張偉朋，楊志強(qiáng)，賀凱盈

(長(zhǎng)安大學(xué)測(cè)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(chē)安全問(wèn)題很突出，近兩年無(wú)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(chē)安全預(yù)警對(duì)駕駛員的行車(chē)安全及無(wú)人自動(dòng)駕駛系統(tǒng)都有很現(xiàn)實(shí)的意義。

二、行駛車(chē)速作為預(yù)警研究參數(shù)的確定

車(chē)速是車(chē)輛在公路上行駛時(shí)對(duì)道路線(xiàn)形最直觀(guān)的反映，是道路線(xiàn)形和駕駛員主觀(guān)期望共同作用的結(jié)果，也可以說(shuō)是交通環(huán)境和駕駛員主觀(guān)心理等各種因素的綜合產(chǎn)物。在公路線(xiàn)形設(shè)計(jì)階段和運(yùn)營(yíng)階段，車(chē)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(xiàn)形條件對(duì)行駛車(chē)輛最直接的影響表現(xiàn)在實(shí)際車(chē)速上，因而用行駛車(chē)速作為道路線(xiàn)形安全預(yù)警研究指標(biāo)具有一定的可靠性。另外，在車(chē)輛行駛時(shí)，通過(guò)受力分析來(lái)確定車(chē)輛在道路上的穩(wěn)定狀態(tài)都是離不開(kāi)車(chē)速所產(chǎn)生的影響，這就使得行駛車(chē)速作為預(yù)警參數(shù)更加肯定。

1．平曲線(xiàn)段車(chē)輛橫向穩(wěn)定性約束條件

車(chē)輛在公路平曲線(xiàn)段行駛時(shí)，橫向穩(wěn)定性問(wèn)題主要是橫向滑移和橫向傾覆。由于現(xiàn)代汽車(chē)在設(shè)計(jì)時(shí)一般輪距較寬、重心較低，車(chē)輛在曲線(xiàn)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(mǎn)足橫向滑移穩(wěn)定條件，傾覆穩(wěn)定條件也能滿(mǎn)足，除非車(chē)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(xiàn)段車(chē)輛穩(wěn)定性，只需將車(chē)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(chē)輛橫向穩(wěn)定性約束條件［3］。

平曲線(xiàn)段，由于離心力的存在，車(chē)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(chē)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(xiàn)半徑、汽車(chē)質(zhì)量和重力加速度;符號(hào)分別對(duì)應(yīng)正常超高與反超高兩種情況。

圖1 汽車(chē)在曲線(xiàn)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(hào)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(chē)制動(dòng)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(lèi)型，其路面摩擦系數(shù)的確定方法見(jiàn)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(chē)速度約束條件確定

圖1為汽車(chē)在曲線(xiàn)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(duì)值，而取決于Y/Ga，即取決于單位重量的相對(duì)橫向力值。取μ=Y/Ga稱(chēng)為橫向力系數(shù)，帶入式(8)，得

在道路上行駛的汽車(chē)，當(dāng)其位于一段曲線(xiàn)上的某一個(gè)點(diǎn)時(shí)，其超高橫坡度、曲線(xiàn)的半徑是確定的，根據(jù)u值與乘車(chē)人感覺(jué)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(chē)的極限行車(chē)速度為

式中，R為曲線(xiàn)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(chē)輛行駛過(guò)程中，首先要將道路劃分成不同的線(xiàn)形類(lèi)型。在駕駛員的角度，根據(jù)道路的線(xiàn)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(duì)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(guò)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(kù)建立主要依賴(lài)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(guò)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(guò)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)將車(chē)輛當(dāng)前所在的位置，然后通過(guò)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(xiàn)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(cè)得的速度進(jìn)行行車(chē)安全分析。當(dāng)發(fā)現(xiàn)可能接下來(lái)會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)，馬上報(bào)警，并提醒駕駛員(或者車(chē)輛自動(dòng)駕駛系統(tǒng))應(yīng)該怎么操作［7］。

四、行車(chē)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(cè)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(cè)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(cè)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(guò)程如圖3所示。

五、結(jié)束語(yǔ)

道路線(xiàn)形安全主要與道路線(xiàn)形、人、環(huán)境等有關(guān)系，而道路線(xiàn)形的設(shè)計(jì)主要考慮車(chē)速影響。本文是在參讀很多資料后對(duì)判斷道路線(xiàn)形安全影響的參數(shù)進(jìn)行最后確定，很明顯車(chē)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(chē)輛的實(shí)際行駛速度作為判斷量，并且對(duì)車(chē)輛進(jìn)行受力分析，得出基于實(shí)際車(chē)速來(lái)預(yù)警的模型。

車(chē)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(duì)車(chē)輛速度、道路線(xiàn)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(chē)輛生產(chǎn)技術(shù)、動(dòng)力學(xué)、交通工程、人體視覺(jué)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。

［1］ 丁玲．公路線(xiàn)形設(shè)計(jì)與行車(chē)安全的關(guān)系［J］．交通世界:運(yùn)輸，2011(5):126-127．

［2］ 高建平，郭忠?。谶\(yùn)行車(chē)速的公路線(xiàn)形設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)價(jià)［J］．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，32(7):906-911．DOI:10．3321/j．issn:0253-374X．2004．07．014．

［3］ 劉丹．基于GIS的道路交通安全評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)方法研究［D］．北京:北京交通大學(xué)，2012．

［4］ 楊梅．公路線(xiàn)形因素對(duì)交通安全的影響分析［D］．西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2009．

［5］ 林志英．道路線(xiàn)形條件對(duì)交通安全的影響分析［D］．長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2010．

［6］ 黃文卿．基于可能速度的路線(xiàn)線(xiàn)形設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)價(jià)研究［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2008．

［7］ 翟戰(zhàn)強(qiáng)，蔡少華．基于GPRS/GPS/GIS的車(chē)輛導(dǎo)航與監(jiān)控系統(tǒng)［J］．測(cè)繪通報(bào)，2004(2):34-36．

［8］ 馬俊海，黃明．車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)中GPS，GIS，GSM的應(yīng)用［J］．測(cè)繪通報(bào)，2002(10):34-36．

［9］ 趙琳琳．道路線(xiàn)形安全評(píng)價(jià)方法研究及應(yīng)用［D］．昆明:昆明理工大學(xué)，2012．

［10］ 郭鳳香．道路線(xiàn)形安全分析與評(píng)價(jià)［D］．昆明:昆明理工大學(xué)，2005．