城市道路交叉口防碰撞预警的研究

胡艳 樊亚云 曹钻

摘   要：城市道路交叉路口被认为是交通事故发生概率比较高的区域，文章详细分析了城市交叉路口碰撞预警算法及其存在的不足之处，对改进的算法进行论述。基于C-V2X交叉碰撞预警，通过车、路、人和基础设施数据信息共享和互联，准确预测车辆轨迹，给出行驶建议速度，有效解决城市交叉路口碰撞安全问题。

关键词：蜂窝车联网通信技术;道路交叉口;碰撞预警;车-车

城市道路交叉口碰撞预警作为交通冲突技术的主要应用领域，因其分布数量多、构造复杂、场景众多，发生交通安全事故的概率较高，一直以来都是交通冲突防碰撞预警研究的主要对象。根据车辆的车速、车辆间距和行驶方向等车辆状态参数，城市十字路口碰撞分类分为正面碰撞、交叉碰撞和纵向追尾冲突。

本研究列举常用的交叉路口碰撞预警算法，针对存在的问题和不足，对改进的防碰撞预警算法进行说明。从单车智能利用自身车辆的传感设备（雷达和视频）并不能良好地解决交叉路口安全问题。蜂窝车联网通信技術（Cellular-Vehicle to Everything，C-V2X）作为车联网的一种关键技术，基于4G/5G等蜂窝网通信技术演进形成的车用无线通信技术，借助车-车（Vehicle to Vehicle，V2V）、车与路（Vehicle to Road，V2R）侧基础设施、车与人（Vehicle to Pedestrian，V2P）之间的无线通信，实时感知车辆周边状况并及时预警，实现了车辆状态信息和交通环境信息之间的实时数据共享，成为有效解决道路交叉口安全问题的方法。

1    安全距离碰撞预警

安全距离算法只适用于汽车追尾的碰撞[1]。当距离小于设置的安全距离门限时，提醒驾驶员应对可能发生的紧急碰撞风险。

判断前方紧急碰撞风险，首先计算前车在速度Vf时，以减加速度ufg刹车直至停止的行驶路径为Df;后车在速度Vb时，以减加速度ubg刹车直至停止的行驶路径为Db;驾驶员的反应时间为Thum，后车的系统制动过程需要时间为Tsys，预警信息传输时间为Ttrans。

安全距离Ds是前车和后车必须保持的最小距离。如果后车制动距离Db大于前车的制动距离Df加上最小安全距离Ds，可能发生追尾碰撞，产生碰撞预警。即：

Ds=Df-Db+d0   （3）

式中，d0设定的时距空余。

2    交叉路口防碰撞预警

交叉路口防碰撞预警[2]为：

若某一时刻，车辆A和车辆B的位置分别为（x1，y1），（x2，y2），速度分别为v1，v2，方位角分别为θ1，θ2，此刻车辆状态如图1所示。

计算车辆到达冲突点的预期时间（Time to Intersection，TTX），式（6—7）中，，表示两车的速度向量;，表示两车在行驶方向指向冲突点（xp，yp）的距离向量;sign（）表示判断车辆是否通过冲突点的函数;若距离向量和速度方向相反，说明车辆在冲突点另一端，值为负值，即为﹣1。

2.3  预测轨迹冲突点是否碰撞

需要对TTX1和TTX2进行比较，如果|TTX1-TTX2|

2.4  判断和筛选潜在冲突点

如果碰撞时间为TTC（Time-to-Collsion），防碰撞时间为TTA（Time-to-Avoidance），二者差值小于最小安全时间门限值，就会产生预警信号，即：

|TTC-TTA|

TimeThr_warning为预警效果参数，值越大，算法越保守、越安全，但频繁告警提醒会干扰驾驶员驾驶。所以，值为合理值，才能达到预警效果。

其中，TTA主要受驾驶员的反应时间tr、车辆制动的敏捷性、防撞行为等方面影响。一旦驾驶员给出刹车防撞行为，则TTA计算方法如下：

（8）

式中，μ是估算的轮胎与路面摩擦系数，不同的路面条件下取值不同;g是重力加速度;v是当前速度;β是防撞目标参数;β取1表示在防撞时间TTA之内本车必须完全停止，如果β取值范围为（0，1]，没有必要完全停车，通过刹车或者转向等行为消除碰撞。

3    交叉口碰撞预警改进算法分析

首先，十字交叉口防碰撞预警需要考虑驾驶员行为，例如反应时间。其次，需要对轨迹进行预测，才能准确预判断是否产生冲突点，也需要考虑可能存在刹车和转向等行为，可进一步降低碰撞风险。最后，给出建议速度，辅助提醒驾驶员注意减速。

3.1  冲突区域

考虑到车辆大小，从冲突点概念引入冲突区域概念。冲突区域将车辆看作有面积的实体，是车辆轨迹线交汇区域。因车辆型号大小和行驶路线不同，冲突区域可能为不规则的形状，例如圆形、矩形、正方形等。改进冲突区域以车道线延长交互的重叠区域作为冲突区域，把交叉口划分为车道数与车道数乘积的冲突区域[3]。

3.2  时空网格

刘明剑等[4]主要解决如何精准预测车辆运动轨迹的问题。交叉路口分割连续的网格，利用交叉路口时空网格方法，路侧终端根据车辆的行驶轨迹，确定车辆在不同时刻占用的网格数，若在某一时刻两车占用共同网格则表明将发生碰撞，根据车辆当前运动状态给出碰撞车辆的避险方式和安全速度建议。

3.3  轨迹预测和速度显示

宋晓琳等[5]主要针对已有的车辆碰撞预警系统中，车辆轨迹预测误差较大问题，通过卡尔曼滤波方式来优化定位装置的准确度和精度，提高车辆位置预测准确度，发出碰撞预警时，给出合理的规避方式建议并显示速度。