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        智能信號環(huán)預(yù)警系統(tǒng)研究

        2022-04-08 11:44:10楊新興陳宇舵
        大科技 2022年12期
        關(guān)鍵詞:盲區(qū)視線預(yù)警系統(tǒng)

        楊 雪,楊新興,汪 丹,陳宇舵,劉 璐

        (四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 成都 610000)

        1 預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

        1.1 研究背景及意義

        2010 年我國發(fā)生交通事故累計219521 起,彎道因素引發(fā)的交通事故占總數(shù)的10.5%,可見彎道是一個事故易發(fā)地。焦明東在《智能預(yù)警系統(tǒng)在公路彎道中的應(yīng)用研究》一文中,指出汽車通過路況復(fù)雜的彎道時,若駕駛員對彎道區(qū)的具體路況了解不足,司機(jī)將很難做出高效質(zhì)的應(yīng)急反應(yīng),更容易發(fā)生誤判,從而導(dǎo)致交通事故。根據(jù)德國戴姆勒-奔馳公司對汽車事故調(diào)查結(jié)果顯示,若駕駛員能提早0.5s 意識到危險并采取措施,則可避免30%的迎面碰撞事故和50%追尾碰撞事故,若能提前1s 則可避免90%的事故發(fā)生[1]。由于視線不清晰或道路安全引導(dǎo)標(biāo)志等客觀因素,國省干線與縣鄉(xiāng)道路的交叉路段、急彎和連續(xù)彎道的路段,通常是彎道交通安全事故的易發(fā)地。據(jù)我國交通事故統(tǒng)計年報顯示,彎道路段發(fā)生的交通事故占全部交通事故的7.84%,彎道死亡事故則高達(dá)全部交通死亡事故的16.3%[2]。十字路口和急彎道路等特殊路段的道路交通安全問題遭受質(zhì)疑。因此,如何升級智能系統(tǒng)與提高科技水平融合發(fā)展,進(jìn)而降低彎道路段交通事故率是是現(xiàn)世研究者和科研者共同研究的對象?;谟行Ы档蛷澋澜煌ㄊ鹿实陌l(fā)生率,為有效實(shí)現(xiàn)交通道路安全,本文首先說明了車輛彎道盲區(qū)狀況和彎道安全事故類型及原因,進(jìn)而從系統(tǒng)設(shè)計和技術(shù)設(shè)計兩方面研究創(chuàng)新設(shè)計智能彎道預(yù)警系統(tǒng),最后對系統(tǒng)的社會經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析。

        1.2 國內(nèi)彎道預(yù)警系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

        近年來國內(nèi)從事對彎道預(yù)警研究主要是一些大學(xué)和研究院,如:同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)地方許多、方守恩、陳雨研究的預(yù)警機(jī)制,即通過行車記錄儀等設(shè)備對短時間內(nèi)對車輛的移動行駛狀態(tài)進(jìn)行記錄,再結(jié)合實(shí)際道路的復(fù)雜程度,應(yīng)用遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法,創(chuàng)建兩者之間的關(guān)系。后車完成對前車行車信息的收集傳輸,進(jìn)而完成預(yù)警任務(wù)[3]。北京理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院周洋研究的車輛前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)利用計算機(jī)視覺的方法,對車輛前向碰撞系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,重點(diǎn)研究了基于視覺的彎道檢測算法、準(zhǔn)確的汽車檢測方式以及車距測量方法,創(chuàng)建了基于視覺的汽車碰撞預(yù)警系統(tǒng)模型。東北林業(yè)大學(xué)付欣月、孟晗、沈芳冰、高冠宇、孟令澤提出了根據(jù)這個地感線圈技術(shù)設(shè)計研發(fā)了一款彎道預(yù)警系統(tǒng),為監(jiān)測車輛行駛狀況埋設(shè)地感線圈,并將檢測信息傳遞給控制系統(tǒng)進(jìn)行信號控制,達(dá)到提前預(yù)警的目的。另外增設(shè)彎道預(yù)警顯示裝置,提前讓行人及駕駛員等交通參與者了解前方彎道的車況[4]。下面從這幾個方面介紹智能信號環(huán)預(yù)警系統(tǒng)。

        首先,針對大型車輛有較大的視線盲區(qū)的問題,距離大車很近時,司機(jī)很可能注意不到周圍的環(huán)境。它通過信號環(huán)的探測器和無線傳輸模塊,實(shí)時采集對面車輛速度等行駛數(shù)據(jù),并把檢測的對面車輛信息反饋給車輛上的GPS 預(yù)警系統(tǒng)。通過GPS 預(yù)警單元,駕駛員能提前洞悉彎道處其他車輛的行駛動態(tài)和詳情信息,進(jìn)而有效幫助駕駛員從容安全駕駛通過彎道。

        其次,針對現(xiàn)有車輛檢測方法無法準(zhǔn)確定位車輛位置,在車輛檢測的基礎(chǔ)上,劃定車輛周圍20m 處的區(qū)域,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)GPS 形成一個信號環(huán)再結(jié)合車載圖像的特性,使其變得更為安全,還可智能控制(盲區(qū)/彎道時,降低的事故發(fā)生率)和彎道、盲區(qū)智能調(diào)節(jié)(根據(jù)彎道范圍、盲區(qū)范圍、人多范圍時發(fā)出警報),以及故障自動報警等功能,大大方便了城市交通安全的維護(hù)。

        最后,GPS 根據(jù)車輛制動過程及駕駛員的駕駛行為,制定了簡單的行車安全標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合路測傳感設(shè)備和微波探測儀器、AI 智能算法及GPS 信號環(huán),再將GPS 信號環(huán)實(shí)時采集反饋的信息通過語音播報、文字警示的方式告知駕駛員,讓駕駛員能夠提前了解前方道路的情況,并采取相應(yīng)的措施達(dá)到彎道預(yù)警的效果,從而為道路交通帶來一定的經(jīng)濟(jì)社會效益。

        1.3 結(jié)合彎道檢測的智能信號環(huán)預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

        1.3.1 路測傳感器

        目前,多傳感器融合是路側(cè)探測的主要升級空間。全息感知是智慧道路發(fā)展的底層基礎(chǔ),需要路側(cè)感知設(shè)備提供全面、高質(zhì)、穩(wěn)定的交通數(shù)據(jù)。路側(cè)感知以高清攝像頭和毫米波雷達(dá)方案為主,華為等大廠已相繼推出了全息感知方案。

        政策加持,路側(cè)智能感知市場迎來發(fā)展風(fēng)口期,預(yù)計到2025 年路側(cè)智能感知(包括RSU、攝像頭、米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、雷視一體機(jī))的市場規(guī)模累計將超過400 億元。其中攝像頭和毫米波雷達(dá)仍然是路側(cè)感知使用的主流設(shè)備,雷視一體、激光雷達(dá)也會呈現(xiàn)明顯增長。

        場景應(yīng)用將是發(fā)展路側(cè)智能感知設(shè)備的有效模式。整個市場的發(fā)展是一個長期過程,彎道交通是路側(cè)感知設(shè)備的一個重要落地場景。

        路側(cè)感知數(shù)據(jù)GPS 數(shù)據(jù)平臺,可將原始數(shù)據(jù)和本地處理的結(jié)果上傳GPS 信號環(huán),通過對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理,為提升彎道交通的效率提供了有效的解決方案。

        1.3.2 信號環(huán)的探測器和無線傳輸模塊

        對對向車輛時速等行駛信息進(jìn)行采集,并把檢測的對面車輛信息反饋給車輛上的GPS 預(yù)警系統(tǒng)。通過GPS 預(yù)警單元,駕駛員能提前洞悉彎道處其他車輛的行駛動態(tài)和詳情信息,進(jìn)而有效幫助駕駛員從容安全駕駛通過彎道。據(jù)實(shí)測,該系統(tǒng)可提前預(yù)警車輛20m 范圍內(nèi)的機(jī)動車動向,進(jìn)而達(dá)到減速慢行和具體路況提醒的目的。

        1.4 內(nèi)容介紹

        (1)首先介紹了智能信號環(huán)預(yù)警系統(tǒng)的研究背景及意義,總結(jié)了其國內(nèi)的研究研究現(xiàn)狀,然后對系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)做了概括和分析。最后對論文的內(nèi)容結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。

        (2)針對大型車輛有較大的視線盲區(qū)問題進(jìn)行研究分析。側(cè)重于對右轉(zhuǎn)彎“內(nèi)輪差”、固定視線盲區(qū)、人為視線盲區(qū)和隨機(jī)視線盲區(qū)的概括和分析。

        (3)針對無法準(zhǔn)確定位車輛位置的問題進(jìn)行分析。根據(jù)路測傳感設(shè)備和微波探測儀器AI 智能算法等實(shí)時采集車輛20m 范圍內(nèi)的周圍環(huán)境,并通過GPS 信號檢測對向車輛的速度數(shù)據(jù)及周圍環(huán)境是否存在異物的情況,將收集的數(shù)據(jù)反饋給該車輛的導(dǎo)航系統(tǒng)。

        (4)結(jié)合前面的檢測方法達(dá)到的彎道預(yù)警效果進(jìn)而對經(jīng)濟(jì)社會產(chǎn)生的效益。通過GPS 信號環(huán)實(shí)時傳輸反饋的信息通過語音播報、文字警示的提前告知駕駛員,從而提高彎道會車安全、降低事故發(fā)生率、促進(jìn)交通安全治理的升級和創(chuàng)新。

        2 車輛視線盲區(qū)范圍問題研究分析

        2.1 右轉(zhuǎn)彎盲區(qū)

        右轉(zhuǎn)彎盲區(qū)產(chǎn)生的原因主要是駕駛員處于正常駕駛座位置,其視線容易被車體遮擋而無法得到全視角的觀察,而對于大型車輛來說車廂更大,障礙更多,于是就存在很大的“內(nèi)輪差”。在右轉(zhuǎn)過程中,重點(diǎn)要注意右側(cè)道路上直行的摩托車、非機(jī)動車及行人的動態(tài),要與上述車輛和行人保持一定的安全橫向距離,掌握右側(cè)視線盲區(qū)內(nèi)的情況,并且要做好隨時停車避讓的準(zhǔn)備。大型車輛右轉(zhuǎn)視線盲區(qū)是指車輛在右轉(zhuǎn)時,由于右側(cè)前后輪行駛軌跡不一致,存在“內(nèi)輪差”盲區(qū),使駕駛?cè)藷o法正確判斷路側(cè)行人與非機(jī)動車輛的狀態(tài)信息的區(qū)域[5]。根據(jù)車輛轉(zhuǎn)彎時有“內(nèi)輪差”的特性,車輛在右轉(zhuǎn)彎時,車輛的后輪要往右外多“拐”一定的距離,并且車輛與右邊的人和非機(jī)動車較近,車輛前部位碰不到人或其他車子,但并不一定車輛后半部位碰不到。若安裝智能信號環(huán)后,當(dāng)車輛行駛到距離路口大約20m 時,智能信號環(huán)就會發(fā)出預(yù)警警報,提醒司機(jī)仔細(xì)觀察道路左、右側(cè)情況,著重右側(cè)情況,讓司機(jī)能夠有更充足的時間去關(guān)注到右轉(zhuǎn)彎處的人或車輛。為右轉(zhuǎn)彎做好準(zhǔn)備,以免離路口過近時和別的右轉(zhuǎn)彎車輛爭道而產(chǎn)生危險情況。貨車在道路行駛中的軌跡與視覺盲區(qū)如圖1所示。

        圖1 貨車在道路行駛中的軌跡與視覺盲區(qū)

        2.2 固定視線盲區(qū)

        固定視線盲區(qū)主要是受外界環(huán)境(公路線形、路旁建筑物等)和車輛結(jié)構(gòu)等影響而形成的。在彎道、交叉路口、陡坡等地形,尤其是交叉路口,由于車輛行人行進(jìn)方向交錯,情況復(fù)雜,使得駕駛員視野受到很大限制。

        2.3 人為視線盲區(qū)

        除了一些本身存在的盲區(qū),還有一些盲區(qū)是人為造成的。

        2.3.1 駕駛車輛的客觀因素

        如貼顏色較深的車膜,在后擋風(fēng)玻璃前放置毛絨玩具、靠枕、紙巾盒等。

        2.3.2 駕駛員本身的主觀因素

        當(dāng)受到某些因素的影響時,駕駛員的駕駛技能將會收到限制,比如精力不集中或者不能發(fā)揮不正常,導(dǎo)致人為視線盲區(qū)的形成。駕駛技能受到限制的具體表現(xiàn)為:駕駛疲勞、開情緒車、開賭氣車;或者是在車輛行駛過程中駕駛員與人談話聊天、使用手機(jī)、抽煙、吃東西;或在進(jìn)行常規(guī)的操作(倒車入庫超車行駛,調(diào)頭和轉(zhuǎn)彎)時的操作不正確等,甚至可是在交叉路口闖信號燈、快速行駛車輛、轉(zhuǎn)彎時忘記打燈提示后面來車等人為的現(xiàn)象,人為的擴(kuò)大了視線盲區(qū)的范圍,給道路交通的行車安全造成了威脅[6]。

        2.4 隨機(jī)視線盲區(qū)

        駕駛員在駕駛車輛的過程中會有些不安全的因素隨機(jī)出現(xiàn)。比如在駕駛田園路段,可能會從田園草堆里面蹭出人來;??吭诼愤叺能囕v,乘客突然下車,甚至可能從后車的車前通過給后車車輛造成的視線盲區(qū)。因?yàn)殡S機(jī)視線盲區(qū)具有不確定性,使得駕駛員一旦遇到隨機(jī)視線盲區(qū)將會不知所措,這樣往往容易造成交通事故的發(fā)生[7]。

        3 智能信號環(huán)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計研究

        3.1 項(xiàng)目原理

        彎道預(yù)警系統(tǒng)由前面路測傳感設(shè)備和微波探測儀器AI 智能算法等實(shí)時采集車輛20m 范圍內(nèi)的周圍環(huán)境(圖2),再由GPS信號環(huán)檢測器、后端一體化車輛預(yù)警裝置組成,其中后端一體化車輛預(yù)警裝置,又由電源模塊,無線傳輸模塊,速度顯示模塊,文字警示模塊,語音警示模塊,系統(tǒng)控制模塊構(gòu)成。

        圖2 彎道車輛相遇的預(yù)警范圍

        3.2 智能信號環(huán)預(yù)警系統(tǒng)功能

        通過路測傳感設(shè)備和微波探測儀器AI 智能算法等實(shí)時采集車輛20m 范圍內(nèi)的周圍環(huán)境,根據(jù)彎道車輛上自帶的GPS 信號環(huán),實(shí)時采集對向車輛速度等行駛數(shù)據(jù),并將信息反饋到對向車輛GPS 上,再通過語音播報、文字警示提醒該車輛司機(jī)減速行駛,GPS 信號環(huán)功能流程如圖3 所示。

        圖3 GPS 信號環(huán)功能流程

        3.2.1 功能設(shè)計

        (1)自動化運(yùn)行,穩(wěn)定可靠,無須人工干預(yù)。

        (2)模塊化設(shè)計,結(jié)構(gòu)緊湊合理。

        (3)車輛檢測精度高,安裝GPS 信號環(huán),只需將GPS 系統(tǒng)升級,安裝施工簡單。

        (4)信息實(shí)時傳輸延遲小,適用于快速同步觸發(fā)的要求。

        智能信號環(huán)系統(tǒng)功能優(yōu)勢如圖4 所示。

        圖4 智能信號環(huán)系統(tǒng)功能優(yōu)勢

        3.2.2 技術(shù)設(shè)計

        (1)會車警示:當(dāng)對向來車時,本車輛將通過車輛的GPS 信號環(huán)檢測對向車輛的速度,實(shí)時采集對向車輛的速度數(shù)據(jù)及周圍環(huán)境是否存在異物的情況,并將采集的信息反饋給該車輛。

        (2)語音播報、文字警示:將GPS 信號環(huán)實(shí)時采集反饋的信息通過語音播報、文字警示的方式告知駕駛員,讓駕駛員能夠提前了解前方道路的情況,并采取相應(yīng)的措施。

        3.2.3 系統(tǒng)構(gòu)成

        智能信號環(huán)預(yù)警系統(tǒng)由一套GPS 信號環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成,每個單元包括:微波探測模塊、無線傳輸模塊、反饋信息模塊、供電系統(tǒng)、AI 智能算法、路測感知設(shè)備6 部分組成。

        4 智能信號環(huán)預(yù)警系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)社會效益分析

        4.1 提高彎道會車安全

        通過GPS 信號環(huán)檢測車輛時速和具體方位,讓車輛實(shí)時顯現(xiàn)當(dāng)前車況及路況,從而從根本上解決駕駛?cè)嗽趶澋罆嚂r對緊急情況應(yīng)急反應(yīng)不良,或狀況誤判等問題,為駕駛?cè)颂峁┓奖?,保證彎道會車的安全[1]。

        4.2 降低事故發(fā)生率

        通過智能車輛信號環(huán)的安裝,能夠有效增進(jìn)駕駛員對于彎道交通實(shí)際情況的了解,增強(qiáng)駕駛員對彎道會車的安全意識,減少彎道碰撞事故的發(fā)生,進(jìn)而降低事故發(fā)生率。

        4.3 促進(jìn)交通安全治理的升級和創(chuàng)新

        智能信號環(huán)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用,不僅能夠促使彎道會車安全程度進(jìn)行大幅度提升,從而排除影響道路的整體安全的危險因素,宏觀來看,也可以維護(hù)道路的整體安全,可以促進(jìn)傳統(tǒng)公路安全預(yù)警方式更新?lián)Q代,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展要求,促進(jìn)預(yù)警系統(tǒng)的升級和應(yīng)用。

        5 結(jié)語

        鑒于地形地貌的影響,道路工程實(shí)施過程中一定會存在彎道或急彎狀況,因此彎道交通中車輛行駛的安全是整個道路交通安全的重要原因。在“智能交通”“科學(xué)交通”等工程迅速發(fā)展的影響下,為保證彎道交通安全,有必要對彎道的智能預(yù)警技術(shù)的提升的進(jìn)行更深層次的研究。本文提出的智能信號環(huán)預(yù)警系統(tǒng)可使駕駛者提前發(fā)現(xiàn)彎道內(nèi)側(cè)的路面狀況,提高駕駛預(yù)見性,降低事故發(fā)生率,為司機(jī)帶來看得見的“安全感”,可為相關(guān)人員(或工程)提供參考。

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