張偉朋，楊志強(qiáng)，賀凱盈

(長安大學(xué)測繪與空間信息研究所，陜西 西安710064)

一、引 言

當(dāng)今科技發(fā)展迅速，行車安全問題很突出，近兩年無人駕駛技術(shù)被廣泛關(guān)注，但是由于安全、法則等種種原因使之不能很好地被推廣。由于很多地區(qū)道路設(shè)計(jì)受到惡劣地形條件的限制，道路環(huán)境很差，很多都達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，甚至成為所謂的死亡路段。研究行車安全預(yù)警對駕駛員的行車安全及無人自動駕駛系統(tǒng)都有很現(xiàn)實(shí)的意義。

二、行駛車速作為預(yù)警研究參數(shù)的確定

車速是車輛在公路上行駛時(shí)對道路線形最直觀的反映，是道路線形和駕駛員主觀期望共同作用的結(jié)果，也可以說是交通環(huán)境和駕駛員主觀心理等各種因素的綜合產(chǎn)物。在公路線形設(shè)計(jì)階段和運(yùn)營階段，車速都扮演著重要角色，是聯(lián)系兩個(gè)階段的橋梁［2］。由于線形條件對行駛車輛最直接的影響表現(xiàn)在實(shí)際車速上，因而用行駛車速作為道路線形安全預(yù)警研究指標(biāo)具有一定的可靠性。另外，在車輛行駛時(shí)，通過受力分析來確定車輛在道路上的穩(wěn)定狀態(tài)都是離不開車速所產(chǎn)生的影響，這就使得行駛車速作為預(yù)警參數(shù)更加肯定。

1．平曲線段車輛橫向穩(wěn)定性約束條件

車輛在公路平曲線段行駛時(shí)，橫向穩(wěn)定性問題主要是橫向滑移和橫向傾覆。由于現(xiàn)代汽車在設(shè)計(jì)時(shí)一般輪距較寬、重心較低，車輛在曲線上行駛時(shí)，在發(fā)生橫向傾覆之前先產(chǎn)生橫向滑移現(xiàn)象。在通常情況下，只要滿足橫向滑移穩(wěn)定條件，傾覆穩(wěn)定條件也能滿足，除非車體很高而輪距較小，離心力所產(chǎn)生的橫向力矩達(dá)到傾覆力矩。為了保證平曲線段車輛穩(wěn)定性，只需將車轉(zhuǎn)彎時(shí)抗滑移穩(wěn)定性條件得出的安全速度臨界值作為車輛橫向穩(wěn)定性約束條件［3］。

平曲線段，由于離心力的存在，車輛的受力情況比較復(fù)雜(如圖1所示)，可得超高方向上保持車輛橫向穩(wěn)定性的約束條件為

式中，fH、θ、R、m、g分別為路面橫向摩擦系數(shù)、橫向傾角(超高坡度)、平曲線半徑、汽車質(zhì)量和重力加速度;符號分別對應(yīng)正常超高與反超高兩種情況。

圖1 汽車在曲線上行駛所產(chǎn)生的橫向作用力

根據(jù)式(1)，可得到下式

式中，υ是以m/s作為單位的，將其化為以km/h作為單位，則上式化為

式(3)等號表示半徑R、超高橫坡坡度ic、路面橫向摩擦系數(shù)fH與臨界側(cè)滑速度υ的關(guān)系。

2．路面摩擦系數(shù)的確定

溫度和濕度的變化是使路面狀態(tài)及摩擦性能發(fā)生明顯變化的因素。受雨雪霧天氣及貨車制動灑水影響時(shí)，道路表面可能產(chǎn)生水、雪、冰等覆蓋物，形成潮濕、積水、積雪、結(jié)冰等不同的路面狀態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)調(diào)查與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，可將路面狀況分為6種類型，其路面摩擦系數(shù)的確定方法見表1，縱向摩擦系數(shù)取fL=(0．7－0．8)f，橫向摩擦系數(shù)取fH=(0．6－0．7)f［4］。

表1 不同路面狀況下路面摩擦系數(shù)的確定

3．汽車速度約束條件確定

圖1為汽車在曲線上行駛所產(chǎn)生的橫向作用力，橫向力Y為

通常α角很小，因此cosα≈1，sinα=tanα=io

式中，“+”表示路拱雙坡外側(cè);“—”表示路拱雙坡內(nèi)側(cè);α為路拱橫坡坡角，一般很小;io為路面橫坡坡度;C為離心力，其計(jì)算公式為

因此

因此

由上式可知，R、v值不取決于Y的絕對值，而取決于Y/Ga，即取決于單位重量的相對橫向力值。取μ=Y/Ga稱為橫向力系數(shù)，帶入式(8)，得

在道路上行駛的汽車，當(dāng)其位于一段曲線上的某一個(gè)點(diǎn)時(shí)，其超高橫坡度、曲線的半徑是確定的，根據(jù)u值與乘車人感覺及耗油，μ值取0．15，此處υ是以m/s作為單位的，將其化為V以km/h作為單位，則式(10)變形得汽車的極限行車速度為

式中，R為曲線半徑，單位m;μ為橫向力系數(shù);io為超高橫坡度。

三、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是希望在車輛行駛過程中，首先要將道路劃分成不同的線形類型。在駕駛員的角度，根據(jù)道路的線形設(shè)計(jì)以實(shí)際速度為依據(jù)，與根據(jù)道路各項(xiàng)參數(shù)所確定的危險(xiǎn)速度做比較，對駕駛員進(jìn)行實(shí)時(shí)提醒警告，以便使其安全行駛。其總體設(shè)計(jì)過程如圖2所示。

導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要有GPS導(dǎo)航技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、軌跡推算技術(shù)定位等。數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)庫建立主要依賴于成熟的GIS技術(shù)。目前主要的GIS產(chǎn)品均提供GPS接受功能，可直接通過GPS設(shè)備獲取坐標(biāo)信息并顯示在地圖上，并具有數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理、地圖投影、數(shù)據(jù)發(fā)布的能力［6］。

系統(tǒng)先通過GPS導(dǎo)航系統(tǒng)將車輛當(dāng)前所在的位置，然后通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將GPS采集的坐標(biāo)與道路坐標(biāo)相統(tǒng)一。在GIS系統(tǒng)中匹配所在道路的線形信息，從而確定道路在此處的參數(shù)(數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得)，然后根據(jù)GPS測得的速度進(jìn)行行車安全分析。當(dāng)發(fā)現(xiàn)可能接下來會發(fā)生危險(xiǎn)，馬上報(bào)警，并提醒駕駛員(或者車輛自動駕駛系統(tǒng))應(yīng)該怎么操作［7］。

四、行車安全分析系統(tǒng)具體內(nèi)容

此處的設(shè)計(jì)是將當(dāng)前實(shí)測速度與根據(jù)道路參數(shù)等計(jì)算的最大側(cè)滑速度與道路設(shè)計(jì)中的考慮駕駛員心理的速度進(jìn)行比較，從而做出預(yù)警。當(dāng)實(shí)測速度v＞側(cè)滑速度v2時(shí)，就發(fā)出警報(bào)，并提醒趕緊減速;當(dāng)實(shí)測速度v1＞考慮駕駛員心理的速度v3時(shí)，提醒駕駛員減速，以便平穩(wěn)舒適行駛［5］。程序設(shè)計(jì)執(zhí)行過程如圖3所示。

五、結(jié)束語

道路線形安全主要與道路線形、人、環(huán)境等有關(guān)系，而道路線形的設(shè)計(jì)主要考慮車速影響。本文是在參讀很多資料后對判斷道路線形安全影響的參數(shù)進(jìn)行最后確定，很明顯車輛行駛速度是最直接和最可靠的標(biāo)準(zhǔn)。在道路設(shè)計(jì)中有很多的速度概念以確保道路設(shè)計(jì)的合理性，而本文就是將車輛的實(shí)際行駛速度作為判斷量，并且對車輛進(jìn)行受力分析，得出基于實(shí)際車速來預(yù)警的模型。

車輛行駛安全包含了很多方面的因素和內(nèi)容，本文所述將GPS定位導(dǎo)航與GIS系統(tǒng)結(jié)合對車輛速度、道路線形等進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行的初步設(shè)計(jì)。要達(dá)到很好的效果，必然要與車輛生產(chǎn)技術(shù)、動力學(xué)、交通工程、人體視覺以及心理學(xué)聯(lián)合研究。希望以后在各研究領(lǐng)域的學(xué)者在各學(xué)科融合的基礎(chǔ)上能夠有更深入的研究。

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