基于動(dòng)態(tài)邊緣率的長大隧道車輛控速系統(tǒng)構(gòu)建與效果分析

黃 兵， 狄海波， 李世佳， 楊飛雄， 刁成良

(1.四川雅康高速公路有限責(zé)任公司，四川 成都 610047；2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063)

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展,人民生活水平的提高,汽車保有量逐漸上升,交通事故率也隨之增加,據(jù)統(tǒng)計(jì),有90%的高速公路交通事故由駕駛員因素導(dǎo)致,其中比例最高的是車輛超速,達(dá)到了10%[1],由此可見,超速現(xiàn)象在我國較為多見,形勢嚴(yán)峻。因此,為了減輕事故強(qiáng)度、降低事故發(fā)生率,必要措施是降低車速和車速差。通常把在某一路段上行駛的所有車輛因速度不同造成的車速不均勻現(xiàn)象稱作車速差,也叫車速離散度。

為降低車速及車速離散度,國內(nèi)外學(xué)者基于視覺信息對(duì)駕駛員影響的規(guī)律,利用邊緣率改變時(shí)空頻率,通過增大路緣標(biāo)線相對(duì)于人眼運(yùn)動(dòng)的時(shí)間頻率使駕駛員高估車速,進(jìn)而誘導(dǎo)駕駛員主動(dòng)采取制動(dòng)降低車速[2]。國外有學(xué)者[3]研究發(fā)現(xiàn),駕駛員會(huì)受邊緣標(biāo)線的影響從而采取降低車速的行為;還有學(xué)者[4]發(fā)現(xiàn)駕駛員在決策停車距離和跟車距離時(shí)會(huì)受到邊緣標(biāo)線的影響,這一結(jié)果是通過計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的,并得出了邊緣率和光流率與理想加速度的關(guān)系模型。Katz[5]設(shè)計(jì)了相同距離的邊緣率路面標(biāo)記實(shí)驗(yàn),前后試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)照結(jié)果表明車輛平均速度下降了6 km/h。關(guān)于國內(nèi)的研究,杜志剛等[6]根據(jù)駕駛員對(duì)速度和車距的視覺效應(yīng)與環(huán)境相適應(yīng)的原則,將視錯(cuò)覺標(biāo)線和韻律感曲線相結(jié)合,誘導(dǎo)車輛提前減速,使隧道運(yùn)營安全水平得到了提高。另外還有國內(nèi)的學(xué)者[7-9]研究了駕駛員在行車過程中控制車速或調(diào)整跟車間距時(shí)邊緣標(biāo)線的影響模型,模型驗(yàn)證了能顯著影響車頭時(shí)距和車速的主要因素是邊緣率標(biāo)線的時(shí)間頻率、鋪設(shè)角度等因素。

但目前的研究都停留在靜態(tài)邊緣率的層面,其對(duì)所有的車輛均采取同一控速方案,針對(duì)性較低。

鑒于此,本文以現(xiàn)階段的靜態(tài)邊緣率算法模型,設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)部控制邏輯圖,構(gòu)建動(dòng)態(tài)邊緣率控制系統(tǒng),使控速系統(tǒng)更具針對(duì)性,提高隧道運(yùn)營安全。同時(shí)還設(shè)置靜態(tài)邊緣率對(duì)比實(shí)驗(yàn),分析動(dòng)態(tài)邊緣率的降速效果。

1 適用性分析

邊緣率的研究主要集中在高速公路,現(xiàn)階段對(duì)于隧道內(nèi)的邊緣率研究較少,鑒于隧道內(nèi)的環(huán)境與高速公路環(huán)境存在著差異,其亮度不足、有害物質(zhì)濃度高、噪聲大、能見度小、壓迫感強(qiáng)、景色單一。研究表明,一定濃度的有害物質(zhì)會(huì)對(duì)駕駛員的身體健康造成一定程度的損害,甚至使得駕駛員反應(yīng)遲鈍,影響駕駛員行車安全;過大的噪聲會(huì)導(dǎo)致駕駛員煩躁不安、專注力下降,應(yīng)急反應(yīng)能力下降;隧道內(nèi)強(qiáng)烈的壓迫感以及單一的景色會(huì)使駕駛員下意識(shí)加速。因此有必要分析在隧道內(nèi)應(yīng)用邊緣率標(biāo)線的適用性。

邊緣率指的是在單位時(shí)間內(nèi)路緣間隔標(biāo)志物穿過駕駛員視野邊緣的數(shù)量,在邊緣率周期已知的情況下,駕駛員就可以通過邊緣率來對(duì)行駛速度進(jìn)行一個(gè)主觀感知。如果邊緣率增大,那么駕駛員的感知速度也就隨之增大。

邊緣率的定義公式如公式(1)所示:

f=v/λ

(1)

式中:v為速度,m/s;λ為邊緣率周期長度,m;f為邊緣率,Hz。

邊緣率的改變主要是時(shí)空頻率的改變,Shen[10]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了感知速度與時(shí)空頻率的函數(shù)關(guān)系,如式(2)所示,由式(2)可知時(shí)空頻率與主觀感知速度和物理速度都有聯(lián)系。

(2)

式中:Vp為感知速度,m/s;V為物理速度,m/s;ft為時(shí)間頻率,Hz;fs為空間頻率,cycles/s;n為擬合參數(shù)。

在行駛過程中,物理速度一定時(shí),時(shí)空頻率越大,駕駛員在單位時(shí)間內(nèi)看到的路緣標(biāo)志物就越多。單位時(shí)間內(nèi)駕駛員視野邊緣里通過的路緣標(biāo)志物越多,駕駛員感知到的速度就越大,導(dǎo)致高估車速。

由此可知,邊緣率正好利用駕駛員感受到時(shí)空頻率改變獲取的視覺信息來高估實(shí)際車速,從而讓駕駛員下意識(shí)做出踩剎車的駕駛行為,達(dá)到降速的效果,提高隧道行車安全。但鑒于隧道內(nèi)環(huán)境特點(diǎn),利用普通的路面邊緣標(biāo)線的控速效果不佳。而且本次的控速方式為動(dòng)態(tài)邊緣率控制,因此考慮使用LED燈來達(dá)成動(dòng)態(tài)邊緣率效果。選取白色作為LED燈的顏色,與其他顏色相比白色能夠提供更亮的照明效果,除此之外還能夠有效減輕駕駛員的眼部疲勞,使駕駛員更專注于駕駛,另外白色的辨認(rèn)效果較好[11],因此LED燈的顏色選用白色,其亮暗比為1∶1。

2 邊緣率LED燈動(dòng)態(tài)控速系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)組成

邊緣率LED燈控速系統(tǒng)包含測速儀、配電箱、LED燈控制終端、車速控制終端、第一無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、第二無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、邊緣率LED燈燈設(shè)備,該系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 基于動(dòng)態(tài)邊緣率的LED燈控速系統(tǒng)

2.1.1 測速儀

測速儀,如圖2所示,分為測速儀Ⅰ和測速儀Ⅱ,分別安裝于系統(tǒng)的開端和末端。測速儀Ⅰ被用來記錄起點(diǎn)車速;測速儀Ⅱ被用來記錄終點(diǎn)車速。通過對(duì)比起點(diǎn)車速和終點(diǎn)車速的參數(shù),判斷駕駛員是否受系統(tǒng)影響采取了一定的減速行為,從而檢驗(yàn)邊緣率LED燈的動(dòng)態(tài)控速效果如何。

圖2 測速儀

2.1.2 車速控制終端

車速控制終端用于存儲(chǔ)邊緣率LED燈控制方案,它被安裝于邊緣率LED燈和測速儀之間,

2.1.3 無線通信模塊

無線通信模塊用于將LED燈控制方案無線傳輸至LED燈控制終端。

2.1.4 LED燈控制終端

LED燈控制終端用于接收方案并產(chǎn)生燈控信號(hào),并將信號(hào)傳輸至邊緣率LED燈。

2.2 控速系統(tǒng)構(gòu)建

2.2.1 速度采集

考慮到隧道路段環(huán)境的特殊性,為了避免對(duì)隧道內(nèi)車輛的正常運(yùn)行造成影響,保證采集的車速數(shù)據(jù)的有效性,同時(shí)保證采集者的人身安全,選用NC-200地磁型交通流檢測器作為隧道路段內(nèi)車速采集設(shè)備。同時(shí)采用雷達(dá)槍對(duì)車速數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)采樣,與檢測器結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,若車速數(shù)據(jù)的差距過于顯著,則重新采集直到數(shù)據(jù)樣本有效,車速采集設(shè)備如圖3所示。

圖3 NC-200地磁型交通流檢測器和雷達(dá)槍

車速數(shù)據(jù)采集時(shí)段為白天,車速數(shù)據(jù)采集交通流條件為自由流交通。

2.2.2 動(dòng)態(tài)控速方案

通過速度采集設(shè)備采集到的車速以及系統(tǒng)鋪設(shè)路段的限速值,確定最高車速vmax,減速目標(biāo)車速vt。即控速樣本對(duì)象為車速處于[vt,vmax]內(nèi)的超速車輛。以區(qū)間長度Δv為單位,對(duì)超速區(qū)間進(jìn)行劃分,從減速目標(biāo)車速vt開始,每隔Δv劃分一個(gè)控速區(qū)間,速度區(qū)間為[vt,vt+Δv]、[vt+Δv,vt+2Δv]…,則第m個(gè)控速區(qū)間為[vt+(m-1)Δv,vt+mΔv],r∈[1,M],其中M為(vmax-vt)/Δv，為控速區(qū)間數(shù)量,取整值。剩余的車速區(qū)間[vt+MΔv,vmax]將被合并至第M個(gè)控速區(qū)間作為一個(gè)控速區(qū)間。由于采集速度的局限性,系統(tǒng)鋪設(shè)后最高車速可能高于vmax,但數(shù)量較少,因此將其合并至第M個(gè)控速區(qū)間作為一個(gè)控速區(qū)間。按照?qǐng)D4所示的流程計(jì)算每個(gè)速度區(qū)間的周期長度值和鋪設(shè)總長度,可將系統(tǒng)控制方案簡化為表1所示M+1種模式。

圖4 動(dòng)態(tài)控制方案算法框架

表1 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)控制方案

2.2.3 系統(tǒng)電路控制方案

邊緣率動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)內(nèi)部的控制邏輯圖如圖5所示,由測速儀Ⅰ測出進(jìn)入系統(tǒng)車輛的車速,與表1中的速度劃分區(qū)間進(jìn)行對(duì)比,得出m,再通過LED燈控速終端中的內(nèi)置MATLAB控制程序,控制單刀多擲開關(guān)和多到多擲開關(guān)都接至m擋,此時(shí)該電路控制就會(huì)輸出Lm和λm/2,從而使LED燈處于模式m,對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的車輛進(jìn)行有針對(duì)性的控速。其中每個(gè)控制器的主要是控制LED燈的輸出長度,根據(jù)表1中的模式進(jìn)行計(jì)算,確保每一個(gè)擋輸出的是該模式下的鋪設(shè)總長度和周期長度。

圖5 內(nèi)部控制邏輯圖

3 效果分析

為了驗(yàn)證邊緣率LED動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng),選取二郎山隧道安裝該系統(tǒng),隧道全長13.4 km,設(shè)計(jì)速度和限速值都為80 km/h。通過兩種速度采集裝置采集到的車速確定最高車速為105 km/h,減速目標(biāo)車速75 km/h。經(jīng)過圖4所示的流程計(jì)算,M取3共計(jì)4種模式及每種模式對(duì)應(yīng)的周期長度值和鋪設(shè)總長度,見表2。

表2 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)控制方案(隧道兩側(cè)模式相同)

由表2可知,安裝在二郎山的動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)中各模式的L和λ存在重復(fù),因此可將電路控制邏輯圖簡化,如圖6所示。

圖6 二郎山控制邏輯圖

將邊緣率LED燈動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)安裝后,在二郎山隧道安裝系統(tǒng)并進(jìn)行調(diào)試,現(xiàn)場如圖7所示。邊緣率LED燈動(dòng)態(tài)控速系統(tǒng)的布設(shè)完成后,車輛運(yùn)行狀態(tài)下邊緣率現(xiàn)場效果如圖8所示。

圖7 實(shí)地安裝與系統(tǒng)調(diào)試

圖8 車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下邊緣率

系統(tǒng)安裝試運(yùn)行一段時(shí)間后,收集了一天的車速數(shù)據(jù),且數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。分析處理得到安裝前后的平均速度、速度標(biāo)準(zhǔn)差和各區(qū)間速度比例,結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出控速系統(tǒng)效果明顯,途徑車輛的速度明顯發(fā)生了降低,駕駛員采取了一定的減速行為,平均車速和車速標(biāo)準(zhǔn)差分別下降了7.96%和13.45%。

圖9 安裝邊緣率LED燈動(dòng)態(tài)控速系統(tǒng)前后的車速指標(biāo)對(duì)比

為了驗(yàn)證動(dòng)態(tài)邊緣率控速系統(tǒng)的效果,設(shè)計(jì)了6組靜態(tài)對(duì)比實(shí)驗(yàn),見表3，通過MATLAB編程控制隧道兩側(cè)處于不同的模式,并且該模式不隨進(jìn)入車輛的速度發(fā)生改變。

表3 6組靜態(tài)對(duì)比方案

利用車速控制終端內(nèi)的MATLAB程序,控制LED燈按照靜態(tài)設(shè)計(jì)方案實(shí)行亮暗,每種靜態(tài)方案采集半天實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,其結(jié)果如表4。由于二郎山隧道通車不久,其交通量較低,劉瑩瑩等[12]的研究認(rèn)為該路段車流處于穩(wěn)定時(shí)其不同密度車速標(biāo)準(zhǔn)差介于5～15 km/h范圍。由表4發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)方案和靜態(tài)6組方案的標(biāo)準(zhǔn)差都處于穩(wěn)定的范圍,因此在車流處于穩(wěn)定的前提下,僅考慮平均車速,發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)邊緣率對(duì)平均車速的降低值最大,認(rèn)為動(dòng)態(tài)邊緣率降速效果更佳。

表4 六種靜態(tài)對(duì)比方案與動(dòng)態(tài)邊緣率效果對(duì)比

4 結(jié) 論

(1) 本文為改進(jìn)靜態(tài)邊緣率控速針對(duì)性的不足,提出了動(dòng)態(tài)邊緣率控速系統(tǒng)框架,并設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)部控制邏輯圖,以平均車速和車速標(biāo)準(zhǔn)差作為降速目標(biāo),構(gòu)建了針對(duì)性更強(qiáng)的動(dòng)態(tài)邊緣率控制系統(tǒng)。

(2) 為驗(yàn)證該動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的有效性,在二郎山隧道進(jìn)行實(shí)地安裝,經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)該動(dòng)態(tài)系統(tǒng)安裝后能進(jìn)行有效控速。

(3) 針對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)置了6組靜態(tài)對(duì)比實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在車流處于穩(wěn)定的前提下,動(dòng)態(tài)邊緣率系統(tǒng)較靜態(tài)邊緣率模型能更具針對(duì)性地進(jìn)行控速。

論文構(gòu)建的內(nèi)部控制系統(tǒng)主要是邏輯層面,內(nèi)部的電路及現(xiàn)場鋪設(shè)的復(fù)雜性有待進(jìn)一步研究。