王玉全 胡小平

北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院自動(dòng)化系，北京市 100144

交通沖突技術(shù)檢測(cè)與判定研究現(xiàn)狀綜述

王玉全 胡小平

北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院自動(dòng)化系，北京市 100144

分析交通沖突技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，從交通沖突技術(shù)的概念出發(fā)，分別闡述傳統(tǒng)交通沖突技術(shù)觀測(cè)方法、沖突判定規(guī)則及在道路交通安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，總結(jié)傳統(tǒng)的沖突觀測(cè)方法和沖突判定規(guī)則的局限性，并將其與基于視頻處理技術(shù)的交通沖突技術(shù)研究進(jìn)行比較，分析基于視頻的沖突技術(shù)研究的可行性，最后為交叉口交通沖突技術(shù)的發(fā)展提出一些淺見(jiàn)。

交通沖突技術(shù)；視頻處理；道路交通安全評(píng)價(jià)

引言

道路交通安全評(píng)價(jià)是道路交通安全研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的交通安全評(píng)價(jià)方法依賴交通事故的統(tǒng)計(jì)，由于交通事故統(tǒng)計(jì)的不完善，直接影響了交通安全評(píng)價(jià)的可信度水平。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者的研究[1,2]已表明：事故與沖突雖然有差異，但是他們具有線性特征且呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，也就是說(shuō)沖突對(duì)事故具有可替換性。因此，交通沖突技術(shù)作為一種非事故統(tǒng)計(jì)的交通安全間接評(píng)價(jià)方法，擁有著大樣本、快速、定量研究的特點(diǎn)，備受大家的關(guān)注。

交通沖突技術(shù)不但起步較晚，發(fā)展也十分緩慢，總結(jié)國(guó)內(nèi)外交通沖突的現(xiàn)狀，突出的問(wèn)題是交通沖突識(shí)別與判定的方法遇到了瓶頸。沖突的發(fā)生也是轉(zhuǎn)瞬即逝的過(guò)程，不易捕捉[3]；對(duì)交叉口交通沖突對(duì)象的研究，已深入到不同的交通行為者之間，觀測(cè)更加困難[4,5]。

因此，創(chuàng)造一種便捷，迅速，準(zhǔn)確，高效的交通沖突識(shí)別手段，進(jìn)而研究一種與之相應(yīng)的交通沖突判定方法，將成為交通沖突技術(shù)研究的重點(diǎn)。

1 交通沖突的概念

1997年我國(guó)學(xué)者對(duì)交通沖突的第一次定義[6]：在道路交通安全評(píng)價(jià)中，交通沖突是在可觀測(cè)條件下，兩個(gè)或兩個(gè)以上道路使用者在同一時(shí)間，空間上相互接近，如果其中一方采取非正常交通行為，如轉(zhuǎn)換方向、改變車速、突然停車、交通違章等，除非另一方也相應(yīng)采取避險(xiǎn)行為，否則，會(huì)處于碰撞的境地，這一現(xiàn)象就是交通沖突。因此，交通沖突與交通事故有著相同的開(kāi)始與過(guò)程，區(qū)別在于是否造成損害性結(jié)果。

2 傳統(tǒng)的交通沖突觀測(cè)方法

傳統(tǒng)沖突觀測(cè)法主要包括人工現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)法和錄像觀測(cè)法兩種[7]。

2.1 人工現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

人工現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)要求對(duì)觀測(cè)人員進(jìn)行專業(yè)的培訓(xùn)，以提高記錄可靠性。美國(guó)聯(lián)邦交通部出版的《交通沖突技術(shù)安全運(yùn)行用戶手冊(cè)》[8]中按照人工現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的特點(diǎn)將交叉口交通沖突劃分為14種沖突類型。

并描述了交叉口交通沖突發(fā)生的4個(gè)階段：

第一階段，第一車輛首先發(fā)生行為；比如，從橫向車道駛出。

第二階段，第二車輛由此處于可能碰撞的危險(xiǎn)境地。

第三階段，第二車輛的駕駛?cè)藛T采取剎車或者改換車道等反應(yīng)行為。

第四階段，第二車輛繼續(xù)行駛安全通過(guò)相互作用區(qū)域。

規(guī)定人工觀測(cè)到上述4個(gè)階段發(fā)生時(shí)，記錄一次交通沖突。該觀測(cè)方法受到現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)條件的限制，以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)員較高的素質(zhì)要求，很難控制觀測(cè)準(zhǔn)確度；此外由于觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)的要求，造成人力成本過(guò)高。

2.2 錄像觀測(cè)法

錄像觀測(cè)法是指對(duì)觀測(cè)路口進(jìn)行錄像后，分析人員對(duì)錄像資料進(jìn)行反復(fù)觀看，并通過(guò)與同組人員的討論對(duì)沖突發(fā)生、沖突嚴(yán)重性進(jìn)行確定[9]。該方法解決了人工現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)對(duì)環(huán)境和觀測(cè)人員的嚴(yán)格要求，但并沒(méi)有從根本上解決沖突觀測(cè)數(shù)據(jù)精度和觀測(cè)效率。因此，傳統(tǒng)的沖突觀測(cè)方法限制了交通沖突技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。

2.3 基于視頻的交通沖突數(shù)據(jù)采集

鑒于傳統(tǒng)觀測(cè)方式的局限性，隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)圖像處理技術(shù)大量應(yīng)用于交通數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控中，通過(guò)視頻采集數(shù)據(jù)來(lái)檢測(cè)交通沖突的方法，逐漸受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

2004年S. Atev和O. Masoud等采用多個(gè)攝像機(jī)視頻序列圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，更好地展示目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征和車輛之間的相互作用[10]。2005年Messelodi和Modena提出交叉口車輛碰撞概率的計(jì)算方法，該方法也是基于視頻自動(dòng)采集的大量微觀交通數(shù)據(jù)[11]。2008年張方方等對(duì)視頻數(shù)據(jù)信息中進(jìn)行處理提取沖突車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度等微觀交通參數(shù)，實(shí)現(xiàn)交通沖突微觀參數(shù)采集，根據(jù)車輛的軌跡、速度和加速度曲線對(duì)車輛的運(yùn)行特征做出分析，初步實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單交通條件下機(jī)動(dòng)車交通沖突視頻自動(dòng)檢測(cè)[12]。

總的來(lái)說(shuō)，各國(guó)學(xué)者對(duì)視頻檢測(cè)車輛的研究也為交通沖突自檢測(cè)提供了可發(fā)展的平臺(tái)[13,14,15]，因此，視頻數(shù)據(jù)采集取代人工觀測(cè)趨勢(shì)明顯。

3 交通沖突判定規(guī)則

3.1 交通沖突嚴(yán)重程度劃分

有學(xué)者研究表明[16]：事故與沖突的關(guān)系可用沖突的嚴(yán)重性程度進(jìn)行描述。根據(jù)交通危險(xiǎn)事件的嚴(yán)重性又可具體分為無(wú)干擾通過(guò)、非嚴(yán)重沖突、嚴(yán)重沖突和事故，其數(shù)量關(guān)系呈塔形分布，如下圖1。

圖1 車輛之間交通事件塔形分布圖

傳統(tǒng)的非嚴(yán)重沖突和嚴(yán)重沖突主要按其特征描述進(jìn)行劃分[17]：當(dāng)交通行為者遇到其他交通行為者的逼近，需要采取避險(xiǎn)行為才能避免事故的發(fā)生時(shí)，非嚴(yán)重沖突的主要特征是，交通行為者感知到一定的壓力，存在較為充分的時(shí)間進(jìn)行預(yù)判，嚴(yán)重沖突的主要特征是，交通行為者感知到相當(dāng)大的心理壓力，必須采取迅速有效的緊急避險(xiǎn)行為，動(dòng)作劇烈，預(yù)判時(shí)間緊迫。

道路安全評(píng)價(jià)的研究在于確定嚴(yán)重沖突與事故的定量關(guān)系，交通沖突研究的關(guān)鍵在于判定是否為嚴(yán)重沖突。由于沒(méi)有硬件技術(shù)的支持，人工觀測(cè)沖突依據(jù)汽車制動(dòng)燈的顯示判斷，對(duì)嚴(yán)重程度的區(qū)分存在很大的主觀性。這也是傳統(tǒng)觀測(cè)限制交通沖突技術(shù)發(fā)展的重要原因之一。

3.2 交通沖突判定規(guī)則

圖2 汽車制動(dòng)過(guò)程

如今的交通沖突判定規(guī)則主要基于汽車制動(dòng)的距離、速度、時(shí)間來(lái)制定[18,19]，但是由于傳統(tǒng)沖突觀測(cè)條件限制導(dǎo)致判別時(shí)常用其中一項(xiàng)參數(shù)作為判別標(biāo)準(zhǔn)。

上圖2為汽車制動(dòng)過(guò)程圖解。

t1——制動(dòng)力操作反應(yīng)的時(shí)間；

t3——制動(dòng)力增長(zhǎng)時(shí)間；

t4——制動(dòng)力達(dá)到最大值后的持續(xù)制動(dòng)時(shí)間。

其中，t1內(nèi)汽車駛過(guò)的距離為：

S1=vtt1

t2內(nèi)汽車駛過(guò)的距離為：

t3內(nèi)汽車駛過(guò)的距離為：

其中ja是汽車制動(dòng)的最大加速度，vt是汽車制動(dòng)前的瞬時(shí)速度。而沖突觀測(cè)只能在制動(dòng)力產(chǎn)生作用時(shí)進(jìn)行，因此，沖突判定下汽車制動(dòng)距離為：

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB7258-87，車輛制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力增長(zhǎng)時(shí)間t及最大制動(dòng)減速度，由車輛的制動(dòng)過(guò)程可以得到?jīng)_突發(fā)生時(shí)車輛速度分別與最大制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間之間的關(guān)系如下表所示：

表1 不同質(zhì)量下車輛制動(dòng)時(shí)長(zhǎng)及最大制動(dòng)減速度的關(guān)系

表2 不同質(zhì)量下車輛速度與制動(dòng)距離及最大制動(dòng)時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系

因此通過(guò)設(shè)定各種車輛不同速度下最大制動(dòng)距離S來(lái)判斷沖突的發(fā)生。若觀測(cè)到車輛有異常行為時(shí)，車輛間的距離大于最大，則認(rèn)為是非嚴(yán)重沖突，若車輛間的距離小于臨界距離則認(rèn)為是嚴(yán)重沖突。以最大制動(dòng)距離S作為判別沖突的方法稱為空間距離法。

由車輛的制動(dòng)過(guò)程，同樣可以得到各種車輛在不同速度下距離發(fā)生事故點(diǎn)的所需要的最大制動(dòng)時(shí)間T。若這個(gè)時(shí)間小于最大制動(dòng)時(shí)間T，則視為發(fā)生嚴(yán)重沖突，美國(guó)公路研究所提出嚴(yán)重沖突臨界值為1s，瑞典是1.5s。

上述兩種方法缺點(diǎn)是對(duì)于交叉口轉(zhuǎn)彎過(guò)程中車輛沖突的識(shí)別不夠完善。

能量判別法[20]，該方法將車輛轉(zhuǎn)化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，根據(jù)物理學(xué)中能量守恒定律理論，以通過(guò)計(jì)算沖突質(zhì)點(diǎn)采取避險(xiǎn)行為時(shí)所產(chǎn)生的碰撞能量的大小來(lái)衡量沖突。

該方法引用汽車碰撞理論——一起碰撞事故的能量消耗越大，事故的嚴(yán)重危險(xiǎn)性（ROC）也越大，對(duì)交通沖突的ROC進(jìn)行分析。定義衡量沖突危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)，沖突能量：沖突車輛在采取避險(xiǎn)行為生效的瞬間所具有的破壞性動(dòng)能，用E表示。

對(duì)應(yīng)不同類型沖突的沖突能量可用下列公式表示：

（1） 正向沖突和追尾沖突：

式中：

E——沖突能量（N·m）

M——沖突車輛的質(zhì)量（kg）

CS——沖突速度（m·s-1）

θ——沖突角（度）

沖突車輛在采取避險(xiǎn)行為后，以最大減速度行進(jìn)直到相撞點(diǎn)，并且車輛在此過(guò)程中能量全部損失，即等于路面摩擦力所消耗的能量，這種損失的能量被定義為沖突損耗，其計(jì)算公式為：

由沖突能量和沖突損耗可以定義碰撞能量（TED），即沖突車輛在到達(dá)相撞點(diǎn)時(shí)所具有的破壞性能量。那么，根據(jù) TED 的大小就可判斷沖突的危險(xiǎn)性ROC，TED 越大，則沖突的危險(xiǎn)性越大。其計(jì)算公式為：

臨界沖突區(qū)域判別法，以目標(biāo)車輛為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，通過(guò)對(duì)車輛的行駛方向、角度及速度進(jìn)行分解，計(jì)算沖突對(duì)象之間沖突半徑，建立相應(yīng)的沖突臨界區(qū)域來(lái)判定交通沖突[21]。該判別模型突破了傳統(tǒng)以單一交通目標(biāo)為研究對(duì)象的局限性，綜合考慮出沖突對(duì)象雙方的行駛方向，速度，距離等指標(biāo)，完善了基于視頻的沖突判定規(guī)則。

由于沖突判定模型均需要獲取交通對(duì)象的速度、角度、位置等精確數(shù)值，對(duì)沖突檢測(cè)手段，設(shè)備精度要求很高，而以傳統(tǒng)的觀測(cè)手段以人工調(diào)查為主，很難達(dá)到?jīng)_突判定模型的觀測(cè)精度要求，從而降低了交通沖突調(diào)查的準(zhǔn)確程度。

3.3 基于視頻的交通沖突檢測(cè)與判定應(yīng)用

隨著視頻圖像處理技術(shù)的應(yīng)用，為交通沖突檢測(cè)與判定開(kāi)辟了另一種途徑。

表3 加速度與距離結(jié)合法沖突判定規(guī)則

加速度與距離結(jié)合法[22]，通過(guò)視頻技術(shù)對(duì)車輛進(jìn)行跟蹤，通過(guò)齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo)，以得到車輛的真實(shí)行駛位置；通過(guò)兩幀之間位置變化，得出車輛真實(shí)的行駛速度及加速度，最后對(duì)實(shí)際路口進(jìn)行分析分析，得出判定交通沖突的臨界值為a0為4m·s-2和臨界距離dv為10米，界定輕微沖突與嚴(yán)重沖突的臨界值為a1為2m·s-2。制訂了如下的判定規(guī)則。

軌跡預(yù)測(cè)法[23]，利用視頻技術(shù)，檢測(cè)交通對(duì)象并進(jìn)行跟蹤，獲取物體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)與類別的基礎(chǔ)上，記錄其時(shí)空運(yùn)動(dòng)軌跡；并引入GM(1,1)灰色模型實(shí)現(xiàn)對(duì)交通對(duì)象的軌跡預(yù)測(cè)，從而判斷在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)是否有與其他對(duì)象發(fā)生事故的可能，結(jié)合交通對(duì)象方向和速度的變化，判斷出沖突現(xiàn)象。

可以說(shuō)引入視頻圖像處理技術(shù)，使得學(xué)者能更加全面系統(tǒng)，定性定量的分析和制定交通沖突判定方法，給交通沖突的判定方法研究開(kāi)拓了新空間。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著城市發(fā)展的加快，城市道路更加從綜復(fù)雜，道路交叉口的安全評(píng)價(jià)日益重要，交通沖突技術(shù)作為道路安全評(píng)價(jià)的有效手段需要發(fā)揮更大的作用，因此，對(duì)交通沖突技術(shù)的理論和應(yīng)用研究有著重大的意義。

視頻處理技術(shù)的引入，將交通沖突技術(shù)的研究帶向了一個(gè)更廣闊的平臺(tái)，但是由于視頻處理技術(shù)的不成熟，還存在如下一些亟需解決的問(wèn)題。

1）觀測(cè)精度的要求。沖突的發(fā)生表現(xiàn)在交通行為者的行駛速度、行駛方向變化，嚴(yán)重程度體現(xiàn)在加速度、減速時(shí)間、轉(zhuǎn)向角度、沖突者之間距離等數(shù)據(jù)的變化?；谝曨l的交通沖突觀測(cè)需要更加全面的交通行為數(shù)據(jù)采集，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)精度直接影響著沖突判定的精度。

2）攝像機(jī)成角度拍攝導(dǎo)致精度下降。采集交通數(shù)據(jù)時(shí)，攝像機(jī)往往成一定角度進(jìn)行拍攝，由于二維視頻圖像較真實(shí)場(chǎng)景有所差異，因此，還原真實(shí)數(shù)據(jù)的方法有待解決。

3）觀測(cè)速度要求。基于視頻的交通沖突的優(yōu)勢(shì)之一在于實(shí)時(shí)性，由于交叉口交通行為者較多，因此亟需完善一種全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集手段。

4）制定基于視頻的交叉口交通沖突的判定規(guī)則。傳統(tǒng)的沖突判定有受到觀測(cè)手段的局限，僅僅依靠單一的參數(shù)進(jìn)行判定，對(duì)嚴(yán)重沖突判定的誤差較大?；谝曨l的交通沖突采集數(shù)據(jù)更加完善，因此制定一套綜合考慮交通行為者的交通狀態(tài)，且適合視頻采集數(shù)據(jù)的沖突判定規(guī)則，有著重要的意義。

5）沖突對(duì)象的判定。由于城市道路交叉口大多缺乏行人天橋或者通道，沖突發(fā)生往往由機(jī)動(dòng)車和機(jī)動(dòng)車以外的交通行為者造成，因此，基于視頻的交通沖突檢測(cè)在非機(jī)動(dòng)車與行人檢測(cè)方面有待研究。

圖3 軌跡法沖突判定規(guī)則

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Overview of the Research on Intersection Traffic Conflict Technique

Wang Yuquan，Hu Xiaoping
North China University of Technology，Beijing 100144

Research on the situation of traffic conflict technology，explanation of the basic concept of this technology，observation methods，discrimination rules of traffic conflict technology and intersection traffic conflict technique in the safety assessment application. Summary of the limitations about the traditional observation methods and discrimination rules of traffic conflict technology，a comparison between the video technology of traffic conflict and the tradition traffic conflict technology，analysis the feasibility of video-based technology of conflict，some view for developments on the intersection traffic conflict technology were put forward in the last.

traffic conflict technique；video processing；crossing traffic safety assessment

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）交通樞紐綜合感知與智能管控平臺(tái)（2012AA112401）；科研基地-科技創(chuàng)新平臺(tái)-城市混合交通信號(hào)控制系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)（PXM2012_014212_000001）

10.3969/j.issn.1001-8972.2013.07.065

王玉全(1984-).女，工學(xué)博士研究生，講師，研究領(lǐng)域?yàn)椋褐悄芙煌ǎ?/p>

胡小平(1986-).男，工學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)椋褐悄芙煌ā?/p>