洪晉夫

（山西交通控股集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

1 概述

車輛行駛過程中，交通事故的發(fā)生往往會造成巨大的損失。高速公路在給人們出行帶來便捷的同時，也由于車輛事故的發(fā)生，帶來了出行安全隱患[1]。尤其是在車輛駛?cè)敫咚俟窂澋罆r，由于車速過快導(dǎo)致離心力以及轉(zhuǎn)向力的失控，側(cè)滑、翻車等現(xiàn)象常有發(fā)生。多年來，關(guān)于如何避免高速公路事故發(fā)生的研究中，側(cè)重點大部分都是關(guān)于車輛本身預(yù)警系統(tǒng)，而對高速公路彎道預(yù)警的研究并不多，也沒有可依據(jù)的理論結(jié)論等[2]。我國高速公路系統(tǒng)相對發(fā)達(dá)，道路直行段的相關(guān)警示預(yù)警標(biāo)志燈系統(tǒng)相對完善。高速公路彎道具有特殊性，普通的標(biāo)志性預(yù)警方式并不能真正起到警示作用，對降低彎道事故發(fā)生率意義不大[3]。結(jié)合目前關(guān)于道路預(yù)警方面的研究，本著降低彎道事故發(fā)生率，提高彎道行駛安全的目標(biāo)，針對高速公路車輛易發(fā)生側(cè)翻、側(cè)滑的情況，本文設(shè)計了一套基于車路協(xié)同的彎道預(yù)警系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實意義。

2 系統(tǒng)設(shè)計

針對不同的車輛模型、不同的路況環(huán)境情況以及目前我國公路系統(tǒng)中使用的相關(guān)設(shè)備，設(shè)計高速公路彎道處的路測預(yù)警系統(tǒng)。車輛在進(jìn)入彎道前，提前警示駕駛員注意，并采取相應(yīng)的預(yù)防性措施，從而盡可能降低彎道事故發(fā)生率。該彎道預(yù)警系統(tǒng)安置在高速公路路測，基于車路協(xié)同背景進(jìn)行設(shè)計，組成模塊可以分為：參數(shù)采集模塊、參數(shù)計算模塊和預(yù)警反饋模塊。參數(shù)采集系統(tǒng)主要包括收集車輛、環(huán)境等相關(guān)數(shù)據(jù)的各類傳感器，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過匯總，遞給參數(shù)計算系統(tǒng)，經(jīng)過計算系統(tǒng)邏輯運算，得出目前車輛運行是否存在安全隱患，并將結(jié)果傳遞到預(yù)警反饋系統(tǒng)，預(yù)警反饋系統(tǒng)將接收到的信息轉(zhuǎn)換成可識別的語言數(shù)據(jù)，顯示在路測的LED 顯示屏上。各模塊邏輯關(guān)系示意圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)彎道預(yù)警系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

基于車路協(xié)同的高速公路彎道預(yù)警系統(tǒng)，以路測為著力點，旨在有效防止車輛轉(zhuǎn)彎時側(cè)滑和側(cè)翻等情況。系統(tǒng)的參數(shù)采集系統(tǒng)包括無線傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)處理器、雷達(dá)傳感器、攝像機、固定測速儀、傳感器、預(yù)警反饋設(shè)備等，能夠及時準(zhǔn)確地采集車輛相關(guān)參數(shù)，包括車輛型號、車牌號、車速以及調(diào)取車輛經(jīng)過收費站時的稱重數(shù)據(jù)等信息；行駛環(huán)境相關(guān)參數(shù)，包括天氣環(huán)境、道路路面環(huán)境以及道路彎道相關(guān)參數(shù)。將采集到的相關(guān)參數(shù)傳輸?shù)絽?shù)計算系統(tǒng)中，通過系統(tǒng)計算，將車輛在轉(zhuǎn)彎時的安全數(shù)據(jù)計算出來，并通過預(yù)警反饋系統(tǒng)，將該車信息顯示在路測的系統(tǒng)顯示屏上，提醒駕駛員采用正確的規(guī)避方式，避免彎道事故發(fā)生。系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)路線如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)路線圖

系統(tǒng)設(shè)計在高速公路收費站，車輛信息無線傳輸裝置用來采集傳送車輛型號和車牌號以及車輛載重等固定信息，其余信號采集裝備可以安裝在彎道處的路測，如圖3 所示。環(huán)境參數(shù)相關(guān)傳感器以一定的采集頻率，監(jiān)測并傳輸相關(guān)環(huán)境參數(shù)，參數(shù)直接上傳到參數(shù)計算系統(tǒng)。在車輛駛?cè)霃澋辣O(jiān)控區(qū)后，與收費站處信息進(jìn)行對比，并下載相關(guān)車輛固定參數(shù)，同時將其傳輸?shù)絽?shù)計算系統(tǒng)。高速公路測速儀在彎道路測監(jiān)測車輛行駛速度，上傳至參數(shù)計算系統(tǒng)。計算系統(tǒng)通過對各路徑傳遞來的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總計算后，得出彎道行駛安全度數(shù)據(jù)，并將結(jié)果傳遞到預(yù)警反饋系統(tǒng)，預(yù)警反饋系統(tǒng)將接收到的信息轉(zhuǎn)換成可識別的語言數(shù)據(jù)，顯示在路測的顯示屏上。系統(tǒng)示意圖見圖3、圖4。

圖3 系統(tǒng)道路斷面示意圖

圖4 高速公路彎道預(yù)警系統(tǒng)示意圖

2.2 系統(tǒng)參數(shù)

彎道預(yù)警系統(tǒng)中最為核心的點在于數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，只有采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，分析結(jié)果才具有現(xiàn)實意義。參數(shù)采集系統(tǒng)是整個系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，也是關(guān)鍵點，下面就系統(tǒng)采集參數(shù)進(jìn)行分析。

2.2.1 車輛參數(shù)

車輛是彎道預(yù)警系統(tǒng)的保護(hù)目標(biāo)，同時也是事故發(fā)生的主體，其自身參數(shù)是系統(tǒng)計算的根本，也是事故發(fā)生的直接誘因：

a）車輛在高速公路彎道時的車速，是產(chǎn)生彎道向心力和道路摩擦力的原因，控制不好車速，則會發(fā)生側(cè)滑、側(cè)翻等。

b）車輛固定參數(shù)因車輛的不同而有很大差異，這些數(shù)據(jù)對計算系統(tǒng)的計算結(jié)果有著直接的影響。因此，本系統(tǒng)需要采集的車輛參數(shù)有：車輛的行駛速度、車輛重量、車輛重心高度以及車輛輪胎輪距。

2.2.2 道路參數(shù)

高速公路的彎道路基傾斜度可以與車輛轉(zhuǎn)彎時的向心力產(chǎn)生一定抵消，從而直接降低側(cè)滑等事故的發(fā)生率。彎道處及其前后路段的道路參數(shù)設(shè)計組合，是影響車輛彎道事故發(fā)生的重要參數(shù)，因此科學(xué)合理的道路參數(shù)同樣在該系統(tǒng)中至關(guān)重要。該系統(tǒng)設(shè)計需要輸入的道路參數(shù)包括：彎道半徑、道路超高、彎道前后直線路段的道路使用年限、路面附著系數(shù)。

2.2.3 環(huán)境參數(shù)

雨天、雪天等天氣情況對道路附著力的影響最為直接；大風(fēng)天氣則對車輛受力影響很大。行駛環(huán)境以及環(huán)境對路面參數(shù)的影響，可以直接破壞安全行駛系統(tǒng)，使原本處于安全范圍的行駛速度變?yōu)橛惺鹿曙L(fēng)險的臨界車速[4]。因此，環(huán)境參數(shù)同樣是需要在系統(tǒng)設(shè)計中考慮到的相關(guān)參數(shù)。

針對系統(tǒng)設(shè)計的目的，在預(yù)警系統(tǒng)的中心處理系統(tǒng)對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算時，選擇側(cè)翻模型計算車輛的側(cè)翻、側(cè)滑臨界速度v1、v2，臨界速度與其影響參數(shù)的定性關(guān)系為：

通過模型設(shè)計與參數(shù)轉(zhuǎn)化，計算出車輛在轉(zhuǎn)彎時的行駛安全度S，行駛安全度是中心計算系統(tǒng)的最終輸出參數(shù)。行駛安全度與其影響參數(shù)的定性關(guān)系為：

式中：v 統(tǒng)一選取車輛在轉(zhuǎn)彎時，測速裝置監(jiān)測到的實時車輛轉(zhuǎn)彎線性速度；S1為車輛轉(zhuǎn)彎時沒有發(fā)生側(cè)翻時的臨界值；S2為車輛轉(zhuǎn)彎時沒有發(fā)生側(cè)滑時的臨界值。系統(tǒng)原理如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)原理圖

2.3 系統(tǒng)工作流程

基于車路協(xié)同的高速公路彎道預(yù)警系統(tǒng)工作流程如下：

a）手動輸入彎道道路相關(guān)固定參數(shù)，使用年限n，彎道半徑R 和道路超高i，參數(shù)直接傳輸?shù)絽?shù)計算模塊用于對比計算。

b）環(huán)境參數(shù)相關(guān)傳感器以一定的采集頻率，監(jiān)測并傳輸相關(guān)環(huán)境參數(shù)，確定彎道路段實時路面附著系數(shù)φ，參數(shù)直接上傳到參數(shù)計算系統(tǒng)。

c）天氣環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化，若有變化，執(zhí)行步驟b）；若無變化，系統(tǒng)運行下一步。

d）彎道處雷達(dá)傳感器是否采集到車輛信息，若無，系統(tǒng)進(jìn)入待機狀態(tài)；若出現(xiàn)車輛信息，則立即進(jìn)行后續(xù)流程。

e）將雷達(dá)傳感器采集到的車輛信號與高速收費站采集到的車輛信息進(jìn)行對比，并將其發(fā)送至參數(shù)計算模塊。

f）相關(guān)車輛信息參數(shù)的二次確定。

g）參數(shù)計算模塊進(jìn)行計算運算，旨在量化車輛轉(zhuǎn)彎安全度。計算是基于采集模塊的車輛參數(shù)和環(huán)境參數(shù)等進(jìn)行的，針對的事故情況為轉(zhuǎn)彎側(cè)滑和側(cè)翻。

h）通過安全度的范圍劃分，確定該車輛是否具有事故發(fā)生傾向。

i）針對具有事故發(fā)生傾向的車輛，預(yù)警反饋設(shè)施向車輛駕駛員發(fā)布車輛預(yù)警反饋信息，提醒其采取正確措施。

3 結(jié)論

針對高速彎道側(cè)翻和側(cè)滑事故，設(shè)計了一套基于車路協(xié)同的彎道預(yù)警系統(tǒng)。通過影響事故發(fā)生參數(shù)的采集與綜合計算，計算出行駛安全度。將安全度與設(shè)定安全閾值作比較，對超出安全閾值的車輛，預(yù)警反饋系統(tǒng)作用，提醒駕駛員，給予預(yù)警信息。