基于傳感器網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)防追尾模型研究

李德杰

（徐州工程學(xué)院 信電學(xué)院，徐州 221008）

0 引言

近年來(lái)，高速公路上多發(fā)汽車連環(huán)相撞的特大事故，這些案例給我們帶來(lái)了沉痛的教訓(xùn)。分析高速公路的事故類型，大多數(shù)為追尾碰撞事故。這是因?yàn)楦咚俟啡忾]、立體交叉、具有中央分隔帶，所以車輛橫向碰撞、對(duì)面相撞及撞人的事故極少，但因車速高，在惡劣天氣下很容易發(fā)生制動(dòng)側(cè)滑、甩尾或行車視距不足而導(dǎo)致追尾碰撞事故。我們必須設(shè)法遏制追尾碰撞事故的頻頻發(fā)生。

美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，追尾碰撞中的半數(shù)以上都能夠預(yù)防。日本學(xué)者研究指出，借助于預(yù)警使駕駛員提前制動(dòng)，追尾事故數(shù)量可以減少62%，所以發(fā)展一種高速公路行駛車輛的追尾預(yù)警系統(tǒng)具有重要的意義。

1 防追尾預(yù)警系統(tǒng)概述

防追尾預(yù)警系統(tǒng)是一種現(xiàn)代信息技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合的主動(dòng)安全系統(tǒng)，是“基于傳感器網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)”的子系統(tǒng)，主要用于追尾碰撞事故的警告與預(yù)防。

系統(tǒng)的關(guān)鍵是通過(guò)測(cè)距傳感器測(cè)定兩車的間距、相對(duì)速度和加速度等信息，因此必須正確選擇距離傳感器。目前常用的距離傳感器有超聲波測(cè)距儀、雙目攝像系統(tǒng)測(cè)距儀、毫米波雷達(dá)測(cè)距儀及激光雷達(dá)測(cè)距儀等四種，后兩種測(cè)距儀實(shí)時(shí)反應(yīng)較快，故適用于在高速公路上作為測(cè)距儀。毫米波雷達(dá)測(cè)距儀及激光雷達(dá)測(cè)距儀能測(cè)出前后兩車之間的實(shí)際距離及相對(duì)車速，再加上后車的車速信息及制動(dòng)減速度就可以確定前后兩車之間的臨界安全車距。所以，為了提高信息采集的可靠性，在考慮各種傳感器的綜合性能的前提下，采用多傳感器混合使用，同時(shí)注意傳感器的選取方式以及布局，并采用多種測(cè)距方式，保證各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確地反映汽車實(shí)時(shí)的行車狀況。

控制單元負(fù)責(zé)安全車距的計(jì)算和危險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)估。首先通過(guò)對(duì)各車道中的信息，如前車速度或減速度、后車的加速度、兩車的間距及等參數(shù)及安全距離的分析建立數(shù)學(xué)模型，其次根據(jù)路面狀況(干/濕)、后面車速及相對(duì)車速，計(jì)算出臨界車間距離，當(dāng)實(shí)測(cè)車間距接近安全臨界車間距離時(shí)，報(bào)警器發(fā)出警告信號(hào)。對(duì)不同程度的跟車距離，如安全跟車、跟車距離偏小、存在追尾危險(xiǎn)等，發(fā)出不同等級(jí)的預(yù)警。

為了更準(zhǔn)確地描述汽車的追尾碰撞事故與行車狀態(tài)的關(guān)系，在此將Petri網(wǎng)模型引入系統(tǒng)，建立Petri網(wǎng)模型并對(duì)模型進(jìn)行分析，為系統(tǒng)的開發(fā)提供理論依據(jù)。

2 系統(tǒng)建模與分析

Petri網(wǎng)采用簡(jiǎn)潔的幾何圖形元素用直觀的方法表述復(fù)雜系統(tǒng)，特別適合于描述動(dòng)態(tài)變化、快速演化的，以及需要多次、多角度觀察，或者多人協(xié)作觀察的大型分布式的復(fù)雜系統(tǒng)行為， Petri網(wǎng)天然的異步并發(fā)特性，天生就是用來(lái)解決共享與協(xié)作問(wèn)題的?；赑etri網(wǎng)的建模，能夠利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的可視化建模仿真，提供針對(duì)系統(tǒng)模型的動(dòng)態(tài)特性的仿真分析平臺(tái)。

2.1 系統(tǒng)建模的準(zhǔn)備與假設(shè)

行車安全距離就是指在同一條車道上，同向行駛前后兩車間的距離(后車車頭與前車車尾間的距離)，保持既不發(fā)生追尾事故，又不降低道路通行能力的適當(dāng)距離。當(dāng)前車減速或后車超速時(shí)，相鄰兩汽車就有追尾的可能。通過(guò)對(duì)各傳感器監(jiān)控的目標(biāo)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控避免汽車相撞。當(dāng)然，行車安全距離受多種因素的影響，是動(dòng)態(tài)變化的，可以在傳感器網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)相關(guān)參數(shù)的前提下經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，計(jì)算模型在文獻(xiàn)[4]中有具體描述。這樣，建立對(duì)應(yīng)的Petri網(wǎng)模型，相應(yīng)的監(jiān)控預(yù)警問(wèn)題可以描述為Petri網(wǎng)標(biāo)識(shí)的線性不等式約束。

一個(gè)受控Petri網(wǎng)可以用一個(gè)有向圖表示，受控Petri網(wǎng)是一個(gè)五元組，形式化定義如下：Nc＝(P, T, F, C, B)。其中：

P是狀態(tài)庫(kù)所集，是一個(gè)有限非空集P={P1，P2，…，Pm}；

T是變遷集，是一個(gè)有限非空集T={T1，T2，…，Tn}；可控變遷集表示為Tc：= {t ∈ T | ?c ∈ C,(c, t) ∈ B}，不可控變遷的集合表示為Tu：= T-Tc。

F是一個(gè)有向弧集，F(xiàn)=P×T∪T×P, P和T還滿足P∪T=?，且P∩T≠?；

C是控制庫(kù)所集；

B ? (C×T)是控制庫(kù)所和變遷組成的二元組的集合。

在實(shí)際圖示中，庫(kù)所用圓圈表示；變遷用杠表示；帶箭頭的直線段表示有向弧，庫(kù)所與變遷之間用有向弧連接。

2.2 系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型

在路口或事故易發(fā)地段將每一條車道分為4個(gè)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段為當(dāng)前計(jì)算出的行車安全距離，限制每一區(qū)段只能出現(xiàn)一輛汽車，從而避免汽車追尾。

文獻(xiàn)[3]討論了不影響對(duì)象網(wǎng)運(yùn)行的觀測(cè)器的設(shè)計(jì)方法并給出了一個(gè)應(yīng)用示例，

本文據(jù)此給出一條車道相鄰4個(gè)區(qū)段（k-2、k-1、k和k+1）的Petri網(wǎng)模型，如圖1所示。

網(wǎng)內(nèi)的1個(gè)token表示一輛汽車。網(wǎng)內(nèi)的庫(kù)所排成4行4列。

每一行庫(kù)所對(duì)應(yīng)描述汽車通過(guò)相應(yīng)區(qū)段的一種行車模式：第一行庫(kù)所描述的行車模式是先加速后減速或停車；第二行庫(kù)所描述的行車模式是先加速后勻速通過(guò)；第三行庫(kù)所描述的行車模式是先勻速后減速或停車；第四行庫(kù)所描述的行車模式是勻速駛過(guò)整個(gè)區(qū)段。

每一列庫(kù)所對(duì)應(yīng)描述一個(gè)區(qū)段：庫(kù)所p1、p2、p3和p4對(duì)應(yīng)區(qū)段k-2；庫(kù)所p5、p6、p7和p8對(duì)應(yīng)區(qū)段k-1；k是一個(gè)路口或事故易發(fā)地段，庫(kù)所p9和p10對(duì)應(yīng)區(qū)段k；庫(kù)所p11和p12對(duì)應(yīng)區(qū)段k+1。

變遷的激發(fā)有兩個(gè)含義：一是汽車離開其輸入庫(kù)所對(duì)應(yīng)的區(qū)段，并駛?cè)肫漭敵鰩?kù)所對(duì)應(yīng)的區(qū)段；二是汽車的行車模式切換為該變遷的輸出庫(kù)所對(duì)應(yīng)的行駛模式。

p3中有一個(gè)token的含義是：一輛汽車勻速行駛至k-2區(qū)段逐漸減速或停車。

P10中有一個(gè)token的含義是：一輛汽車勻速行駛至k區(qū)段（一個(gè)路口或事故易發(fā)地段）逐漸減速或停車。

圖1 同一車道4個(gè)區(qū)段的Petri網(wǎng)模型

為了避免追尾，同一車道的每個(gè)區(qū)段最多出現(xiàn)一輛汽車，其對(duì)應(yīng)的Petri網(wǎng)控制目標(biāo)是一組廣義互斥約束：要求每列庫(kù)所的標(biāo)識(shí)之和不超過(guò)1。

2.3 仿真試驗(yàn)

在Matlab/ Simulink環(huán)境下進(jìn)行本模型的仿真,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 仿真模型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

由仿真的結(jié)果可以得出：前車剎車制動(dòng)，兩車間距先是縮小，將至行車安全距離時(shí)，通過(guò)預(yù)警，后車平穩(wěn)減速，兩車相對(duì)速度變化不是很劇烈；當(dāng)前車停車時(shí)，后車還具有一定的速度，它將繼續(xù)減速至停車，并與前車保持一定的安全距離。

3 結(jié)論

本文對(duì)車輛追尾預(yù)警問(wèn)題進(jìn)行了研究，運(yùn)用前后兩車的速度差與距離差的變化情況對(duì)可能發(fā)生的追尾進(jìn)行預(yù)警，建立了Petri網(wǎng)模型，并用Matlab進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，通過(guò)預(yù)警，能有效地保證后車經(jīng)過(guò)短暫的速度變化后與前車保持安全距離，避免碰撞追尾事故的發(fā)生，驗(yàn)證了模型的正確性。

要說(shuō)明的是，模型和仿真試驗(yàn)都是在外界條件良好這一假設(shè)條件下完成的，沒(méi)有對(duì)整個(gè)系統(tǒng)受外界條件影響的情況進(jìn)行更深入地分析，如天氣狀況和駕駛員的身體精神狀況等。系統(tǒng)還可以做以下方面的改進(jìn)：提高傳感器精度；縮短系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間；提高系統(tǒng)工作電源的穩(wěn)定性和抗干擾性；改進(jìn)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)，減小系統(tǒng)累積誤差等。

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