翟亞東,劉 凡,賀海軍,楊卓敏,王倩倩

[1.新疆大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830017; 2.新疆維吾爾自治區(qū)公安廳交通警察總隊(duì),新疆 烏魯木齊 830000;3.公安部交通管理科學(xué)研究所（道路交通安全公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）,江蘇 無錫 214151]

0 引言

農(nóng)村低等級公路是我國交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，由于缺乏基礎(chǔ)設(shè)施和交通信號燈等，存在較大的安全隱患，為解決這一問題，落實(shí)《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》[1]，交通運(yùn)輸部印發(fā)了《農(nóng)村公路中長期發(fā)展綱要》[2]，提出了加強(qiáng)農(nóng)村公路交通安全管理隱患治理的措施。所以在低等級公路交叉口設(shè)計(jì)沖突預(yù)警平臺是有必要的。

目前應(yīng)用在低等級交叉口的交通沖突預(yù)警技術(shù)研究較少，該文基于車輛實(shí)時(shí)駕駛場景，以低等級T 形交叉口為例，研究了一種交通沖突預(yù)警技術(shù)，并搭建了低等級公路交叉口交通沖突預(yù)警平臺。

1 基于yolo v3 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建車輛檢測模型

1.1 建立五種車輛類型在不同場景下的樣本庫

不同類型的車輛在實(shí)際運(yùn)行的路況中，制動性、操縱穩(wěn)定性、承載性等因素具有較大差異，根據(jù)低等級公路常見的車輛類型，通過錄制低等級公路駛向交叉口的車輛視頻，經(jīng)過視頻抽幀后，將圖片保存為jpg 文件格式，制作五種車輛類型的圖像集，如圖1 所示。在眾多的環(huán)境因素中，天氣因素對駕駛員的駕駛行為、視頻檢測效果的影響最為明顯，如雨雪天、霧天、高溫天、大風(fēng)天等其他惡劣天氣。根據(jù)視頻車輛檢測的日常環(huán)境影響因素考慮，采集了五種場景下的車輛樣本，如圖2 所示。

圖1 五種車輛類型

圖2 五中場景下的車輛樣本庫

1.2 yolo v3 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型

所采用的yolo v3 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的backbone為Darknet-53，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中存在大量的殘差結(jié)構(gòu)Residual，網(wǎng)絡(luò)的輸入尺度是416×416，卷積層輸出的特征圖尺度為13×13，通道數(shù)為1 024。在yolo v3 中，Darknet-53 網(wǎng)絡(luò)只用于提取特征，并且輸出了三種不同尺度的特征圖13×13、26×26、52×52。

該算法通過輸入圖像數(shù)據(jù)集，將處理好的圖片批量放入yolo v3 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中VOCdevkit 的JPEGImages 文件夾中；將標(biāo)注后生成的xml 文件批量存放在Annotations 文件夾中。對其實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將圖像增強(qiáng)處理后的數(shù)據(jù)集輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)行train.py 程序訓(xùn)練后輸出權(quán)重參數(shù)文件，存儲在logs 文件夾中；調(diào)整相關(guān)參數(shù)后，運(yùn)行算法程序進(jìn)行訓(xùn)練。

統(tǒng)計(jì)車輛樣本庫經(jīng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后五種車輛類型在各環(huán)境下的識別率，如表1 所示。

表1 五種車輛類型在不同環(huán)境下的識別率

1.3 構(gòu)建車輛檢測模型

yolo v3 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，predict.py 將單張圖片預(yù)測、攝像頭檢測等功能整合到了一個(gè)python 文件中，通過指定mode 進(jìn)行模式的修改。基于要實(shí)現(xiàn)的視頻檢測功能，則指定mode 為video 進(jìn)行視頻檢測，構(gòu)建車輛檢測模型。

2 低等級公路的接入口管理分析

2.1 支路接入口管理的基本概念

（1）接入管理的定義是指針對特定的道路，以低等級公路與支路相接為例，對所接入的支路進(jìn)行一系列系統(tǒng)的控制，對維護(hù)道路通暢及安全發(fā)揮了重要的作用[3]。

（2）接入管理的目的是在保證低等級公路運(yùn)輸系統(tǒng)高效和安全的前提下，對道路周邊地區(qū)所接入支路產(chǎn)生的交通需求，進(jìn)行更安全、有效地接入。

2.2 支路接入口管理主要措施

研究低等級公路與其相接支路的交通運(yùn)行管理方式后，總結(jié)出公路交通運(yùn)行管理的總體思路是在服務(wù)遠(yuǎn)距離通行需求的可達(dá)道路時(shí)，注重道路流動性，保證主路優(yōu)先通行原則。根據(jù)車輛實(shí)際駕駛場景，支路與低等級公路相接形成小接入口。無論十字路口還是T 形交叉口，該文均只考慮靠近支路一側(cè)的低等級公路與其相接的支路。

3 低等級公路交叉口沖突區(qū)域分析

3.1 交通沖突的基本概念

交通沖突是指在可觀測的條件下，兩個(gè)或兩個(gè)以上道路使用者在同一時(shí)間、空間上相互接近，如果其中一方采取非正常的交通行為，如轉(zhuǎn)換方向、改變車速、突然停車等，除非另一方也相應(yīng)采取避險(xiǎn)行為，否則，將會發(fā)生碰撞[4]。

3.2 交叉口沖突點(diǎn)分析

分析靠近支路的低等級公路車輛可能與支路上的車輛產(chǎn)生的沖突點(diǎn)，在實(shí)際駕駛場景中，當(dāng)駕駛員面臨支路接入方向的交通沖突時(shí)，由于未獲取到支路上的路況信息，不能及時(shí)采取減速、停車駕駛操作，很可能會造成交通事故。主要沖突點(diǎn)是由支路車輛左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)與靠近支路的低等級公路車輛直行所構(gòu)成，于是針對支路方向進(jìn)行預(yù)警，防止支路車輛直接駛?cè)虢徊婵跊_突區(qū)域。

4 沖突預(yù)警平臺設(shè)計(jì)

4.1 支路車輛的駕駛行為分析

在支路車輛接近交叉口時(shí)，駕駛員的駕駛行為會經(jīng)歷三個(gè)階段，一是接收預(yù)警階段；二是駕駛決策階段，判斷是否要進(jìn)行減速、停駛駕駛操作；三是減速停駛階段，避免直接駛?cè)虢徊婵冢c低等級公路車輛產(chǎn)生沖突。

4.1.1 接受預(yù)警階段

駕駛員接受支路沖突預(yù)警平臺的聲光預(yù)警信號。在行駛至低等級公路交叉口時(shí)，駕駛員會注意到可能有沖突車輛進(jìn)入交叉口，即低等級公路左側(cè)的交通沖突。其次由于駕駛員接受預(yù)警信號不及時(shí)等原因，導(dǎo)致接受預(yù)警階段持續(xù)時(shí)間延長，則可能會影響接下來的駕駛行為決策。

4.1.2 駕駛決策階段

駕駛員在此階段觀測道路路況并做出決策。當(dāng)駕駛員接收到聲光沖突預(yù)警信號時(shí)，根據(jù)實(shí)際道路狀況判斷是否需要減速或停車等操作。整個(gè)決策過程車輛保持原有的駕駛狀態(tài)，此過程需要駕駛員在短時(shí)間內(nèi)做出決策，否則會影響下一階段的駕駛操作。

4.1.3 減速停駛階段

駕駛員進(jìn)行實(shí)際的車輛駕駛操作和控制。駕駛員需要留意低等級公路方向和支路上的車輛行駛狀態(tài)，采取減速、停車等駕駛操作，以確保支路上的車輛不進(jìn)入交叉口沖突區(qū)域。所駕駛車輛的速度將會發(fā)生顯著變化，直至支路沖突預(yù)警平臺的聲光預(yù)警信號消失后，沖突狀態(tài)才會改變。

4.2 交叉口視距三角形

考慮低等級公路的特殊性，因其不完善的交通設(shè)施及較小的交通量，不設(shè)置交通信號燈及相關(guān)標(biāo)志標(biāo)線，若存在視距被遮擋的情況，會容易在交叉口發(fā)生交通事故。許多與支路相接構(gòu)成的交叉口則可稱為主路優(yōu)先控制交叉口。

該文所提到的主路優(yōu)先控制交叉口是指對低等級公路采取主路優(yōu)先控制管理手段的交叉口，根據(jù)道路交通安全隱患處理的要求，交叉口的視距三角區(qū)如果被樹木或者建筑遮擋，如圖3 所示，應(yīng)需延長視距。

圖3 交叉口的視距三角區(qū)ΔABC

若考慮最不利的情況，則交叉路口的視距三角形由低等級公路最靠右側(cè)車道的中軸線和相交支路靠近道路中心線的直行車道所確定。該文的沖突預(yù)警平臺可作為延長交叉口安全視距的設(shè)備，則支路方向的預(yù)警平臺及車輛的視距采用停車視距，我國低等級公路的設(shè)計(jì)速度及停車視距如表2 所示。

表2 我國低等級公路的設(shè)計(jì)速度及停車視距

4.3 支路沖突預(yù)警平臺位置設(shè)置

根據(jù)駕駛員的駕駛行為，確定沖突預(yù)警平臺的設(shè)置位置應(yīng)在支路接入口右側(cè)。針對低等級公路方向車輛進(jìn)行識別檢測，當(dāng)視頻檢測平臺檢測到低等級公路有車輛駛向時(shí)，聲光預(yù)警平臺對支路車輛進(jìn)行預(yù)警，預(yù)警信號直至低等級公路車輛駛出交叉口沖突區(qū)域停止，以提醒支路車輛減速慢行。

按照支路駕駛員看到交叉路口預(yù)警平臺發(fā)出的預(yù)警信號，采取減速、停駛駕駛操作的安全停車距離公式，如公式（1）：

式中，s——安全停車距離（m）；s1——反應(yīng)距離，指駕駛員發(fā)現(xiàn)前方的阻礙物，經(jīng)過決策后采取制動措施的那一瞬間到制動器真正開始起作用的那一瞬間汽車所行駛的距離（m）；s2——制動距離，汽車完全剎停所走的距離（m）；v——車輛行駛限速（m/s）；t——駕駛員反應(yīng)時(shí)間，一般取t=2.5s；φ——路面與輪胎間的附著系數(shù)，一般按路面在潮濕狀態(tài)下的值計(jì)算；ψ——道路阻力系數(shù)。

式（1）中，φ+ψ為摩擦系數(shù)，正常情況下，干燥水泥路面的摩擦系數(shù)為0.6～0.7，由此計(jì)算得出支路方向的安全停車距離為28.12 m。此外，當(dāng)車輛通過交叉口時(shí)，應(yīng)在30～50 m 的地方減低速度，若僅考慮道路最高限速，支路聲光預(yù)警平臺的設(shè)置距離滿足50 m 即可，如圖4所示。

圖4 交叉口聲光預(yù)警平臺的設(shè)置距離

4.4 搭建沖突預(yù)警平臺

將已構(gòu)建的車輛檢測模型放入視頻檢測平臺中，并設(shè)計(jì)沖突預(yù)警平臺中的報(bào)警系統(tǒng)，采用LED 燈及蜂鳴器的聲光預(yù)警方式。信號繼電器與視頻檢測平臺、聲光預(yù)警平臺一起，可以組成程序控制線路，實(shí)現(xiàn)自動化運(yùn)行。相關(guān)設(shè)計(jì)流程圖如圖5 所示。

圖5 沖突預(yù)警平臺設(shè)計(jì)流程圖

若沖突預(yù)警平臺判斷低等級公路方向有車輛駛向交叉口時(shí)，如圖6 所示。聲光預(yù)警平臺將檢測的結(jié)果以信號燈亮燈、蜂鳴器報(bào)警的方式進(jìn)行輸出（持續(xù)至低等級公路車輛駛離交叉口沖突區(qū)域），以提醒支路駕駛員小心慢行，有車輛即將駛?cè)虢徊婵凇?/p>

圖6 低等級公路方向車輛駛向交叉口

5 結(jié)論與展望

該文進(jìn)行了低等級公路交叉口沖突預(yù)警技術(shù)的研究，使用了基于yolo v3 的視頻檢測算法，構(gòu)建視頻檢測模型后，針對低等級公路方向的車輛進(jìn)行識別，并對沖突預(yù)警區(qū)域進(jìn)行分析，包括接入口管理和沖突區(qū)域分析。確定了沖突預(yù)警平臺的設(shè)置位置和觸發(fā)控制條件。對支路方向的機(jī)動車、非機(jī)動車、行人進(jìn)行預(yù)警，在支路駕駛員接收到?jīng)_突預(yù)警平臺發(fā)出的聲光預(yù)警信號后，進(jìn)行減速、停駛的駕駛操作，以確保支路的車輛和行人不進(jìn)入到交叉口沖突區(qū)域中，保障了低等級公路方向主路優(yōu)先通行的原則，也保證了支路的車輛和行人的安全。但研究仍存有不足，還需進(jìn)一步完善：文中提出了沖突預(yù)警平臺的設(shè)計(jì)理念，但在實(shí)施過程中需要考慮低等級公路方向車輛的車速閾值，以確定在達(dá)到何種閾值時(shí)觸發(fā)聲光預(yù)警，提高駕駛員對沖突預(yù)警平臺的信任度。