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)展的一個熱點(diǎn)，其是將車輛和道路等因素作為一個有機(jī)整體考慮。在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中，針對行車安全問題發(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)先級分級能力，能對信道進(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期。到了21世紀(jì)，為了跟上現(xiàn)代交通的發(fā)展趨勢，解決交通安全問題，美國政府交通部門和汽車制造商對V2V安全應(yīng)用程序進(jìn)行了改進(jìn)開發(fā)了測試，對車載安全系統(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)略研究計劃：2010-20144，目標(biāo)是利用無線通信建立一個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，美國在多個地區(qū)進(jìn)行了安全測試，以此來評估用戶對新的V2V技術(shù)的掌握程度。2012年到2013年，繼續(xù)對安全駕駛模型進(jìn)行研究，對車聯(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)略計劃，目的在于出臺美國下一代的ITS的研究方向，進(jìn)一步對車聯(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計劃，目標(biāo)是在3年左右的時間覆蓋全國900個收費(fèi)站。于2003年發(fā)布了日本智能交通系統(tǒng)戰(zhàn)略規(guī)劃，對日本的智能交通做了一個詳細(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)”，這個系統(tǒng)能夠?yàn)檐囕v提供及時的道路信息，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時代。于2010年正式在首屆“車聯(lián)網(wǎng)”研討會中提出“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)際的行車情況來計算剎車距離，碰撞時間差算法的計算驗(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)警算法的時候，應(yīng)選擇簡單可行的算法。實(shí)際中大部分車輛是沒有碰撞危險的，所以僅僅需要對少部分有碰撞趨勢的車輛進(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，為相對角，航向角和相對角均以正北方向?yàn)閰⒖挤较?。取為兩車的平面坐?biāo)，為兩車的相對的航向角。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)異號時，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，兩車處于相向行駛的平行狀態(tài)，此時可能發(fā)生正面碰撞；（2）當(dāng)時，兩車處于同向行駛的平行狀態(tài)，此時可能發(fā)生追尾碰撞；（3）當(dāng)，且異號時，兩車處于同側(cè)相向行駛的狀態(tài)，此時可能發(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所需要的最短的時間稱為最小安全時間，最小安全時間可以分為兩個部分：反應(yīng)時間和控制車輛的時間。通常以碰撞時間（TTC）作為衡量行車安全的一個重要的指標(biāo)，碰撞時間應(yīng)該大于最小安全時間。直線碰撞時，橫向安全距離是是一個關(guān)鍵因素，即兩車會車的最小距離（DCPA），這個值應(yīng)該大于一個車道的寬度。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：，表示正面碰撞時的狀態(tài)，表示追尾碰撞時的狀態(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)動狀態(tài)對車輛的運(yùn)動軌跡進(jìn)行預(yù)測，從而對碰撞的時間和碰撞點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測。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位置?？梢酝ㄟ^計算兩車距離碰撞時間的差值來對車輛的安全狀態(tài)進(jìn)行判定，同時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，則碰撞的時間差可以表示為。已知，還需要求解兩車間的距離。測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)行計算7。如圖4-3是整個防撞預(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)確的報警閾值不僅能減少對無用報警對駕駛員來的干擾，還能為駕駛員提供及時準(zhǔn)確的報警信息。因此，可以設(shè)置多級報警機(jī)制。第一級為警示，提醒駕駛?cè)藛T前方有危險；第二級為警告，警告駕駛員前方有危險。根據(jù)交通流理論可知，駕駛員的反應(yīng)時間通常為0.7秒至1.5秒，控制時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的第一個閾值，TTC的第二個閾值一般選為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危險警告危險提示無危險對于交叉路口，通常設(shè)置兩車的安全時間

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危險警告危險提示無危險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)計了碰撞的分類的算法，對碰撞進(jìn)行了分類研究，只針對可能發(fā)生碰撞的車輛進(jìn)行研究。對直線碰撞和側(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 . USDOT.ITS Strategic