一种基于GIS系统的液罐车侧翻预警系统的制作方法

本发明涉及交通安全领域，具体是一种基于gis系统的液罐车侧翻预警系统。

背景技术：

随着国家大力发展数字公路建设，基于gis的公路三维gis技术已经在全国许多高速公路率先实施。现在存在的公路三维gis技术，可以进行道路地面模型的生成以及数字公路的创建；其数据库可以方便快捷地管理各种地物的相关信息，并能按各种给定条件进行查询检索，提供更多的路基路面、沿线设施、桥梁互通、交调点气象站、收费站治超点等基础公路路产路权属性数据，为公路养护管理可视化提供更直接有效的技术支撑。

利用液罐车公路运输作为目前大批量液体长距离运输的主要方式，一直在国民交通运输系统中扮演着不可替代的重要角色。由于液罐车罐内液体在行驶过程中位置与形状不断发生变化的特性，导致其在行驶过程中重心不固定，从而增加了侧翻的概率；尤其在弯道路段，受离心力作用其罐内液体重心具有很大的偏移量，在没有较为完善的防护措施的情况下，侧翻的概率将大大增加，对驾驶员与车辆造成极大地威胁。

为此，寻求一种有效解决液罐车长途运输安全问题的方法迫在眉睫，基于液罐车罐体内液体重心不固定的特性，提前获知车辆侧翻临界速度对于驾驶员安全驾驶具有战略性的意义，能够预先提醒驾驶员侧翻危险的发生使其有一定缓冲时间从而采取相应的措施。

传统车辆驾驶辅助系统主要利用声光等形式对驾驶员进行提醒操作，其对行驶过程中不同环境的变化考虑不够充分，且易对驾驶员心理造成一定影响，反而导致事故的发生。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于gis系统的液罐车侧翻预警系统，以解决现有技术的缺陷。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于gis系统的液罐车侧翻预警系统，其特征在于：包括移动gis模块、车辆信息模块、侧翻状态判定模块、预警模块，其中：

移动gis模块通过gps确定车辆的精确位置，在地理信息系统中获取至少包括车辆前进方向上的弯道半径r、弯道超高值ih、路面坡度值γ的道路信息；

车辆信息模块存储至少包括车辆轮距b、车辆净重m净车、车体重心高度y净车、液罐底部距离地面高度h罐体的车辆参数信息，同时实时测量罐内液面高度h信息；

侧翻状态判定模块通过移动gis模块获取的道路信息以及车辆信息模块存储的车辆参数信息和实时测量的液面高度信息，计算建立液罐车在弯道行驶时的侧翻临界速度的计算模型，将车辆当前行驶速度与最小侧翻临界速度进行对比，根据比较结果判断其是否会发生侧翻；

预警模块在侧翻判定模块判定车辆当前行驶速度高于最小侧翻临界速度时，发出警报信号，提示驾驶员降低车速到安全车速以下。

一种基于gis系统的液罐车侧翻预警系统，其特征在于：还包括主动速度控制模块，主动速度控制模块在预警模块发出警报但驾驶员未采取有效控制措施时，同时向发动机节气门控制模块和自动制动模块发送指令，减小发动机节气门开合度和增大制动卡钳压力，通过切断动力和主动制动两种方式，来达到快速降低车速的目的。

一种基于gis系统的液罐车侧翻预警系统，其特征在于：所述的移动gis模块、车辆信息模块、侧翻状态判定模块、预警模块、主动速度控制模块以软件程序形式预设在车载电脑中。

一种基于gis系统的液罐车侧翻预警系统，其特征在于：所述的侧翻状态判定模块中，车辆的临界侧翻速度v0(r)的计算过程如下：

(1)、考虑道路超高、加减速以及路段坡度因素，计算液罐车装载液体后在行驶过程中以车体横截面中轴线与地面的交点f(xf，yf)为参考点，即xf-yf-0时，整车的重心位置g″(y整车，x整车)：

式中：

x′、y＇为当车辆行驶于具有超高路段的弯道时，液体重心相对于罐体横截面形心的坐标，可通过后文所述公式计算得到；m液体为装载液体的质量，由内置于罐体内的重量传感器实时测量；m净车为车辆净重，可根据车辆实际情况预先输入至ecu；y净车为车体重心高度可计算得到；h罐体为液罐底部距离地面高度，可根据车辆实际情况预先输入至ecu；δy1为加减速导致液体重心位置变化的修正系数，可计算得到；δy2为路段坡度导致液体重心位置变化的修正系数，可计算得到；

(2)、车辆在设有超高的的圆曲线上行驶时，车辆的临界侧翻速度v0(r)计算公式如下：

公式中，g为重力加速度，r为弯道半径，b为车辆轮距，可根据车辆实际情况预先输入至ecu。

一种基于gis系统的液罐车侧翻预警系统，其特征在于：考虑存在道路超高时液体重心相对于罐体横截面形心的坐标x′、y＇的计算公式为：

公式中，r为罐体半径为不同车辆的固有参数，需手动输入车载电脑ecu，y为液面水平时液体相对于罐体横截面形心的重心竖坐标可通过公式计算得到，α为液面相对于超高路面倾斜角度可通过下述公式计算得到：

其中，g表示重力加速度，可取9.8m/s²，路面横向倾角β可通过下式计算得到：

ih＝tanβ

其中，ih为弯道超高值，可通过gis模块存储的道路基础信息直接获得。

一种基于gis系统的液罐车侧翻预警系统，其特征在于：考虑加减速导致液体重心位置变化的修正系数δy1的计算方法为：

公式中，y1、y2为考虑加减速时液体纵断面相对于罐体横截面形心的重心竖坐标可通过计算得到，h为静止状态下液面的高度，由内置于罐内的液面传感器实时测量得到。

一种基于gis系统的液罐车侧翻预警系统，其特征在于：考虑路段坡度导致液体重心位置变化的修正系数δy1的计算方法为：

δy2＝y3-h

公式中，y3为考虑路段坡度时液体纵断面相对于罐体横截面形心的重心竖坐标可通过计算得到，h为静止状态下液面的高度，由内置于罐内的液面传感器实时测量得到。

本发明利用内置于gis系统内的基础地理信息结合驾驶员反应时间以及车辆实时行驶速度经过固定时间间隔自动判断前方一定距离处车辆的假想临界侧翻速度，以此作为车辆的临界侧翻速度与实时车速进行比对，若实时车速大于临界侧翻速度则启动报警与主动控制装置，其原理如图7所示。

本发明采用基于地理信息系统的液罐车侧翻预警与控制系统，并设计了针对液罐车特性的液罐车临界侧翻速度计算方法，可实现提前预测测量车辆临界侧翻速度，辅以声光形式并通过由节气门控制装饰与主动制动装置组成的速度控制模块，最大限度的保证驾驶员及车辆在弯道行驶过程中的安全。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、本发明能够针对液罐车罐内液体重心位置不固定的特有性质，利用内置于车载电脑的地理信息系统提供的道路基础信息与gps定位系统配合特定算法对液罐车前方弯道路段临界侧翻速度量化并进行侧翻风险预测，通过声光电等方式提前告知驾驶员，采取主动控制措施，能够有效避免因车速过快导致的人员与经济损失。

2、本发明将车与道路信息融合为一个整体，将实际道路信息加载到电子地图上，道路侧无需进行改造，可靠性高，不易受环境因素影响而导致设备故障，能够适应各种道路环境。

3、本发明对环境因素考虑充分，结合路面超高、路段坡度、车辆加减速对罐内液体重心的影响，综合考虑得到车辆侧翻临界速度，使得系统能够很好地适应各种可能的环境，增强系统的普遍适用性，减少由于系统自身缺陷干扰驾驶员从而导致事故发生的概率。

4、本发明包含系统构架简单，计算方法清晰，日后维护较为便捷，升级与扩展容易，具有较高的经济效益。

附图说明

图1是液罐车侧翻预警系统与方法原理图。

图2是计算超高路段液面重心位置原理图。

图3是计算斜坡路段液面重心位置原理图。

图4是计算液体倾斜角度原理图。

图5是计算不同体积液体重心位置原理图。

图6是计算液罐车临界侧翻速度原理图。

图7是利用gis系统判断确定临界侧翻速度原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1(流程图)所示，基于地理信息系统(gis)的液罐车侧翻预警及控制装置包括gis系统模块1，侧翻临界速度判断模块2，预警模块3，主动控制模块4，车辆信息模块5。车辆信息模块5包括罐内液面传感器6，罐内液体重量传感器7与车辆信息模块5相连。其中侧翻临界速度判断模块2与gis系统模块1相连，预警模块3与侧翻临界速度判断模块2相连，主动控制模块4与侧翻临界速度判断模块2相连。

gis系统放置于液罐车内部，由硬件(车载电脑)和软件(预制有内嵌道路基础技术信息的gis地理信息系统)两部分构成。用于提供液罐车当前行驶速度v、液罐车当前位置以及弯道半径值r、路面超高值ih、路面坡度值γ和弯道位置。

液罐车当前位置与前方弯道位置进行对比，若与前方弯道距离小于100米，则启动侧翻临界速度判断模块

侧翻临界速度判断模块读取由车辆信息模块中布置于罐体内的罐内液面传感器测得的液体高度h和装载液体的质量m液体；存储设备存储的车辆自身参数(罐体半径r、车体质量m净车、车体重心高度y净车、液罐底部距离地面高度h罐体。)、gis系统测得的弯道半径r、路面超高值ih、路面坡度值γ、车速v，然后计算液罐车在前方弯道处的临界侧翻速度；其整个系统运行流程如图1所示。

计算临界侧翻速度的原理如下：

汽车在没有超高的圆曲线上行驶时会产生离心力f，存在超高时汽车受到的平行路面的横向力为fh，路面横向倾角β可通过下式计算得到：

ih＝tanβ

其中，ih为弯道超高值，可通过gis模块存储的道路基础信息直接获得。

因为β值一般较小，所以取sinβ≈tanβ≈ih，cosβ-1，侧向加速度a可计算得到：

超高路面上液体倾斜角度正切值可计算得到：

其各角度值对应液罐车实际状态如图4所示。

整个横截面可由下述方法确定其重心位置：

液罐车体横截面重心在y方向上的位置y圆形可计算得到：

y圆形＝r

其中r为横截面半径，可根据车辆实际情况预先输入至ecu；

将罐内液体横截面拆分，截面下部扇形中心位置在y方向上的位置y下部扇形可计算得到：

其中c为扇形弦长，l为扇形弧长，可计算得到：

c＝2r×sinθ

l＝2r×θ

θ表示液面高度相关参数，可计算得到：

其中，h表示罐内液面高度，可通过车辆信息模块中布置于罐体内的罐内液面传感器测得。

截面上部扇形中心位置在y方向上的位置y上部扇形可计算得到：

截面三角形中心位置在y方向上的位置y三角形可计算得到：

通过重心计算公式可知，欲得到液罐车罐体内液体重心位置，需知道罐内液体横截面面积，其中整个罐体横截面圆形面积s圆形可计算得到：

s圆形＝πr²

由液面分割得到的图形中，扇形面积s扇形可计算得到：

s扇形＝θ·r²

由液面分割得到的图形中，三角形面积s三角形可计算得到：

假设液罐车处于不设超高的路面上，此时罐内液体的重心位置可根据几何关系得出。

液面高度大于罐体半径，即r<h<2r时，此时，罐内液体重心位置可计算到：

液面高度小于罐体半径，即0<h<r时，此时，罐内液体中心位置可计算得到：

当车辆行驶于具有超高路段的弯道时，由于转弯时产生的侧向加速度和路面超高的作用，其罐内液体绕液罐横截面转动，此时液体重心在x轴方向上的位置x′和y轴方向上的位置y′可计算得到：

x′＝(r-y)sinα

y′＝y+(r-y)(1-cosα)

其中，α表示液面相对于超高路面的倾斜角度，可通过gis系统给出。

带有超高路段液罐车罐内液体重心位置计算原理如图2所示。

液罐车在行驶过程中，车辆本身的加减速以及路面坡度也会对液体重心位置产生影响，计算液体重心修正系数如下，并且因为z方向的重心位置变化对侧翻产生的影响可以忽略，故仅考虑y方向的修正。

液罐车行驶时，因为实时车速v是不断变化的，所以在前进方向也会产生加速度，则前进加速度a前可计算得到：

其中，v0为上一时刻速度。

在忽略液面形状变化的条件下，设罐体的长度为l，没有前进加速度时罐内液体高度仍为h。罐内液体较少时，前进加速度引起的液面上升高度不会超过液罐的高度，如图5所示，为便于分析将液面简化成梯形。此时液体倾斜角度α可计算得到:

液体的液面增高值可计算得到：

δh1＝l·tanα

下列两种情况对应模型根据设置于罐体前后面上的液面传感器所测液面高度由车载电脑识别自动选择相应的计算模型，其原理如图5所示。

当罐内液体较少时，液体在y-z平面上横截面形心位置可由下述方法确定：

因为液体的量不变，所以截面的面积应和液面水平时相等，截面的面积s液体可计算得到：

其中液面较低侧的液面高度y1可计算得到：

取罐体纵截面形心o(zo,yo)为参照点，罐内液体在y-z横截面上的平面图形可分割为上部三角形和下部矩形，上部三角形形心y三角形和z三角形可计算得到：

下部矩形形心y矩形和z矩形可计算得到：

z矩形＝0

横截面面积可由三角形和矩形叠加得到，则三角形面积s三角形和矩形面积s矩形可计算得到：

利用形心公式，罐内液体在y-z平面上横截面的形心位置y2和z2可计算得到：

当罐内液体较多时，液体在y-z平面上横截面形心位置可由下述方法确定：截面的面积s液体可计算得到：

其中液面较低侧的液面高度y1可计算得到：

取罐体纵截面形心o(zo,yo)为参照点，罐内液体在y-z横截面上的平面图形可分割为上部三角形和下部矩形，上部三角形形心y三角形和z三角形可计算得到：

下部矩形形心y矩形和z矩形可计算得到：

y矩形＝0

z矩形＝0

横截面面积可由三角形和矩形叠加得到，则三角形面积s三角形和矩形面积s矩形可计算得到：

s矩形＝l·2r

利用形心公式，罐内液体在y-z平面上横截面的形心位置y2和z2可计算得到：

考虑道路纵断面坡度时液罐车罐内液体重心位置计算原理如图3所示。

加减速引起的修正系数δy1分别从两种情况进行讨论，液体中心位置修正系数δy1可计算得到：

当车辆处于上(下)坡路段时，整车重心位置可通过添加修正系数的方式得到。坡度引起的液体重心位置的修正系数δy2可计算得到：

δy2＝y3-h

其中，其中坡度值可表示为γ，此时液体形心位置可计算得到：

其中，y-z平面上横截面形心位置y三角形和y矩形、横截面中三角形面积s三角形、矩形面积s矩形可计算得到：

其中，液体液面较高侧液面增高值δh3、较低侧液面高度为y3可计算得到：

δh3＝l·tanγ

整车重心在x-y平面上的位置x整车和y整车可由力学方法计算得到：

其临界侧翻速度确定原理如图6所示。

车辆在设有超高的的圆曲线上行驶时，由于横向力的作用，可能使汽车绕外侧车轮触地点产生向外横向倾覆，即发生侧翻。临界状态为内侧车轮刚好离开地面，其支持力为零，重力和横向力关于外侧车轮触地点力矩平衡，，lg和lf分别表示重力的力臂lg和横向力的力臂lf可计算得到：

lf＝y整车

其中，b表示车辆轮距。

力矩平衡方程可表示为g·lg＝fh·lf，由力矩平衡方程，临界速度v0可计算得到：

计算完成后，侧翻临界速度判断模块对当前车速和临界车速进行比较，判断是否需要进行预警和控制。

车辆实时速度的增加会导致车辆横向离心加速度的增加，而车辆侧翻临界速度则随着车辆实时速度增加而减小，同一各参数均相同的液罐车的车辆侧翻临界速度受车辆实时速度影响。

预警模块读取侧翻临界速度判断模块产生的结果，若需要采取预警措施则预警装置启动。

主动控制模块读取侧翻临界速度判断模块产生的结果，若需要采取主动控制措施则通知ecu模块发送脉冲信号至发动机控制装置以完成相应自动减速操作，若车速超过临界侧翻速度则通过启动液压装置调节发动机制动及节气门开合度等措施控制车速至正常范围内。