王茂輝　張攀鋒

摘 要：文章主要對西南山區(qū)危險的坡路建模采集信息后儲存在路側(cè)裝置中，研究對象為汽車在山區(qū)道路上的安全行駛預(yù)警系統(tǒng)，梳理出了影響西南山區(qū)道路交通安全因素。通過總結(jié)和研究交通事故預(yù)警的基本理論。反復(fù)查閱文獻和研究相關(guān)理論，構(gòu)建山區(qū)道路安全行駛預(yù)警系統(tǒng)和規(guī)則。并設(shè)計預(yù)警系統(tǒng)硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)，并不斷修正提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞：預(yù)警系統(tǒng) 可靠性 西南山區(qū) 汽車安全

1 研究目的

我國廣袤的云貴川等地，海拔落差較大，雨水多地質(zhì)遭受的沖刷較嚴(yán)重，因此交通事故發(fā)生的概率較高。西南地區(qū)[1]山勢陡峭，坡和彎道相互結(jié)合、連續(xù)下坡和彎道的路段很多，以上路況均容易導(dǎo)致車輛側(cè)翻、甩尾、側(cè)滑、制動失靈等事故，特別偏遠地區(qū)山路，交通服務(wù)水平相對較差。而且，西南山區(qū)公路有許多行駛方面的安全隱患。這些隱患影響形成安全，給人民生命和財產(chǎn)安全造成極大地不利影響。西南山區(qū)道路交通安全由人-車-路、環(huán)境、交通管理的相互協(xié)調(diào)程度來共同決定的，大部分情況下交通事故都是人為導(dǎo)致[2]，如超速、疲勞駕駛、酒駕，醉駕等，出現(xiàn)經(jīng)濟情況，駕駛?cè)藛T躲閃不及，驚慌失措。以上導(dǎo)致駕駛危險的情形下，如果能夠提前監(jiān)測到危險狀況，提前通知駕駛者，山區(qū)道路交通事故的發(fā)生的頻率會大大降低。

從西南山區(qū)道路結(jié)構(gòu)、山區(qū)行駛特點兩方面出發(fā)，車輛、駕駛?cè)藛T，周圍環(huán)境等因素都會影響交通安全，車輛發(fā)生交通事故的概率可以定量評價，基于人-車-路協(xié)同耦合安全度理論建立的的模型，可以預(yù)測山區(qū)道路中行駛車輛的實時狀況，將道路預(yù)警系統(tǒng)理論進行了豐富和延伸[3]；可以有效的解決交通事故中的問題，為盡快消除交通堵塞提供理論依據(jù)；對安全行駛理論提供強有力的指導(dǎo)。

把西南山區(qū)道路安全預(yù)警系統(tǒng)作為研究對象，極大增強在山區(qū)道路中駕駛員的警覺性、預(yù)判性，提高決策效率，增強山區(qū)道路中汽車行駛的安全性、通過性、科學(xué)性，提高車輛的感知度與融合度，提高山區(qū)道路運行的安全與穩(wěn)定性；

2 課題研究內(nèi)容與方法

我們采用先設(shè)計西南山區(qū)道路安全行駛預(yù)警系統(tǒng)研究與開發(fā)，主要分為路測模塊和車載模塊[4]兩部分，如圖1所示。本課題將根據(jù)以下整體架構(gòu)設(shè)計對各個模塊進行更加深入研究和開發(fā)。

該系統(tǒng)可根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)（如：軸距、輪距、制動器結(jié)構(gòu)等）、車輛使用參數(shù)（如：行駛車速、使用檔位、載重量及分布情況、制動器溫度等）以及道路參數(shù)（如：道路的彎道半徑及超差量、道路坡度及長度、路面狀況等），通過車路耦合安全度模型[9]預(yù)測車輛的行駛安全性大小，及時向駕駛者預(yù)警，必要時自動實施車速和制動控制。該系統(tǒng)由車載裝置（或：車載模塊）和路側(cè)裝置（或：路側(cè)模塊）兩大部分所組成。

（1）路側(cè)裝置是固定安裝在交通事故易發(fā)路段之前的一定距離的道路旁的前方道路狀態(tài)信息測定與發(fā)送裝置。它的具體任務(wù)是實現(xiàn)檢測道路環(huán)境參數(shù)，包括道路環(huán)境的溫度，濕度，以及雨雪狀況信息，此外還存儲固定道路參數(shù)（橫縱向坡度、坡長、彎道半徑），將這些信息打包處理，通過控制無線模塊[5]適時向外無線發(fā)送。

（2）車載裝置是安裝于每一輛車上的安全狀態(tài)預(yù)測計算與控制裝置。其功能是采集本車的運行與使用狀態(tài)參數(shù)，接收路側(cè)裝置發(fā)送的前方道路、環(huán)境及路面狀態(tài)參數(shù)，通過GPS接收模塊確定本車位置和運動參數(shù)，借助于車聯(lián)網(wǎng)模塊確定前、后、左、右各個方向車輛的運行狀態(tài)及參數(shù)和本車與它們之間的距離，從而計算本車運行的安全度大小，預(yù)測發(fā)生交通事故的可能性大小，必要時發(fā)出預(yù)警信號[6]。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

本課題研究在以往的研究上，進一步細化探討西南山區(qū)道路安全行駛預(yù)警模型，設(shè)計并研究出了預(yù)警系統(tǒng)硬件電路，機械安裝支架，路側(cè)端存儲和發(fā)送信息、車載端接收路側(cè)模塊發(fā)來的存儲信息，最后，每個模塊的設(shè)計圖和PCB板[7]都設(shè)計并實現(xiàn)功能調(diào)試。最后對軟件系統(tǒng)及可靠性進行設(shè)計和校驗，控制系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖2所示。

3.1 路側(cè)裝置

路側(cè)裝置為預(yù)警系統(tǒng)提供環(huán)境數(shù)據(jù)，主要的功能是采集山區(qū)道路中的溫度，濕度，坡度等數(shù)據(jù)進行采集、處理和分析，其主要研究方向如下：

3.1.1 道路參數(shù)的獲取與處理

本課題中道路數(shù)據(jù)是指和坡道、彎道的有關(guān)的數(shù)據(jù)，一般變化較小。可以在交通部門獲取相關(guān)設(shè)計參數(shù)，也可以自行前往測量和標(biāo)定[8]，可以獲取相關(guān)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，以上數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二進制的形式存儲在路側(cè)裝置中央控制器芯片的ROM中，可以為預(yù)警模型的處理和計算提供數(shù)據(jù)支持。

3.1.2 道路環(huán)境數(shù)據(jù)獲取、采集與處理

道路環(huán)境數(shù)據(jù)包含濕度，溫度，天氣，風(fēng)力等自然環(huán)境中的因素，它們通常會影響山區(qū)道路行駛條件，主要會改變道路附著系數(shù)，可見光線，滾動阻力系數(shù)等。西南山區(qū)自然環(huán)境主要特點[9]是雨天多，彎道多，路面容易濕滑，海拔較高地區(qū)常年有積雪，對山區(qū)道路的安全行駛造成了較大的阻礙。所以，在研究西南山區(qū)行車安全時必須考慮以上自然環(huán)境對行駛安全的影響。不同路段的附著系數(shù)[10]、滾動阻力系數(shù)，受天氣影響，晴天、雨天、下雪天都不相同，因此，西南山區(qū)道路行車安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計必須將天氣因素考慮進去，作為前提才能使得預(yù)警系統(tǒng)更客觀和穩(wěn)定。

西南山區(qū)道路非常復(fù)雜，有些道路通過性較好，有些路段則相對危險，對于危險路段前后100米應(yīng)當(dāng)設(shè)立儲存路段環(huán)境的裝置（路側(cè)裝置），且設(shè)立醒目的提醒，裝置[11]上安裝有濕度，溫度、雨雪等傳感器，

山區(qū)道路標(biāo)準(zhǔn)值一般存儲在路側(cè)裝置中，采集的各種環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)過計算處理后，標(biāo)準(zhǔn)值可以提前設(shè)定并存儲在路側(cè)設(shè)備中，在不同行駛環(huán)境下對應(yīng)的天氣狀況做對比。這樣以來，隨著天氣變化提供給車載設(shè)備的環(huán)境數(shù)據(jù)隨路側(cè)裝置變化而變化。西南山區(qū)路面平均附著系數(shù)[12]Φ、滾動阻力系數(shù)[10]f根據(jù)使用的材料不同而不同，具體變化如，表1、表2所示。

3.2 環(huán)境傳感器的選擇

雨雪傳感器要求高靈度[13]，相應(yīng)時間快，表面具有曲線感雨板，能自己加熱，功耗比較低，輸出的是開關(guān)量信號。其輸出端有正負電源線和信號線共3根，下雨、下雪天氣輸出信號為高電平[14]，其他天氣輸出低電平，結(jié)合常用的溫度和濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)來定性檢測，確定準(zhǔn)確的天氣情況。

溫度傳感器根據(jù)溫度敏感元件轉(zhuǎn)換來表征溫度數(shù)據(jù)，分辨率必須高，工作功耗和電流相對較低，操作簡單，尺寸較小便于安裝。工作中，溫度傳感器集成在道路參數(shù)無線發(fā)射模塊上，可用來采集環(huán)境的溫度。

濕度傳感器要求體積小，不受水浸影響，響應(yīng)速度快、重復(fù)性好，抗污染能力強，可靠性和穩(wěn)定性好。低電壓供電，傳感器與控制器通過內(nèi)部經(jīng)線性放大直連。濕度信號與輸出電壓成比例，功耗低，無需避光，可防靜電，浸濕后能夠迅速恢復(fù)[15]。恒壓供電，小電壓信號與相對濕度呈比例關(guān)系。其輸出電壓U0與相對濕度HR之間的關(guān)系：

U0=1.1711+0.02377HR（1）

4 總結(jié)

（1）山區(qū)道路預(yù)警系統(tǒng)，它是一種主動安全預(yù)警系統(tǒng)，可以對道路交通環(huán)境比如天氣，坡度，濕度等，車輛運行狀況如加速度，怠速，減速等狀態(tài)持續(xù)不斷監(jiān)測，同時，車輛在下坡過程中，監(jiān)測汽車行駛中可能出現(xiàn)的異常行駛狀態(tài)，對預(yù)期的危險后果[12]提前預(yù)警，提人為干預(yù)可以提前介入，人為并采取主動措施。對車輛的安全性、智能化提高了很多，大大地降低了山區(qū)道路交通事故發(fā)生的概率。

（2）本項目基于車路耦合的汽車山區(qū)行駛動力學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立行駛模型。訓(xùn)練和分析預(yù)警模型，采集車速、天氣、坡度、濕度等數(shù)據(jù)，通過對應(yīng)的算法進行計算，并且采用嵌入式主控芯片，極大提高了山區(qū)道路預(yù)警的安全性，智能性和實時性。

（3）該預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)道路交通環(huán)境數(shù)據(jù)（比如：天氣，坡度，濕度等），車輛運行狀況（比如加速，怠速等）狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合以上參數(shù)，計算車輛預(yù)期到達的安全程度，預(yù)測車輛發(fā)生危險運行工況的概率，根據(jù)安全預(yù)警算法進行預(yù)警，控制汽車本身主動采取安全措施將危險降低到最低。

項目基金：2020年重慶工商職業(yè)學(xué)院項目（西南山區(qū)道路汽車安全預(yù)警系統(tǒng)研與開發(fā)NDYB2020-13）。

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