截面信息化碰撞预警系统使用路边单元聚合Connected-Vehicle信息合作智能运输系统

文摘

车辆碰撞和风险预警是一个活跃的研究领域,旨在改善道路安全,给司机提供早期预警,帮助他们避免潜在的碰撞危险。在这项研究中,我们提出一种新型的基于聚合碰撞预警系统截面信息,描述车辆运动由一个路边单元(RSU)处理。提出部门信息化碰撞预警系统(标准铜线)克服了现有的碰撞警告系统的局限性等安装成本高,需要市场普及率高,缺乏考虑交通动力学。拟议的标准铜线收集车辆通过车载单元操作数据(下文)和股票通过RSU聚合信息。每个路段的数据都是在本地处理的RSU使用边缘计算,允许标准铜线有效估计的信息描述主体周围的车辆在每个路段车辆。标准铜线的性能是通过比较与其他评估碰撞预警系统如vehicle-to-vehicle沟通建立碰撞预警系统(VCWS),仅仅利用车载传感器;混合碰撞预警系统(卫生工作者),它使用信息基础设施和车载传感器;和轨道碰撞预警系统(ICWS),它只使用数据基础设施。在这项研究中,100%的市场渗透率的VCWS理论上被认为提供最相似的结果实际碰撞风险。比较结果表明,聚合与解集水平分析,提出标准铜线展品VCWS类似的碰撞风险的趋势。 Furthermore, the SCWS shows a high potential for practical application because it provides acceptable performance even with a low market penetration rate (30%) at the relatively low cost of OBU installation, compared to the VCWS requirement of a high market penetration rate at a high installation cost.

1。介绍

道路安全是最重要的问题之一,研究人员研究了提高安全性和降低死亡率。先前的研究已经证明因果关系司机注意力不集中,车辆之间的距离,和车祸1,2]。除了司机注意力不集中的影响,人类的认知能力的局限性,特别是曲线或十字路口附近还发现了一个因果因素在许多事故。许多研究相应的开发系统,以防止事故发生和减轻其后果采用先进技术,如先进的驾驶员辅助系统(ADAS) (3)和合作智能交通服务(这个),基于传感器技术、vehicle-to-vehicle (V2V)沟通,和vehicle-to-infrastructure (V2I)沟通4]。

一个ADAS旨在减轻事故的严重程度,防止它如果可能通过支持司机的能力避免它。前碰撞预警系统避碰系统是最广泛研究的一种ADAS和主要基于车载传感器(3,5- - - - - -9]。一个ADAS有助于提高车辆安全通过提供一个警告信号,司机并自动激活制动系统在紧急情况下(10]。然而,许多当前的实现ADAS有限完全预防事故的能力。首先,由于有限的视野距离传感器,检测能力ADAS的退化在某些情况下,如曲线附近的山,或十字路口11]。第二,一个ADAS需要安装成本提供足够的精度高,视野(5,12,13]。换句话说,传感器,可以检测活动的其他车辆足够的距离,以防止意外考虑驾驶员反应时间和车辆速度太昂贵的广泛渗透市场。因此许多ADAS实现利用车载传感器产生预警信号基于信息从有限范围的100或150米的车辆(14]。不过,这个范围可能不足以预测风险可能碰撞引起的下游流量的车辆司机安全主题进行必要的行动来防止危险的情况下,特别是在自由流动的交通状态。这些车载传感器的有限范围的时候终于发现危险下游,突然和潜在的警告可能发布必要的信息不能及时在系统中更新。

这个旨在提高车辆安全使用V2V通信和V2I通信的结合。因为这个,联系车辆(CVs)配备车载单元(下文)交流安全信息,如车速、车辆加速度,交通信号,天气条件,指导地位,获取道路状况信息从路边单元(RSU)。这个系统可以使用这些数据来提供一个警告信号,司机下游发生危险事件时,如事故、道路的工作,或缓慢或停止车辆。通过允许司机提前应对即将到来的危险情况,这个可以减少事故发生的频率和严重程度。

由于这个方法的巨大潜力提高车辆安全,各种类型的碰撞和风险预警系统提出和测试在美国,欧洲,日本和韩国,包括曲线警告,警告,右转和缓慢的汽车预警系统(15,16]。碰撞和风险预警系统由这个应用可以分为基于V2V通信或V2I沟通建立根据通信方法。基于V2V通信系统是基于安全产生的消息从下文中包含的车辆。代表V2V应用包括向前碰撞警告在美国(17和在韩国16),以及紧急电子制动灯(18)和预碰撞/撞击引起的警告(19在欧洲]。基于V2I通信系统提供了一个警告信号,司机基于从RSU信息产生和传播。在此系统中,事故和危险事件被检测到路边传感器使用技术,如激光雷达,雷达和摄像头20.,21]。代表V2I应用包括队列警告(22)在美国,危险地段的通知(16在韩国,和交通堵塞,静止车辆的通知(19在欧洲]。

在以前的研究和部署前的项目,因为这个应用程序显示良好的安全性能和减少相当大的潜在的事故和改进用户的舒适16,18,23]。然而,这个需要一个高的市场普及率奥意识到高质量的服务或RSU设备成本都很高。另外,因为这个可能的性能大大阻碍了通信延时的连接传感器。

碰撞预警系统完全基于收集的数据基础设施没有下文,称为轨道碰撞预警系统(ICWS),也一直在研究[24,25]。这些系统确定碰撞风险只使用信息从道路基础设施提供给司机一个警告信号。这个系统有其优点,如容易实现和充分利用遗留的运输系统。然而,这个系统是有限的使用作为一个实际警告司机服务,因为它不能产生个性化的碰撞风险对于每个司机。具体来说,数据的效用被道路基础设施可能阻碍收购的平均效应,为车辆的人口只产生一个聚合值在给定的链接创建的这个数据时,例如,一个广泛分布的速度和加速度。即使车辆人口在一个给定的链接与速度平稳分布相似主题的司机,少量的激进的司机,构成整个人口少数的链接可能会破坏车辆的稳定人口和构成严重威胁司机。因此,混合动力汽车碰撞预警系统(卫生工作者)提出了克服这种局限性的ICWS26,27]。这些混合系统一起使用,代表每个路段的信息来自单个车辆的信息。然而,他们也有能力有限生产高度精确的碰撞风险为每辆车在一个链接。碰撞预警系统完全基于V2V沟通可能提供一个解决这一弱点;然而,这样的成功V2V-based碰撞预警系统(VCWS)视市场普及率为了提供高可靠的通信,如上所述。

先前提出的碰撞预警系统必须克服一些局限性前就被广泛使用。碰撞预警系统基于车载传感器如ADAS的视野有限,导致一个弱点在检测下游地区带来危险。此外,ADAS的应用是有限的,由于其高的安装成本。碰撞预警系统只基于基础设施获得平均数据从他们的目标道路链接;因此,他们缺乏详细信息描述个体司机计算可能干扰链路稳定性的关键。Communications-based碰撞预警系统,也称为简历技术,可以克服的局限性车载传感器碰撞预警系统通过传输微观信息,如车速、位置和角度周围的车辆。这个系统可以快速高效地确定碰撞风险出现在下游区域利用信息从邻近车辆和基础设施。然而,这个系统需要一个高的市场普及率奥和高度可靠的信息从路边基础设施。未能满足这些需求会导致较低的沟通建立碰撞预警系统的性能。的确,碰撞产生警告信息从路边检测系统还不可靠,因为他们仍在为商业用途。

提供一个令人满意的和可靠的预警服务在一个较低的市场渗透率,在这项研究中,我们提出了截面信息化碰撞预警系统(标准铜线)。拟议的标准铜线估计周围的运动车辆使用部门交通信息聚集在每辆车奥。该信息然后使用边缘聚集和分布式计算技术安装在限制。这个系统是为了满足三个目标。首先,提出碰撞预警系统必须实现预警信号精度高在一个相对较低的市场普及率。其次,从CVs的下文,积极利用信息系统应该实现以较低的安装成本相比,基于传感器碰撞预警系统。第三,系统必须有能力考虑周围的交通状态的动态变化和冲突主体车辆的风险。以下部分描述和评估拟议的标准铜线根据这些目标。

2。截面信息化碰撞预警系统

n这篇文章中,我们提出了标准铜线,估计主体车辆的碰撞风险基于收集的数据从CVs在每个路段的下文。这个系统提供了一个警告信号,司机当车辆在危险的情况下,如高碰撞风险。与VCWS,车辆直接交流和转移等车载信息确切的位置,速度和加速度的主要工具,标准铜线计算碰撞风险的相结合的数据主题车辆速度和加速度等数据从限制中获得。这个系统只有股票代表信息为每个从RSU道路段,它描述了周围的交通状态,车辆会在不久的将来。

拟议的标准铜线计算主体车辆的碰撞风险使用代理安全措施[28]。这个措施是安全性能指标,表示事故风险基于微观交通参数,如速度、空间进展和加速度。在下面几节中,我们描述了代理安全措施用来计算碰撞风险提出了标准铜线。

2.1。碰撞风险的测量计算

代理安全措施是一个广泛使用的计算方法主体车辆的碰撞风险,和许多安全研究人员提出的替代措施如time-to-collision和停车距离指数(29日- - - - - -31日]。在这些不同的安全替代措施,deceleration-based安全代理措施(DSSM)应用于本研究[28]。这种方法反映了单个车辆的力学性能,如制动性能和最大加速度率,以及个人的驾驶行为,如混蛋和过渡时间,危害检测精度高于其他代理的安全措施32,33]。管理DSSM方程如下: 在哪里和是各自的主题车辆,车辆的加速率的时间吗t,和各自的最大车辆,车辆,制动性能仿真和是各自的主题车辆和车辆的速度时间吗t, 主题后车辆的预期速度吗τ,和是主体的各自位置车辆,车辆在时间吗t,和各自的最大加速度的变化受车辆和领先的汽车,是领先的车辆的长度,是主题车辆减速的速度要求,避免了一次事故在时间吗t。

在方程(3),DSSM估计碰撞风险使用要求减速速率的比值的最大主体车辆制动性能。所需的减速是确定所需的最小减速速率,避免了一次事故,当领导车辆减少速度最大减速速率。的最大主体车辆制动性能取决于其制动能力。所需的减速率除以最大制动性能,DSSM可以估计一个定制的车辆碰撞风险对于任何主题。

2.2。标准铜线架构

本研究构建了基于方程的标准铜线(1)- (3)。数据1和2显示该标准铜线的配置和数据流。见图1,标准铜线由三部分组成:(1)距离传感器如雷达传感器和视觉传感器,(2)一个RSU,(3)一个酸。使用距离传感器,车辆和领先的车辆之间的距离估计每0.1秒OBU和传播。四个OBU中实现的函数。首先,它收集传感器数据的车辆,如速度、加速度,混蛋,和首选的制动性能,实时。第二,它向RSU上传了这些数据,计算每个道路段使用逐步计算的代表值。第三,OBU下载代表从RSU交通道路段的值,这被认为是描述主要的车辆,计算碰撞风险使用车辆行驶数据主题。第四,估计碰撞风险是显示在屏幕上的大府市拥有为司机提供适当的警告信号通过音频和视觉指标。

个人的数据分段处理的司机的道路RSU如图3的主要点,这表明区分标准铜线和以前提出的碰撞预警系统(13,34- - - - - -36]。在以前提出的碰撞预警系统,尤其是VCWS,领先的车辆的确切位置和描述其操作的详细信息(例如,加速度和速度)是必需的。这些需求需要一个高度可靠的通讯系统和高市场普及率各种车载传感器和通讯设备(13,34- - - - - -36]。然而,在该标准铜线,信息描述周围的车辆聚集在一个代表性的形式,如图3。收集的数据来自每一段路都是被视为主要的车辆信息用于方程(1)- (3)为每个主题车辆和计算如下: 在哪里是领先的车辆在道路段的速度j总共包含样本车辆时t,的速度吗我车辆在道路段j在时间t,加速度是领先的汽车道路段j总共包含样本车辆时t,加速度的吗我车辆在道路段j在时间t,是领先的车辆在道路段的空间进展吗j总共包含样本车辆时t,的空间进展吗我车辆在道路段j在时间t。

如方程所示4)- (6),标准铜线不需要任何个人驾驶信息从周围车辆或高市场普及率提供路况信息,VCWS所需的。相反,该标准铜线计算碰撞风险基于平均数据和估计在每个路段交通状况。这种方法与之前的研究有密切关系,声称交通状态和变化是密切相关的碰撞风险和事故频率(37,38]。相比其他碰撞预警系统,如VCWS ADAS,分别需要一个市场普及率和安装成本高,标准铜线可以有效地应用于实践,因为酸的成本远低于ADAS的安装成本。

3所示。案例研究

3.1。基准模型

评估提议的标准铜线,其性能比其他三个碰撞预警系统,卫生工作者,ICWS VCWS。VCWS使用信息从车载传感器的车辆和周围的车辆通过V2V交流。卫生工作者使用的信息基础设施和车载传感器。从道路基础设施ICWS只使用数据。

VCWS是最先进的碰撞预警方法,因此可以计算最准确的碰撞风险假设下的主题和主要车辆之间可以共享所有信息描述的主要车辆通过小说与相邻车辆V2V通信技术(27]。因此,它被认为是理想的系统。碰撞的风险使用VCWS计算方程(1)- (3)。

卫生工作者提出了为改善碰撞预警系统通过提供更高的稳定性比碰撞预警系统完全基于车载传感器当VCWS之前技术实现有足够的市场普及率。主体的卫生工作者估计周围的交通状况,跟这个估计数据与车载传感器数据来计算碰撞风险(27]。卫生工作者提取代表值描述路段上的交通状况使用宏观交通变量如密度、流量、和速度探测器收集到的循环,而不是使用微观驾驶数据在标准铜线。每个路段的代表值和相关的碰撞风险在卫生工作者使用以下公式计算: 在哪里是主题车辆减速的要求,主体车辆的速度在时间吗t,是主体车辆的加速度估计基于基础设施数据,是主体车辆的速度估计基于基础设施数据,的最大主体车辆制动性能,主题的最大变化是车辆加速度,主体车辆的碰撞风险在时间吗t,平均速度检测器我在30年代,在探测器的平均间距是吗我在30年代,领先的车辆的加速度在时间吗t。

ICWS是碰撞预警系统完全基于宏观道路传感器等回路探测器收集的信息(27]。ICWS的碰撞风险计算使用以下方程: 在哪里基础设施部分所需的减速吗我,基础设施部分的估计加速度吗我,是代表最大的制动性能,适用于所有车辆,的代表值最大加速度的变化,然后呢基础设施部分碰撞的风险我在30年代开始时间t。

3.2。评价方法

评估不同的碰撞预警系统,计算使用的碰撞风险VCWS和标准铜线,卫生工作者和ICWS。在计算碰撞风险,最大减速速率−3.96 m / s²(−13英尺/秒²)认为,提取的累积分布的前1%宣布在研究网站以及代表司机的最大许用值参照以前的工作(28]。其他必要的微观信息描述车辆运动,如位置、速度、空间的进展,和加速度,以及宏观信息(如流量、密度和速度)直接从下一代模拟(NGSIM)轨迹数据收集在美国高速公路- 101在加州,美国,07年之间:50点,08年:2005年6月15日上午35 (39]。V2V和V2I通信延迟设置为0.1和数据处理时间设置为0.1年代(40]。

提出的性能标准铜线通过计算碰撞风险是基于平均收集的数据从道路车辆由RSU和微观主体车辆的数据使用方程(1)- (6)。ICWS的性能是通过计算碰撞风险仅基于宏观数据从道路检测系统获得使用方程(12)- (15)。卫生工作者的性能是通过计算碰撞风险基于宏观数据基础设施和微观主体车辆的数据使用方程(7)- (11)。VCWS的性能是通过计算碰撞风险仅基于微观数据从邻近的车辆和车辆使用方程(主题1)- (3)。表1提供了详细的数据来源和聚合ICWS的水平,卫生工作者,标准铜线,VCWS。

评估提议的性能标准铜线,碰撞风险估计的四个系统相比,在两个层面:聚集和分散程度水平。在聚合水平分析,平均碰撞风险由四个系统是在30年代相比的。碰撞预警系统的性能在这个层次上反映了他们作为一个宏观道路是否适合应用程序控制系统,如设置可变限速,可变信息标志,道路部分和碰撞警告与多个链接。解集水平分析、碰撞风险的四个系统在0.1秒的间隔,策划和均方根误差(RMSE) ICWS,卫生工作者,假设下计算标准铜线VCWS以100%的市场渗透率产生最理想碰撞风险的估计。

4所示。实验结果

4.1。比较碰撞预警系统

图4显示了VCWS RMSE值的比较和ICWS, VCWS和卫生工作者和VCWS标准铜线为三种不同的情况下,假设的结果VCWS是理想的值。它可以观察到,在其他碰撞预警系统,提供最相似的标准铜线VCWS性能:标准铜线的RMSE低于ICWS和卫生工作者。的平均RMSE值标准铜线相比,0.27的VCWS可能最初似乎太大接受前者代替后者。然而,两个系统的结果的差异可以归因于不同的高峰值的绝对数量VCWS标准铜线,如以下所示的结果。当两个系统的预警阈值调整,这种差异可能会降低,潜在的标准铜线代替VCWS可能是更大的市场普及率VCWS很低。

图5显示了计算碰撞风险的两个例子在四个不同的聚合级别的碰撞预警系统。在这两个例子,ICWS和卫生工作者低估了碰撞风险比标准铜线和VCWS因为他们平均速度,加速度,车辆之间的距离。的预警时间,后来ICWS偶尔会产生一个警告信号比其他碰撞预警系统。这晚警告可能是由于固有的系统延迟ICWS由于预处理的大数据集和数据采集过程。这延迟警告信号可能是关键的晚期信号可能无法防止事故,降低碰撞预警系统的可靠性。

ICWS和卫生工作者相比,碰撞风险估计的标准铜线VCWS估计的显示类似的趋势:低的山峰和高峰估计碰撞风险几乎发生在同一时间。类似的时机和幅度估计碰撞风险表明标准铜线有可能被用来代替VCWS只需替换实际领导车辆的信息从车辆的平均数据采样的道路上。此外,标准铜线可以检测危险的情况下提前VCWS在某些情况下。一个可能的原因是该地区在标准铜线可以收集数据的收集范围大于VCWS。产生一个领先的车辆,车辆之间的碰撞风险,VCWS只考虑从领先的汽车运动数据,所以只有VCWS迫在眉睫的风险识别。然而,标准铜线使用收集的数据来自多个车辆在同一路段旅行,让它产生的估计即将碰撞引起下游基于总体数据和风险应对即将到来的速度比VCWS碰撞风险。

图6显示了一个解集水平比较的碰撞风险估计的四个不同的碰撞预警系统对车辆的例子。注意ICWS显示了碰撞风险在一个常数值的一块0.1秒时间间隔,仅提供碰撞警告使用30年代平均数据。因此,ICWS产生碰撞风险对整个公路段,不是为了个人的司机。然而,标准铜线、VCWS和卫生工作者提供个人车辆碰撞风险和所有通常显示趋势非常相似,除了在几个点在图6(一)。的值的差异碰撞风险估计的标准铜线和卫生工作者是由于不同估计速度的主要工具,如图6 (c),标准铜线生产主要车辆速度有点类似于由VCWS决定。标准铜线之间的差异和VCWS如图6碰撞造成的轻微低估风险使用标准铜线由于更高的估计速度的主要交通工具。然而,总的来说,标准铜线VCWS显示了一个类似的性能,尤其是当领先的汽车展览驾驶行为与周围的交通状况。

5。验证标准铜线的适用性

拟议的标准铜线是基于车辆的聚集数据从奥在路上,所以该系统的准确性将根据不同的市场渗透率相差很大。应用标准铜线在实践中,市场普及率的影响碰撞预警精度必须理解。图7显示了这一分析的结果。在所有情况下,标准铜线的RMSE减少随着市场普及率的增加,但减少的速度是不同的根据市场普及率。当市场普及率不到30%,RMSE显著降低,更大的市场普及率;当市场普及率超过40%,下降的速率的RMSE慢,与更大的普及率接近常数。这些结果表明,在实际应用中,该标准铜线可以有效地实现约30%的市场渗透率。换句话说,大约30%的市场渗透率的车辆下文称,拟议中的标准铜线可以提供类似的性能VCWS拥有100%的市场渗透率。

拟议的标准铜线依赖于边缘计算在RSU下文中收集和分发数据。这个系统有巨大的潜力数据共享,但也可能限制应用程序作为碰撞预警系统可能由于数据传输所需的时间延迟。来演示这个限制的影响的实际应用提出了标准铜线,延时的精度的影响分析了标准铜线如图8。平均之间的RMSE VCWS和标准铜线略增加随着时间延迟的增加从0.2到2年代。然而,这种增加RMSE VCWS和标准铜线之间在所有情况下都是无关紧要的。这个结果相应的显示标准铜线是健壮的时间延迟的问题。

6。结论

在本文中,我们提出了一个截面信息化碰撞预警系统(标准铜线),从领先的车辆不需要精确的信息(例如,确切位置),但计算碰撞风险仅基于截面数据从一个路边单元(RSU)收集使用vehicle-to-infrastructure (V2I)通信。标准铜线计算碰撞风险基于deceleration-based安全代理措施(DSSM),两辆车之间的碰撞风险的测量,和问题碰撞警告信号时碰撞风险的估计价值高于阈值。与之前提出的碰撞预警系统,主体车辆必须直接与周边车辆、通信标准铜线上传信息描述主体车辆的操作(例如,速度,加速度,和制动性能)RSU和下载每个路段的代表值通过V2I沟通。标准铜线背后的主要概念是,下载数据,代表周围的交通状况,间接代表了地位的主要车辆基于假设的碰撞风险主体车辆的平均运动影响周围的车辆和道路的交通状态。

为了演示其功能,本文比较了标准铜线的性能与其他三个系统,即轨道碰撞预警系统(ICWS),混合碰撞预警系统(卫生工作者)和基于vehicle-to-vehicle通信碰撞预警系统(VCWS)。比较的结果表明,标准铜线生产类似的趋势VCWS(假设市场普及率为100%),标准铜线有时问题警告信号的司机比VCWS聚合的水平。早期预警信号发布的标准铜线是通过使用更大区域的聚集数据,因为数据从RSU下载包含间接描述下游道路交通状况的信息。在解集水平,标准铜线还显示了一个类似的趋势VCWS最多点。观察到的区别标准铜线和VCWS可能稍高造成的车辆速度估计的标准铜线。

此外,为了演示该标准铜线的实际应用,市场普及率和时间延迟的影响在均方根误差比VCWS对三个案例进行了分析。结果表明,提出的碰撞风险估计的标准铜线拥有30%的市场渗透率类似于碰撞风险估计的VCWS拥有100%的市场渗透率。这表明该标准铜线可以克服当前的局限性connected-vehicle (CV)技术要求高的市场普及率为了产生准确的预警信号(41]。事实上,通过应用该标准铜线当前CVs,似乎可以解决系统性能下降的问题在早期阶段的简历技术介绍。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从NGSIM在以下网页:https://ops.fhwa.dot.gov/trafficanalysistools/ngsim.html。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。

确认

这项研究受到了土地、基础设施和运输(MOLIT、韩国)和自动连接公共交通创新国家研发项目(批准号20 tlrp-b146733-03)。

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