一种高速公路雨雾场景行车安全评估系统

本发明涉及智能交通技术领域，具体涉及一种高速公路雨雾场景行车安全评估系统。

背景技术：

高速公路是我国公路交通运输体系的主要命脉。近年来高速公路上交通事故频繁发生，尤其是雨雾等灾害天气引起的事故，已对高速公路上车辆运行的安全和效率产生了严重影响。雨雾天气会阻挡驾驶员视线，造成能见度下降，导致驾驶员心里紧张，同时雨雾天气大大降低了路面摩擦系数，使得车辆行驶稳定性下降。雨天环境还会产生“滑水现象”，使车辆失去控制，极易造成交通事故。

目前国内外现有的雨雾等灾害条件下交通管理主要集中在突发事件应急管理预案的制定与实施，多采用行政管理方式，致使其针对性不强，目的性不明确，同时对于雨雾环境中对于行车安全影响较大的路面摩擦系数的预估模型显得单一，使用范围狭窄。我国根据日本用于计算高速公路潮湿路面车辆停车距离的资料，使用最小二乘法，拟合得出了f-v确切的关系式，但是没有充分考虑到当降雨量较大时，路表水膜厚度的增加对路面摩擦系数的影响情况；在探究路面摩擦系数与水膜厚度之间的关系时，同时考虑了水膜厚度因素影响以及行车速度因素影响，但忽略了不同车型对于函数关系式确定过程中的影响。雨雾环境下，在降雨强度较大时，路面摩擦系数会因为滑水现象以及车型的不同而存在很大的差别。因此，如何建立合理的高速公路雨雾场景下路面摩擦系数模型，设置实时动态的高速公路安全限速系统，为不同情况下的行驶工况提供高可靠性的安全评估系统，用以预防高速公路雨雾场景下交通事故的发生，进而保证高速公路雨雾场景下行车安全和交通运行效率是目前有待解决的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是如何建立合理的高速公路雨雾场景下路面摩擦系数模型，设置实时动态的高速公路安全限速系统，为不同情况下的行驶工况提供高可靠性的安全评估系统，提供一种高速公路雨雾场景行车安全评估系统。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种高速公路雨雾场景行车安全评估系统，其特征在于，所述安全评估系统包括：路面摩擦系数预估模块，行车安全限速模型，联合仿真平台及安全等级评估模块；其中，

所述路面摩擦系数预估模块包括：

雨雾信息获取模块，通过路侧端传感器采集所述高速公路的雨雾信息并传送给所述雨雾信息获取模块；

水膜厚度预估模块，影响所述水膜厚度的因素包括：道路线形，路面构造深度，排水长度，路面坡度，降雨强度及雨滴末速度，构建各所述因素的非线性方程获取所述水膜厚度的实验权重和理论权重；

车辆信息模块，获取车辆的实时速度及车型信息；

路面摩擦系数影响因素模块，所述路面摩擦系数影响因素模块包括：路面构造特征，车辆运行参数，轮胎特性及环境影响因素的获取；

所述行车安全限速模型，根据所述雨雾信息获取模块，所述水膜厚度预估模块，所述车辆信息模块及所述路面摩擦系数影响因素模块的信息确定实时路面摩擦系数，并输入至所述行车安全限速模型对车辆进行限速提醒；

所述联合仿真平台，所述仿真平台获取所述行车安全限速模型的输出结果并同时获取所述路面摩擦系数预估模块的输出结果进行仿真及仿真后数据处理获取综合评价参数；

所述安全等级评估模块，包括评价指标选取模块，评价方法确定模块及仿真平台数据接收端，其中，仿真平台接收端接收所述联合仿真平台的所述综合评价参数，评价指标选取模块根据车辆操纵稳定性和驾驶员行驶舒适性对所述评价指标进行选取，评价方法确定模块选择综合评价函数并结合所述综合评价参数和经过标准化处理后的所述评价指标进行安全等级划分。

进一步地，所述雨雾信息获取模块将所述雨雾信息划分为：雾，小雨，中雨，大雨，暴雨；所述车型信息包括：小汽车，中型汽车。

较佳地，当所述雨雾信息为所述雾或所述大雨和所述暴雨时，所述行车安全限速模型选择基于停车视距的限速模型分析；当所述雨雾信息为所述小雨和所述中雨时，所述行车安全限速模型选择基于车辆滑水的限速模型分析。

较佳地，当所述雨雾信息为所述雾和所述小雨和所述中雨时，根据下述路面摩擦系数模型确定所述实时路面摩擦系数：

f＝2.35×10^-5v²-4.518×10^-3v+0.5086

其中，f为所述实时路面摩擦系数，v为车辆行驶速度。

较佳地，当所述雨雾信息为所述大雨和所述暴雨时，根据所述车型信息确定所述路面摩擦系数模型进而确定所述实时路面摩擦系数：

当为所述小汽车时：

f＝0.9458-0.0057v-0.0118h

当为所述中型汽车时：

f＝1.2517-0.0077v-0.016h

其中，f为所述实时路面摩擦系数，v为车辆行驶速度，h为所述水膜厚度。

更优地，根据理论分析和实验总结，所述水膜厚度h＝0.3h实验+0.7h理论，其中，0.3为所述实验权重，0.7为所述理论权重，h实验为实验水膜厚度，h理论为理论水膜厚度。

进一步地，所述车辆操纵稳定性方面的评价指标包括：侧向加速度，横摆角速度及轮胎荷载偏移率；所述驾驶员行驶舒适性的评价指标包括：横向力系数。

更优地，所述综合评价函数为：

其中，y为所述综合评价函数值，ay为所述侧向加速度，ω为所述横摆角速度，ltr为轮胎荷载偏移率，μ为横向力系数。

进一步地，所述联合仿真平台为carsim-simulink联合仿真平台，在所述carsim中对输入数据建模，仿真及动画演示，所述simulink获取所述carsim的输出数据并进行仿真后处理获取所述综合评价参数。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：所建立的高速公路雨雾场景下路面摩擦系数模型充分考虑了水膜厚度，行车速度及不同车型的影响，所述路面摩擦系数模型可适用场景范围广；本发明可对高速公路雨雾场景下行驶车辆的安全性进行实时准确的评估，针对性，目的性强。

附图说明

图1为本发明一种高速公路雨雾场景行车安全评估系统一实施例中的结构框图；

图2为本发明一种高速公路雨雾场景行车安全评估系统一实施例中的水膜厚度预估模块结构框图；

图3为本发明一种高速公路雨雾场景行车安全评估系统一实施例中的安全等级评估模块结构框图；

图4为本发明一种高速公路雨雾场景行车安全评估系统一实施例中的基于停车视距的高速公路行车安全条件分析图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示为本发明一种高速公路雨雾场景行车安全评估系统的结构框图，包括路面摩擦系数预估模块100，行车安全限速模型200，carsim-simulink联合仿真平台300及安全等级评估模块400。其中，路面摩擦系数预估模块100包括：雨雾信息获取模块101，水膜厚度预估模块102，车辆信息模块103及路面摩擦系数影响因素模块104。由于现今大部分的路面摩擦系数模型没有考虑到相应天气因素及车型的影响，使其只对一种天气(如雾天，小雨)有高可靠性效果，但不能兼顾到所有天气情况，本发明基于这个缺陷，总结出了一套可以满足于大部分不同天气情况(雾、小雨、中雨、大雨、暴雨)，不同车型(小汽车、中型汽车)的路面摩擦系数拟合公式，应用范围广，实用性强。

在一个示例中，通过路侧端传感器采集所述高速公路雨雾信息并传输至所述雨雾信息获取模块101，所述雨雾信息将分别按照降雨强度和能见度进行等级划分，雨天划分为无降水，小雨，中雨，大雨，暴雨五个等级，雾天划分为正常，轻雾，中等雾，大雾，浓雾五个等级，雨雾等级的划分为路面摩擦系数预估模型提供分类计算依据，进而提高安全限速模型的可靠度。雨雾情况如下表1所示：

表1

路面摩擦系数影响因素模块104包括：路面构造特征，车辆运行参数，轮胎特性及环境影响因素的获取。具体如下表2所示

表2

路面摩擦系数定义为驱动轮切向应力frmax与法向应力pg的比值，即f＝frmax/pg。其除与车辆轮胎特性及行驶速度有关外，还受到路面构造特征及路面环境因素的影响。表2为路面摩擦系数影响因素图。路面摩擦系数由于直接测量较为困难，其预估方法根据测试手段和测量参数的不同可以大致分为两类。第一类方法是通过测量一些对路面摩擦系数影响较大的因素及经验来预测轮胎/路面摩擦系数的大小，由于第一种方法所需传感器对工作环境要求十分苛刻，且成本非常高，难以大范围推广应用。第二类方法是通过测量由路面摩擦系数的变化在车身或轮胎上产生的运动响应(行驶速度)来估计轮胎/路面摩擦系数的大小，本文采用的是第二种方法。

路面摩擦系数预估模型为：

在小雨、中雨以及雾天的情况下，路面摩擦系数与行驶速度v的关系为，

f＝2.35×10^-5v²-4.518×10^-3v+0.5086

车辆在积水路面行驶，尤其高速行驶，积水很难从轮胎花纹中排出，因而水膜就会对轮胎产生较大压强导致轮胎与路面产生分离，此种现象称为滑水，滑水也分为完全滑水和部分滑水，部分滑水就是轮胎与路面没有完全分离，完全滑水则是完全分离，经调查雨天发生的大都是部分滑水。大雨和暴雨时，由于滑水现象，路面积水导致道路表面存在一层有一定厚度的水膜，使得轮胎变得光滑。在车轮的转动作用下，轮胎和路表面的接触面积不断减小，摩擦系数也随之减小。此时，对于不同车型，在不同水膜厚度h下路面摩擦系数和速度v的关系为，

子午线轮胎(小汽车)：

f＝0.9458-0.0057v-0.0118h

中型汽车轮胎：

f＝1.2517-0.0077v-0.016h

式中，f—路面摩擦系数；v—行驶速度(km/h)；h—水膜厚度(mm)。

其中，车辆信息模块103提供车辆的实时速度及车型信息，本发明将车辆分为小汽车和中型汽车。如图2所示，水膜厚度h由水膜厚度预估模块102提供，路表水膜厚度的数值对于路面摩擦系数的计算公式具有很大的影响。雨天环境下坡面上各点的水膜厚度影响因素1021包括：道路线形1021a，降雨强度1021e，排水长度1021c，路面坡度1021d，路面的构造深度1021b(水膜起始厚度)以及雨滴末速度1021f密切相关，且关系是非线性的。假定它们之间的关系为指数型，通过实验数据回归可得对应的非线性方程为：

h＝0.1258·l^0.6715·i^-0.3147·r^0.7786·td^0.7261

式中，h—路表水膜厚度(mm)；l—坡长(m)；i—坡度(％)；

r—降雨强度(mm/min)；td—路面构造深度(mm)。

运用水力学与水文学的有关原理，针对我国目前广泛采用的不透水路面形式，在路表径流的理论上，建立路表水膜厚度的理论研究模型。通过对模型的理论推导，得到关于路表水膜厚度的理论计算微分方程如下，

其中，

式中，h—路表水膜厚度(mm)；s—排水长度(m)；

i—横向坡度(％)；α—横向坡度角；

i—降雨强度(mm/min)；μ0—雨滴末速度，一般取为10m/s，β—雨滴下落与竖直方向夹角；h0—水膜起始厚度(mm)。

经过对国内外公式的对比分析，以及理论分析与实验总结出的公式的对比，如图2所示，本发明采用的水膜厚度预估模型1022采用理论研究模型1022a和实验回归模型1022b综合表示，其中实验权重定为0.3、理论权重定为0.7。

在一个示例中，如图1所示，所述路面摩擦系数预估模块100将实时路面摩擦系数传输至行车安全限速模型200中。如图1和图4所示，雨雾天气下高速公路行车安全限速模型：分为基于停车视距的安全限速模型和基于车辆滑水的安全限速模型。

a.基于停车视距的限速模型：

如图4所示，为雨雾天气下基于停车视距的高速公路行车安全条件分析图。汽车在高速公路上行驶时，为避免与前方的障碍物或车辆相撞，必须采取有效的制动措施。在制动期间，汽车会滑行一段距离，我们把这段距离称之为停车视距。在雨雾天时，为了使驾驶员能及时的发现前方障碍物并能及时的进行回避和刹车，保证把制动距离控制在能见度范围之内，就必须对车速进行合理的限制。假设前方车辆的行驶速度为v1，那么后车的行驶安全条件为：

s+s3＝s1+s2+s安

式中，s—路段的能见度(m)；

s1—后车从发现前车到采取制动措施所行驶的距离(m)；

s2—后车的制动距离(m)；

s3—前方车辆在被后车发现后直到后车停止行进所在时间段行驶的距离(m)；

s安—安全距离，为车辆停止后与障碍物的距离，一般为5～10m。

一般情况下，可以假设前方车辆已发生交通事故静止(或前方为障碍物)，那么后车的行驶安全条件即修改为，

s＝s1+s2+s安

识别行驶距离s1的大小主要是由总反应时间和后车的行驶速度决定的，而总反应时间的大小取决于驾驶员的反应时间和制动系统的迟滞时间，因此汽车在这一时间段内的行驶距离可以表示为，

s1＝v(t1+t2)/3.6

式中，t1—反应时间(s)，一般取1.5s；

t2—制动系统的迟滞时间(s)，一般取1.0s；

v—后车的行驶速度(km/h)。

制动距离s2为后车从开始制动到车速降至0时所滑行的距离。当车辆制动系统设计合理并能正常运行时，s2的大小是由地面和空气所提供的外力来决定的，但由于制动减速过程所受空气阻力甚小，因此可以忽略不计，实际上只有地面的制动力在起决定性的作用。下面，就制动距离进行相关分析。假设后车处于下坡状态，在此条件下，对其进行受力分析，根据牛顿定律，阻力加速度为：

式中，α—道路纵向坡度角(°)；

f—路面摩擦系数；

i—道路纵向坡度，i＝tanα；

由于α很小，在实际计算中，经常取cos≈1，sinα≈i≈0。

所以，制动距离为，

式中，i的符号取决于上下坡，上坡取“+”，下坡取“-”。

将s1、s2代入到s中，可以得到，后车以速度v行驶时，停车视距为，

停车视距是特定条件下的确定计算值，为使停车视距基本公式更具一般意义，可用视距来替换停车视距，实际视距受公路设计标准和大气能见度的限制，一般取公路设计标准所决定的停车视距和大气能见度两者中的较小值。如果将视距s和路面摩擦系数f视为约束条件，那么速度v就是它们的函数，可以表述为：v＝g(f，s)。v实际上表征特定设计标准的高速公路、在特定的视距和路面抗滑性能下，所允许的最高安全车速。

雨雾天气对行车安全的不利影响主要体现在环境能见度和湿滑路面状况。当前标准中给出的是天气和路面状况良好条件下的停车视距，而在雨雾等恶劣天气条件下，停车视距会增加，然而考虑到道路条件本身限制(所能提供的视距有限)，因此，需要考虑限制车速来适应不利气象条件。考虑到不利交通气象条件会对驾驶员生理、心理产生影响，驾驶员的反应时间会有所增加，为确保安全，将总反应时间增加至3.0s，同时采用10m的安全距离，将s进行变换，得到如下的最高安全车速v的计算公式：

b.基于车辆滑水的限速模型：

由于雨天环境下行车安全性比较复杂，中、小雨时，能见度在1000米以上，驾驶人的可视距离大于车辆的停车距离，采用基于停车视距的限速模型进行分析意义不大，行车安全性的下降主要是轮胎与路面间摩擦系数的减小，产生滑水现象，可采用车辆滑水模型进行限速；大、暴雨时视线能见度显著减小，基本路段与重点路段皆可按照基于停车视距的限速模型来分析(实际计算时的分界条件可定为雨天环境下的能见度与汽车当前行驶速度下的安全停车视距相等)。

临界滑水速度不仅与轮胎的气压有关，还与轮胎接地的长度和宽度有关，因此在之前的公式中考虑了轮胎接地长宽比这一因素，临界滑水速度模型选为，

式中，v—临界滑水速度(km/h)；

p—轮胎气压，kpa；

w—胎面宽度(m)，l—轮胎接地长度(m)。

在一个示例中，如图1所示，carsim-simulink联合仿真平台300获取所述行车安全限速模型200和所述路面摩擦系数预估模块100的输出结果进行仿真和仿真后数据处理。carsim是一款车辆动力学仿真软件，可以仿真车辆对驾驶员、路面及空气动力学输入的响应，并可以进行行驶动画演示输出，主要用来预测和仿真车辆操纵稳定性、平顺性、制动性，被广泛地应用于现代车辆控制系统的开发。但是由于carsim软件中无法对输出数据进行相应计算处理，导致无法在carsim软件中直接输出得到综合评价参数，需要借助于carsim导出变量，在simulink平台进行数据处理，以得到最后的综合评价参数。所以本发明采用carsim软件为仿真平台，以simulink为数据后处理平台，构建相应的车辆仿真模型、驾驶员仿真模型及道路仿真模型，以达到相关安全限速系统开发及安全性验证的目的。

高速公路交通事故的发生是人、车、路、环境等因素综合作用的结果，综合性评价即是应用定量方法对指标信息进行提炼，通过综合分析获得优劣等级的一种评价方法。图3是安全等级评估模块400的结构框图，其中包括评价指标选取模块401，评价方法确定模块402，仿真平台数据接收端403及安全等级划分404，所述评价指标选取模块401包括侧向加速度401a，横摆角速度401b，轮胎荷载偏移率401c及横向力401d。所述安全等级评估模块400中的仿真平台数据接收端403接收carsim-simulink联合仿真平台的综合评价参数，并结合评价方法确定模块402确定的综合评价函数及经过标准化处理后的各评价指标值对行车安全进行安全等级划分。

(1)评价指标选择

车辆行驶稳定性是指车辆在行驶过程中，在外部因素作用下汽车尚能保持正常行驶状态和方向，不致失去控制而产生滑移、倾覆等现象的能力，而对车辆行驶稳定性主要从其操纵稳定性方面进行考虑。车辆操纵稳定性不仅影响驾驶员的可操纵性，同时对驾驶员的心理也会造成影响，是影响车辆安全性的重要因素之一。

本文运用客观评价法，即主要是通过表征车辆性能的物理参量来进行评价。根据车辆运动坐标系，分别在x、y、z三个方向各选取一个指标用于车辆操纵稳定性的评价。三个指标分别为：侧向加速度ay，横摆角速度ω，轮胎ltr(loadtransferrate，荷载偏移率)。

此外，本文另从驾驶员行驶舒适性方面，选取横向力系数μ作为安全性评价的指标。横向力系数μ是一个与车辆行驶速度、圆曲线半径及超高等因素有关的参数，可以比较全面、可靠地覆盖影响驾驶员行驶舒适性的因素。横向力系数越大驾驶员舒适性越差，当横向力系数超过一定值时，驾驶员行驶的紧张程度和不舒适性增加明显，它的大小能够较好地反映驾驶员的舒适特性。

(2)评价体系构建

选取动态综合评价法进行各指标的综合评价。车辆操纵稳定性和驾驶员行驶舒适性都能侧面反映出车辆行驶的安全性，本发明运用动态综合评价法对选取的四个评价指标进行综合求解，期望以一个综合评价值来反映车辆整体的运行安全状况。

在评价前需对四个指标进行预处理。由于上述四个指标均为逆指标，所以无需进行逆处理，采用“极值法”进行标准化处理。预处理之后，选取综合评价函数，计算公式如下，

式中，各个指标值均为标准化处理后的数值。

最后，根据综合评价函数的阈值来进行安全等级的划分，将车辆行驶安全性分为优良中差四个等级。

本发明依托浙江文泰高速公路工程，对整段文泰高速公路提取四个典型路段进行道路仿真，表3是典型路段的桩号图。基于carsim-simulink平台，在不同道路模型，不同速度下进行行车安全性的评价。其中，桩号栏中k1，k2，k3，k4为不同路段桩号，超高栏中为路段横断面上设置的外侧高于内侧的单向横坡的百分比，最大纵坡栏中的-0.7/5680表示道路水平方向经过5680米，纵向方下降0.7米。

表3

本发明对不同道路线形下均充分考虑了水膜厚度，行车速度及不同车型的影响，适用场景范围广，可对高速公路雨雾场景下行驶车辆的安全性进行实时准确的评估，针对性，目的性强。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。