CN110009923A - 侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统，包括风速风向检测装置、路面状况检测装置和信息处理及情报输出装置，风速风向检测装置中设置有风速风向传感器，路面状况检测装置中设置有结冰及温湿度传感器，信息处理及情报输出装置由第三微控制器及与其相连接的第三ZigBee通信模块、第三稳压电源和LED显示屏组成。本发明的车辆侧滑与侧翻预警系统，根据车辆受力状态计算出车辆发生侧滑或侧翻的临界速度，以提醒过桥车辆以低于限速值行驶，避免了车辆过桥时发生侧滑、侧翻现象，降低了桥梁道路交通事故的发生。

Description

侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统及方法
技术领域
本发明涉及一种侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统及方法，更具体的说，尤其涉及一种根据检测的风速、风向、桥梁路面状况实时调整限速的侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统及方法。
背景技术
我国的公路总里程已经达到435.62万公里，其中高速公路总里程达到104468公里。随着道路交通的发展，交通事故数量也在不断的攀升，其中高速公路事故数量所占比例最大；据公安部统计，近年来，交通安全问题逐渐成为世界上许多国家共同关心的社会问题，我国是世界上道路交通事故最多的国家之一。
国家安全监管总局、交通运输部2017年12月19日发布的最新研究报告显示，虽然近年来我国道路交通事故降幅明显，但依然高发。目前，我国道路交通事故年死亡人数仍高居世界第二位，遏制道路交通事故高发、降低交通事故伤害仍然任重道远。尽管近几年交通事故总数下降，然而随着全球气候极端气候的经常性发生，由于不良天气影响导致的交通事故却呈现了上升趋势。
2018年2月1日，公安部公布2017年度全国十大事故多发路段。这十大事故多发路段2017年共发生交通事故453起，造成152人死亡，平均每10公里发生39起、死亡13人。造成事故多发的期中一个原因是山区道路，遇恶劣天气车辆制动容易侧滑，行车安全风险加大。货车装载体积大，受侧风影响严重，容易引发交通事故。
随着我国高等级公路的发展、汽车功率的加大，目前不仅轿车，连货车以100km/h以上的车速行驶的情况也是很常见的。对于高速行驶的汽车，随时都可能受到侧风作用，除了在空旷的高速公路上受到任意方向任意强度的自然侧风外，到处可见的隧道、桥梁等复杂的地域地形都会产生人工阵风。驾驶员来受到这种突发的侧风影响时来不及反应，使车辆发生侧偏，横摆等现象。梁式桥是我国高等级公路上最常见的一种桥梁。风速由于受到桥梁的阻挡作用，风速改变剧烈，局部风速增强，易形成强烈侧风，影响行车安全。
因此研究多因素影响的侧风环境下桥梁上的行车安全和大风天气下进行交通安全预警就显得极为重要。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统及方法。
本发明的侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统，其特征在于：包括风速风向检测装置、路面状况检测装置和信息处理及情报输出装置，所述风速风向检测装置由第一微控制器及与其相连接的风速风向传感器、第一稳压电源和第一ZigBee通信模块组成，第一微控制器经风速风向传感器检测桥梁所在位置的风速和风向，经第一ZigBee通信模块实现与信息处理及情报输出装置的无线通信；所述路面状况检测装置由第二微控制器及与其相连接的结冰及温湿度传感器、第二稳压电源和第二ZigBee通信模块组成，第二微控制器经结冰及温湿度传感器采集桥梁路面的结冰情况及周围环境的温湿度，经第二ZigBee通信模块实现与信息处理及情报输出装置的无线通信；
所述信息处理及情报输出装置由第三微控制器及与其相连接的第三ZigBee通信模块、第三稳压电源和LED显示屏组成，第三微控制器经第三ZigBee通信模块与风速方向检测装置、路面状况检测装置相通信，以获取桥梁处的风速、风向、结冰和温湿度信息，经LED显示屏将限速值以及是否易出现车辆侧滑、侧翻信息显示出来。
本发明的侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统，所述风速风向传感器经第一TTL转RS485模块与第一微控制器相连接，结冰及温湿度传感器经第二TTL转RS485模块与第二微控制器相连接；所述LED显示屏连接有LED控制卡，第三微控制器经TTL转RS232模块与LED控制卡相连接。
本发明的侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统，所述第一微控制器、第二微控制器和第三微控制器均采用单片机。
本发明的侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统的预测方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：
a).获取桥梁路面状况，利用路面状况检测装置采集桥梁所在环境的结冰、温度和湿度信息，以判断桥梁属于新建桥面、旧桥面、潮湿桥面、冰雪桥面中的哪一种，以获取车辆与桥面的摩擦系数，记为
b).获取风速和风向，利用风速风向检测装置测得车辆行进过程中受到的侧风速，记为v；
c).计算侧滑临界车速，设桥梁所在路段的曲线半径为R、横坡度为α，车辆两侧的轮间距为2L，车辆的重心高度为H；当车辆竖向跳跃且车辆不发生侧滑时，须满足车辆所受的侧向力小于路面提供的最大附着力，通过对车辆的受力分析可得：
其中，Fa为车辆在桥梁上行驶时的离心力，Fa＝mu2/R，m为车辆质量，u为车辆行驶车速；Fsw为车辆受到的侧风力，G为车辆重力，G＝mg，为桥面摩擦系数，Fd为车辆竖向跳跃产生的荷载，Fd＝mg′，g′为车辆过桥时的竖向跳跃加速度均值，由车辆振动模型计算得到或者现场实测得到；Fzw为车辆受到的空气升力；
车辆受到的侧风力Fsw、空气升力Fzw分别通过公式(2)和(3)求取：
其中，CS为侧向气动力系数，ρ为空气密度，A为车辆侧面面积，ur为合成风速，u为车速；CL为空气升力系数；侧向气动力系CS、空气升力系数CL与风向角β＝arctan(v/u)成正比例关系，CS＝KCS×β，CL＝KCL×β，KCS、KCL为比例系数，其与车辆外形有关；
车辆处于将要发生侧滑的临界状态时，公式(1)取等号，将Fa、Fsw、Fzw、Fd带入公式(1)并整理可得：
根据测得的当前侧风速v和最易发生侧滑的大型货车比例系数KCS、KCL、车辆侧面面积A、车辆质量或者重量G，计算出车辆将要发生侧滑时的车速，车速值记为V1；
d).计算侧翻临界车速，当车辆不发生侧翻时，车辆所受的侧翻力矩小于车辆的稳定力矩，可得到：
(Fa+Fsw-G sinα)×H≤(G cosα-Fd-Fzw)×L (5)
车辆处于将要发生侧翻的临界状态时，上式取等号，将Fa、Fsw、Fzw、Fd带入公式(5)并整理可得：
根据测得的当前侧风速v和最易发生侧翻的大型货车比例系数KCS、KCL、车辆侧面面积A、重量G，计算出车辆将要发生侧翻时的车速，车速值记为V2；
对车辆将要发生侧滑时的车速V1与将要发生侧翻时的车速V2进行比较，以两者中的最小值作为桥梁的限速值经LED显示屏显示出来，以提醒过桥车辆低于该速度行驶。
本发明的侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统的预测方法，步骤a)中，桥梁路面类型与摩擦系数的取值范围为：
本发明的侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统的预测方法，步骤c)中，车辆过桥时的竖向跳跃加速度均值g′的取值与车速的对应关系表为：
本发明的有益效果是：本发明的车辆侧滑与侧翻预警系统，风速风向检测装置用于采集桥梁所在区域的风速和方向数据，路面状况检测装置用于检测桥梁路面的结冰状况和潮湿度，以获取桥梁路面当前的摩擦系数；信息处理及情报输出装置通过与风速风向检测装置、路面状况检测装置的通信，来获取桥梁路面当前的风速、风向、路面摩擦系数，并根据车辆受力状态计算出车辆发生侧滑或侧翻的临界速度，并以临界速度为参考将限速值经显示屏显示出来，以提醒过桥车辆以低于限速值行驶，避免了车辆过桥时发生侧滑、侧翻现象，降低了桥梁道路交通事故的发生，保证了人们的生命财产安全，有益效果显著，适于应用推广。
附图说明
图1为本发明中风速风向检测装置的原理图；
图2为本发明中路面状况检测装置的原理图；
图3为本发明中信息处理及情报输出装置的原理图；
图4为本发明的侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统的原理图；
图5为本发明中桥梁上的车辆受理分析图。
图中：1 风速风向检测装置，2 路面状况检测装置，3 信息处理及情报输出装置，4第一微控制器，5 风速风向传感器，6 第一TTL转RS485模块，7 第一稳压电源，8 第一ZigBee通信模块，9 第二微控制器，10 结冰及温湿度传感器，11 第二TTL转RS485模块，12第二稳压电源，13 第二ZigBee通信模块，14 第三微控制器，15 第三ZigBee通信模块，16第三稳压电源，17 TTL转RS232模块，18 LED控制卡，19 LED显示屏。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，给出了本发明中风速风向检测装置的原理图，其由第一微控制器4及与其相连接的风速风向传感器5、第一稳压电源7和第一ZigBee通信模块8组成，第一微控制器4具有采集、运算和控制输出的作用，风速风向传感器5经第一TTL转RS485模块6与第一微控制器4相连接，第一稳压电源模块7为风速风向检测装置1中各用电模块和用电电路的工作提供稳定的直流电。第一微控制器4经风速风向传感器5检测桥梁所在环境的风速和风向，经第一ZigBee通信模块8与信息处理及情报输出装置3无线通信，以便将所采集的风速、风向数据发送至信息处理及情报输出装置3中。
如图2所示，给出了本发明中路面状况检测装置2的原理图，其由第二微控制器9及与其相连接的结冰及温湿度传感器10、第二稳压模块12和第二ZigBee通信模块13组成，第二微控制器9具有信号采集、数据运算和控制输出的作用，结冰及温湿度传感器10经第二TTL转RS485模块11与第二微控制器9相连接。第二微控制器9经结冰及温湿度传感器10获取桥梁路面的结冰情况和温湿度信息，以判断桥梁是否结冰或桥梁路面是否潮湿。第二微控制器9经第二ZigBee通信模块13与信息处理及情报输出装置3相通信，以便将获取的桥梁路面结冰情况或潮湿度数据传输至信息处理及情报输出装置3中。
如图3所示，给出了本发明中信息处理及情报输出装置3的结构示意图，其由第三微控制器14及与其相连接的第三ZigBee通信模块15、第三稳压电源16和LED显示屏19组成，第三微控制器14具有信号采集、数据运算和控制输出的作用，第三稳压电源16给信息处理及情报输出装置3中各模块和用电电路提供稳定电压，以保证其正常工作。第三微控制器14经第三ZigBee通信模块15与风速风向检测装置1和路面状况检测装置2相通信，以获取桥梁所在环境的风速、风向和路面状况(是否为结冰路面或潮湿路面)信息。LED显示屏19连接有LED控制卡18，LED控制卡18对LED显示屏19限制状态和所显示的信息进行控制，第三微控制器14经TTL转RS232模块17与LED控制卡18相连接，以实现第三微控制器14与LED控制卡18之间的通信，将所要显示的信息经LED显示屏19显示出来。
如图4所示，给出了本发明的侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统的原理图，可见，所示的风速风向检测装置1和路面状况检测装置2均通过ZigBee无线通信的形式与信息处理及情报输出装置3相通信，以便将所采集的风速、风向、桥梁路面是否结冰或桥梁路面潮湿度信息，上传至信息处理及情报输出装置3中，信息处理及情报输出装置3根据所获取的风速、风向、桥梁路面状况，以及桥梁自身的参数(桥梁横坡度、曲线半径)，并结合具体车辆的受力分析，可计算出当前状况下车辆过桥时不发生侧滑和侧翻的临界车速，并以此车速为限速依据，通过LED显示屏19显示出来，可有效避免过桥车辆侧滑、侧翻现象的发生。
如图5所示，车辆安全临车速主要是指车辆在运行过程中不发生侧滑和侧翻的最大允许车速，安全临界车速计算模型考虑了多种因素，包括路面摩擦系数、车辆竖向跳跃加速度、侧风力、空气升力、离心力、以及桥梁的几何参数，如图5所示，给出了本发明中桥梁上的车辆受理分析图。
本发明的侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统的预测方法，通过以下步骤来实现：
a).获取桥梁路面状况，利用路面状况检测装置采集桥梁所在环境的结冰、温度和湿度信息，以判断桥梁属于新建桥面、旧桥面、潮湿桥面、冰雪桥面中的哪一种，以获取车辆与桥面的摩擦系数，记为
该步骤中，桥梁路面类型与摩擦系数的取值范围为：
表1
桥面状况 摩擦系数
冰雪桥面 0.1-0.2
潮湿桥面 0.3-0.4
旧桥面 0.5-0.6
新桥面 0.7-0.8
。
b).获取风速和风向，利用风速风向检测装置测得车辆行进过程中受到的侧风速，记为v；
c).计算侧滑临界车速，设桥梁所在路段的曲线半径为R、横坡度为α，车辆两侧的轮间距为2L，车辆的重心高度为H；当车辆竖向跳跃且车辆不发生侧滑时，须满足车辆所受的侧向力小于路面提供的最大附着力，通过对车辆的受力分析可得：
其中，Fa为车辆在桥梁上行驶时的离心力，Fa＝mu2/R，m为车辆质量，u为车辆行驶车速；Fsw为车辆受到的侧风力，G为车辆重力，G＝mg，为桥面摩擦系数，Fd为车辆竖向跳跃产生的荷载，Fd＝mg′，g′为车辆过桥时的竖向跳跃加速度均值，由车辆振动模型计算得到或者现场实测得到；Fzw为车辆受到的空气升力；
车辆受到的侧风力Fsw、空气升力Fzw分别通过公式(2)和(3)求取：
其中，CS为侧向气动力系数，ρ为空气密度，A为车辆侧面面积，ur为合成风速，CL为空气升力系数；侧向气动力系CS、空气升力系数CL与风向角β＝arctan(v/u)成正比例关系，CS＝KCS×β，CL＝KCL×β，KCS、KCL为比例系数，其与车辆外形有关；
车辆处于将要发生侧滑的临界状态时，公式(1)取等号，将Fa、Fsw、Fzw、Fd带入公式(1)并整理可得：
根据测得的当前侧风速v和最易发生侧滑的大型货车比例系数KCS、KCL、车辆侧面面积A、车辆质量或者重量G，计算出车辆将要发生侧滑时的车速，车速值记为V1；
该步骤中，车辆过桥时的竖向跳跃加速度均值g′的取值与车速的对应关系表为：
表2
d).计算侧翻临界车速，当车辆不发生侧翻时，车辆所受的侧翻力矩小于车辆的稳定力矩，可得到：
(Fa+Fsw-G sinα)×H≤(G cosα-Fd-Fzw)×L (5)
车辆处于将要发生侧翻的临界状态时，上式取等号，将Fa、Fsw、Fzw、Fd带入公式(5)并整理可得：
根据测得的当前侧风速v和最易发生侧翻的大型货车比例系数KCS、KCL、车辆侧面面积A、重量G，计算出车辆将要发生侧翻时的车速，车速值记为V2；
对车辆将要发生侧滑时的车速V1与将要发生侧翻时的车速V2进行比较，以两者中的最小值作为桥梁的限速值经LED显示屏显示出来，以提醒过桥车辆低于该速度行驶。
按照我国常见的车辆整体质量为48000kg、总长度为21m、质心高度为H＝1.8m、两侧轮距为2L＝2.2m的大型货车，其车辆气动力参数KCS＝0.18、KCL＝0.04、A＝28m2，桥梁横坡度为α＝6°，车辆与桥面的摩擦系数取表1中范围的中间值，竖向跳跃加速度均值g′取表2中车辆空载对应的值，表2中不存在的车速则采用插值法求取对应的竖向跳跃加速度均值，计算得到侧风环境大型货车的安全临界车速，如表3所示：
表3
注：/是指不准通行，静止状态车辆也会侧滑。

Claims (6)

1.一种侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统，其特征在于：包括风速风向检测装置(1)、路面状况检测装置(2)和信息处理及情报输出装置(3)，所述风速风向检测装置由第一微控制器(4)及与其相连接的风速风向传感器(5)、第一稳压电源(7)和第一ZigBee通信模块(8)组成，第一微控制器经风速风向传感器检测桥梁所在位置的风速和风向，经第一ZigBee通信模块实现与信息处理及情报输出装置的无线通信；所述路面状况检测装置由第二微控制器(9)及与其相连接的结冰及温湿度传感器(10)、第二稳压电源(12)和第二ZigBee通信模块(13)组成，第二微控制器经结冰及温湿度传感器采集桥梁路面的结冰情况及周围环境的温湿度，经第二ZigBee通信模块实现与信息处理及情报输出装置的无线通信；
所述信息处理及情报输出装置(3)由第三微控制器(14)及与其相连接的第三ZigBee通信模块(15)、第三稳压电源(16)和LED显示屏(19)组成，第三微控制器经第三ZigBee通信模块与风速方向检测装置、路面状况检测装置相通信，以获取桥梁处的风速、风向、结冰和温湿度信息，经LED显示屏将限速值以及是否易出现车辆侧滑、侧翻信息显示出来。
2.根据权利要求1所述的侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统，其特征在于：所述风速风向传感器(4)经第一TTL转RS485模块(6)与第一微控制器(4)相连接，结冰及温湿度传感器(10)经第二TTL转RS485模块(11)与第二微控制器(9)相连接；所述LED显示屏(19)连接有LED控制卡(18)，第三微控制器(14)经TTL转RS232模块(17)与LED控制卡相连接。
3.根据权利要求1或2所述的侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统，其特征在于：所述第一微控制器(4)、第二微控制器(9)和第三微控制器(14)均采用单片机。
4.一种基于权利要求1所述的侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统的预测方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：
a).获取桥梁路面状况，利用路面状况检测装置采集桥梁所在环境的结冰、温度和湿度信息，以判断桥梁属于新建桥面、旧桥面、潮湿桥面、冰雪桥面中的哪一种，以获取车辆与桥面的摩擦系数，记为
b).获取风速和风向，利用风速风向检测装置测得车辆行进过程中受到的侧风速，记为v；
c).计算侧滑临界车速，设桥梁所在路段的曲线半径为R、横坡度为α，车辆两侧的轮间距为2L，车辆的重心高度为H；当车辆竖向跳跃且车辆不发生侧滑时，须满足车辆所受的侧向力小于路面提供的最大附着力，通过对车辆的受力分析可得：
其中，Fa为车辆在桥梁上行驶时的离心力，Fa＝mu2/R，m为车辆质量，u为车辆行驶车速；Fsw为车辆受到的侧风力，G为车辆重力，G＝mg，为桥面摩擦系数，Fd为车辆竖向跳跃产生的荷载，Fd＝mg′，g′为车辆过桥时的竖向跳跃加速度均值，由车辆振动模型计算得到或者现场实测得到；Fzw为车辆受到的空气升力；
车辆受到的侧风力Fsw、空气升力Fzw分别通过公式(2)和(3)求取：
其中，CS为侧向气动力系数，ρ为空气密度，A为车辆侧面面积，ur为合成风速，u为车速；CL为空气升力系数；侧向气动力系CS、空气升力系数CL与风向角β＝arctan(v/u)成正比例关系，CS＝KCS×β，CL＝KCL×β，KCS、KCL为比例系数，其与车辆外形有关；
车辆处于将要发生侧滑的临界状态时，公式(1)取等号，将Fa、Fsw、Fzw、Fd带入公式(1)并整理可得：
根据测得的当前侧风速v和最易发生侧滑的大型货车比例系数KCS、KCL、车辆侧面面积A、车辆质量或者重量G，计算出车辆将要发生侧滑时的车速，车速值记为V1；
d).计算侧翻临界车速，当车辆不发生侧翻时，车辆所受的侧翻力矩小于车辆的稳定力矩，可得到：
(Fa+Fsw-Gsinα)×H≤(Gcosα-Fd-Fzw)×L (5)
车辆处于将要发生侧翻的临界状态时，上式取等号，将Fa、Fsw、Fzw、Fd带入公式(5)并整理可得：
根据测得的当前侧风速v和最易发生侧翻的大型货车比例系数KCS、KCL、车辆侧面面积A、重量G，计算出车辆将要发生侧翻时的车速，车速值记为V2；
对车辆将要发生侧滑时的车速V1与将要发生侧翻时的车速V2进行比较，以两者中的最小值作为桥梁的限速值经LED显示屏显示出来，以提醒过桥车辆低于该速度行驶。
5.根据权利要求4所述的侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统的预测方法，其特征在于，步骤a)中，桥梁路面类型与摩擦系数的取值范围为：
桥面状况 摩擦系数 冰雪桥面 0.1-0.2 潮湿桥面 0.3-0.4 旧桥面 0.5-0.6 新桥面 0.7-0.8
。
6.根据权利要求4所述的侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统的预测方法，其特征在于，步骤c)中，车辆过桥时的竖向跳跃加速度均值g′的取值与车速的对应关系表为：
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