基于VANET环境高速公路车辆换道安全车距研究*1

姜　华，林加华（楚雄师范学院，云南 楚雄 675000）

基于VANET环境高速公路车辆换道安全车距研究*1

姜华，林加华
（楚雄师范学院，云南 楚雄 675000）

高速公路具有车速快、车辆多的特点，由于车辆换道发生追尾的交通事故，造成的经济损失较为惨重。本文基于VANET环境，在典型的换道场景中，利用V2V通信的技术，根据汽车动力学原理，通过对换道的4个阶段的分析研究，提出了车辆从本车道变换到目标车道，与目标车道的前车应保持的换道安全车距模型，最后在NCTUNS网络仿真软件下建立了仿真实验环境。实验结果表明，换道安全车距模型是正确的，具有较好的实用性，可为汽车自动驾驶、辅助驾驶或预警系统的应用奠定基础。

VANET；高速公路；车辆换道；换道安全车距

引言

车辆行驶在高速公路上，换道超车是常见的驾驶行为。驾驶人员通过对周围车辆的距离和车速做预估和判断，调整和完成驾驶操作，如果预估失误和判断错误，就会有发生碰撞的危险。据统计，由于换道引起的交通事故约占到总交通事故的4%～10%，比例虽不高，但造成的交通延误约占总交通事故所引起延误时间的10%［1］，给社会造成了巨大的经济损失。车载自组网 （Vehicular Ad Hoc Network，VANET）是一种专为解决运动中车辆间进行通信而设计的自组织网络，VANET主要是通过实现车辆与车辆之间通信 （V2V）、车辆与道路旁基础设施之间的相互实时通信（V2I）以及V2V与V2I相结合的通信体系，并利用这些通信方式来改善道路交通的安全，构成一种适用于交通通信环境下的无线移动网络。

本文利用V2V通信的技术，根据汽车动力学原理，研究汽车在换道过程中，与目标车道的前车应保持的最小换道安全车距。

1.换道场景

本文利用王军雷［2］所提出的典型超车环境模型，如图1所示。图中M为本车，F和B为目标车道的前车和后车，L为本车道的前车。M车以某一特定的加速度从当前车道变道至目标车道。场景中的车辆在车头的正前方安装有速度、加速度传感器、GPS和无线信息收发装置，在一定范围内的车辆组成自组织的车载网络 （VANET），网络中的车辆周期地广播自车的自身属性参数（包括车辆尺寸、最大加速度和最大减速度）和实时运动参数 （包括速度、位置、加速度等）的分组消息。车辆在换道过程中，根据收到周围车的分组判断是否处于安全车距离之内，通过判断结果，可为驾驶人员下一步行为提供决策参考。

本文研究在实施换道过程中为避免与目标车道的前车F发生碰撞，M车必须与F车保持的安全距离，为便于开展研究，假设M车与L车、B车有足够的距离保证换道过程中M车不会与其发生碰撞，除M和F车外，其他车辆纵向和横向加速度均设为0。

2.换道安全车距模型

2.1换道安全车距的定义

在换道过程中的任意时刻t，设D（t）为M与F车的纵向距离，VM（t）、VF（t）、aM（t）和aF（t）分别为M和F的速度和加速度。为避免前车F在突发情况下紧急制动而发生追尾事故，M车必须与F车保持一定的安全距离，这一距离称为M车的换道安全车距，记为Ds。

2.2换道安全距离的确定

当M车发现前车F紧急制动时，根据汽车动力学原理，M车的制动包括驾驶人的反应、制动协调、减速度增长和持续制动4个阶段［3］，记ti和Di分别为各阶段所持续的时间和M车行驶的距离，DF为F车从制动开始到停车行驶过的距离。若M与F两车不发生追尾，M和F车的最小安全距离为Ds=D1+D2+D3+D4-DF+△d。M车的制动4阶段速度-时间关系如图2。

图2　M车的制动速度-时间关系

在t1时刻，VM（t）=VM（t）+aM（t）t1=VM（t）+1.2aM（t），

在第2阶段，汽车各部分处于制动协调状态，可将M车近似看成匀速状态，经研究，99%的车的制动协调时间t2=0.2S［5］，有

D2=VM（t）t2=0.2VM（t）+0.24aM（t），

其中，aF为F车的最大减速度。

同理，F车从制动到静止为止，所行驶的距离为

在上式中，将小于等于取为等于，即为换道过程中M车与F车应保持的最小换道安全距离。可见，在换道过程的任意时刻t，两车间的换道安全距离主要由两车的速度、加速度和最大减速度决定的。

3.模型仿真

为了验证本模型的正确性和实用性，在NCTUNS中，建立了3辆配备有车载单元的汽车行驶1000M的高速公路上的VANET模拟环境 （如图3），其中2号车为准备换道车辆，4号车为目标车道上的前车，4号车前方有障碍物。另外，为CarAgent提供了5种与高速公路行驶相匹配的配置文件，在CarAgent模块中加入换道安全距离检测功能。以此来检验模型的正确性。

通过对大量、反复的实验得到的实验结果分析，只要2号车在指定时间与目标车道的4号车的距离大于或等于最小换道安全距离，2号车即可换道，即使在4号车遇到前方的障碍紧急制动之后，2号车都能在距离4号车大于5m的后方停下来，因此，本文提出的换道安全距离模型是正确的。同时，换道安全距离的判断是基于车的速度、加速度与最大减速度等参数，而这些参数，本车都可通过VANET广播的分组中实时获取，因此本文提出的换道安全距离模型是可行的。

图3　实验仿真环境

4.结语

在高速公路，换道引发的交通事故比重虽然不大，但经济损失比较惨重。本文基于VANET高速公路环境，利用汽车动力学原理和前人研究的成果，提出了换道最小安全距离模型。通过NCTUNS中的仿真实验分析，表明了该模型的正确性和实用性。该模型可作为汽车自动驾驶、辅助驾驶或预警系统的应用提供理论依据。

［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］王军雷，李百川，应世杰，巩航军；车道变换碰撞预警分析及最小纵向安全距离模型的研究［J］.人类工效学，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.高速公路追尾碰撞预防报警系统·开发研究及其主控程序设计 ［D］.长安大学；2000.

［6］李百川.道路交通事故预防心理学［M］.西安：西安交通大学出版社，1998.

（责任编辑刘洪基）

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

高速公路环境VANET车辆变道碰撞预警消息广播协议研究，项目编号：11YJRC06。

2015-12-18

姜华 （1978—），男，讲师，硕士，主要从事无线网络研究。