基于VANET環(huán)境高速公路車(chē)輛換道安全車(chē)距研究*1

姜　華，林加華（楚雄師范學(xué)院，云南 楚雄 675000）

基于VANET環(huán)境高速公路車(chē)輛換道安全車(chē)距研究*1

姜華，林加華
（楚雄師范學(xué)院，云南 楚雄 675000）

高速公路具有車(chē)速快、車(chē)輛多的特點(diǎn)，由于車(chē)輛換道發(fā)生追尾的交通事故，造成的經(jīng)濟(jì)損失較為慘重。本文基于VANET環(huán)境，在典型的換道場(chǎng)景中，利用V2V通信的技術(shù)，根據(jù)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)原理，通過(guò)對(duì)換道的4個(gè)階段的分析研究，提出了車(chē)輛從本車(chē)道變換到目標(biāo)車(chē)道，與目標(biāo)車(chē)道的前車(chē)應(yīng)保持的換道安全車(chē)距模型，最后在NCTUNS網(wǎng)絡(luò)仿真軟件下建立了仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，換道安全車(chē)距模型是正確的，具有較好的實(shí)用性，可為汽車(chē)自動(dòng)駕駛、輔助駕駛或預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

VANET；高速公路；車(chē)輛換道；換道安全車(chē)距

引言

車(chē)輛行駛在高速公路上，換道超車(chē)是常見(jiàn)的駕駛行為。駕駛?cè)藛T通過(guò)對(duì)周?chē)?chē)輛的距離和車(chē)速做預(yù)估和判斷，調(diào)整和完成駕駛操作，如果預(yù)估失誤和判斷錯(cuò)誤，就會(huì)有發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于換道引起的交通事故約占到總交通事故的4%～10%，比例雖不高，但造成的交通延誤約占總交通事故所引起延誤時(shí)間的10%［1］，給社會(huì)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。車(chē)載自組網(wǎng) （Vehicular Ad Hoc Network，VANET）是一種專(zhuān)為解決運(yùn)動(dòng)中車(chē)輛間進(jìn)行通信而設(shè)計(jì)的自組織網(wǎng)絡(luò)，VANET主要是通過(guò)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛與車(chē)輛之間通信 （V2V）、車(chē)輛與道路旁基礎(chǔ)設(shè)施之間的相互實(shí)時(shí)通信（V2I）以及V2V與V2I相結(jié)合的通信體系，并利用這些通信方式來(lái)改善道路交通的安全，構(gòu)成一種適用于交通通信環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

本文利用V2V通信的技術(shù)，根據(jù)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)原理，研究汽車(chē)在換道過(guò)程中，與目標(biāo)車(chē)道的前車(chē)應(yīng)保持的最小換道安全車(chē)距。

1.換道場(chǎng)景

本文利用王軍雷［2］所提出的典型超車(chē)環(huán)境模型，如圖1所示。圖中M為本車(chē)，F(xiàn)和B為目標(biāo)車(chē)道的前車(chē)和后車(chē)，L為本車(chē)道的前車(chē)。M車(chē)以某一特定的加速度從當(dāng)前車(chē)道變道至目標(biāo)車(chē)道。場(chǎng)景中的車(chē)輛在車(chē)頭的正前方安裝有速度、加速度傳感器、GPS和無(wú)線(xiàn)信息收發(fā)裝置，在一定范圍內(nèi)的車(chē)輛組成自組織的車(chē)載網(wǎng)絡(luò) （VANET），網(wǎng)絡(luò)中的車(chē)輛周期地廣播自車(chē)的自身屬性參數(shù)（包括車(chē)輛尺寸、最大加速度和最大減速度）和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù) （包括速度、位置、加速度等）的分組消息。車(chē)輛在換道過(guò)程中，根據(jù)收到周?chē)?chē)的分組判斷是否處于安全車(chē)距離之內(nèi)，通過(guò)判斷結(jié)果，可為駕駛?cè)藛T下一步行為提供決策參考。

本文研究在實(shí)施換道過(guò)程中為避免與目標(biāo)車(chē)道的前車(chē)F發(fā)生碰撞，M車(chē)必須與F車(chē)保持的安全距離，為便于開(kāi)展研究，假設(shè)M車(chē)與L車(chē)、B車(chē)有足夠的距離保證換道過(guò)程中M車(chē)不會(huì)與其發(fā)生碰撞，除M和F車(chē)外，其他車(chē)輛縱向和橫向加速度均設(shè)為0。

2.換道安全車(chē)距模型

2.1換道安全車(chē)距的定義

在換道過(guò)程中的任意時(shí)刻t，設(shè)D（t）為M與F車(chē)的縱向距離，VM（t）、VF（t）、aM（t）和aF（t）分別為M和F的速度和加速度。為避免前車(chē)F在突發(fā)情況下緊急制動(dòng)而發(fā)生追尾事故，M車(chē)必須與F車(chē)保持一定的安全距離，這一距離稱(chēng)為M車(chē)的換道安全車(chē)距，記為Ds。

2.2換道安全距離的確定

當(dāng)M車(chē)發(fā)現(xiàn)前車(chē)F緊急制動(dòng)時(shí)，根據(jù)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)原理，M車(chē)的制動(dòng)包括駕駛?cè)说姆磻?yīng)、制動(dòng)協(xié)調(diào)、減速度增長(zhǎng)和持續(xù)制動(dòng)4個(gè)階段［3］，記ti和Di分別為各階段所持續(xù)的時(shí)間和M車(chē)行駛的距離，DF為F車(chē)從制動(dòng)開(kāi)始到停車(chē)行駛過(guò)的距離。若M與F兩車(chē)不發(fā)生追尾，M和F車(chē)的最小安全距離為Ds=D1+D2+D3+D4-DF+△d。M車(chē)的制動(dòng)4階段速度-時(shí)間關(guān)系如圖2。

圖2　M車(chē)的制動(dòng)速度-時(shí)間關(guān)系

在t1時(shí)刻，VM（t）=VM（t）+aM（t）t1=VM（t）+1.2aM（t），

在第2階段，汽車(chē)各部分處于制動(dòng)協(xié)調(diào)狀態(tài)，可將M車(chē)近似看成勻速狀態(tài)，經(jīng)研究，99%的車(chē)的制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間t2=0.2S［5］，有

D2=VM（t）t2=0.2VM（t）+0.24aM（t），

其中，aF為F車(chē)的最大減速度。

同理，F(xiàn)車(chē)從制動(dòng)到靜止為止，所行駛的距離為

在上式中，將小于等于取為等于，即為換道過(guò)程中M車(chē)與F車(chē)應(yīng)保持的最小換道安全距離。可見(jiàn)，在換道過(guò)程的任意時(shí)刻t，兩車(chē)間的換道安全距離主要由兩車(chē)的速度、加速度和最大減速度決定的。

3.模型仿真

為了驗(yàn)證本模型的正確性和實(shí)用性，在NCTUNS中，建立了3輛配備有車(chē)載單元的汽車(chē)行駛1000M的高速公路上的VANET模擬環(huán)境 （如圖3），其中2號(hào)車(chē)為準(zhǔn)備換道車(chē)輛，4號(hào)車(chē)為目標(biāo)車(chē)道上的前車(chē)，4號(hào)車(chē)前方有障礙物。另外，為CarAgent提供了5種與高速公路行駛相匹配的配置文件，在CarAgent模塊中加入換道安全距離檢測(cè)功能。以此來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼_性。

通過(guò)對(duì)大量、反復(fù)的實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，只要2號(hào)車(chē)在指定時(shí)間與目標(biāo)車(chē)道的4號(hào)車(chē)的距離大于或等于最小換道安全距離，2號(hào)車(chē)即可換道，即使在4號(hào)車(chē)遇到前方的障礙緊急制動(dòng)之后，2號(hào)車(chē)都能在距離4號(hào)車(chē)大于5m的后方停下來(lái)，因此，本文提出的換道安全距離模型是正確的。同時(shí)，換道安全距離的判斷是基于車(chē)的速度、加速度與最大減速度等參數(shù)，而這些參數(shù)，本車(chē)都可通過(guò)VANET廣播的分組中實(shí)時(shí)獲取，因此本文提出的換道安全距離模型是可行的。

圖3　實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)境

4.結(jié)語(yǔ)

在高速公路，換道引發(fā)的交通事故比重雖然不大，但經(jīng)濟(jì)損失比較慘重。本文基于VANET高速公路環(huán)境，利用汽車(chē)動(dòng)力學(xué)原理和前人研究的成果，提出了換道最小安全距離模型。通過(guò)NCTUNS中的仿真實(shí)驗(yàn)分析，表明了該模型的正確性和實(shí)用性。該模型可作為汽車(chē)自動(dòng)駕駛、輔助駕駛或預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

［1］Tim van Dijck，Geert A.J.van der Heijden.VisionSense：An Advanced Lateral Collision Warning System［C］.IEEE Proceedings.Intelligent Vehicles Symposium，2005：296-301.

［2］王軍雷，李百川，應(yīng)世杰，鞏航軍；車(chē)道變換碰撞預(yù)警分析及最小縱向安全距離模型的研究［J］.人類(lèi)工效學(xué)，2004，10（4）：16—19.

［3］Burgett A，Carter A，Miller R.A collision warning algorithm for rear-end collisions［C］.Imtermational Technical conference on the Enhanced Safery of vehicles，1998：566-587.

［4］Seiler P，Song B，Hedrick J.Development of a Collision Avoidance System［J］.Neurosurgery 1998，46（2）：492—498.

［5］侯德藻.高速公路追尾碰撞預(yù)防報(bào)警系統(tǒng)·開(kāi)發(fā)研究及其主控程序設(shè)計(jì) ［D］.長(zhǎng)安大學(xué)；2000.

［6］李百川.道路交通事故預(yù)防心理學(xué)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1998.

（責(zé)任編輯劉洪基）

Research on Safety Distance between Lane-changing Vehicles on Expressways Based on the VANET Environment

JIANG Hua&LIN Jiahua
（School of Information Science and Technology，Chuxiong Normal University，Chuxiong，675000，Yunnan Province）

Fast and crowded，vehicles on expressways easily run into each other when changing lanes，resulting in huge losses.This paper presents a research based on the VANET environmentwhere the V2V communication technology is employed to analyze the four stages of a typical lance changing operation to suggest a safety distancemodel for a vehicle attempting to change from the current lane to the destination one according to theories of vehicle dynamics.Finally，a simulation experimental environment is set up with the help of the network simulation tool-NCTUNS.Results of the experiment show that themodel of safety distance for lane changing vehicles is workable and practical and can thus be applied to automatic drive，assisted drive and the collision warning systems of vehicles.

VANET，expressway，lane change，safety distance for lane change

U412.366

A

1671-7406（2016）03-0045-04

高速公路環(huán)境VANET車(chē)輛變道碰撞預(yù)警消息廣播協(xié)議研究，項(xiàng)目編號(hào)：11YJRC06。

2015-12-18

姜華 （1978—），男，講師，碩士，主要從事無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)研究。