葛如海, 儲(chǔ)亞婷,,謝永東,徐 明

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 蘇州建設(shè)交通分院，江蘇 蘇州 215100；3.上海干巷車鏡實(shí)業(yè)有限公司，上海 201518)

基于Prescan的換道預(yù)警規(guī)則研究

葛如海1, 儲(chǔ)亞婷1,2,謝永東2,徐 明3

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 蘇州建設(shè)交通分院，江蘇 蘇州 215100；3.上海干巷車鏡實(shí)業(yè)有限公司，上海 201518)

對(duì)換道安全性進(jìn)行研究，分析換道事故發(fā)生的主要原因。選取典型的換道場(chǎng)景，針對(duì)事故原因，進(jìn)一步進(jìn)行車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立出最小安全距離模型。綜合考慮相對(duì)速度、相對(duì)縱向距離和評(píng)價(jià)指標(biāo)TTC，提出符合實(shí)際的換道預(yù)警規(guī)則。運(yùn)用Prescan和MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真，建立虛擬場(chǎng)景，進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：提出的預(yù)警規(guī)則符合實(shí)際，具有實(shí)用價(jià)值和市場(chǎng)價(jià)值。

交通運(yùn)輸工程；Prescan；換道；預(yù)警規(guī)則；仿真

0 引 言

換道操作在車輛運(yùn)行中是一種較為普遍的駕駛行為，然而，由于換道行為自身的復(fù)雜性，其同時(shí)涉及橫向運(yùn)動(dòng)和縱向運(yùn)動(dòng)，又由于換道時(shí)周圍環(huán)境的復(fù)雜，往往會(huì)引發(fā)交通事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)，換道引發(fā)的事故每年約占總事故的4%～7%左右。雖然比例不高，但其中由于主觀原因?qū)е碌募s占75%[1]。因此，建立有效的換道輔助預(yù)警規(guī)則顯得尤為重要。本車準(zhǔn)備換道時(shí)，通過(guò)車載傳感器(雷達(dá)、超聲波或攝像頭等)獲取周圍車輛的行駛信息，如速度、相對(duì)位移，將其傳輸給預(yù)先建立的預(yù)警規(guī)則預(yù)警分級(jí)后，及時(shí)反饋給駕駛員，可大大減少換道事故的發(fā)生。

國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者，對(duì)換道預(yù)警進(jìn)行了研究。HENG Wei[2]分析實(shí)車試驗(yàn)觀測(cè)到的換道行為，從微觀角度，建立了換道決策仿真模型；JEICH Mar[3]基于級(jí)聯(lián)模糊推理系統(tǒng)，建立換道和跟車防撞系統(tǒng)；王榮本等[4]對(duì)換道場(chǎng)景進(jìn)行分析，并選取最小安全距離作為安全換道的評(píng)價(jià)指標(biāo)；付銳等[5]通過(guò)大量的實(shí)車試驗(yàn)，提出了本車在不同速度級(jí)別下與周圍車輛的預(yù)警策略；陳秀鋒等[6]對(duì)建立的最小安全距離模型進(jìn)行仿真分析，界定安全區(qū)域與不安全區(qū)域；王江峰等[7]從換道需求和換道安全性分析，建立多車道、多車輛最小安全距離模型；毛錦[8]分析實(shí)際駕駛實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)駕駛風(fēng)格進(jìn)行分類，提出個(gè)性化的針對(duì)不同駕駛?cè)说膿Q道預(yù)警策略。然而，上述文獻(xiàn)都是從換道行為產(chǎn)生的源頭和過(guò)程進(jìn)行“正向”研究，制定預(yù)警規(guī)則或建立模型，其研究成果有一定的局限性。為此筆者從換道事故發(fā)生的原因出發(fā)，“逆向”分析，制定針對(duì)換道事故發(fā)生原因的預(yù)警規(guī)則，為下一步開(kāi)發(fā)符合實(shí)際的換道預(yù)警系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)。

1 換道安全性分析

換道操作是一項(xiàng)較為復(fù)雜的操作，導(dǎo)致?lián)Q道事故發(fā)生的因素也有很多種。然而，通常換道事故主要有以下兩種情形[9]：本車進(jìn)入目標(biāo)車道時(shí)與目標(biāo)車道內(nèi)的車輛發(fā)生側(cè)面碰撞；與目標(biāo)車道內(nèi)后方的接近車輛發(fā)生碰撞。針對(duì)以上兩種情形進(jìn)行分析，可知其發(fā)生的客觀原因，后視鏡盲區(qū)的存在，導(dǎo)致駕駛員視野受阻，無(wú)法看到正在目標(biāo)車道的盲區(qū)內(nèi)行駛的車輛；主觀原因，駕駛員注意力不集中或經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)于目標(biāo)車道后方正在接近的車輛，無(wú)法準(zhǔn)確判斷其相對(duì)距離和速度。因此，要建立符合實(shí)際的換道輔助預(yù)警規(guī)則需考慮同時(shí)以上兩種原因。

1.1 換道時(shí)車外盲區(qū)

主要討論換道時(shí)，對(duì)側(cè)后方區(qū)域的預(yù)警，故此處的“車外盲區(qū)”特指，由于車外后視鏡而形成的視野盲區(qū)。此外，針對(duì)M1類汽車進(jìn)行討論。GB 15084—2006《機(jī)動(dòng)車輛后視鏡的性能和安裝要求》[10]中對(duì)車外后視鏡視野進(jìn)行了規(guī)定，根據(jù)其規(guī)定可知，即使是安裝有合格后視鏡的車輛，車外兩側(cè)仍然存在盲區(qū)，如圖1。

圖1 車外后視鏡兩側(cè)盲區(qū)示意Fig.1 Blind area schematic of the rearview mirror on both sides of vehicle

當(dāng)有車輛在圖1中左右兩側(cè)盲區(qū)內(nèi)行駛時(shí)，此時(shí)駕駛換道存在安全隱患。文獻(xiàn)[10]中規(guī)定，駕駛員眼點(diǎn)后20 m可看到水平路面4 m區(qū)域。而我國(guó)車道寬度一般為3.5 m,結(jié)合圖1可知，眼點(diǎn)后20 m區(qū)域，距車外兩側(cè)邊界>1 m區(qū)域?yàn)槊^(qū)。

1.2 換道時(shí)目標(biāo)車道后車接近

研究表明，駕駛員換道意圖的產(chǎn)生，主要是由于當(dāng)前速度未達(dá)到其期望速度。此外，換道事故多發(fā)生在路況良好的直線道路上[9]。因此，選取雙車道直線路段的車輛為研究對(duì)象，建立由低速車道向高速車道的二車道換道模型。完整的換道場(chǎng)景如圖2，其中坐標(biāo)系為世界坐標(biāo)系，x軸沿道路水平方向，且與車道線重合，即縱向；y軸垂直于x軸,沿道路法線方向，即橫向，M為換道車輛，即本車實(shí)施換道行為。車道1為本車所在車道即本車道。車道2為本車換道的目標(biāo)車道。L0、F0為本車前后車輛，Ld、Fd為目標(biāo)車道前后車輛。該場(chǎng)景下，M車為了達(dá)到期望速度，駕駛員一般會(huì)尋求合適的加速度從車道1換到車道2。定義t0時(shí)刻開(kāi)始加速換道，tlat時(shí)刻加速換道結(jié)束，碰撞時(shí)刻為tC。

圖2 換道場(chǎng)景Fig.2 Lane changing scenario

由上述換道事故發(fā)生原因分析可知，目標(biāo)車道后方車輛Fd的接近對(duì)本車M的影響較大。因此，對(duì)換道場(chǎng)景進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖3。Fd與本車M位于相鄰車道上，且M位于低速車道，F(xiàn)d位于高速車道；Fd位于M車左側(cè)后方；Fd勻速行駛。

換道過(guò)程中，F(xiàn)d橫向位置保持不變，當(dāng)本車M按圖示路徑換道時(shí)，兩車可能發(fā)生角碰、側(cè)向刮擦和追尾，尤其是當(dāng)Fd快速接近時(shí)。

圖3 簡(jiǎn)化的換道場(chǎng)景Fig.3 Simplified lane changing scenario

2 預(yù)警規(guī)則的建立

2.1 碰撞模型

換道過(guò)程中，當(dāng)兩輛車的行駛軌跡在同一時(shí)間、同一空間相互接近時(shí)，將發(fā)生交通沖突，即碰撞。因此，建立合適的碰撞模型，研究?jī)绍囋诟髯攒壽E上從開(kāi)始換道時(shí)刻到碰撞時(shí)刻的狀態(tài)至關(guān)重要。碰撞模型主要是根據(jù)兩車的相對(duì)速度和兩車距離，就是選取兩車的碰撞時(shí)間作為控制參數(shù)，這個(gè)也是預(yù)警規(guī)則的基礎(chǔ)，以時(shí)間為主，距離為參考，兩條線進(jìn)行。

換道時(shí)，假設(shè)Fd車沿圖3中軌跡1行駛，M車沿軌跡2行駛。其中軌跡1為水平直線，軌跡2選取7次多項(xiàng)式換道軌跡模型[11]?？紤]兩車的實(shí)際尺寸，當(dāng)兩車行駛至圖3位置時(shí)，發(fā)生碰撞。設(shè)點(diǎn)C為碰撞點(diǎn)，研究開(kāi)始換道時(shí)刻至碰撞時(shí)刻兩車的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立最小安全距離模型。

設(shè)M以恒定縱向加速度aM行駛，考慮駕駛的舒適性[1]，0 m/s2

S0+LM+SM≥SFd+LMcosθ+Wsinθ

(1)

式中：S0為開(kāi)始換道時(shí)，M車與Fd車的初始縱向相對(duì)距離；SM、SFd分別為M車、Fd車從開(kāi)始換道至換道過(guò)程中某一時(shí)刻行駛的縱向距離，LM為M車的長(zhǎng)度，W為M車的寬度，θ為換道時(shí)的縱向角度，一般取5°。

式(1)可改寫為：

S0≥SFd-SM-LM+LMcosθ+Wsinθ=VFdt-VM(0)t-LM-0.5aMt2+LMcosθ+Wsinθ,t∈(t0，tlat)

(2)

因此，換道時(shí)，S0只需滿足式(2)，在換道過(guò)程中可避免事故的發(fā)生，即只需：

Min(S0)=Max[VFdt-VM(0)t-LM-0.5aMt2+LMcosθ+Wsinθ]

式中：Min(S0)為恰巧碰撞時(shí)對(duì)應(yīng)的初始縱向相對(duì)距離，即為保證換道時(shí)不發(fā)生碰撞所對(duì)應(yīng)的最小安全距離，有:

(3)

式中：ΔV=VFd-VM(0)，為Fd和M的初始相對(duì)速度。由式(3)可知，保證在換道過(guò)程中不發(fā)生碰撞的最小安全距離與換道時(shí)兩車相對(duì)速度、碰撞時(shí)間和換道加速度有關(guān)。

2.2 最小跟車安全距離模型

實(shí)際換道過(guò)程中，若僅以上述碰撞模型推導(dǎo)的最小安全距離為依據(jù)，即以換道后M車與Fd車間的距離是否﹥0作判斷，會(huì)給實(shí)際駕駛帶來(lái)危險(xiǎn)。事實(shí)上，應(yīng)在換道后，為兩車預(yù)留出一定的跟車安全距離。文中換到目標(biāo)車道后，由于兩車以較小的相對(duì)速度跟隨行駛，后車與前方車輛間的距離與后車速度呈線性關(guān)系[1]，為此，建立跟車安全距離模型：

Min(S1)=VFdtd+D0

(4)

式中：Min(S1)為最小跟車安全距離；td為Fd車的制動(dòng)遲滯時(shí)間，一般取1.2～2 s；D0為Fd車完全停下來(lái)的心理安全距離，一般取2～5 m。

綜合不發(fā)生碰撞所建立的最小安全距離模型和最小跟車安全距離模型，得到安全換道所需的最小換道安全距離模型：

Min(S)=Min(S0)+Min(S1)

(5)

2.3 預(yù)警規(guī)則

根據(jù)上述對(duì)換道事故原因的分析及碰撞模型的分析可知，除了碰撞時(shí)刻tC和兩車初始縱向距離S0，兩車初始相對(duì)速度ΔV也是重要的特征指標(biāo)。筆者引入不同的TTC(Time to collision)作為不同ΔV下的評(píng)價(jià)指標(biāo)。TTC為若兩車按照當(dāng)前狀態(tài)繼續(xù)行駛，所需的碰撞時(shí)間。研究表明[9]，當(dāng)ΔV≤10 km/h時(shí)，駕駛員在換道時(shí)容易感到滿足，當(dāng)ΔV>22 km/h時(shí)，容易發(fā)生角碰或側(cè)碰。因此，選取ΔV=10 km/h和22 km/h作為相對(duì)速度的劃分等級(jí)。參照ISO標(biāo)準(zhǔn)[12]中ΔV和TTC值對(duì)應(yīng)關(guān)系，給出表1。隨著ΔV增大，TTC的取值應(yīng)增大。這是因?yàn)?，在設(shè)計(jì)實(shí)際的預(yù)警系統(tǒng)時(shí)，考慮到ΔV越大，后車接近的速度越快。為了避免碰撞，預(yù)警規(guī)則需預(yù)留出越多的時(shí)間，提前預(yù)警。

表1 換道預(yù)警評(píng)價(jià)指標(biāo)TTC與相對(duì)速度對(duì)應(yīng)關(guān)系

此外，由于車外后視鏡兩側(cè)盲區(qū)靠近呈發(fā)散的區(qū)域，有文獻(xiàn)[9]指出，車后方3 m內(nèi)區(qū)域?yàn)樽钗ｋU(xiǎn)區(qū)域。

綜合考慮S0，TTC，ΔV，結(jié)合表1和式(3)提出符合實(shí)際的換道預(yù)警規(guī)則。文獻(xiàn)[9]指出，車后方3 m內(nèi)區(qū)域?yàn)樽钗ｋU(xiǎn)區(qū)域。

1)當(dāng)兩車的縱向初始相對(duì)距離S0≤3 m時(shí)，盲區(qū)內(nèi)有車輛，此時(shí)換道極為危險(xiǎn),應(yīng)預(yù)警；

2)當(dāng)兩車的縱向初始相對(duì)距離S0>3 m時(shí)，按式(3)預(yù)警。若兩車相對(duì)速度ΔV>22，則Fd快速接近M，此時(shí)換道安全隱患較大。選取S0≥Min(S)|t=3.5,安全；否則，應(yīng)預(yù)警。若10<ΔV≤22，S≥Min(S)|t=3安全；否則，應(yīng)預(yù)警。若ΔV≤10，F(xiàn)d緩慢接近M，相對(duì)較安全，選取TTC=2.5 s為評(píng)價(jià)指標(biāo)。S≥Min(S)|t=2.5,安全；否則，應(yīng)預(yù)警。

3 仿真分析

驗(yàn)證上述預(yù)警規(guī)則，不僅要考慮試驗(yàn)的真實(shí)性、有效性，還需考慮試驗(yàn)成本，安全性等問(wèn)題，為了避免實(shí)車試驗(yàn)的危險(xiǎn)性與高成本，選用主動(dòng)安全軟件Prescan和MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真。由TNO公司開(kāi)發(fā)的Prescan軟件可提供一個(gè)可視的交通仿真平臺(tái)，在其GUI界面中，可快速建立所需的交通場(chǎng)景。其中包括建立各種形式曲率的路段、實(shí)施動(dòng)作的對(duì)象(車輛或行人)、能探測(cè)周圍環(huán)境的各種傳感器和基礎(chǔ)設(shè)施(交通指示牌、建筑)等。此外，具備與其它軟件良好連接的端口(如MATLAB、Carsim)，且自帶車輛的動(dòng)力特性。

在Prescan中建立雙車道換道場(chǎng)景，如圖4。建立長(zhǎng)200 m，寬度3.5 m的直線路段，選用Mazda KX8為研究對(duì)象，LM=4.5 m，W=1.86 m；Fd按預(yù)設(shè)的速度勻速行駛；M沿軟件中自帶的換道軌跡，按預(yù)設(shè)加速度換道；在M車左后保險(xiǎn)杠位置建立傳感器模型，以探測(cè)與目標(biāo)車道車輛間的相對(duì)速度和位移；運(yùn)行Prescan中建立的虛擬換道場(chǎng)景后，兩車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，傳感器探測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)端口傳輸?shù)組ATLAB/Simulink中。在Simulink中，進(jìn)一步完成仿真的核心內(nèi)容。以傳感器探測(cè)的數(shù)據(jù)作為輸入，按上述預(yù)警規(guī)則建立預(yù)警模型。如圖5。

圖4 Prescan雙車道換道虛擬場(chǎng)景Fig.4 Virtual scenario of dual-lane lane changing based on Prescan

圖5 輔助換道預(yù)警規(guī)則Fig.5 Warning rule of auxiliary lane change

為了驗(yàn)證筆者提出的預(yù)警規(guī)則，首先對(duì)后方車輛快速接近的情況進(jìn)行驗(yàn)證。由于換道時(shí)M車速度一般不會(huì)低于40 km/h[5]，且行駛速度越快，留給駕駛員的反應(yīng)時(shí)間越短，因此換道事故最多發(fā)生在中高速行駛的車輛上[9]。筆者研究VFd=108 km/h,S0=50 m，aM=2 m/s2時(shí)，ΔV=10，20，30 km/h時(shí)的換道預(yù)警情況。假設(shè)預(yù)警輸出為1，安全輸出為0。聯(lián)合仿真后，可得到不同ΔV下，M車與Fd車的相對(duì)縱向距離變化曲線(圖6)以及M車的橫向位移變化曲線(圖7)。同時(shí)，Simulink中的Display模塊輸出按筆者提出的規(guī)則預(yù)警后的狀態(tài)。仿真結(jié)果顯示，ΔV=10，20 km/h時(shí)，輸出1，即安全狀態(tài)，無(wú)須預(yù)警；ΔV=30 km/h時(shí)，輸出0，即危險(xiǎn)狀態(tài)，需預(yù)警。

圖6 不同ΔV下，M車與Fd車的相對(duì)縱向距離變化曲線Fig.6 Change curve of relative longitudinal distance between vehicle M and Fd with different ΔV

圖7 不同ΔV下，M車橫向距離變化曲線Fig.7 Change curve of lateral distance of vehicle M with different ΔV

仿真模型中選取相同的VFd，因此有相同的最小跟車安全距離S=VFdtd+D0=30×1.2+2.5=38.5 m。對(duì)比分析模擬真實(shí)換道獲得的曲線圖可知，ΔV=10 km/h時(shí)，若從當(dāng)前狀態(tài)換道，M車1.5 s時(shí)完全換到目標(biāo)車道，之后與Fd車保持47.8 m的跟車距離，大于最小跟車安全距離。因此，當(dāng)前狀態(tài)換道是安全的，與經(jīng)過(guò)預(yù)警規(guī)則得出的預(yù)警狀態(tài)一致。ΔV=20 km/h時(shí)，若從當(dāng)前狀態(tài)換道，M車在1.7 s時(shí)完全換到目標(biāo)車道，之后與Fd車保持41.9 m的跟車距離,大于最小跟車安全距離。因此，當(dāng)前狀態(tài)換道是安全的，與預(yù)警規(guī)則得出結(jié)果一致。ΔV=30 km/h時(shí)，若從當(dāng)前狀態(tài)換道，M車在1.9 s時(shí)完全換到目標(biāo)車道，之后與Fd車保持32.4 m的跟車距離。即使M車在安全時(shí)間內(nèi)換到目標(biāo)車道，但因跟車距離不滿足最小安全跟車距離，因此，當(dāng)前狀態(tài)換道仍是危險(xiǎn)的，與預(yù)警規(guī)則得出結(jié)果一致。此外，由仿真圖可知，當(dāng)初始相對(duì)距離S0,VFd,aM均相同時(shí)，ΔV越大，M車換道越危險(xiǎn)，符合預(yù)警規(guī)則中TTC的選取，ΔV越大，TTC越大。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證當(dāng)車輛行駛在盲區(qū)界限內(nèi)時(shí)的預(yù)警情況與實(shí)際是否相符，選取上述ΔV=10km/h 時(shí)的場(chǎng)景，研究當(dāng)S0由50 m變?yōu)? m時(shí)，若以當(dāng)前狀態(tài)換道是否安全。圖8為兩車相對(duì)縱向距離曲線。由圖可知，兩車在tC=1.35 s時(shí)發(fā)生碰撞，即位于盲區(qū)內(nèi)的車輛Fd即使緩慢接近M車，若M車在此時(shí)換道，也很容易發(fā)生碰撞，符合筆者建立的預(yù)警規(guī)則。

圖8 S0=3 m,ΔV=10 km/h時(shí)，M車與Fd間相對(duì)距離變化曲線Fig.8 Change curve of the relative distance between vehicle M and Fd when S0=3m, ΔV=10 km/h

4 結(jié) 語(yǔ)

以換道事故發(fā)生的主要原因作為預(yù)警決策依據(jù)，建立預(yù)警規(guī)則。從換道時(shí)車外盲區(qū)和目標(biāo)車道后車接近兩個(gè)方面進(jìn)行研究，對(duì)初始相對(duì)距離進(jìn)行分段預(yù)警。盲區(qū)內(nèi)，一旦檢測(cè)到車輛便發(fā)出警告；盲區(qū)外，依據(jù)建立的最小安全距離模型,對(duì)不同ΔV級(jí)別下的車輛，設(shè)定不同的TTC值。仿真結(jié)果分析表明，依據(jù)實(shí)際換道事故原因建立的預(yù)警規(guī)則，有很大的實(shí)際價(jià)值。該預(yù)警規(guī)則的建立，為實(shí)車用換道預(yù)警系統(tǒng)的建立奠定了基礎(chǔ)。

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Warning Rules of Lane Change Based on Prescan Simulation

GE Ruhai1, CHU Yating1, 2, XIE Yongdong2, XU Ming3

(1.School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu ,P.R.China; 2. Suzhou Institute of Construction & Transportation, Jiangsu Union Technical Institute, Suzhou 215100, Jiangsu,P.R.China; 3. Shanghai Ganxiang Automobile Mirror Industry Co., Ltd., Shanghai 201518,P.R.China)

The main cause of lane change accident was analyzed during the study of the security of lane change. In the typical lane change scenario, a minimum safe distance (MSS) model was established on the basis of the main cause of accident and the vehicle kinematical analysis. With the comprehensive consideration of the relative speed, the relative longitudinal distance and the evaluation indexTTC(Time to collision), the realistic lane change warning rule was proposed. A virtual lane changing scenario was developed by the united simulation of MATLAB/Simulink and Prescan to verify the warning rule. The results show that the proposed warning rule accords with reality, and has practical value and market value.

traffic and transportation engineering; Prescan; lane change; warning rule; simulation

2014-09-22；

2014-11-18

葛如海(1957—)，男，江蘇如皋人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事汽車主被動(dòng)安全方面的研究工作。E-mail：grh@ujs.edu.cn。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.33

U491.2

A

1674-0696(2016)01-172-05