考慮能見度的無(wú)信號(hào)交叉口行人與車輛沖突識(shí)別

馬艷麗，朱潔玉，張宿峰，張 鵬

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有21%的行人死亡事故發(fā)生在道路交叉口[1]，尤其在能見度比較低的環(huán)境中，交通事故發(fā)生率更高。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，2014年霧天平均單次交通事故死亡人數(shù)約為晴天條件下的1.86倍。在低能見度交通環(huán)境下，駕駛員的可視距離變短，對(duì)交通標(biāo)線、前方過(guò)街行人等難以辨別清楚，可能會(huì)做出錯(cuò)誤判斷，故在低能見度環(huán)境中車輛與行人更易發(fā)生沖突，出現(xiàn)交通事故概率更大。如何有效識(shí)別低能見度下的過(guò)街行人與車輛的沖突已成為車-路協(xié)同下無(wú)信號(hào)交叉口行人安全過(guò)街研究的重要內(nèi)容。

行人過(guò)街受到機(jī)動(dòng)車行駛的干擾顯著，為保證路段上行人安全過(guò)街，同時(shí)減少人-車沖突，相關(guān)學(xué)者對(duì)人-車沖突模型、人-車沖突分析技術(shù)與方法及人-車沖突表征指標(biāo)方面進(jìn)行了研究。鮑怡婷等[3]根據(jù)實(shí)際調(diào)查的車輛速度和可接受間隙，提出了一種右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車與行人沖突運(yùn)動(dòng)過(guò)程的仿真模型；HUANG Zhi等[4]研究了行人與車輛的正面碰撞情況，提出了區(qū)分正面碰撞與側(cè)面碰撞的人-車沖突距離模型；魏麗英等[5]根據(jù)人-車沖突實(shí)際情景構(gòu)建了行人與機(jī)動(dòng)車的沖突博弈矩陣，并給出了人-車沖突演化動(dòng)力學(xué)模型；CHENG Wei等[6]分析了人-車沖突的重要影響因素，并提出了行人安全沖突指數(shù)模型；LI Fang等[7]研究了人-車單元在交叉口行駛狀態(tài)下的交通沖突危險(xiǎn)潛在反應(yīng)，并結(jié)合交通規(guī)則，建立了交叉口交通沖突風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模型；TAN Guishan等[8]采用時(shí)距法對(duì)行人與右轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)動(dòng)車的時(shí)間分布進(jìn)行研究，建立了沖突概率的計(jì)算模型；WU Jianqing等[9]通過(guò)研究車輛與行人近碰撞識(shí)別，考慮車-人碰撞風(fēng)險(xiǎn)增加，提出了一種基于路邊激光雷達(dá)數(shù)據(jù)提取的道路使用者軌跡近碰撞識(shí)別方法；I.KAPARIAS等[10]基于現(xiàn)有車-車沖突分析技術(shù)，考慮行人運(yùn)動(dòng)，開發(fā)出一種共享空間環(huán)境的行人與車輛交通沖突分析技術(shù)；R.AlMODFER等[11]提出了一種基于車道的行人與車輛后侵入時(shí)間評(píng)價(jià)方法，使用視頻數(shù)據(jù)記錄一個(gè)無(wú)信號(hào)交叉口車輛和行人行為，分析基于車道分布的人-車沖突；CHEN Peng等[12]利用無(wú)人機(jī)視頻分析了城市交叉口行人車輛沖突，分別用后侵入時(shí)間(PET)和相對(duì)碰撞時(shí)間(RTTC)表示行人與車輛沖突在空間和時(shí)間上的接近程度；陸斯文等[13]利用交通沖突技術(shù)，分析了單車道行人激進(jìn)過(guò)街時(shí)與機(jī)動(dòng)車之間的碰撞機(jī)理，建立了單車道人-車沖突和碰撞事故概率模型。

以上學(xué)者主要從行人與車輛沖突識(shí)別模型、分析方法與技術(shù)及表征指標(biāo)等方面開展了相關(guān)研究，但對(duì)考慮能見度影響的過(guò)街行人與車輛沖突識(shí)別等問(wèn)題的研究相對(duì)較少。筆者研究了無(wú)信號(hào)交叉口過(guò)街行人與車輛的交通沖突問(wèn)題，考慮能見度對(duì)交通沖突影響，結(jié)合采集到的車輛及行人運(yùn)動(dòng)信息，對(duì)考慮能見度的無(wú)信號(hào)交叉口過(guò)街行人與車輛沖突識(shí)別方法開展研究，構(gòu)建了過(guò)街行人與車輛沖突識(shí)別模型，并對(duì)模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證。

1 人-車沖突識(shí)別模型

1.1 行人與車輛交通沖突分析

對(duì)于每個(gè)交通參與者，其周圍都有一定的敏感區(qū)，當(dāng)其他交通參與者逐漸進(jìn)入該區(qū)域時(shí)，雙方壓力劇增，進(jìn)而會(huì)采取避險(xiǎn)措施，這被認(rèn)為是一起交通沖突，該敏感區(qū)定義為臨界沖突區(qū)域[14]。車輛與行人避險(xiǎn)需一定的空間距離，可使車輛與行人成功避險(xiǎn)的最小安全距離為臨界沖突區(qū)域。沖突區(qū)域示意如圖1。

圖1 沖突區(qū)域示意(單位：cm)

圖1中：虛線圓曲線表示臨界沖突區(qū)域，行人和車輛過(guò)街時(shí)，當(dāng)車輛或行人進(jìn)入對(duì)方的虛線區(qū)域后，駕駛員與行人都會(huì)緊張，若不采取避險(xiǎn)措施，行人與車輛可能會(huì)存在碰撞情況，此區(qū)域即為適應(yīng)緊急情況的最小安全區(qū)。

在分析車輛尺寸、速度、行人速度及人-車相對(duì)位置等因素的基礎(chǔ)上，考慮臨界沖突區(qū)域，建立人-車沖突模型。人-車沖突模型研究了行人與車輛的行駛軌跡，分析了行人與駕駛員避險(xiǎn)的最小空間距離，綜合考慮行人與車輛的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，是基于運(yùn)動(dòng)學(xué)及車輛制動(dòng)理論建立的交通沖突判別模型。由該模型可知，若車輛與行人間的距離小于臨界沖突距離，說(shuō)明車輛與行人存在沖突，反之則沖突不存在。

1.2 人-車沖突模型構(gòu)建

行人與車輛過(guò)街時(shí)，由于車輛行進(jìn)方向有所變化(分為：左、直、右這3個(gè)方向)，而行人行進(jìn)方向變化不大(沿人行橫道)，為方便分析與計(jì)算臨界沖突距離，以圖1(a)為例進(jìn)行模型構(gòu)建，所構(gòu)建的沖突模型如圖2。

圖2 交叉口人-車沖突模型

車輛在同一位置沿不同方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，行人與車輛間的安全距離有所不同，因此當(dāng)車輛沿著與行人連線方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，所需的安全距離最大。人-車相對(duì)位置確定時(shí)，為確保車輛與行人安全，應(yīng)取最大安全距離作為臨界沖突半徑。圖1(a)中：設(shè)定行人所處位置為原點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閥軸正向，建立直角坐標(biāo)系。

根據(jù)幾何關(guān)系可知車輛相對(duì)于行人的速度和加速度，并根據(jù)車輛制動(dòng)理論，可得出[0, 2π)上的臨界沖突半徑[13]，如式(1)：

(1)

從微觀而言，車輛應(yīng)從其外側(cè)邊緣算起，因此需加入車輛尺寸影響，故在[0, 2π)上的人-車臨界沖突半徑如式(2)：

(2)

式中：l為車輛長(zhǎng)度，m；d為車輛寬度，m；v1為行人速度，m/s，通常取v1=1.2 m/s；v2為車輛速度，m/s；t1為駕駛員踩下制動(dòng)踏板到車輛開始制動(dòng)時(shí)間，s，通常取t1=0.09 s；t2為車輛制動(dòng)力増長(zhǎng)時(shí)間，s，t2取值見表1；a為車輛減速度，m/s2；φ為車輛起始位置和X軸正向之間夾角，(°)。

表1 車輛制動(dòng)力增長(zhǎng)時(shí)間

2 交通環(huán)境能見度確定方法

2.1 交通環(huán)境能見度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2007年，中國(guó)氣象局綜合不同能見度和公路行車安全影響因素，發(fā)布了《高速公路能見度監(jiān)測(cè)及濃霧的預(yù)警預(yù)報(bào)》標(biāo)準(zhǔn)[15]。董珂洋等[16]分析大風(fēng)、雨雪、大霧、高溫等災(zāi)害天氣對(duì)道路交通安全的影響，并提出應(yīng)對(duì)措施。筆者根據(jù)文獻(xiàn)[15-16]，制定了道路能見度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的預(yù)警管理措施。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)氣象部門能見度檢測(cè)和相關(guān)預(yù)報(bào)及影響交通運(yùn)營(yíng)的嚴(yán)重程度，將公路沿線的能見度按從好到壞的順序分為0～4級(jí)，如表2。

表2 能見度等級(jí)劃分

2.2 基于人-車距離的交通環(huán)境能見度測(cè)算方法

能見度是表征大氣透明程度的一個(gè)重要物理量，與雨、雪、霧、霾等氣象條件密切相關(guān)，一般定義為具有正常視力的人在強(qiáng)光、雨霧、天空等散射光背景下，觀測(cè)且可以辨識(shí)出安置于地面附近的適當(dāng)尺度目標(biāo)物的最大水平距離或在夜晚能夠辨認(rèn)出一定強(qiáng)度燈光的最大距離[17]。

能見距離大小主要與大氣透明程度有關(guān)。根據(jù)大氣光學(xué)中的比爾-朗伯定律，可求出空氣介質(zhì)中的最大能見距離，即能見度的計(jì)算如式(3)：

(3)

式中：V為能見距離，m；Kλ為消光系數(shù)；L0為監(jiān)控設(shè)備光心距觀測(cè)目標(biāo)物的距離，m；T0為當(dāng)前大氣透射率，一般情況下，取人眼正常視覺反應(yīng)閾值為0.02。

根據(jù)式(3)，利用激光測(cè)距儀測(cè)出觀測(cè)點(diǎn)距目標(biāo)物的距離L0即可計(jì)算出空氣中的能見距離，根據(jù)能見度等級(jí)劃分表即可確定實(shí)際交通環(huán)境的能見度等級(jí)，進(jìn)一步研究不同能見度條件下人-車臨界沖突半徑變化情況。

3 低能見度下的人-車沖突模型修正

在霧霾、黃昏和夜間等能見度比較低的環(huán)境中，駕駛員的視覺辨認(rèn)能力會(huì)受到影響，導(dǎo)致其對(duì)車輛操控能力發(fā)生變化，車輛速度和減速度隨之改變，人-車臨界沖突半徑也會(huì)發(fā)生變化。與車輛相比，行人速度及加速度變化微小，對(duì)模型整體影響不大，故筆者僅考慮車輛速度及加速度變化臨界沖突半徑影響，進(jìn)而對(duì)人-車沖突模型進(jìn)行修正。

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

3.1.1 數(shù)據(jù)采集

構(gòu)建考慮能見度的人-車沖突模型需采集車輛和行人相對(duì)位置、速度、加速度、車輛尺寸及能見度等指標(biāo)信息，因此數(shù)據(jù)采集裝置包括設(shè)置在車輛中的車載GPS、雷達(dá)、速度傳感器、加速度傳感器、車路通信車載終端及激光測(cè)距儀，實(shí)時(shí)采集行人與車輛信息，并通過(guò)無(wú)線發(fā)射器將信息發(fā)送至路側(cè)的通訊設(shè)備。

3.1.2 數(shù)據(jù)處理

筆者以哈爾濱市果戈里—文昌街(橋下)所收集的歷史資料為研究基礎(chǔ)，原始數(shù)據(jù)以40 min為記錄單位，時(shí)間為2017年7月至12月，其間包含了不同能見度的情況。車輛在各級(jí)能見度下的速度變化情況見圖3。

圖3 各級(jí)能見度下的車輛速度變化

通過(guò)擬合可得車輛速度v2與能見度V之間的關(guān)系模型，如式(4)：

v2=7.42ln(V)-7.62，R2=0.97

(4)

式中：V∈(0， 2 000]。

通過(guò)分析與計(jì)算，列出了車輛在5級(jí)能見度條件下的車輛平均速度，如表3。

表3 各級(jí)能見度下的車輛平均速度

3.2 模型參數(shù)確定

3.2.1v1、l和d確定

在不同能見度下行人速度變化較小，可按1.2 m/s進(jìn)行計(jì)算，故v1=1.2 m/s。筆者以總質(zhì)量在4.5 t以下的小汽車為研究對(duì)象，通過(guò)調(diào)查小汽車規(guī)格尺寸取其平均值，即l=4.5 m，d=1.7 m。

3.2.2t1、t2和a確定

t1為駕駛員踩下制動(dòng)踏板到牢輛開始制動(dòng)的時(shí)間，通常取t1=0.09 s；t2與汽車質(zhì)量有關(guān)，根據(jù)車輛制動(dòng)力增長(zhǎng)情況表，t2=0.24 s。車輛在不同能見度條件下行駛時(shí)速度不同，路面附著力系數(shù)隨之變化，導(dǎo)致車輛最大減速度不同，故應(yīng)對(duì)車輛加速度進(jìn)行修正，以保障駕駛員安全行駛。在道路材料、路面狀況、輪胎結(jié)構(gòu)、胎面花紋一定情況下，車輛最大減速度計(jì)算如式(5)：

amax=μg

(5)

式中：amax為車輛最大減速度，m/s2；μ為路面附著力系數(shù)；g為重力加速度，g=9.8 m/s2。

不同行車速度下的路面附著系數(shù)見表4(雨雪情況除外)。根據(jù)插值法可計(jì)算不同能見度條件下的平均減速度，其具體取值如下：

1)當(dāng)500 m≤V≤2 000 m時(shí)，能見度等級(jí)為0級(jí)，天氣狀況正常，a=7.98 m/s2；

2)當(dāng)200 m≤V<500 m時(shí)，能見度等級(jí)為1級(jí)，a=8.03 m/s2；

3)當(dāng)100 m≤V<200 m時(shí)，能見度等級(jí)為2級(jí)，a=8.08 m/s2；

4)當(dāng)50 m≤V<100 m時(shí)，能見度等級(jí)為3級(jí)，a=8.15 m/s2；

5)當(dāng)V≤50 m時(shí)，能見度等級(jí)為4級(jí)，a=8.21 m/s2。

表4 不同車速下的路面附著系數(shù)

3.3 模型修正

筆者分別將0～4級(jí)能見度條件下的臨界沖突半徑記為R0、R1、R2、R3和R4，則各級(jí)能見度下的人-車沖突修正模型如式(6)～(10)：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

記修正后的臨界沖突半徑為R′c，行人與車輛間的實(shí)際距離為Rv，則修正后的模型如式(11)：

(11)

考慮能見度下人車沖突識(shí)別方法：當(dāng)Rv>R′c時(shí)，認(rèn)為人車之間不存在沖突；當(dāng)Rv≤R′c時(shí)，認(rèn)為人車之間有沖突存在。

3.4 模型有效性驗(yàn)證

3.4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證低能見度下無(wú)信號(hào)交叉口人-車沖突修正模型沖突模型是否合理，筆者以哈爾濱春龍路—黃河路無(wú)信號(hào)交叉口為例展開詳細(xì)說(shuō)明。分別選取了不同能見度下此交叉口的50個(gè)案例進(jìn)行分析，攝像機(jī)拍攝視頻幀頻為30，每幀像素為1 280×720，圖4分別為4～0級(jí)能見度下所拍攝的路口交通情況。

圖4 不同能見度下的路口交通情況

通過(guò)觀察交通參與者是否有沖突發(fā)生時(shí)的轉(zhuǎn)向、減速等避險(xiǎn)行為，判斷實(shí)際沖突情況，并與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行浴Ｒ?級(jí)能見度為例進(jìn)行說(shuō)明，其具體步驟如下：

1)提取視頻中行人與車輛的相對(duì)位置

根據(jù)激光測(cè)距儀所測(cè)距離L0，計(jì)算能見度，將各個(gè)參數(shù)帶入代入式(7)計(jì)算臨界沖突半徑R′c。根據(jù)測(cè)算可知φ=45°，由式(3)可知V=349.82 m，故有式(12)：

2.41=11.35 m

(12)

2)進(jìn)行判斷

若Rv≤R′c，則認(rèn)為行人與車輛存在沖突，反之則認(rèn)為行人與車輛不存在沖突。通過(guò)估算可知Rv=1.1 m

3)對(duì)比分析

將所得結(jié)果同車輛、行人實(shí)際情況對(duì)比分析，確定與事實(shí)相符案例數(shù)，得出模型準(zhǔn)確率。

3.4.2 結(jié)果分析

對(duì)50個(gè)在5種能見度等級(jí)下的有效案例進(jìn)行分析，將人-車沖突識(shí)別模型結(jié)果與實(shí)際沖突數(shù)與進(jìn)行對(duì)比，以檢驗(yàn)無(wú)信號(hào)交叉口人-車沖突模型的適用性與準(zhǔn)確性，其統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證結(jié)果如表5。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，表明該模型平均準(zhǔn)確率為82.4%，能對(duì)不同能見度下的無(wú)信號(hào)交叉口行人與車輛沖突進(jìn)行有效地識(shí)別。

表5 人-車沖突案例分析結(jié)果

4 結(jié) 論

筆者研究了無(wú)信號(hào)交叉口車輛與過(guò)街行人沖突識(shí)別問(wèn)題。運(yùn)用車載GPS、車輛速度傳感器、加速度傳感器、車路通信車載終端及激光測(cè)距儀采集了車輛和行人的相對(duì)位置、速度、加速度、車輛尺寸等信息，構(gòu)建了過(guò)街人-車沖突識(shí)別模型，給出了車輛速度與能見度之間的關(guān)系模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)沖突模型進(jìn)行修正，對(duì)該模型有效性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：該模型結(jié)合行人與車輛運(yùn)動(dòng)信息，綜合考慮交通環(huán)境能見度等級(jí)和車輛尺寸對(duì)人車沖突區(qū)域影響，可對(duì)無(wú)信號(hào)交叉口過(guò)街行人與車輛沖突進(jìn)行有效識(shí)別，沖突識(shí)別率可達(dá)到82.4%。該研究可為無(wú)信號(hào)交叉口的行人提供決策，給駕駛員提供有效避讓行人的信息，從而降低過(guò)街行人與車輛間的交通事故率，提高低能見度下無(wú)信號(hào)交叉口行人和車輛的安全性。

此外，筆者研究成果也能用于不同能見度下無(wú)信號(hào)控制路段的過(guò)街行人與車輛沖突識(shí)別，無(wú)信號(hào)控制路段的人-車沖突大致為垂直沖突，屬于文中研究中(不同運(yùn)動(dòng)方向的車輛與行人沖突)的一種情況，該研究可為無(wú)信號(hào)交叉口與路段安全分析提供理論支持。