西南山区道路汽车安全预警系统研究与开发

王茂辉　张攀锋

摘 要：文章主要对西南山区危险的坡路建模采集信息后储存在路侧装置中，研究对象为汽车在山区道路上的安全行驶预警系统，梳理出了影响西南山区道路交通安全因素。通过总结和研究交通事故预警的基本理论。反复查阅文献和研究相关理论，构建山区道路安全行驶预警系统和规则。并设计预警系统硬件系统、软件系统，并不断修正提高系统的稳定性和可靠性。

关键词：预警系统 可靠性 西南山区 汽车安全

1 研究目的

我国广袤的云贵川等地，海拔落差较大，雨水多地质遭受的冲刷较严重，因此交通事故发生的概率较高。西南地区[1]山势陡峭，坡和弯道相互结合、连续下坡和弯道的路段很多，以上路况均容易导致车辆侧翻、甩尾、侧滑、制动失灵等事故，特别偏远地区山路，交通服务水平相对较差。而且，西南山区公路有许多行驶方面的安全隐患。这些隐患影响形成安全，给人民生命和财产安全造成极大地不利影响。西南山区道路交通安全由人-车-路、环境、交通管理的相互协调程度来共同决定的，大部分情况下交通事故都是人为导致[2]，如超速、疲劳驾驶、酒驾，醉驾等，出现经济情况，驾驶人员躲闪不及，惊慌失措。以上导致驾驶危险的情形下，如果能够提前监测到危险状况，提前通知驾驶者，山区道路交通事故的发生的频率会大大降低。

从西南山区道路结构、山区行驶特点两方面出发，车辆、驾驶人员，周围环境等因素都会影响交通安全，车辆发生交通事故的概率可以定量评价，基于人-车-路协同耦合安全度理论建立的的模型，可以预测山区道路中行驶车辆的实时状况，将道路预警系统理论进行了丰富和延伸[3]；可以有效的解决交通事故中的问题，为尽快消除交通堵塞提供理论依据；对安全行驶理论提供强有力的指导。

把西南山区道路安全预警系统作为研究对象，极大增强在山区道路中驾驶员的警觉性、预判性，提高决策效率，增强山区道路中汽车行驶的安全性、通过性、科学性，提高车辆的感知度与融合度，提高山区道路运行的安全与稳定性；

2 课题研究内容与方法

我们采用先设计西南山区道路安全行驶预警系统研究与开发，主要分为路测模块和车载模块[4]两部分，如图1所示。本课题将根据以下整体架构设计对各个模块进行更加深入研究和开发。

该系统可根据车辆结构参数（如：轴距、轮距、制动器结构等）、车辆使用参数（如：行驶车速、使用档位、载重量及分布情况、制动器温度等）以及道路参数（如：道路的弯道半径及超差量、道路坡度及长度、路面状况等），通过车路耦合安全度模型[9]预测车辆的行驶安全性大小，及时向驾驶者预警，必要时自动实施车速和制动控制。该系统由车载装置（或：车载模块）和路侧装置（或：路侧模块）两大部分所组成。

（1）路侧装置是固定安装在交通事故易发路段之前的一定距离的道路旁的前方道路状态信息测定与发送装置。它的具体任务是实现检测道路环境参数，包括道路环境的温度，湿度，以及雨雪状况信息，此外还存储固定道路参数（横纵向坡度、坡长、弯道半径），将这些信息打包处理，通过控制无线模块[5]适时向外无线发送。

（2）车载装置是安装于每一辆车上的安全状态预测计算与控制装置。其功能是采集本车的运行与使用状态参数，接收路侧装置发送的前方道路、环境及路面状态参数，通过GPS接收模块确定本车位置和运动参数，借助于车联网模块确定前、后、左、右各个方向车辆的运行状态及参数和本车与它们之间的距离，从而计算本车运行的安全度大小，预测发生交通事故的可能性大小，必要时发出预警信号[6]。

3 控制系统硬件设计

本课题研究在以往的研究上，进一步细化探讨西南山区道路安全行驶预警模型，设计并研究出了预警系统硬件电路，机械安装支架，路侧端存储和发送信息、车载端接收路侧模块发来的存储信息，最后，每个模块的设计图和PCB板[7]都设计并实现功能调试。最后对软件系统及可靠性进行设计和校验，控制系统硬件设计如图2所示。

3.1 路侧装置

路侧装置为预警系统提供环境数据，主要的功能是采集山区道路中的温度，湿度，坡度等数据进行采集、处理和分析，其主要研究方向如下：

3.1.1 道路参数的获取与处理

本课题中道路数据是指和坡道、弯道的有关的数据，一般变化较小。可以在交通部门获取相关设计参数，也可以自行前往测量和标定[8]，可以获取相关的准确数据，以上数据转化为二进制的形式存储在路侧装置中央控制器芯片的ROM中，可以为预警模型的处理和计算提供数据支持。

3.1.2 道路环境数据获取、采集与处理

道路环境数据包含湿度，温度，天气，风力等自然环境中的因素，它们通常会影响山区道路行驶条件，主要会改变道路附着系数，可见光线，滚动阻力系数等。西南山区自然环境主要特点[9]是雨天多，弯道多，路面容易湿滑，海拔较高地区常年有积雪，对山区道路的安全行驶造成了较大的阻碍。所以，在研究西南山区行车安全时必须考虑以上自然环境对行驶安全的影响。不同路段的附着系数[10]、滚动阻力系数，受天气影响，晴天、雨天、下雪天都不相同，因此，西南山区道路行车安全预警系统的设计必须将天气因素考虑进去，作为前提才能使得预警系统更客观和稳定。

西南山区道路非常复杂，有些道路通过性较好，有些路段则相对危险，对于危险路段前后100米应当设立储存路段环境的装置（路侧装置），且设立醒目的提醒，装置[11]上安装有湿度，温度、雨雪等传感器，

山区道路标准值一般存储在路侧装置中，采集的各种环境数据经过计算处理后，标准值可以提前设定并存儲在路侧设备中，在不同行驶环境下对应的天气状况做对比。这样以来，随着天气变化提供给车载设备的环境数据随路侧装置变化而变化。西南山区路面平均附着系数[12]Φ、滚动阻力系数[10]f根据使用的材料不同而不同，具体变化如，表1、表2所示。

3.2 环境传感器的选择

雨雪传感器要求高灵度[13]，相应时间快，表面具有曲线感雨板，能自己加热，功耗比较低，输出的是开关量信号。其输出端有正负电源线和信号线共3根，下雨、下雪天气输出信号为高电平[14]，其他天气输出低电平，结合常用的温度和湿度传感器采集的数据来定性检测，确定准确的天气情况。

温度传感器根据温度敏感元件转换来表征温度数据，分辨率必须高，工作功耗和电流相对较低，操作简单，尺寸较小便于安装。工作中，温度传感器集成在道路参数无线发射模块上，可用来采集环境的温度。

湿度传感器要求体积小，不受水浸影响，响应速度快、重复性好，抗污染能力强，可靠性和稳定性好。低电压供电，传感器与控制器通过内部经线性放大直连。湿度信号与输出电压成比例，功耗低，无需避光，可防静电，浸湿后能够迅速恢复[15]。恒压供电，小电压信号与相对湿度呈比例关系。其输出电压U0与相对湿度HR之间的关系：

U0=1.1711+0.02377HR（1）

4 总结

（1）山区道路预警系统，它是一种主动安全预警系统，可以对道路交通环境比如天气，坡度，湿度等，车辆运行状况如加速度，怠速，减速等状态持续不断监测，同时，车辆在下坡过程中，监测汽车行驶中可能出现的异常行驶状态，对预期的危险后果[12]提前预警，提人为干预可以提前介入，人为并采取主动措施。对车辆的安全性、智能化提高了很多，大大地降低了山区道路交通事故发生的概率。

（2）本项目基于车路耦合的汽车山区行驶动力学模型为基础，建立行驶模型。训练和分析预警模型，采集车速、天气、坡度、湿度等数据，通过对应的算法进行计算，并且采用嵌入式主控芯片，极大提高了山区道路预警的安全性，智能性和实时性。

（3）该预警系统根据道路交通环境数据（比如：天气，坡度，湿度等），车辆运行状况（比如加速，怠速等）状态数据，结合以上参数，计算车辆预期到达的安全程度，预测车辆发生危险运行工况的概率，根据安全预警算法进行预警，控制汽车本身主动采取安全措施将危险降低到最低。

项目基金：2020年重庆工商职业学院项目（西南山区道路汽车安全预警系统研与开发NDYB2020-13）。

参考文献：

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