基于車路協同的高速公路彎道危險預警系統設計

洪晉夫

（山西交通控股集團有限公司，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生，帶來了出行安全隱患[1]。尤其是在車輛駛入高速公路彎道時，由于車速過快導致離心力以及轉向力的失控，側滑、翻車等現象常有發生。多年來，關于如何避免高速公路事故發生的研究中，側重點大部分都是關于車輛本身預警系統，而對高速公路彎道預警的研究并不多，也沒有可依據的理論結論等[2]。我國高速公路系統相對發達，道路直行段的相關警示預警標志燈系統相對完善。高速公路彎道具有特殊性，普通的標志性預警方式并不能真正起到警示作用，對降低彎道事故發生率意義不大[3]。結合目前關于道路預警方面的研究，本著降低彎道事故發生率，提高彎道行駛安全的目標，針對高速公路車輛易發生側翻、側滑的情況，本文設計了一套基于車路協同的彎道預警系統，具有重要的現實意義。

2 系統設計

針對不同的車輛模型、不同的路況環境情況以及目前我國公路系統中使用的相關設備，設計高速公路彎道處的路測預警系統。車輛在進入彎道前，提前警示駕駛員注意，并采取相應的預防性措施，從而盡可能降低彎道事故發生率。該彎道預警系統安置在高速公路路測，基于車路協同背景進行設計，組成模塊可以分為：參數采集模塊、參數計算模塊和預警反饋模塊。參數采集系統主要包括收集車輛、環境等相關數據的各類傳感器，采集到的數據經過匯總，遞給參數計算系統，經過計算系統邏輯運算，得出目前車輛運行是否存在安全隱患，并將結果傳遞到預警反饋系統，預警反饋系統將接收到的信息轉換成可識別的語言數據，顯示在路測的LED 顯示屏上。各模塊邏輯關系示意圖見圖1。

圖1 系統彎道預警系統

2.1 系統組成

基于車路協同的高速公路彎道預警系統，以路測為著力點，旨在有效防止車輛轉彎時側滑和側翻等情況。系統的參數采集系統包括無線傳輸設備、數據處理器、雷達傳感器、攝像機、固定測速儀、傳感器、預警反饋設備等，能夠及時準確地采集車輛相關參數，包括車輛型號、車牌號、車速以及調取車輛經過收費站時的稱重數據等信息；行駛環境相關參數，包括天氣環境、道路路面環境以及道路彎道相關參數。將采集到的相關參數傳輸到參數計算系統中，通過系統計算，將車輛在轉彎時的安全數據計算出來，并通過預警反饋系統，將該車信息顯示在路測的系統顯示屏上，提醒駕駛員采用正確的規避方式，避免彎道事故發生。系統設計的技術路線如圖2 所示。

圖2 系統技術路線圖

系統設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。環境參數相關傳感器以一定的采集頻率，監測并傳輸相關環境參數，參數直接上傳到參數計算系統。在車輛駛入彎道監控區后，與收費站處信息進行對比，并下載相關車輛固定參數，同時將其傳輸到參數計算系統。高速公路測速儀在彎道路測監測車輛行駛速度，上傳至參數計算系統。計算系統通過對各路徑傳遞來的數據進行匯總計算后，得出彎道行駛安全度數據，并將結果傳遞到預警反饋系統，預警反饋系統將接收到的信息轉換成可識別的語言數據，顯示在路測的顯示屏上。系統示意圖見圖3、圖4。

圖3 系統道路斷面示意圖

圖4 高速公路彎道預警系統示意圖

2.2 系統參數

彎道預警系統中最為核心的點在于數據采集的準確性，只有采集的數據準確可靠，分析結果才具有現實意義。參數采集系統是整個系統運行的基礎，也是關鍵點，下面就系統采集參數進行分析。

2.2.1 車輛參數

車輛是彎道預警系統的保護目標，同時也是事故發生的主體，其自身參數是系統計算的根本，也是事故發生的直接誘因：

a）車輛在高速公路彎道時的車速，是產生彎道向心力和道路摩擦力的原因，控制不好車速，則會發生側滑、側翻等。

b）車輛固定參數因車輛的不同而有很大差異，這些數據對計算系統的計算結果有著直接的影響。因此，本系統需要采集的車輛參數有：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

高速公路的彎道路基傾斜度可以與車輛轉彎時的向心力產生一定抵消，從而直接降低側滑等事故的發生率。彎道處及其前后路段的道路參數設計組合，是影響車輛彎道事故發生的重要參數，因此科學合理的道路參數同樣在該系統中至關重要。該系統設計需要輸入的道路參數包括：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。

2.2.3 環境參數

雨天、雪天等天氣情況對道路附著力的影響最為直接；大風天氣則對車輛受力影響很大。行駛環境以及環境對路面參數的影響，可以直接破壞安全行駛系統，使原本處于安全范圍的行駛速度變為有事故風險的臨界車速[4]。因此，環境參數同樣是需要在系統設計中考慮到的相關參數。

針對系統設計的目的，在預警系統的中心處理系統對相關參數進行計算時，選擇側翻模型計算車輛的側翻、側滑臨界速度v1、v2，臨界速度與其影響參數的定性關系為：

通過模型設計與參數轉化，計算出車輛在轉彎時的行駛安全度S，行駛安全度是中心計算系統的最終輸出參數。行駛安全度與其影響參數的定性關系為：

式中：v 統一選取車輛在轉彎時，測速裝置監測到的實時車輛轉彎線性速度；S1為車輛轉彎時沒有發生側翻時的臨界值；S2為車輛轉彎時沒有發生側滑時的臨界值。系統原理如圖5 所示。

圖5 系統原理圖

2.3 系統工作流程

基于車路協同的高速公路彎道預警系統工作流程如下：

a）手動輸入彎道道路相關固定參數，使用年限n，彎道半徑R 和道路超高i，參數直接傳輸到參數計算模塊用于對比計算。

b）環境參數相關傳感器以一定的采集頻率，監測并傳輸相關環境參數，確定彎道路段實時路面附著系數φ，參數直接上傳到參數計算系統。

c）天氣環境傳感器數據是否發生變化，若有變化，執行步驟b）；若無變化，系統運行下一步。

d）彎道處雷達傳感器是否采集到車輛信息，若無，系統進入待機狀態；若出現車輛信息，則立即進行后續流程。

e）將雷達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行對比，并將其發送至參數計算模塊。

f）相關車輛信息參數的二次確定。

g）參數計算模塊進行計算運算，旨在量化車輛轉彎安全度。計算是基于采集模塊的車輛參數和環境參數等進行的，針對的事故情況為轉彎側滑和側翻。

h）通過安全度的范圍劃分，確定該車輛是否具有事故發生傾向。

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

3 結論

針對高速彎道側翻和側滑事故，設計了一套基于車路協同的彎道預警系統。通過影響事故發生參數的采集與綜合計算，計算出行駛安全度。將安全度與設定安全閾值作比較，對超出安全閾值的車輛，預警反饋系統作用，提醒駕駛員，給予預警信息。