西南山區道路汽車安全預警系統研究與開發

王茂輝　張攀鋒

摘 要：文章主要對西南山區危險的坡路建模采集信息后儲存在路側裝置中，研究對象為汽車在山區道路上的安全行駛預警系統，梳理出了影響西南山區道路交通安全因素。通過總結和研究交通事故預警的基本理論。反復查閱文獻和研究相關理論，構建山區道路安全行駛預警系統和規則。并設計預警系統硬件系統、軟件系統，并不斷修正提高系統的穩定性和可靠性。

關鍵詞：預警系統 可靠性 西南山區 汽車安全

1 研究目的

我國廣袤的云貴川等地，海拔落差較大，雨水多地質遭受的沖刷較嚴重，因此交通事故發生的概率較高。西南地區[1]山勢陡峭，坡和彎道相互結合、連續下坡和彎道的路段很多，以上路況均容易導致車輛側翻、甩尾、側滑、制動失靈等事故，特別偏遠地區山路，交通服務水平相對較差。而且，西南山區公路有許多行駛方面的安全隱患。這些隱患影響形成安全，給人民生命和財產安全造成極大地不利影響。西南山區道路交通安全由人-車-路、環境、交通管理的相互協調程度來共同決定的，大部分情況下交通事故都是人為導致[2]，如超速、疲勞駕駛、酒駕，醉駕等，出現經濟情況，駕駛人員躲閃不及，驚慌失措。以上導致駕駛危險的情形下，如果能夠提前監測到危險狀況，提前通知駕駛者，山區道路交通事故的發生的頻率會大大降低。

從西南山區道路結構、山區行駛特點兩方面出發，車輛、駕駛人員，周圍環境等因素都會影響交通安全，車輛發生交通事故的概率可以定量評價，基于人-車-路協同耦合安全度理論建立的的模型，可以預測山區道路中行駛車輛的實時狀況，將道路預警系統理論進行了豐富和延伸[3]；可以有效的解決交通事故中的問題，為盡快消除交通堵塞提供理論依據；對安全行駛理論提供強有力的指導。

把西南山區道路安全預警系統作為研究對象，極大增強在山區道路中駕駛員的警覺性、預判性，提高決策效率，增強山區道路中汽車行駛的安全性、通過性、科學性，提高車輛的感知度與融合度，提高山區道路運行的安全與穩定性；

2 課題研究內容與方法

我們采用先設計西南山區道路安全行駛預警系統研究與開發，主要分為路測模塊和車載模塊[4]兩部分，如圖1所示。本課題將根據以下整體架構設計對各個模塊進行更加深入研究和開發。

該系統可根據車輛結構參數（如：軸距、輪距、制動器結構等）、車輛使用參數（如：行駛車速、使用檔位、載重量及分布情況、制動器溫度等）以及道路參數（如：道路的彎道半徑及超差量、道路坡度及長度、路面狀況等），通過車路耦合安全度模型[9]預測車輛的行駛安全性大小，及時向駕駛者預警，必要時自動實施車速和制動控制。該系統由車載裝置（或：車載模塊）和路側裝置（或：路側模塊）兩大部分所組成。

（1）路側裝置是固定安裝在交通事故易發路段之前的一定距離的道路旁的前方道路狀態信息測定與發送裝置。它的具體任務是實現檢測道路環境參數，包括道路環境的溫度，濕度，以及雨雪狀況信息，此外還存儲固定道路參數（橫縱向坡度、坡長、彎道半徑），將這些信息打包處理，通過控制無線模塊[5]適時向外無線發送。

（2）車載裝置是安裝于每一輛車上的安全狀態預測計算與控制裝置。其功能是采集本車的運行與使用狀態參數，接收路側裝置發送的前方道路、環境及路面狀態參數，通過GPS接收模塊確定本車位置和運動參數，借助于車聯網模塊確定前、后、左、右各個方向車輛的運行狀態及參數和本車與它們之間的距離，從而計算本車運行的安全度大小，預測發生交通事故的可能性大小，必要時發出預警信號[6]。

3 控制系統硬件設計

本課題研究在以往的研究上，進一步細化探討西南山區道路安全行駛預警模型，設計并研究出了預警系統硬件電路，機械安裝支架，路側端存儲和發送信息、車載端接收路側模塊發來的存儲信息，最后，每個模塊的設計圖和PCB板[7]都設計并實現功能調試。最后對軟件系統及可靠性進行設計和校驗，控制系統硬件設計如圖2所示。

3.1 路側裝置

路側裝置為預警系統提供環境數據，主要的功能是采集山區道路中的溫度，濕度，坡度等數據進行采集、處理和分析，其主要研究方向如下：

3.1.1 道路參數的獲取與處理

本課題中道路數據是指和坡道、彎道的有關的數據，一般變化較小。可以在交通部門獲取相關設計參數，也可以自行前往測量和標定[8]，可以獲取相關的準確數據，以上數據轉化為二進制的形式存儲在路側裝置中央控制器芯片的ROM中，可以為預警模型的處理和計算提供數據支持。

3.1.2 道路環境數據獲取、采集與處理

道路環境數據包含濕度，溫度，天氣，風力等自然環境中的因素，它們通常會影響山區道路行駛條件，主要會改變道路附著系數，可見光線，滾動阻力系數等。西南山區自然環境主要特點[9]是雨天多，彎道多，路面容易濕滑，海拔較高地區常年有積雪，對山區道路的安全行駛造成了較大的阻礙。所以，在研究西南山區行車安全時必須考慮以上自然環境對行駛安全的影響。不同路段的附著系數[10]、滾動阻力系數，受天氣影響，晴天、雨天、下雪天都不相同，因此，西南山區道路行車安全預警系統的設計必須將天氣因素考慮進去，作為前提才能使得預警系統更客觀和穩定。

西南山區道路非常復雜，有些道路通過性較好，有些路段則相對危險，對于危險路段前后100米應當設立儲存路段環境的裝置（路側裝置），且設立醒目的提醒，裝置[11]上安裝有濕度，溫度、雨雪等傳感器，

山區道路標準值一般存儲在路側裝置中，采集的各種環境數據經過計算處理后，標準值可以提前設定并存儲在路側設備中，在不同行駛環境下對應的天氣狀況做對比。這樣以來，隨著天氣變化提供給車載設備的環境數據隨路側裝置變化而變化。西南山區路面平均附著系數[12]Φ、滾動阻力系數[10]f根據使用的材料不同而不同，具體變化如，表1、表2所示。

3.2 環境傳感器的選擇

雨雪傳感器要求高靈度[13]，相應時間快，表面具有曲線感雨板，能自己加熱，功耗比較低，輸出的是開關量信號。其輸出端有正負電源線和信號線共3根，下雨、下雪天氣輸出信號為高電平[14]，其他天氣輸出低電平，結合常用的溫度和濕度傳感器采集的數據來定性檢測，確定準確的天氣情況。

溫度傳感器根據溫度敏感元件轉換來表征溫度數據，分辨率必須高，工作功耗和電流相對較低，操作簡單，尺寸較小便于安裝。工作中，溫度傳感器集成在道路參數無線發射模塊上，可用來采集環境的溫度。

濕度傳感器要求體積小，不受水浸影響，響應速度快、重復性好，抗污染能力強，可靠性和穩定性好。低電壓供電，傳感器與控制器通過內部經線性放大直連。濕度信號與輸出電壓成比例，功耗低，無需避光，可防靜電，浸濕后能夠迅速恢復[15]。恒壓供電，小電壓信號與相對濕度呈比例關系。其輸出電壓U0與相對濕度HR之間的關系：

U0=1.1711+0.02377HR（1）

4 總結

（1）山區道路預警系統，它是一種主動安全預警系統，可以對道路交通環境比如天氣，坡度，濕度等，車輛運行狀況如加速度，怠速，減速等狀態持續不斷監測，同時，車輛在下坡過程中，監測汽車行駛中可能出現的異常行駛狀態，對預期的危險后果[12]提前預警，提人為干預可以提前介入，人為并采取主動措施。對車輛的安全性、智能化提高了很多，大大地降低了山區道路交通事故發生的概率。

（2）本項目基于車路耦合的汽車山區行駛動力學模型為基礎，建立行駛模型。訓練和分析預警模型，采集車速、天氣、坡度、濕度等數據，通過對應的算法進行計算，并且采用嵌入式主控芯片，極大提高了山區道路預警的安全性，智能性和實時性。

（3）該預警系統根據道路交通環境數據（比如：天氣，坡度，濕度等），車輛運行狀況（比如加速，怠速等）狀態數據，結合以上參數，計算車輛預期到達的安全程度，預測車輛發生危險運行工況的概率，根據安全預警算法進行預警，控制汽車本身主動采取安全措施將危險降低到最低。

項目基金：2020年重慶工商職業學院項目（西南山區道路汽車安全預警系統研與開發NDYB2020-13）。

參考文獻：

[1]師艷娟，葉建明，張三川.基于毫米波雷達的汽車前防撞預警系統設計[J/OL].鄭州大學學報（工學版）：1-6[2021-03-24].

[2]任倩，馬宇超，孟春雷，高龍.基于多元數據融合的道路交通氣象預報預警系統的研究與設計[J].公路交通科技（應用技術版），2020，16（10）：360-361+387.

[3]陳媛媛，楊良義，張強，李藝.車道偏離預警系統開放道路測試評價方法研究[J].重慶理工大學學報（自然科學），2020，34（08）：63-69+94.

[4]呂旭君.狹窄道路雙向行車預警系統及其應用[J].黃金，2020，41（07）：54-56.

[5]李洪奇，周倩倩，辛盈，劉艷芳，趙艷紅.城市道路交通事故預警系統[J].計算機工程與設計，2020，41（06）：1779-1786.

[6]韓樹河，王潔松，朱云峰.基于大數據及NB-IoT的農村道路交通安全監測與預警平臺的設計[J].無線互聯科技，2019，16（21）：47-49.

[7]李宇航，李高越，郭雅嘉，王倩，姚鵬飛.基于道路基礎結構的車道偏移預警系統闡述[J].南方農機，2019，50（13）：242.

[8]周運彬.基于SuperMap iObjects的蘭州市道路地下安全預警系統的設計與實現[J].城市勘測，2018（S1）：196-199.

[9]詹慧貞.基于激光雷達的車輛變道預警系統研究[J].激光雜志，2018，39（05）：168-171.

[10]金浙，張帥，閆豐雨.基于機器視覺的直行車道路偏離預警系統設計[J].汽車工程師，2018（02）：19-21+52.

[11]鄭曉鴻.基于ITS的道路交通事故預警系統設計[J].科技視界，2017（10）：56.

[12]曾宇. 基于車聯網的高速公路安全預警系統設計[D].西安：長安大學，2017.

[13]尹麒煥. 基于多參數的道路結冰安全預警系統研究[D].武漢：武漢工程大學，2016.

[14]常婧. 結構化道路中車道偏離預警系統研究[D].大連：大連理工大學，2016.

[15]廖小平.邊坡安全自動監測預警系統的設計[J].土工基．