嚴(yán)永 李平凡 高巖 秦朗朗 李毅 宋耀鑫

1.公安部交通管理科學(xué)研究所 2.道路交通安全公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

一、概述

在信號(hào)交叉口事故中，通常伴有一方或多方不遵守交叉口信號(hào)指示的情況，因此判斷事故中當(dāng)事各方是否存在闖紅燈行為是認(rèn)定交通事故責(zé)任的重要依據(jù)。在信號(hào)燈狀態(tài)鑒定業(yè)務(wù)中，常用的方法是基于監(jiān)控視頻，判斷目標(biāo)車輛或行人通過(guò)交叉口停止線時(shí)刻以及交叉口某一交通流信號(hào)燈狀態(tài)，結(jié)合信號(hào)配時(shí)方案繪制相位圖，從而鑒定目標(biāo)車輛或行人所處行進(jìn)方向的信號(hào)燈狀態(tài)[1]。而在實(shí)際交通事故處理過(guò)程中，受限于監(jiān)控視頻拍攝角度及拍攝范圍，常遇到無(wú)法判斷路口停止線位置，也無(wú)法確定目標(biāo)車輛或行人通過(guò)交叉口停止線時(shí)刻的情況，此時(shí)僅僅依靠監(jiān)控視頻無(wú)法對(duì)信號(hào)燈狀態(tài)進(jìn)行有效鑒定。針對(duì)此類問(wèn)題，研究事故中事故各方通過(guò)停止線時(shí)的速度及軌跡，反推一段時(shí)間內(nèi)的行駛距離，進(jìn)而達(dá)到鑒定通過(guò)停止線時(shí)信號(hào)燈狀態(tài)的目的。

隨著車載電子數(shù)據(jù)的普及，電子數(shù)據(jù)逐漸成為新的“證據(jù)之王”[2]。在相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)下[3]，汽車行駛記錄儀（Vehicle Travelling Data Recorder，VDR）已經(jīng)成為汽車電子數(shù)據(jù)的重要組成部分。我國(guó)自20世紀(jì)80年代后期開始研制使用VDR，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《汽車行駛記錄儀》（GB/T 19056）于2003年9月1日開始實(shí)施，后續(xù)于2012年、2021年相繼修訂2次[4-7]，VDR記錄的車速數(shù)據(jù)為1秒1個(gè)點(diǎn)，采樣率較低，即使存在事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)，采樣率也僅為200ms（2012年標(biāo)準(zhǔn)）和100ms（2021年標(biāo)準(zhǔn)），有的行駛記錄儀因產(chǎn)品質(zhì)量等問(wèn)題未記錄事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)，無(wú)法滿足實(shí)際案例中毫秒級(jí)運(yùn)算需求。因此，探索車速數(shù)據(jù)插值技術(shù)，測(cè)算毫秒級(jí)車速值，可以更好應(yīng)用于道路交通事故鑒定之中。

本文通過(guò)研究車速數(shù)據(jù)插值方法，提出了一套基于VDR與監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)融合技術(shù)的道路交通信號(hào)燈狀態(tài)鑒定方法，解決僅依靠監(jiān)控視頻無(wú)法鑒定車輛通過(guò)路口時(shí)信號(hào)燈狀態(tài)的問(wèn)題。

二、車速數(shù)據(jù)插值方法

采樣頻率為1Hz的VDR車速數(shù)據(jù)為離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，若想基于該離散數(shù)據(jù)點(diǎn)得到毫秒級(jí)車速數(shù)據(jù)，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合。插值是一種用來(lái)表示由離散性數(shù)據(jù)構(gòu)成的曲線曲面的表示方法，即通過(guò)插補(bǔ)構(gòu)造連續(xù)函數(shù)，使得生成的連續(xù)曲線曲面通過(guò)給定的離散數(shù)據(jù)點(diǎn),是曲線曲面逼近中的重要方法[8]。插值方法可分為一維插值、二維插值和多維插值，本文研究的車速數(shù)據(jù)為一維離散數(shù)據(jù)，使用一維插值方法，常用的一維插值方法有分段線性插值、埃爾米特（Hermite）插值法、三次樣條插值法等方法。本文分析三種常用插值算法，使用車速數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析算法插值精度。

（一）分段線性插值算法模型

分段線性插值是針對(duì)一維數(shù)據(jù)的插值方法，它根據(jù)一維數(shù)據(jù)序列中需要插值的點(diǎn)的左右臨近兩個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行數(shù)值估計(jì)。設(shè)已知點(diǎn)（x0,y0）與（x1,y1），需要預(yù)測(cè)[x0,x1]區(qū)間內(nèi)某一位置x的值y，此時(shí)把相鄰兩個(gè)車速點(diǎn)看作勻加速直線運(yùn)動(dòng)，故：

（二）Hermite插值算法模型

Hermite插值法不僅使插值點(diǎn)都在插值函數(shù)上，而且要求其在各個(gè)插值點(diǎn)有相同的一階、二階乃至更高階導(dǎo)數(shù)[9]。假設(shè)已知函數(shù)y=f(x)在插值節(jié)點(diǎn)處xi(i=0,1,…,n)的函數(shù)為yi=f(xi)，其一階導(dǎo)數(shù)值為mi=f(xi)(i=0,1,…,n)，則插值多項(xiàng)式H(x)滿足：

（三）三次樣條插值算法模型

三次樣條插值多項(xiàng)式Sn(x)是一種分段函數(shù)[10]，它在節(jié)點(diǎn)xi分 成的每個(gè)小區(qū)間[xi-1,xi]上是3次多項(xiàng)式，其在此區(qū)間上的三次樣條插值多項(xiàng)式表達(dá)式如下：

（四）插值算法精度分析

為驗(yàn)證三種常用插值算法在車速數(shù)據(jù)插值計(jì)算中的精度，本文采集五組真實(shí)車速數(shù)據(jù)（Pi,i=0,0.1,0.2,…）（實(shí)驗(yàn)設(shè)備為VBox），采集頻率為10Hz，數(shù)據(jù)呈一維離散分布，如圖1所示為其中一組全項(xiàng)車速數(shù)據(jù)點(diǎn)分布圖，其中橫坐標(biāo)表示車輛行駛時(shí)間，單位為秒（s），縱坐標(biāo)為車速速度值，單位為千米/小時(shí)（km/h）。對(duì)車速數(shù)據(jù)進(jìn)行降采樣，得到頻率為1Hz的車速數(shù)據(jù)點(diǎn)（Qj,j=0,1,2,…），見圖2。以降采樣后的數(shù)據(jù)點(diǎn)Qi作為常用的三種插值方法的輸入數(shù)據(jù)，以車速數(shù)據(jù)全項(xiàng)數(shù)據(jù)Pj作為樣本參照數(shù)據(jù)，評(píng)估三種插值算法模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。

如圖3為其中1組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用三種常用插值算法模型進(jìn)行插值預(yù)測(cè)得結(jié)果對(duì)比圖，對(duì)三種算法模型預(yù)測(cè)結(jié)果與降采樣前的車速樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到如表1所示的均差值。綜上，針對(duì)離散車速數(shù)據(jù)的插值計(jì)算，三次樣條插值算法計(jì)算精度更高。

三、鑒定分析方法

交通事故信號(hào)燈狀態(tài)鑒定中，常遇到監(jiān)控視頻畫面中無(wú)法判斷停止線位置的情況，對(duì)此，本文基于VDR車速數(shù)據(jù)，反推車輛通過(guò)停止線時(shí)信號(hào)燈狀態(tài)，鑒定流程如圖4所示。

其中，VDR車速數(shù)據(jù)處理步驟為：首先，分析車輛通過(guò)停止線的過(guò)程可發(fā)現(xiàn)秒級(jí)別的車速數(shù)據(jù)無(wú)法滿足計(jì)算需求，因此，對(duì)采樣頻率為1Hz（1秒1個(gè)速度數(shù)據(jù)點(diǎn)）的數(shù)據(jù)進(jìn)行毫秒級(jí)數(shù)據(jù)插值計(jì)算，使用三次樣條插值算法對(duì)VDR車速數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，結(jié)合已知的監(jiān)控視頻幀率，得到匹配視頻幀率的車速數(shù)據(jù)；其次，結(jié)合監(jiān)控視頻，標(biāo)記共同事件點(diǎn)（一般選擇車速為0、制動(dòng)燈點(diǎn)亮等事件）；最后，以共同事件點(diǎn)為基準(zhǔn)，對(duì)齊兩種數(shù)據(jù)的時(shí)間軸，從而得到監(jiān)控視頻中每幀的車速數(shù)據(jù)。監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)處理步驟為：首先，選取視頻中某一時(shí)刻（某一幀）T1車輛所處位置P1；其次，判斷在T1時(shí)刻車輛行駛方向的信號(hào)燈狀態(tài)；最后，標(biāo)記該種狀態(tài)下，信號(hào)燈啟亮?xí)r刻T2。車輛通過(guò)停止線進(jìn)入路口時(shí)，信號(hào)燈狀態(tài)判斷：首先，根據(jù)時(shí)間軸對(duì)齊后視頻畫面每一幀時(shí)刻的車速數(shù)據(jù)，計(jì)算T1T2時(shí)間段內(nèi)車輛行駛距離（根據(jù)VDR數(shù)據(jù)，排除車輛存在停車、轉(zhuǎn)彎等非連續(xù)直線行駛狀態(tài)）；其次，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量P1與停止線的間距S2，比較S1與S2大小，從而反推車輛通過(guò)停止線進(jìn)入路口時(shí)的信號(hào)燈狀態(tài)。

四、應(yīng)用案例

以實(shí)際信號(hào)燈鑒定案例，詳細(xì)闡述分析過(guò)程。

（一）簡(jiǎn)要案情

2022年一輛大型普通客車在道路路口與一輛自行車發(fā)生交通事故，造成自行車騎車人受傷經(jīng)送醫(yī)院搶救無(wú)效于當(dāng)日死亡、車輛損壞。辦案單位提取到事發(fā)時(shí)監(jiān)控視頻（幀率25fps，因監(jiān)控視頻角度問(wèn)題，未拍攝到路口停止線）和大型普通客車VDR數(shù)據(jù)，鑒定需求為判斷大型普通客車通過(guò)路口時(shí)信號(hào)燈狀態(tài)，辦案單位提供路口東進(jìn)口停止線后緣至人行橫道線前緣距離為S1=7.5m。

（二）數(shù)據(jù)分析

1.基于檢材監(jiān)控視頻的事故過(guò)程分析

檢材監(jiān)控視頻第2236幀時(shí)刻，自行車從視頻畫面右下部進(jìn)入，見圖5（a）；第2289幀時(shí)刻，路口東向西直行機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈黃燈啟亮，見圖5（b）；第2307幀時(shí)刻，大型普通客車從視頻畫面下部（由東向西）進(jìn)入，此時(shí)路口東向西直行機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈為黃燈亮狀態(tài)，且已啟亮18幀，見圖5（c）；第2322幀～第2327幀時(shí)段，大型普通客車車頭前緣駛過(guò)路口人行橫道線前緣，見圖5（d）（e）；第2331幀時(shí)刻，兩車相撞，見圖5（f）；第2381幀時(shí)刻，甲車停車，此時(shí)車輛速度為0km/h。

2.基于VDR數(shù)據(jù)的大型普通客車車速分析

對(duì)VDR數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀，得到大型普通客車車速數(shù)據(jù)，如圖6所示為事發(fā)時(shí)（行駛記錄儀時(shí)間17:30:01～17:30:20）車速數(shù)據(jù)。根據(jù)車速數(shù)據(jù)可知，事發(fā)前該車處于行駛狀態(tài)，且在17:30:14時(shí)刻速度為0km/h。首先，結(jié)合檢材視頻中該車停車時(shí)刻（第2381幀時(shí)刻）使用三次樣條插值算法對(duì)車速數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，采樣率從1Hz插值成25Hz，并繪制該車速度曲線（見圖7）；之后，以車輛停車時(shí)刻為基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)齊車速數(shù)據(jù)與監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)時(shí)間軸，得到視頻每幀的車速數(shù)據(jù)。

3.推算大型普通客車進(jìn)入路口時(shí)的信號(hào)燈狀態(tài)

根據(jù)該車速度曲線（見圖7）計(jì)算路口東向西直行機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈黃燈啟亮?xí)r刻（第2289幀時(shí)刻）至該車車頭前緣駛過(guò)路口人行橫道線前緣（第2322幀～第2327幀時(shí)段）時(shí)間段內(nèi)甲車行駛距離S2在16.01m～17.7m范圍內(nèi)。根據(jù)辦案單位提供的測(cè)量尺寸S1=7.5m，故S1

五、結(jié)語(yǔ)

本文從道路交通信號(hào)燈狀態(tài)鑒定的實(shí)際需求出發(fā)，探索基于監(jiān)控視頻無(wú)法直接確定車輛通過(guò)停止線時(shí)刻情況下，引入汽車行駛記錄儀車速數(shù)據(jù)反推車輛通過(guò)停止線時(shí)刻。但實(shí)際應(yīng)用中，汽車行駛記錄儀車速數(shù)據(jù)采樣率無(wú)法滿足計(jì)算需求。針對(duì)此類問(wèn)題，本文研究車速數(shù)據(jù)常用插值擬合算法，并比較三種插值算法的計(jì)算精度，得到三次樣條插值算法在車速數(shù)據(jù)插值計(jì)算中精度最高。以VDR車速序列插值后的毫秒級(jí)數(shù)據(jù)為切入點(diǎn)，探索典型事故中道路交通信號(hào)燈狀態(tài)鑒定方法，并通過(guò)實(shí)際案例應(yīng)用，詳細(xì)闡述鑒定流程。此外，在道路交通信號(hào)燈鑒定中，車速數(shù)據(jù)不僅有VDR數(shù)據(jù)，還存在衛(wèi)星定位終端數(shù)據(jù)、EDR數(shù)據(jù)等車速數(shù)據(jù)，同樣可使用本文方法開展鑒定。經(jīng)過(guò)本文給出的車速數(shù)據(jù)插值方法擬合的車速數(shù)據(jù)還可在計(jì)算車輛事發(fā)前制動(dòng)距離、制動(dòng)時(shí)間中得到應(yīng)用。