆优先权判定：总结交叉口冲突车辆间的时空分布情况，主要有以下三种可能性：

主路车辆先到达冲突区域，车辆到达冲突区时间关系满足公式：

TTC_x1-TTC_y1＜0

TTC_x1、TTC_y1分别为主路和支路车辆到达交叉口的时间；

该情况为主路车辆优先，需要对支路车辆进行预警，使支路车辆提前减速，以避让主路来车。

支路车辆先到达冲突区域，但不满足穿越主路的临界间隙，车辆到达冲突区时间关系满足公式：

0＜TTC_x1-TTC_y1＜T_c

T_c为支路车辆穿越的可穿越间隙。

该情况为主路车辆优先，需要对支路车辆进行预警，使支路车辆提前减速，以避让主路来车。

支路车辆先到达冲突区域，且满足穿越主路的临界间隙，车辆到达冲突时间关系满足公式：

TTC_x1-TTC_y1≥T_c

该情况为支路车辆优先，需要对主路车辆进行预警，使主路车辆提前减速，以避让前方来车。

综上，分别得主路和支路优先权判定公式：

TTC_x1-TTC_y1＜T_c

TTC_x1-TTC_y1≥T_c

依据路权分配结果，对没有优先权的道路发出预警信号。

通过路侧单元将预测结果转换为感应信号，传递给没有优先权道路上的警示灯，该方向警示灯启亮并持续闪烁，提示驾驶员前方路口将有车驶入，需谨慎行驶；当判断路口无冲突风险后，警示灯关闭，告知驾驶员可以放心通过路口。

Claims (5)

1.一种基于主动安全的交叉频密路段冲突预警方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

S1、分别在主路和支路交叉口前安装车辆信息采集设备，实时检测主路和支路两个方向靠近交叉口车辆/行人的速度和位置信息；当检测到两方向同时来车后，执行步骤S2，否则表示行车安全；

S2、分别预测主路支路车辆到达冲突点所需时间，并判断是否超过冲突阈值，若超过冲突发生阈值则执行步骤S3，否则表示行车安全；

S3、路侧单元启动计算道路的优先权算法，判定主路车辆是否具有优先权，若是则执行步骤S4，否则执行步骤S5；

S4、对支路发出预警信号，支路传感器警示灯启亮并持续闪烁，提示支路驾驶员前方主路将有车驶过，当判断无冲突风险后，执行步骤S6；

S5、对主路发出预警信号，主路传感器警示灯启亮并持续闪烁，提示主路驾驶员前方支路将有车驶入，当判断无冲突风险后，执行步骤S6；

S6、警示灯关闭，提示驾驶员前方无冲突风险，可以放心驶过。

2.根据权利要求1所述的一种基于主动安全的交叉频密路段冲突预警方法，其特征在于，所述的数据采集设备，采用雷达检测仪，设置高度为5.5m，检测范围在30～150m。

3.根据权利要求1所述的一种基于主动安全的交叉频密路段冲突预警方法，其特征在于，判断车辆到达和离开冲突区所需的时间的公式为：

(1)进入冲突区时间：

式中，T_x1、T_y1分别为主路和支路车辆到达冲突区所需时间；TTC_x、TTC_y分别为主路和支路车辆到达冲突点所需时间；S_c1为左转冲突区边界距冲突点的距离；S₃为车辆间的最小安全距离；W为小客车的宽度；SSD为车辆的停止视距；V_x、V_y分别为距冲突点X、Y米处车辆速度；

(2)离开冲突区时间：

式中，T_x2、T_y2分别为主路和支路车辆离开冲突区所需时间；S_c2为右转冲突区边界距冲突点的距离；L为车辆长度；δ为左右转偏差系数，取值为0～3s。

4.根据权利要求1所述的一种基于主动安全的交叉频密路段冲突预警方法，其特征在于，进行危险评估的方法为：

(1)T_x1≤T_y1≤T_x2：当主路车辆先到达冲突区域，在支路车辆到达冲突区域时，主路车辆未能完全离开，其计算公式为：

取SSD＝1.25V_x，

式中，X、Y分别为主路和支路车辆距冲突点的距离；

为了量化车辆间的相对位置关系，以冲突点为原点，以主路为X轴，支路位Y轴，建立直角坐标系，在穿过冲突点前，距离在坐标系中为负值，所以此处X、Y取绝对值；

当主路和支路车辆速度位置关系满足上述公式时，即认为有冲突发生的可能性；

(2)T_y1≤T_x1≤T_y2：支路车辆先到达冲突区域，在主路车辆到达冲突区域时，支路车辆未能完全离开，其计算公式为：

由于不确定车辆在交叉口左转右转还是直线，因此考虑最危险的情况δ取值为3s，即左转的情况，SSD＝1.25V_x，化简得冲突发生阈值计算公式：

当主路和支路车辆速度位置关系满足上述公式时，即认为有冲突发生的可能性。

5.根据权利要求1所述的一种基于主动安全的交叉频密路段冲突预警方法，其特征在于，车辆优先权判定的方法为：

(1)主路优先权判定公式：

当主路和支路车辆到达冲突区时间满足公式：

TTC_x1-TTC_y1<T_c

式中，T_c为可穿越间隙，为5.77s；

则主路车辆具有优先权；

(2)支路优先权判定公式：

当主路和支路车辆到达冲突区时间满足公式：

TTC_x1-TTC_y1≥T_c

则支路车辆具有优先权；

依据路权分配结果，对没有优先权的道路发出预警信号。