燕姣，劉釗，李郁菡

（西安航空學(xué)院車輛工程學(xué)院，陜西 西安 710077）

前言

近些年，隨著人們水平的提高及飛速發(fā)展的公路建設(shè)，迅速增加了汽車的擁有量，交通事故發(fā)生的頻率也迅速增加，然而高速公路交通事故的形式為車輛追尾尤為凸顯，使個(gè)人及國(guó)家的損失極為嚴(yán)重。

鑒于高速公路上汽車追尾碰撞事故的比例日漸增多的情況，通過(guò)針對(duì)追尾交通事故分析，主要涵蓋由于駕駛員未能專心或疲勞駕駛導(dǎo)致不能與前車保持安全車距的兩種主要原因。因此愈發(fā)重視研究汽車的防撞系統(tǒng)。

汽車防撞系統(tǒng)屬于主動(dòng)式車輛安全系統(tǒng)范圍，針對(duì)此方面的研究在國(guó)內(nèi)外都備受關(guān)注，因此在研究成果方面也比較豐富。目前國(guó)內(nèi)做的安全行車距離檢測(cè)儀大多安裝于汽車上，且基于車速傳感器、雷達(dá)、激光、聲納等技術(shù)，資金昂貴，并不是每輛車上配備了該防撞技術(shù)[1-7]，因而花費(fèi)少、實(shí)用性高的基于線圈的事故黑點(diǎn)高速公路行車安全距離的檢測(cè)顯得更易推廣。

1 國(guó)內(nèi)外安全評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

評(píng)價(jià)道路安全的指標(biāo)主要有：①通過(guò)分析事故率及速度離散性間關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法；②通過(guò)分析具體沖突技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法；③通過(guò)分析速度差值進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法；④通過(guò)分析車頭時(shí)距進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法；⑤通過(guò)分析最小安全距離進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。經(jīng)過(guò)一系列比較分析得出，本文擇選最小安全距離（Minimum Safety Distance Equation, MSDE）為研究的安全性指標(biāo)，其計(jì)算公式如下[8-13]：

針對(duì)以上公式各項(xiàng)目解析：前車車速（mph）為VL；后車車速(mph)為VF；車頭時(shí)距(s)為h；后車感知和反應(yīng)的時(shí)間(s)為PRT；路面摩擦力系數(shù)為f；道路縱坡為g。然而PRT=t1+t2+t3。分別為：后車駕駛員感知反應(yīng)時(shí)間為t1；抬腳至制動(dòng)生效時(shí)間為；制動(dòng)開始到制動(dòng)結(jié)束時(shí)間t3。

表1 不同路面的附著系數(shù)（f）

通常情況下，當(dāng)時(shí)的氣象條件、駕駛員的心理及生理反映對(duì)t1有著決定性的作用，而車輛性能及駕駛員操作經(jīng)驗(yàn)決定著t2時(shí)間，高速公路的條件、氣象條件及車輛性能決定著t3時(shí)間。然而依據(jù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)基于美國(guó)各州公路工作者協(xié)會(huì)的規(guī)定計(jì)算，0.18s 為t1，0.17s 為t2，1～1.15s 為t3，因此，PRT=2.5～3.0s。針對(duì)修正t1和t3需基于路面及特殊氣象條件進(jìn)行。而在本文中將2.5 秒作為PRT 在車輛安全時(shí)距中的取值。路面摩擦系數(shù)f 取0.7，當(dāng)出現(xiàn)下雨天氣摩擦系數(shù)為0.4，冰雪天氣摩擦系數(shù)修正為0.2。如下表1 所示。當(dāng)增加后車車速、減小前車車速及減小車頭時(shí)距h 時(shí)MSDE 會(huì)隨之減?。欢硎厩昂筌囕v在安全車距范圍內(nèi)的為MSDE＞0 的時(shí)候；然而表示前后車沖破安全車距為MSDE≤0 的時(shí)候，由此可見(jiàn)，發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)性隨著逐漸增大的MSDE 值而隨之增加。

通常情況下，人們僅對(duì)前后車輛的速度差或前后車輛的距離單獨(dú)考量作為前后車輛事故風(fēng)險(xiǎn)性的考量。事故的風(fēng)險(xiǎn)性基于前后車距越小而增加時(shí)是針對(duì)前后車距單獨(dú)考量時(shí)的結(jié)果；而事故風(fēng)險(xiǎn)性基于前后車速差越大而增加時(shí)是針對(duì)前后車速差單獨(dú)考量的結(jié)果。然而將前后車距結(jié)合速度差同時(shí)考量為等效最小安全車距MSDE，該方法考量事故風(fēng)險(xiǎn)性是基于兩項(xiàng)因素結(jié)合的綜合性考量。

2 國(guó)內(nèi)外定點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

通過(guò)上面的分析，需要通過(guò)一定的檢測(cè)手段調(diào)查經(jīng)過(guò)某一點(diǎn)處的前車速度、后車速度及車頭時(shí)距，及該點(diǎn)處的摩擦系數(shù)。因而需要使用定點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)。

檢測(cè)器目前在交通調(diào)查領(lǐng)域應(yīng)用的范圍很廣，屬于機(jī)械調(diào)查技術(shù)的范疇，已經(jīng)從在路段上設(shè)置真空管過(guò)渡到使用定點(diǎn)檢測(cè)器。最常用的定點(diǎn)檢測(cè)器基于電磁感應(yīng)技術(shù)，其他的方法則分別應(yīng)用了微波、雷達(dá)、光電管、超聲波以及攝影技術(shù)。這種方法能夠比較方便的直接獲得流量、流率、精確的車頭時(shí)距及占用率[11]。

目前的各種檢測(cè)技術(shù)日趨成熟，可靠性也有了顯著的提高。機(jī)械調(diào)查不受天氣的影響，幾乎適用于所有的交通條件。唯一的缺點(diǎn)是設(shè)備投資及施工費(fèi)用高，但是一旦投入使用，節(jié)省了大量的人力資源，且獲取的信息量大，長(zhǎng)遠(yuǎn)效益高。

在檢測(cè)的過(guò)程中，一般使用成對(duì)的檢測(cè)器，例如一對(duì)的電磁感應(yīng)線圈，將兩個(gè)線圈前后相隔數(shù)米埋設(shè)在地下，車輛經(jīng)過(guò)兩個(gè)線圈時(shí)引起場(chǎng)強(qiáng)變化并將信號(hào)傳遞給信號(hào)處理器，處理器記錄車輛通過(guò)兩個(gè)線圈所使用的時(shí)間，用相隔的距離除以時(shí)間即可得到地點(diǎn)車速。

3 安全車距原理

圖1 檢測(cè)器布置圖示

圖2 兩個(gè)環(huán)形線圈檢測(cè)器圖示

本文的主要目的就是提供一種經(jīng)濟(jì)效益高的基于環(huán)形線圈檢測(cè)的汽車防撞警報(bào)系統(tǒng)。主要的原理如上式（1）所示，對(duì)于上面的參數(shù)，前車速度和后車速度可以通過(guò)環(huán)線線圈地點(diǎn)車速很容易測(cè)量得到，通過(guò)相鄰數(shù)據(jù)的記錄可以得到車頭時(shí)距，后車感知反應(yīng)時(shí)間PRT 取2.5s，路面摩擦系數(shù)取0.7，在雨天、雪天該系數(shù)可調(diào)至0.4 或更低，道路縱坡依據(jù)當(dāng)時(shí)的道路環(huán)境進(jìn)行設(shè)定。主要的原理圖如上圖1、2 所示，其中檢測(cè)線圈為A、B，紅色方塊表示警報(bào)器。

其中地點(diǎn)車速公式如下（2）所示[11,4]：

式中：

D——兩檢測(cè)線圈的距離（m）

[(ton)n]A——車輛n 被A 檢測(cè)器檢測(cè)到的起始時(shí)刻

[(ton)n]B——車輛n 被B 檢測(cè)器檢測(cè)到的起始時(shí)刻

其中車頭時(shí)距：

或者

式中：

ht,n+1——n+1 車與n 車的車頭時(shí)距

[(ton)n]A、[(ton)n]B——車輛n 被A、B 檢測(cè)器檢測(cè)到的起始時(shí)刻

[(ton)n+1]A、[(ton)n+1]B——車輛n+1 被A、B 檢測(cè)器檢測(cè)到的起始時(shí)刻

4 實(shí)驗(yàn)?zāi)M——在交通仿真軟件VISSIM(仿真建模工具)中實(shí)現(xiàn)

基于種類眾多仿真軟件，系統(tǒng)的仿真時(shí)擇選適合的交通仿真軟件尤為重要。其中TransModeler（多功能交通仿真軟件包）、SimTraffic、VISSIM、Corsim（交通仿真軟件）、MITSIM、Paramics（微觀仿真軟件）及AIMSUN（交通分析軟件）為常見(jiàn)的微觀交通仿真軟件。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，由VISSIM軟件進(jìn)行仿真分析被應(yīng)用在本文。其內(nèi)部的兩部分構(gòu)成了VISSIM，信號(hào)狀態(tài)及檢測(cè)器數(shù)據(jù)兩部分基于接口進(jìn)行信息交換。針對(duì)排隊(duì)長(zhǎng)度及形成時(shí)間等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)利用VISSIM 可以離線傳輸，而且針對(duì)可視化交通運(yùn)行狀況可在線生成。

在實(shí)際應(yīng)用中，按鈕及軌道電路、環(huán)形線圈及視頻攝像等均屬于檢測(cè)行人及車輛的方法。不同的類型的檢測(cè)器由VISSIM 利用相同的方法進(jìn)行模擬：通過(guò)路網(wǎng)元素且可定義其長(zhǎng)度，由實(shí)現(xiàn)VISSIM 中的檢測(cè)器。兩個(gè)脈沖信號(hào)的產(chǎn)生分別為車輛檢測(cè)器和車輛后端分開、和前段接近的時(shí)候，信號(hào)控制器收到傳送的信號(hào)，讀取則是由信號(hào)控制程序進(jìn)行。

4.1 基本參數(shù)的設(shè)置

（1）基本路段的設(shè)置

本文以雙向四車道高速公路為研究對(duì)象，輸入一段長(zhǎng)度為1000m 的路段，道路寬度為3.75m，中央分隔帶寬度為3m。

圖3 基本路段的設(shè)置

（2）交通條件的設(shè)置

交通組成為car： HGV=7：3，路段輸入交通量為1000pcu/h/ln，司機(jī)為職業(yè)駕駛員。小汽車的期望車速為120km/h，大貨車的期望車速為90km/h。

（3）駕駛員行為參數(shù)的設(shè)置

基本車輛跟車行為模型為跟車模型。模型的參數(shù)隨著不同模型也有所不同。Wiedemann 99 及Wiedemann 74 為兩種跟車模型，與高速公路交通及城際道路適應(yīng)的便是前者，而后者針對(duì)城市的內(nèi)部道路交通較適用。本文是對(duì)高速公路的仿真，選擇Wiedemann 99 模型作為本文的跟馳模型。

圖4 交通組成的設(shè)置

圖5 駕駛員行為參數(shù)的設(shè)置

（本文不做交通管理控制，因而車輛行駛規(guī)則部分不做設(shè)置。）

4.2 闡述檢測(cè)器的定義

（2）針對(duì)檢測(cè)器需要設(shè)置的路段進(jìn)行擇選。

（3）在路段上選定的位置單擊右鍵進(jìn)行檢測(cè)器的創(chuàng)建，且將檢測(cè)器窗口打開，而默認(rèn)5m 為新建檢測(cè)器的長(zhǎng)度。

（4）針對(duì)檢測(cè)器屬性進(jìn)行設(shè)置。

（5）最后點(diǎn)擊確定。

4.3 評(píng)價(jià)文件的設(shè)置

依次選擇：評(píng)價(jià)— 文件 —……數(shù)據(jù)采集—配置，生成的文件為MER 格式。

4.4 生成文件的導(dǎo)入

將生成的MER 文件導(dǎo)入EXCEL，生成如下圖6 所示的表格。

圖6 生成的檢測(cè)點(diǎn)文件（圖中顯示的是4 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)）

4.5 數(shù)據(jù)處理

（1）樣本量的確定

大量的數(shù)據(jù)是基于VISSIM 仿真而獲得的，將最小的樣本量確定以確保既節(jié)省時(shí)間計(jì)算又保證為有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。相應(yīng)的置信區(qū)間基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理需求滿足，由下公式估算觀測(cè)的車速樣本量：

最小樣本量為n；置信水平系數(shù)為K，3 為在本位中的取值；估計(jì)樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ，8 為在本文中的取值；觀測(cè)的車速允許誤差值（km/h）為E，主要由車輛平均車速下精度的需求所決定，2km/h 為常規(guī)取值。

因此，在公式（5）中將數(shù)值代入得出：

200 為本位所選取的最小樣本量。

（2）開發(fā)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

篩選大量的基于VISSIM 而生成的數(shù)據(jù)，若使用Excel計(jì)算，過(guò)程復(fù)雜且耗時(shí)，本文開發(fā)了VISSIM 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（如下圖7 所示），在該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的計(jì)算利用VB（Visual Basic，編程軟件）編程實(shí)現(xiàn)。迅速且無(wú)誤的數(shù)據(jù)處理便是基于該軟件進(jìn)行的，且近100 倍的速度提升。

圖7 為VISSIM 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)界面

圖8 為VISSIM 中設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)的對(duì)話框

在該系統(tǒng)中可直接導(dǎo)入生成的數(shù)據(jù)，針對(duì)數(shù)據(jù)處理菜單欄點(diǎn)擊，對(duì)話框圖8 便會(huì)彈出。將道路摩擦系數(shù)、檢測(cè)起點(diǎn)及終點(diǎn)編號(hào)輸入到對(duì)話框中，在文中檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置了4 個(gè)，因此1 為起點(diǎn)，4 為終點(diǎn)，0.7 為摩擦系數(shù)，依據(jù)實(shí)際情況設(shè)置道路縱坡，0 為此處的取值，200 為采樣個(gè)數(shù)。

處理該系統(tǒng)時(shí)，將系統(tǒng)的多余的數(shù)據(jù)自動(dòng)刪除，并自動(dòng)換算速度單位，車頭時(shí)距以及最小安全距離的計(jì)算，并提取出所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，詳情參考圖9。最后將所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)MSDE 平均值生成如圖10 的工作表。

圖9 （以檢測(cè)點(diǎn)1 為例）系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)

圖10 各檢測(cè)點(diǎn)MSDE 的平均值

在VISSIM 仿真實(shí)驗(yàn)中，檢測(cè)器相當(dāng)于實(shí)際中的檢測(cè)器，可以看到在VISSIM 中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)路段上某一點(diǎn)的安全檢測(cè)，因而證明環(huán)形線圈是可以用于汽車防撞警報(bào)系統(tǒng)檢測(cè)的。

5 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型的過(guò)程

汽車防撞系統(tǒng)已給定，相應(yīng)的參數(shù)的設(shè)定基于各參數(shù)的取值方位及影響因素而定，依據(jù)不同的路面類型，在行駛過(guò)程中，道路及輪胎的附著系數(shù)基于表1 數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定。在事故多發(fā)地點(diǎn)設(shè)置若干檢測(cè)線圈，線圈檢測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳感設(shè)備上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)，導(dǎo)入公式（1）后，可判斷是否為安全距離，小于安全距離的情況下，路旁紅色閃燈打開對(duì)駕駛員予以警告。隨著線圈技術(shù)的廣泛應(yīng)用，記載的數(shù)據(jù)可廣泛用于交通調(diào)查，事故判斷等[1]。

6 結(jié)論

本文從安全評(píng)價(jià)的角度出發(fā)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外定點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)出了基于環(huán)形線圈檢測(cè)的汽車防撞系統(tǒng)，并通過(guò)VISSIM 進(jìn)行了測(cè)試。在事故多發(fā)地點(diǎn)設(shè)置若干檢測(cè)線圈，線圈檢測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳感設(shè)備上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)，導(dǎo)入安全距離公式后。當(dāng)?shù)玫降臄?shù)據(jù)小于安全距離的時(shí)候，路旁紅色閃燈打開對(duì)駕駛員予以警告。隨著環(huán)形線圈檢測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)可廣泛用于交通調(diào)查，事故判斷等。