一種面向車輛闖黃燈和處理兩難區(qū)問(wèn)題的控制策略

劉潤(rùn)喬， 韓加蓬

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院， 山東 淄博 255091)

我國(guó)新交通法規(guī)定：駕駛機(jī)動(dòng)車違反道路交通信號(hào)燈通行的，一次記6分[1].此次規(guī)定黃燈表示警示，闖黃燈屬于違反道路交通信號(hào)燈通行.法規(guī)認(rèn)定：黃燈亮?xí)r，只要機(jī)動(dòng)車車身任何一部分已越過(guò)停止線，車輛可繼續(xù)通行，不定為闖黃燈.如沒(méi)過(guò)線則應(yīng)剎車停住，哪怕越過(guò)斑馬線也要停住，只要停住就不處罰.

防止車輛闖黃燈不僅能提高交叉口的安全性，還能顯著減小車輛陷入兩難區(qū)的概率.兩難區(qū)是駕駛員在交叉口處既通不過(guò)也停不下的區(qū)域,即駕駛員在看到黃燈亮后既不能安全停在停止線上，又不能在不超速違規(guī)行駛的前提下順利通過(guò)交叉口，無(wú)論駕駛員選擇停還是行，在紅燈期間都將落在交叉口內(nèi)[2].

迄今為止,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在黃燈時(shí)間調(diào)整和兩難區(qū)預(yù)警控制中獲得了大量研究成果.李克平等[3]在黃燈時(shí)間優(yōu)化方面進(jìn)行研究分析，提出適合中國(guó)國(guó)情的最小黃燈時(shí)間；張存保等[4]通過(guò)車路協(xié)同技術(shù)提出了降低兩難區(qū)概率的改善方法.本文對(duì)車載預(yù)警和黃燈控制進(jìn)行深入研究，提出一種面向車輛闖黃燈和處理兩難區(qū)問(wèn)題的控制策略.

隨著智能交通系統(tǒng)(ITS)的發(fā)展，安裝有中央處理器的信號(hào)燈可隨時(shí)變換時(shí)間，不再有信號(hào)燈倒計(jì)時(shí)顯示[5].為了讓駕駛員實(shí)時(shí)獲取信號(hào)燈的變換時(shí)間以及降低車輛闖黃燈和陷入兩難區(qū)事件的發(fā)生，本文設(shè)計(jì)車載預(yù)警控制策略，通過(guò)ZIGBEE實(shí)時(shí)獲得剩余綠燈時(shí)間T1和車輛到交叉口的距離S1，根據(jù)GPS實(shí)時(shí)測(cè)得車速v和制動(dòng)減速度a，以及計(jì)算出的制動(dòng)距離S，憑借以上參數(shù)對(duì)車輛是否將要闖黃燈進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警提示.此外還設(shè)計(jì)了黃燈控制策略，通過(guò)ZIGBEE實(shí)時(shí)獲取交叉口處車輛的位置、車速、排隊(duì)情況等信息，并根據(jù)交叉口處車輛的實(shí)際排隊(duì)情況和車速設(shè)定黃燈合理時(shí)間，并對(duì)黃燈結(jié)束期間還未離開(kāi)交叉口的車輛進(jìn)行黃燈延時(shí)控制，讓其順利通過(guò)交叉口.

1 車載預(yù)警控制策略

1.1 車載預(yù)警系統(tǒng)

車載預(yù)警可有效降低車輛闖黃燈事件的發(fā)生，進(jìn)而減小車輛陷入兩難區(qū)的概率.

車載預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括ARM微處理器、GPS模塊、ZIGBEE無(wú)線通信模塊、交通信息檢測(cè)模塊、報(bào)警模塊以及顯示模塊等.

圖1 車載預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

車載系統(tǒng)的控制中心采用32位ARM嵌入式微處理器；GPS采用載波相位實(shí)時(shí)差分獲得多普勒觀測(cè)值，然后計(jì)算速度值，測(cè)速精度在0.03m/s左右；通過(guò)ZIGBEE實(shí)時(shí)獲取交叉口信號(hào)燈的變換時(shí)間，還可實(shí)時(shí)獲得車輛到交叉口的距離，該距離參數(shù)可通過(guò)交通信息檢測(cè)模塊中的環(huán)形線圈式車輛檢測(cè)器或視頻檢測(cè)器獲取，由ZIGBEE傳給車載系統(tǒng).

1.2 制動(dòng)距離和制動(dòng)減速度分析

1．2．1 理論分析

圖2為駕駛員在接受了緊急制動(dòng)信號(hào)后，制動(dòng)踏板力Fp、汽車制動(dòng)減速度ab與制動(dòng)時(shí)間τ的關(guān)系曲線.

圖2 制動(dòng)踏板力、汽車制動(dòng)減速度與制動(dòng)時(shí)間的關(guān)系曲線圖

整個(gè)制動(dòng)過(guò)程可分為駕駛員反應(yīng)時(shí)間τ1，制動(dòng)器起作用時(shí)間τ2，持續(xù)制動(dòng)時(shí)間τ3，放松制動(dòng)器時(shí)間τ4四部分.

其中汽車的制動(dòng)距離是指制動(dòng)器起作用和持續(xù)制動(dòng)兩個(gè)階段汽車駛過(guò)的距離.根據(jù)汽車?yán)碚撝R(shí)，制動(dòng)距離計(jì)算公式為[6]

(1)

整個(gè)制動(dòng)過(guò)程的總制動(dòng)距離為

(2)

式中：ua0是制動(dòng)初速度，abmax是最大制動(dòng)減速度.

實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中的最大制動(dòng)減速度會(huì)隨著路面狀況的變化而變化.最大制動(dòng)減速度為

abmax=φp·g

(3)

式中φp為峰值附著系數(shù)，不同路面的峰值附著系數(shù)見(jiàn)表1.

表1 不同路面的峰值附著系數(shù)

1．2．2 緊急制動(dòng)和普通制動(dòng)分析

(1)緊急制動(dòng)時(shí)，要使車輛在一瞬間制動(dòng)，需立即猛踩制動(dòng)踏板，此時(shí)汽車的最大減速度可由式(3)得到，即

abmax=φp·g=0.7×9.8=6.86(m/s2)

(2)普通制動(dòng)時(shí)，可以柔和地踩剎車使車輛平穩(wěn)停住，通常制動(dòng)減速度最大為3m/s2，否則會(huì)使乘客感到不舒服或發(fā)生危險(xiǎn)，將其代入式(2)得

1．2．3 實(shí)際制動(dòng)分析

實(shí)際制動(dòng)時(shí)，交叉口處車輛速度v可通過(guò)GPS獲取，制動(dòng)減速度a可通過(guò)短時(shí)間內(nèi)速度變化率來(lái)獲得，即

(4)

式中：v1、v2分別表示前后時(shí)刻GPS測(cè)得的車速；Δt表示測(cè)量的時(shí)間間隔.

由式(2)可知，制動(dòng)距離S為

(5)

式中：v為制動(dòng)初速度，a為制動(dòng)減速度.

1.3 最大剩余綠燈時(shí)間分析

由圖2可知整個(gè)制動(dòng)過(guò)程的制動(dòng)時(shí)間T為

(6)

普通制動(dòng)時(shí)制動(dòng)時(shí)間T≈5s，該制動(dòng)時(shí)間即為車輛可能闖黃燈的最大剩余綠燈時(shí)間.

1.4 車載闖黃燈預(yù)警控制策略

通過(guò)ZIGBEE實(shí)時(shí)獲得剩余綠燈時(shí)間T1和車輛到交叉口的距離S1，根據(jù)GPS實(shí)時(shí)測(cè)得車速v和制動(dòng)減速度a，以及求得的制動(dòng)距離S，憑借以上參數(shù)對(duì)車輛是否將要闖黃燈進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.

但普通制動(dòng)下車輛會(huì)緩慢制動(dòng)，如果在黃燈啟亮之后以此制動(dòng)狀態(tài)越過(guò)停止線，雖然新交通法規(guī)定只要停住就不罰，但可能會(huì)被認(rèn)為沒(méi)有剎車停住而被誤判為闖黃燈.所以需對(duì)車輛進(jìn)行緊急制動(dòng)報(bào)警.

圖3 車載闖黃燈預(yù)警控制流程圖

2 黃燈控制策略

2.1 黃燈控制系統(tǒng)

黃燈時(shí)間的調(diào)整可顯著減小車輛進(jìn)入兩難區(qū)的概率[7]，提高交叉口的安全性.

黃燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，該系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為控制核心，通過(guò)ZIGBEE實(shí)時(shí)獲取交通信息檢測(cè)模塊采集的交叉口車輛位置、車速、排隊(duì)情況等信息，并將其傳給黃燈控制系統(tǒng).

圖4 黃燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 黃燈合理時(shí)間模型

黃燈合理時(shí)間指黃燈亮?xí)r剛越過(guò)停車線的車輛完全通過(guò)交叉口的時(shí)間，之后的車輛在黃燈亮后安全停在停車線外.該時(shí)間為司機(jī)的反應(yīng)時(shí)間、汽車通過(guò)交叉口的行駛時(shí)間和汽車減速停車的時(shí)間總和.

(7)

在無(wú)車輛排隊(duì)的情況下，黃燈合理時(shí)間為

(8)

在有車輛排隊(duì)的情況下，黃燈合理時(shí)間為

(9)

2.3 黃燈控制策略

通過(guò)ZIGBEE實(shí)時(shí)獲取交通信息檢測(cè)模塊采集的交叉口車輛位置、車速、排隊(duì)情況等信息.將交叉口處車輛的實(shí)際排隊(duì)情況和車速代入模型中，求出黃燈合理時(shí)間，并對(duì)黃燈結(jié)束期間還未離開(kāi)交叉口的車輛進(jìn)行黃燈延時(shí)控制，讓其順利通過(guò)交叉口.黃燈控制流程圖如圖5所示.

圖5 黃燈控制流程圖

2.4 算例分析

參數(shù)設(shè)置：

車長(zhǎng)L=4.5m

交叉口的大小：S=15m

兩汽車間的距離：S1=2m

在有車輛排隊(duì)的情況下汽車的行駛速度：V=20km/h

在無(wú)車輛排隊(duì)的情況下汽車的行駛速度：V=40km/h

司機(jī)的反應(yīng)時(shí)間：T1=0.7s

停車速度：V0=0km/h

(1)無(wú)車輛排隊(duì)的情況下

所以在無(wú)車輛排隊(duì)的情況下，黃燈合理時(shí)間T無(wú)=T1+T2=2.455s，如圖6所示.

圖6 無(wú)車輛排隊(duì)的情況下黃燈合理時(shí)間

(2)有車輛排隊(duì)的情況下

所以在有車輛排隊(duì)的情況下，黃燈合理時(shí)間T有=T1+T2+T3=4.93s，如圖7所示.

圖7 有車輛排隊(duì)的情況下黃燈合理時(shí)間

2.5 初值計(jì)算

進(jìn)行程序編寫(xiě)時(shí)，可選擇方式1作為其定時(shí)方式,即M1M2=01時(shí)，定時(shí)最大值為65.536ms.對(duì)于定時(shí)器來(lái)說(shuō)，公式如下：x=M-(定時(shí)值/T),其中M為其最大計(jì)數(shù)值即2^16.單片機(jī)晶振為12MHz時(shí)，T=1μs.

若求出有車輛排隊(duì)的情況下黃燈合理時(shí)間為4.9s，進(jìn)行程序編寫(xiě)時(shí)可先設(shè)定時(shí)值為5ms，則x=2^16-5ms/1μs=EC78H，初值為EC78H，初值低8位78H寫(xiě)入TL1，高8位ECH寫(xiě)入TH1，再在原來(lái)5ms基礎(chǔ)上循環(huán)980次，用DJNZ條件指令作為循環(huán)語(yǔ)句，即可得到4.9s定時(shí).

3 結(jié)束語(yǔ)

由于新交通法規(guī)定黃燈亮?xí)r未越過(guò)停止線的車輛要?jiǎng)x車停住，所以本設(shè)計(jì)只對(duì)綠燈亮?xí)r或黃燈剛亮起時(shí)車身任何一部分已過(guò)線的車輛進(jìn)行相應(yīng)的黃燈延長(zhǎng)控制，其他情況應(yīng)制動(dòng)停車，不對(duì)其進(jìn)行黃燈延時(shí)控制.

本次設(shè)計(jì)的車載預(yù)警控制和黃燈控制策略，算法簡(jiǎn)單可行，車輛和信號(hào)燈參數(shù)的獲取具有實(shí)時(shí)性，符合實(shí)際路況的需求，能夠顯著降低交叉口車輛闖黃燈和處于兩難區(qū)事件發(fā)生的概率.

[1] 機(jī)動(dòng)車駕駛證申領(lǐng)和使用規(guī)定(公安部令第123號(hào))[Z].北京：中華人民共和國(guó)公安部, 2013.

[2] 陳雪峰,馬萬(wàn)經(jīng).信號(hào)協(xié)調(diào)條件下交叉口兩難區(qū)仿真分析[J].交通科學(xué)與工程, 2011, 27(3): 87-93.

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