CN106991828A - 一种实时多变量桥上行车限速控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种实时多变量桥上行车限速控制系统及其控制方法。该控制系统包括车辆检测器、监测设备、电子显示屏和计算机。该控制系统利用检测设备获取实时天气特征参数，根据各类天气状态，自动调整道路限速值，并通过桥端的电子显示屏将限速信息发布。该控制系统的控制方法包括采集车型信息及气象数据、将车型信息和气象数据传输至计算机、计算限速值和电子显示屏显示限速值等步骤。该控制系统减少了交通事故概率，保证桥上交通安全的同时提高桥梁运营车辆的能力，克服了现有桥梁限速值固定不变的缺陷与不足，具有实际的工程运用价值。

Description

一种实时多变量桥上行车限速控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及交通控制领域，特别涉及一种行车限速控制系统及其控制方法。

背景技术

车辆运行速度对交通的效率和安全有极大的影响，如果车辆运行速度过高,在不良天气下，桥上车辆会发生侧翻，侧滑，追尾等事故，危险性增加。

我国桥梁建设快速发展，大型、特大型桥梁数量激增。然而，我国并没有针对于桥梁专门设计的车辆限速系统。为了遏制交通事故的高发态势，桥梁上通常设置一系列静态标牌或可变限速标志。静态标牌虽然保证了安全，但造成了在桥梁两端车辆拥堵的状况。现有可变限速标志需要通过人为进行输入和调节，不能够针对桥上的实时状况进行迅速准确的调节。

又因为大跨度桥梁趋近于柔性结构，桥上车辆受风荷载和其它不良天气影响程度要远大于普通道路，普通道路限速控制系统并不适用。

因此，提供一种实时多变量桥上行车限速控制系统及其控制方法，将桥上车辆运行的速度控制在合理的动态范围内,对交通流的畅通运行有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种可根据实际状况计算合理限速值的桥上行车限速控制系统，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种实时多变量桥上行车限速控制系统，包括若干车辆检测器、若干监测设备、电子显示屏和计算机。

所述车辆检测器和监测设备均沿桥梁长度方向上间隔设置。所述电子显示屏设置在桥梁两端。所述车辆检测器、监测设备和电子显示屏均与计算机相连。

工作时，所述车辆检测器实时采集桥梁跨度范围内的车型信息，所述监测设备实时监测桥梁跨度范围内的气象数据。其中，所述气象数据包括降雨信息、风力风向信息和能见度。所述计算机周期采集气象数据和车型信息，计算安全限速值并控制电子显示屏显示安全限速值。

本发明还公开一种关于上述控制系统的控制方法，包括以下步骤：

1)车辆检测器实时采集桥梁跨度范围内的车型信息，监测设备实时监测桥梁跨度范围内的气象数据。其中，所述气象数据包括降雨量R、能见度距离L_J、平均风速U_m、脉动风速U_v和风偏角ψ。

2)按周期T将车型信息和气象数据传输至计算机。其中，所述周期T(min)根据桥梁长度和桥梁所在地区实际情况确定。

3)计算机接收车型信息和气象数据后，根据预设的计算准则分析计算得出能见度限速值v₁、降雨限速值v₂和风力限速值v₃。其中，计算准则如下：

(a)按公式(1)求解得出能见度限速值v₁：

L₁(t₀)+L₂(t_z)-L₃(t₀+t_z)＝L_J (1)

式中，L₁为制动反应距离(m)，L₁＝v₁t₀。L₂为制动距离(m)，L₃为前方车辆在后车制动并停止前行驶的距离(m)，L₃＝v₁t₀+v₁t_z。L_J为能见度距离(m)，由监测设备测得。其中，v₁为能见度限速值(m/s)。t₀为制动反应时间(s)，t_z为制动时间(s)，均根据当地交通部门的相关规定确定。t₀₁为制动增长时间(s)，取0.2s或根据当地交通部门的相关规定确定。a_max为最大制动减速度(m/s²)，取3.4m/s²或根据当地交通部门的相关规定确定。

(b)按公式(2)计算得到降雨限速值v₂：

v₂＝96.84H_s ^-0.259 (2)

式中，H_s为水膜厚度(mm)，H_s＝0.1256·L_u ^0.6715·i^-0.3147·R^0.7786·TD^0.7261。其中，L_u为桥梁坡长(m)。i为桥梁坡度(％)。R为降雨量(mm/h)，由监测设备测得。TD为桥梁表面构造深度(mm)。

(c)求解风力限速值v₃：

根据车型信息和风偏角ψ，调用车辆参数及车辆气动力系数。调用桥梁信息。根据达朗贝尔原理建立车辆运动方程。通过车辆运动方程分别求解侧翻限速值v_cf，侧滑限速值v_ch和偏转限速值v_pz。比较三者的大小，将最小值赋予v₃。

4)将步骤3)中得出的3个限速值v₁、v₂和v₃进行比较，取其中最低的限速值作为当前桥梁的安全限速值v。

5)计算机控制桥两端的电子显示屏显示步骤4)所述的安全限速值v。

6)进入下一个周期，重复步骤1)～5)。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.控制系统可根据实际状况计算合理的限速值；

B.控制系统在保证安全性的同时使桥梁上运营车流量的能力加大，缓解了交通压力；

C.检测间隔可以根据桥梁长度和桥梁所在地区的特殊环境进行调节，加大了系统的适用性。

附图说明

图1为控制系统结构示意图；

图2为控制方法流程图；

图3为风力限速值计算流程图；

图4为车辆气动力示意图；

图5为两轴车简化模型Ⅰ；

图6为两轴车简化模型Ⅱ；

图7为三轴车简化模型Ⅰ；

图8为三轴车简化模型Ⅱ。

图中：车辆检测器1、监测设备2、电子显示屏3、计算机4。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开一种实时多变量桥上行车限速控制系统，包括车辆检测器1、监测设备2、电子显示屏3和计算机4。

参见图1，所述车辆检测器1沿桥梁长度方向上间隔设置。所述监测设备2根据桥梁长度和桥梁所在地区的实际情况，按照合理的间距布置在桥上。所述电子显示屏3设置在桥梁两端，方便及时向通过桥梁的驾驶员发布信息。所述车辆检测器1、监测设备2和电子显示屏3均与计算机4相连。

工作时，所述车辆检测器1实时采集桥梁跨度范围内的车型信息，所述监测设备2实时监测桥梁跨度范围内的气象数据。其中，所述气象数据包括降雨信息、风力风向信息和能见度。所述计算机4周期采集气象数据和车辆参数，执行预设算法计算安全限速值并控制电子显示屏3显示与当前环境相适应的安全限速值。

实施例2：

本实施例公开一种关于实施例1所述控制系统的控制方法，参见图2，包括以下步骤：

1)车辆检测器1实时采集桥梁跨度范围内的车型信息，监测设备2实时监测桥梁跨度范围内的气象数据。其中，所述气象数据包括降雨量R、能见度距离L_J、平均风速U_m、脉动风速U_v和风偏角ψ。

2)按周期T将车型信息和气象数据传输至计算机4。其中，所述周期T(min)根据桥梁长度和桥梁所在地区实际情况确定。

3)计算机4接收车型信息和气象数据后，根据预设的计算准则分析计算得出能见度限速值v₁、降雨限速值v₂和风力限速值v₃。其中，计算准则如下：

(a)按公式(1)求解得出能见度限速值v₁：

L₁(t₀)+L₂(t_z)-L₃(t₀+t_z)＝L_J (1)

式中，L₁为制动反应距离(m)，L₁＝v₁t₀。L₂为制动距离(m)，L₃为前方车辆在后车制动并停止前行驶的距离(m)，L₃＝v₁t₀+v₁t_z。L_J为能见度距离(m)，由监测设备2测得。其中，v₁为能见度限速值(m/s)。t₀为制动反应时间(s)，t_z为制动时间(s)，均根据当地交通部门的相关规定确定。t₀₁为制动增长时间(s)，取0.2s或根据当地交通部门的相关规定确定。a_max为最大制动减速度(m/s²)，取3.4m/s²或根据当地交通部门的相关规定确定。

(b)按公式(2)计算得到降雨限速值v₂：

v₂＝96.84H_s ^-0.259 (2)

式中，H_s为水膜厚度(mm)，H_s＝0.1256·L_u ^0.6715·i^-0.3147·R^0.7786·TD^0.7261。其中，L_u为桥梁坡长(m)。i为桥梁坡度(％)。R为降雨量mm/h，由监测设备2测得。TD为桥梁表面构造深度mm。

(c)求解风力限速值v₃：

参见图3，根据车型信息和风偏角ψ，调用车辆参数及与风偏角相关的车辆气动力系数。

参见图4，在SAE标准坐标系中，车辆气动力六分量包括沿车辆轴线方向上的气动阻力F_D和侧倾力矩M_R、竖直方向上的气动升力F_L和横摆力矩M_Y以及水平方向与轴线方向垂直的气动侧力F_S和俯仰力矩M_P。作用在运行车辆的风载荷包含静力效应和动力效应。采用Baker拟静力车辆风载荷模型。假定风速U_m垂直于桥梁纵轴，车辆以恒定速度U_V向前行驶，则车辆和风速之间的相对速度U_R及风速偏角ψ可表示为：

式中，u(x，t)为t时刻的脉动风速，

则作用在车辆上的风载效应为：

式中:C_D(ψ)为车辆阻力系数，C_L(ψ)为车辆升力系数，C_S(ψ)车辆侧向力系数，C_R(ψ)为车辆侧倾力矩系数，C_Y(ψ)为车辆横摆力矩系数，C_P(ψ)为车辆俯仰力矩系数，ρ为空气密度，A_f为车辆迎风面面积，h_v为车体质心至桥面的高度。其中，不同车型在不同风偏角下的气动力系数事先已经通过车辆模型风洞试验或数值模拟的方式获得，仅需计算机4根据车型信息和风偏角ψ即可调用。

以小轿车、厢式货车和小客车类型的汽车为例，计算机4根据车型信息可调用表格中的各项车辆参数。其中，小轿车辆参数参见表1，厢式货车车辆参数参见表2，小客车车辆参数参见表3。

表1

表2

表3

在本实施例中，车辆被模拟为刚体、弹簧、阻尼器和连接点所组成的系统。车体运动有横移、沉浮、侧滚、点头和摇头5个自由度，每一个车轮具有竖向移动和横向移动2个互不相干的自由度。当车辆沿直线桥匀速行驶时，刚体沿线路方向的振动对桥梁横向和竖向的振动几乎没影响，因此可以被忽略。

参见图5和图6，以两轴车辆为例，车辆总的自由度数为17，用向量可表示为：考虑各个方向的惯性力，根据达朗贝尔原理建立的整个车辆五个方向的运动方程。

车体Y方向的运动方程：

车体Z方向的运动方程：

车体绕X轴转动方程：

车体绕Y轴转动方程：

车体绕Z轴转动方程：

前轴左侧车轮刚体在Z方向的运功平衡方程：

前轴左侧车轮刚体在Y方向的运功平衡方程：

后轴左侧车轮刚体在Z和Y方向的运功平衡方程：

后轴左侧车轮刚体在Z和Y方向的运功平衡方程：

前轴右侧车轮刚体在Z方向的运功平衡方程：

前轴右侧车轮刚体在Y方向的运功平衡方程：

后轴右侧车轮刚体在Z方向的运功平衡方程：

后轴右侧车轮刚体在Y方向的运功平衡方程：

式中：Z_ci(i＝1,2,…,4)为第i个轮胎与路面接触处的路面粗糙度，一般情况下假定路面粗糙度不会使车辆产生跳车现象，在该假定情况下，可以得到任何一个接触点的竖向加速度、速度及竖向位移：

式中：U_v为车辆速度(m/s)。a_V为车辆加速度(m²/s)。r_ci(x)为相应于第i个接触点处的路面粗糙度(m)。

在上述车辆运动方程中共包含了五部分参数。具体:

A)位移参数：

四个车轮共有自由度分别为：Z_s1,Y_s1,Z_s2,Y_s2,Z_s3,Y_s3,Z_s4,Y_s4，侧向独立自由度：Y_c1,Y_c2,Y_c3,Y_c4，五自由度车体：

B)质量参数：

17自由度车辆体系质量及质量惯性矩参数定义为，四个车轮：M_s1,M_s2,M_s3,M_s4，车轮和路面接触处的质量：M_c1,M_c2,M_c3,M_c4，车体：M_v,J_xv,J_yv,J_zv。其中，M，J—表示构件的质量及质量矩。下标x,y,z依次表示横轴方向、纵轴方向及竖向。

C)几何参数：

车辆系统模型各构件与阻尼元件和弹簧空间相对位置几何尺寸。后轴到车体质心的距离L₁，前轴到车体质心处的距离L₂，横向车轮一半距离b₁，车体质心和横向弹簧上间的距离h₁，车体质心到离地面高度h_v。

D)刚度参数：

两轴悬挂车辆模型刚度参数为包含两部分，上悬挂体系和下悬挂体系，u表示上悬挂系统，l表示下悬系统。上悬挂体系，K_uz1，K_uz2，K_uz3，K_uz4，K_uy1，K_uy2，K_uy3，K_yu4。下悬挂体系，K_lz1，K_lz2，K_lz3，K_lz4，K_ly1，K_ly2，K_ly3，K_ly4。

E)阻尼参数：

与悬挂系统对应刚度参数阻尼参数为，上悬挂系统C_uz1，C_uz2，C_uz3，C_uz4，C_uy1，C_uy2，C_uy3，C_yu4。下悬挂体系，C_lz1，C_lz2，C_lz3，C_lz4，C_ly1，C_ly2，C_ly3，C_ly4。

通过求解车辆运动方程，可得出每一刻车体的在各个自由度所受的力和位移。根据Baker的车辆安全准则，当车辆在风力作用的0.5s时间间隔内，迎风侧的任意一个车轮与地面的接触力为0，认为车辆发生侧翻事故，输出此时的侧翻限速值v_cf。当车辆在受到风力作用后0.5s内，车辆质心的横向位移大于0.5m，认为车辆发生侧滑事故，输出此时的侧滑限速值v_ch。当车辆在受到风力作用后0.5s内，如果车辆质心的偏转角度超过了0.2rad，则认为该风速或者该车速下车辆发生偏转事故,输出此时的偏转限速值v_pz。

值得说明的是，参见图7和8，车辆模型为三轴六轮时，看作由车体和6个车轮共7个刚体组成，总自由度为23，可用向量表示为：

其中Y_c1,Y_c2,Y_c3,Y_c4,Y_c5,Y_c6为每个车轮的侧向位移。根据达朗贝尔原理建立车辆运动方程。同样可通过车辆运动方程分别求解侧翻限速值v_cf，侧滑限速值v_ch和偏转限速值v_pz。

4)将步骤3)中得出的3个限速值v₁、v₂和v₃进行比较，取其中最低的限速值作为当前桥梁的安全限速值v。

5)计算机4控制桥两端的电子显示屏3显示步骤4)所述的安全限速值v。

6)进入下一个周期，重复步骤1)～5)。

Claims (2)

1.一种实时多变量桥上行车限速控制系统，其特征在于，包括若干车辆检测器(1)、若干监测设备(2)、电子显示屏(3)和计算机(4)；

所述车辆检测器(1)和监测设备(2)均沿桥梁长度方向上间隔设置；所述电子显示屏(3)设置在桥梁两端。所述车辆检测器(1)、监测设备(2)和电子显示屏(3)均与计算机(4)相连；

工作时，所述车辆检测器(1)实时采集桥梁跨度范围内的车型信息，所述监测设备(2)实时监测桥梁跨度范围内的气象数据；其中，所述气象数据包括降雨信息、风力风向信息和能见度；所述计算机(4)周期采集气象数据和车型信息，计算安全限速值并控制电子显示屏(3)显示安全限速值。

2.一种关于权利要求1所述控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)车辆检测器(1)实时采集桥梁跨度范围内的车型信息，监测设备(2)实时监测桥梁跨度范围内的气象数据；其中，所述气象数据包括降雨量R、能见度距离L_J、平均风速U_m、脉动风速U_v和风偏角ψ；

2)按周期T将车型信息和气象数据传输至计算机(4)；其中，所述周期T(min)根据桥梁长度和桥梁所在地区实际情况确定；

3)计算机(4)接收车型信息和气象数据后，根据预设的计算准则分析计算得出能见度限速值v₁、降雨限速值v₂和风力限速值v₃；其中，计算准则如下：

(a)按公式(1)求解得出能见度限速值v₁：

L₁(t₀)+L₂(t_z)-L₃(t₀+t_z)＝L_J (1)

式中，L₁为制动反应距离(m)，L₁＝v₁t₀；L₂为制动距离(m)，L₃为前方车辆在后车制动并停止前行驶的距离(m)，L₃＝v₁t₀+v₁t_z；L_J为能见度距离(m)，由监测设备(2)测得；其中，v₁为能见度限速值(m/s)；t₀为制动反应时间(s)，t_z为制动时间(s)，均根据当地交通部门的相关规定确定；t₀₁为制动增长时间(s)，取0.2s或根据当地交通部门的相关规定确定；a_max为最大制动减速度(m/s²)，取3.4m/s²或根据当地交通部门的相关规定确定；

(b)按公式(2)计算得到降雨限速值v₂：

v₂＝96.84H_s ^-0.259 (2)

式中，H_s为水膜厚度(mm)，H_s＝0.1256·L_u ^0.6715·i^-0.3147·R^0.7786·TD^0.7261；其中，L_u为桥梁坡长(m)；i为桥梁坡度(％)；R为降雨量(mm/h)，由监测设备(2)测得；TD为桥梁表面构造深度(mm)；

(c)求解风力限速值v₃：

根据车型信息和风偏角ψ，调用车辆参数及车辆气动力系数；调用桥梁信息；根据达朗贝尔原理建立车辆运动方程；通过车辆运动方程分别求解侧翻限速值v_cf，侧滑限速值v_ch和偏转限速值v_pz；比较三者的大小，将最小值赋予v₃；

4)将步骤3)中得出的3个限速值v₁、v₂和v₃进行比较，取其中最低的限速值作为当前桥梁的安全限速值v；

5)计算机(4)控制桥两端的电子显示屏(3)显示步骤4)所述的安全限速值v；

6)进入下一个周期，重复步骤1)～5)。