CN111932922A - 一种基于车路协同感知的罐车侧翻事前预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于车路协同感知的罐车侧翻事前预警方法，首先分析罐车侧翻原因并明确需要事前预警的侧翻场景，然后根据各种场景预警需求搭建侧翻事前预警系统，其次选定目标道路并确定路侧单元RSU的安装位置，再次明确路侧单元RSU发布的预警信息内容，进而设置车载单元OBU有效范围内接收到的预警信息播放机制，最后针对不同场景实现罐车侧翻事前预警。该方法分析总结了需要事前预警的罐车侧翻场景，利用车路协同感知，结合车身信息和路况信息实现侧翻事前预警。该方法能够在罐车存在潜在侧翻危险时进行有效预警，有效解决侧翻预警不及时的问题。

Description

一种基于车路协同感知的罐车侧翻事前预警方法

技术领域

本发明涉及一种罐车侧翻预警方法，具体的是一种基于车路协同感知的罐车侧翻事前预警方法，属于车辆安全技术领域。

背景技术

近年来，随着经济、工业和居民生活水平的迅猛发展，危险化工产品的使用需求不断攀升，运输需求也急剧增大。据不完全统计，2018年我国危险货物运输量约为18.6亿吨，且其中95％以上为异地运输。除了管道运输之外，危化品的主要运输方式是公路运输。由于罐车运输能力大且运输成本较低，因而成为危险化工产品公路运输的主体，同时也成为影响道路交通安全的主要来源。当装载丙稀腈(剧毒)、液化二氧化硫、汽油(易燃易爆)、乙醇等危险化学液体的罐车发生侧翻事故时，轻之，对自车和周围其他车辆造成损害，导致交通拥堵；重之，其罐体壁破裂导致危险化学品泄漏至人口密集区或自然环境中，会造成环境污染、生态破坏、人员伤亡等恶劣影响，并有可能引起燃烧、爆炸等极为危险的次生事故，对国家和人民的生命财产造成重大的损失。因此，研究罐车侧翻预警方法至关重要。

目前，罐车侧翻预警方法主要事基于侧向加速度、横向载荷转移(LTR)和侧翻时间(TTR)等指标来实现预警，这些方法是在罐车存在一定的侧翻危险时才会报警，属于侧翻事中预警。然而，这些方法可能存在预警不及时的问题，导致驾驶员面对侧翻危险时没有足够时间采取有效措施。针对此类问题，需要在罐车处于安全状态时就能检测到潜在的侧翻危险并预警，即侧翻事前预警。

发明内容

针对罐车侧翻预警不及时的问题，本发明提出了一种基于车路协同感知的罐车侧翻事前预警方法。该方法利用车路协同感知，结合车身信息和路况信息实现侧翻事前预警。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

步骤一：分析罐车侧翻原因并明确需要事前预警的侧翻场景

罐车发生侧翻受车身条件和道路条件的影响，车身条件包括超速和爆胎，道路条件包括急弯、向下陡坡和湿滑路面；

针对上述侧翻原因，归纳总结以下五种罐车侧翻事前预警场景：

(1)罐车当前正常行驶，车速超过当前道路限制的最大速度；

(2)罐车当前正常行驶，轮胎存在爆胎危险；

(3)罐车当前正常行驶，前方存在急弯；

(4)罐车当前正常行驶，前方存在向下陡坡；

(5)罐车当前正常行驶，前方存在湿滑路面；

步骤二：根据各种场景预警需求搭建侧翻事前预警系统

在罐车最后轴两侧非转向轮上安装轮速传感器，实时输出两侧轮速v₁和v₂，定义罐车纵向车速为v，计算公式为：

在罐车车轮上安装轮胎压力检测系统，实时输出各轮胎的胎压T_ls、T_rs和胎温K_ls、K_rs，T_ls表示罐车第s根车轴左侧车轮的胎压，T_rs表示罐车第s根车轴右侧车轮的胎压，K_ls表示罐车第s根车轴左侧车轮的胎温，K_rs表示罐车第s根车轴右侧车轮的胎温，s表示车轴编号；

选用专用短程通信设备来实现车路通信，该设备包含两部分，第一部分是路侧单元RSU，布置于路侧，第二部分是车载单元OBU，固定于驾驶室；

选用遥感式路面状况监测仪实时监测路面状况，固定于雨雪多发路段、桥面和高架桥的路侧；

选用组合导航系统，定位精度在分米级和米级之间，组合导航系统固定于罐车质心处，连接的天线固定在车顶中心位置，实时输出罐车当前所在位置的经纬度信息(L_a,B_a)，L_a表示罐车的经度信息，B_a表示罐车的纬度信息；

选用语音提示单元作为报警模块，固定于驾驶室；

步骤三：选定目标道路并确定路侧单元RSU的安装位置

选定包含侧翻事故高发路段的高等级路面为目标道路，高等级路面包括高速公路和一级公路，确定目标道路的起始点与终点；

在目标道路雨雪多发路段、桥面和高架桥路侧各安装一个遥感式路面状况监测仪和一个路侧单元RSU，定义目标道路的雨雪多发路段、桥面和高架桥共有q₁处，要q₁个路侧单元RSU和q₁个遥感式路面状况监测仪；

确定用于急弯和向下陡坡的路侧单元RSU的安装位置的步骤如下：

子步骤1：通过信息采集车辆获取目标道路信息和车辆状态信息

信息采集车辆搭载实时动态差分组合导航系统，水平定位精度的圆概率误差小于0.02m，组合导航系统固定于信息采集车辆底盘质心处，连接的天线固定在车顶中心位置，实时输出信息采集车辆所在位置的经纬度信息(L_i,B_i)、车速V_i、侧向加速度A_i、俯仰角α_i和纵向加速度β_i，其中L_i表示信息采集车辆的经度信息，B_i表示信息采集车辆的纬度信息，i＝1,2,3…；

子步骤2：将采集到目标道路节点的经纬度坐标转化成平面坐标并计算各节点处的道路曲率半径和纵向坡度

从目标道路起点到终点之间有n个位置信息采集点，采用3度带高斯-克吕格投影方法，将经纬度坐标(L_i,B_i)投影为高斯平面直角坐标系坐标(x_i,y_i)，(x_i,y_i)|i＝1,2,…,n表示目标道路的n个节点以及节点的位置信息；根据起点(L₁,B₁)选定(L₀,B₀)作为高斯-克吕格投影的原点，其中L₀＝L₁、B₀＝0°，坐标转换公式如下：

式(2)中，x_i为第i个节点在高斯平面直角坐标系下的纵坐标即北向位置；y_i为第i个节点在高斯平面直角坐标系下的横坐标即东向位置；l为所求点的经度L_i与L₀之差；t＝tan B_i；η＝e'cos B_i；e'为椭球第二偏心率；N为通过所求点的卯酉圈曲率半径；X_Bi为赤道至纬度B_i的子午线弧长，且X_Bi＝C₀B_i-cos B_i(C₁sin B_i+C₂sin³B_i+C₃sin⁵B_i+C₄sin⁷B_i)，其中C₀，C₁，C₂，C₃，C₄为与点位无关的系数，仅有椭球体长半轴、短半轴、第一偏心率参数确定；

节点(x_i,y_i)|i＝1,2,…,n处的道路曲率半径r_i为：

式(3)中，V_i为信息采集车辆的车速、A_i为信息采集车辆的侧向加速度；

节点(x_i,y_i)|i＝1,2,…,n处的纵向坡度θ_i为：

式(4)中，β_i为信息采集车辆的纵向加速度，g为重力加速度，g＝9.8m/s²；

子步骤3：根据道路曲率半径、纵向坡度和俯仰角确定急弯和向下陡坡的路段并在路侧布置路侧单元RSU

定义急弯为道路曲率半径小于50m的弯道，向下陡坡指纵向坡度大于3％的下坡道；

目标道路急弯和向下陡坡判别方法为：在节点(x_i,y_i)处，若r_i＜50m，则节点(x_i,y_i)是急弯路段节点；若θ_i＞3％且α_i＜0，则节点(x_i,y_i)是向下陡坡路段节点；定义目标道路存在q₂处急弯和q₃处向下陡坡，在q₂处急弯和q₃处向下陡坡路侧各布置一个路侧单元RSU；

步骤四：明确路侧单元RSU发布的预警信息内容

子步骤1：确定各个路侧单元RSU的身份标识信息

从目标道路起点到终点，利用实时动态差分组合导航系统沿着道路前进方向依次采集q个路侧单元RSU所在位置的经纬度信息

利用公式(2)将经纬度信息

投影为高斯平面直角坐标系坐标

分别计算路侧单元RSU位置

与目标道路节点(x_i,y_i)|i＝1,2,…,n间的距离

计算公式为：

对于其中一个路侧单元RSU，即j为一定值，比较n个间距

的大小，当得到一个最小的间距时，将此间距对应的目标道路节点作为距该路侧单元RSU最近的道路节点；当得到两个相等的最小间距时，将这两个间距对应的两个目标道路节点中i较小的目标道路节点作为距该路侧单元RSU最近的道路节点，定义k为距该路侧单元RSU最近的道路节点中下标i的值；

经过上述方法，每一个路侧单元RSU都得到其对应的j值和k值，将j和k作为路侧单元RSU的身份标识信息；

子步骤2：结合道路信息和路侧单元RSU身份标识信息确定每一个路侧单元RSU发布的预警信息

对于急弯路段旁的路侧单元RSU，其发布的预警信息为：“j、k，前方存在急弯”；

对于向下陡坡路段旁的路侧单元RSU，其发布的预警信息为：“j、k，前方存在向下陡坡”；

对于易产生形成湿滑路面路段旁的路侧单元RSU，当遥感式路面状况监测仪监测结果为干燥，路侧单元RSU不发布预警信息，当遥感式路面状况监测仪监测结果为湿滑，路侧单元RSU发布的预警信息为：“j、k，前方存在湿滑路面”；步骤五：设置车载单元OBU有效范围内接收到的预警信息播放机制

将步骤二中罐车当前所在位置的经纬度信息(L_a,B_a)根据公式(2)投影为高斯平面直角坐标系坐标(x_a,y_a)，分别计算车辆当前位置(x_a,y_a)与目标道路节点(x_i,y_i)|i＝1,2,…,n间的距离Δd_i，计算公式为：

比较n个间距Δd_i的大小，当得到一个最小的间距时，将此间距对应的目标道路节点定义为最近节点(x_b,y_b)；当得到两个相等的最小间距时，将这两个间距对应的两个目标道路节点中i较大的节点定义为最近节点(x_b,y_b)；b为距罐车最近的道路节点中下标i的值；

利用距罐车当前位置最近节点信息中的b值与每条预警信息对应的j值和k值设置信息播放机制；

当车载单元OBU没有接收到预警信息时，语音提示单元不工作；

当车载单元OBU接收到一条预警信息时，若k＞b，表示发布预警信息的路侧单元RSU所在位置在车辆前方，语音提示单元播放预警信息；若k≤b，表示发布预警信息的路侧单元RSU所在位置在车辆后方，语音提示单元不工作；

当车载单元OBU接收到多条预警信息时，首先将每条预警信息中的k与b比较，保留k＞b的预警信息；然后在保留下的预警信息中选择j值最小的，语音提示单元播放该预警信息，若无信息保留下，语音提示单元不工作；

步骤六：针对不同场景实现罐车侧翻事前预警

(1)罐车当前正常行驶，车速超过当前道路限制的最大速度；

当罐车车速v满足式(7)时，语音提示单元播放：“车速超过当前道路限制的最大速度”；

(2)罐车当前正常行驶，轮胎存在爆胎危险；

设置胎压安全上限阈值为T_H、胎压安全下限阈值为T_L和温度安全阈值为K_H，当胎压T_ls、T_rs和胎温K_ls、K_rs满足式(8)中任一条件时，语音提示单元播放：“轮胎存在爆胎危险”；

(3)罐车当前正常行驶，前方存在急弯；

(4)罐车当前正常行驶，前方存在向下陡坡；

(5)罐车当前正常行驶，前方存在湿滑路面；

车载单元OBU接收路侧单元RSU发布出的预警信息，基于步骤五的信息播放机制，语音提示单元播放罐车前进方向上距离最近的路侧单元RSU信息，或是“前方存在湿滑路面”，或是“前方存在急弯”，或是“前方存在向下陡坡”。

有益效果

1.本发明总结了需要事前预警的罐车侧翻场景，综合车身信息和路况信息实现侧翻事前预警。

2.本发明提出的侧翻事前预警方法能够在罐车存在潜在侧翻危险时进行有效预警，有效解决预警不及时的问题。

附图说明

图1为罐车侧翻事前预警总体设计方案图

图2为罐车侧翻事前预警系统图

图3为基于DSRC设备实现罐车侧翻事前预警原理图

具体实施方式

以下将结合具体实例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明而不用于限制本发明的范围。

本发明提出了一种基于车路协同感知的罐车侧翻事前预警方法，首先分析罐车侧翻原因并明确需要事前预警的侧翻场景，然后根据各种场景预警需求搭建侧翻事前预警系统，其次选定目标道路并确定路侧单元RSU的安装位置，再次明确路侧单元RSU发布的预警信息内容，进而设置车载单元OBU有效范围内接收到的预警信息播放机制，最后针对不同场景实现罐车侧翻事前预警。该方法分析总结了需要事前预警的罐车侧翻场景，利用车路协同感知，结合车身信息和路况信息实现侧翻事前预警。该方法能够在罐车存在潜在侧翻危险时进行有效预警，有效解决预警不及时的问题。侧翻事前预警的总体设计方案如图1所示，具体步骤包括：

步骤一：分析罐车侧翻原因并明确需要事前预警的侧翻场景

罐车整车质量大、质心高、易受液体扰动和轮距相对于车身高度窄，导致罐车横向稳定性降低，容易诱发侧翻。除此之外，罐车发生侧翻主要受车身条件和道路条件的影响，车身条件包括超速和爆胎，道路条件包括急弯、向下陡坡和湿滑路面。

(1)超速

罐车整车质量较大，在改变运动状态时会受到很大的惯性力，因此车速较大的罐车在入弯前制动很难及时将车速降到安全过弯速度，易与道路护栏发生碰撞，从而引发侧翻。同时，罐车侧面面积大，当车速较大时，车身易受到侧向强气流扰动，从而导致侧翻。

(2)爆胎

轮胎胎压过高、过低和胎温过高都会导致罐车在行驶过程中发生爆胎，一旦发生爆胎，罐车将失去控制，脱离原来轨道，会产生侧滑、甩尾等现象，若会与道路上过往车辆或者道路护栏发生碰撞，则会导致侧翻。

(3)急弯

罐车转弯，整车质量和车速一定时，转弯半径越小，安全通过弯道所需的向心力越大。当横向静摩檫力和重力横向分力提供的向心力小于需要的离心力时，罐车会发生侧翻。

(4)向下陡坡

罐车在陡坡向下行驶时，由于重力加速度的影响，车速会不断增加，若制动装置失效，罐车将无法保持安全速度行驶，易与路上车辆和路边护栏相撞，发生侧翻。

(5)湿滑路面

在湿滑路面上，车轮受到水膜作用力而使部分胎面脱离地面，轮胎与路面的接触力将逐渐趋向于零，会导致罐车在行驶过程失去控制，产生跑偏、侧滑等现象。此时罐车若与路上车辆、路边护栏或障碍物相撞，则会致使侧翻事故发生。

针对上述分析的侧翻原因，归纳总结以下五种罐车侧翻事前预警场景。

(1)罐车当前正常行驶，车速超过当前道路限制的最大速度；

(2)罐车当前正常行驶，轮胎存在爆胎危险；

(3)罐车当前正常行驶，前方存在急弯；

(4)罐车当前正常行驶，前方存在向下陡坡；

(5)罐车当前正常行驶，前方存在湿滑路面；

步骤二：根据各种场景预警需求搭建侧翻事前预警系统

为实现上述五种侧翻场景的事前预警，搭建的预警系统需要具有车身状态信息感知、道路信息感知和车路信息通信的重要功能，如图2所示。

针对“车速超过当前道路限制的最大速度”场景的预警需求，在罐车最后轴两侧非转向轮上安装轮速传感器，可以实时输出两侧轮速v₁和v₂，定义罐车纵向车速为v，计算公式为：

针对“轮胎存在爆胎危险”场景的预警需求，在罐车车轮上安装轮胎压力检测系统(TPMS)，实时输出各轮胎的胎压T_ls、T_rs和胎温K_ls、K_rs，T_ls表示罐车第s根车轴左侧车轮的胎压，T_rs表示罐车第s根车轴右侧车轮的胎压，K_ls表示罐车第s根车轴左侧车轮的胎温，K_rs表示罐车第s根车轴右侧车轮的胎温，s表示车轴编号。

针对“前方存在急弯”、“前方存在向下陡坡”和“前方存在湿滑路面”三种场景的预警需求，需要将路侧道路信息发送给车载端，选用专用短程通信(DSRC)设备来实现车路通信。DSRC设备包含两部分，第一部分是路侧单元RSU，布置于路侧，用于将路侧传感器采集到的路况信息广播出去，作为事前预警的信息源；第二部分是车载单元OBU，固定于驾驶室，在通信有效范围内可接收多个路侧单元RSU发送的信息。道路曲率半径和纵向坡度属于静态道路信息，可事先测量好；而路面是否湿滑属于动态道路信息，需要实时测量，选用遥感式路面状况监测仪实时监测路面状况。遥感式路面状况监测仪固定于雨雪多发路段、桥面和高架桥的路侧。

为实现罐车侧翻事前预警，需要实时获取罐车行驶时的位置信息，选用低成本的组合导航系统，定位精度在分米级和米级之间，组合导航系统固定于罐车质心处，连接的天线固定在车顶中心位置，可以实时输出罐车当前所在位置的经纬度信息(L_a,B_a)，L_a表示罐车的经度信息，B_a表示罐车的纬度信息。

为能够向驾驶员播放侧翻危险信息，选用语音提示单元作为报警模块，固定于驾驶室。

步骤三：选定目标道路并确定路侧单元RSU的安装位置

选定包含侧翻事故高发路段的高等级路面为目标道路，高等级路面包括高速公路和一级公路，确定目标道路的起始点与终点。

针对“前方存在湿滑路面”场景，在目标道路雨雪多发路段、桥面和高架桥路侧各安装一个遥感式路面状况监测仪和一个路侧单元RSU。定义目标道路的雨雪多发路段、桥面和高架桥共有q₁处，故需要q₁个路侧单元RSU和q₁个遥感式路面状况监测仪。遥感式路面状况监测仪监测到的路面状况信息通过路侧单元RSU广播出去，选用的遥感式路面状况监测仪和路侧单元RSU通过串口通信。

针对“前方存在急弯”和“前方存在向下陡坡”场景，首先需要测绘出目标道路各处的曲率半径和纵向坡度，然后确定急弯和向下陡坡的路段，最后在急弯和向下陡坡的路侧布置路侧单元RSU，具体步骤如下：

子步骤1：通过信息采集车辆获取目标道路信息和车辆状态信息

信息采集车辆搭载实时动态差分组合导航系统，水平定位精度的圆概率误差小于0.02m，组合导航系统固定于信息采集车辆底盘质心处，连接的天线固定在车顶中心位置，可以实时输出信息采集车辆所在位置的经纬度信息(L_i,B_i)、车速V_i、侧向加速度A_i、俯仰角α_i和纵向加速度β_i，其中L_i表示信息采集车辆的经度信息，B_i表示信息采集车辆的纬度信息，i＝1,2,3…。组合导航系统输出频率为10Hz，保证采集序号i相同的信息一一对应。

由于道路车道之间基本平行，所以选取行进方向中间车道来提取道路的属性信息。车辆在信息采集的过程中沿车道中心行驶，保持平稳运行，以保证车身与地面尽量平行，减小在估计道路属性信息时因为车身倾斜而产生的误差。道路信息采集过程中为了保证道路信息采集点密度均匀，相邻的道路信息采集点间隔距离不大于1m。

子步骤2：将采集到目标道路节点的经纬度坐标转化成平面坐标并计算各节点处的道路曲率半径和纵向坡度

从目标道路起点到终点之间有n个位置信息采集点，采用成熟的3度带高斯-克吕格投影方法，将经纬度坐标(L_i,B_i)投影为高斯平面直角坐标系坐标(x_i,y_i)，(x_i,y_i)|i＝1,2,…,n表示目标道路的n个节点以及节点的位置信息，随着i的增大，节点(x_i,y_i)移动的方向表示为道路的前进方向。根据起点(L₁,B₁)选定(L₀,B₀)作为高斯-克吕格投影的原点，其中L₀＝L₁、B₀＝0°，坐标转换公式如下：

式(2)中，x_i为第i个节点在高斯平面直角坐标系下的纵坐标即北向位置；y_i为第i个节点在高斯平面直角坐标系下的横坐标即东向位置；l为所求点的经度L_i与L₀之差；t＝tan B_i；η＝e'cos B_i；e'为椭球第二偏心率；N为通过所求点的卯酉圈曲率半径；X_Bi为赤道至纬度B_i的子午线弧长，且X_Bi＝C₀B_i-cos B_i(C₁sin B_i+C₂sin³B_i+C₃sin⁵B_i+C₄sin⁷B_i)，其中C₀，C₁，C₂，C₃，C₄为与点位无关的系数，仅有椭球体长半轴、短半轴、第一偏心率参数确定。具体的坐标转化的步骤以及参数可见参考文献1--刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法.北京:科学出版社,2003.229-379、参考文献2--胡伍生,高成发.GPS测量原理及其应用.北京:人民交通出版社,2004.1-101。

信息采集车辆在目标道路上匀速行驶，车辆在节点(x_i,y_i)|i＝1,2,…,n处可看成匀速圆周运动，故节点(x_i,y_i)|i＝1,2,…,n处的道路曲率半径r_i为：

式(3)中，V_i为信息采集车辆的车速、A_i为信息采集车辆的侧向加速度。

节点(x_i,y_i)|i＝1,2,…,n处的纵向坡度θ_i为：

式(4)中，β_i为信息采集车辆的纵向加速度，g为重力加速度，g＝9.8m/s²。

子步骤3：根据道路曲率半径、纵向坡度和俯仰角确定急弯和向下陡坡的路段并在路侧布置路侧单元RSU

参考《公路工程技术标准》，定义急弯为道路曲率半径小于50m的弯道，向下陡坡指纵向坡度大于3％的下坡道。由于高等级路面在设计时考虑到行驶安全，很少出现急弯和向下陡坡同时出现的路段，故不考虑目标道路节点(x_i,y_i)同时为急弯路段节点和向下陡坡路段节点的情况。

目标道路急弯和向下陡坡判别方法为：在节点(x_i,y_i)处，若r_i＜50m，则节点(x_i,y_i)是急弯路段节点；若θ_i＞3％且α_i＜0(由于悬架作用，车辆的俯仰角与道路的纵向坡度角存在一定的误差，故车辆的俯仰角用于判断车辆是否处于下坡路段。而利用车辆质心处的垂向加速度与重力加速度比值间接计算道路的纵向坡度角较为准确，但无法辨别是否处于下坡)，则节点(x_i,y_i)是向下陡坡路段节点。由于目标道路中急弯和向下陡坡是连续的路段，故道多个连续的道路节点表示一个急弯路段或一个向下陡坡路段。定义目标道路存在q₂处急弯和q₃处向下陡坡，在q₂处急弯和q₃处向下陡坡路侧各布置一个路侧单元RSU。

步骤四：明确路侧单元RSU发布的预警信息内容

目标道路上布置了q＝q₁+q₂+q₃个路侧单元RSU，以广播的方式将预警信息发送出去，车载单元OBU在通信有效范围内能够接收多个路侧单元RSU的信息。为了将多条信息排序，需要知道每条信息来自哪个路侧单元RSU。因此路侧单元RSU发布的信息不仅要包含道路信息，还要包含路侧单元RSU的身份标识信息。确定路侧单元RSU发布的预警信息具体步骤如下：

子步骤1：确定各个路侧单元RSU的身份标识信息

从目标道路起点到终点，利用实时动态差分组合导航系统沿着道路前进方向依次采集q个路侧单元RSU所在位置的经纬度信息

利用公式(2)将经纬度信息

投影为高斯平面直角坐标系坐标

分别计算路侧单元RSU位置

与目标道路节点(x_i,y_i)|i＝1,2,…,n间的距离

计算公式为：

对于其中一个路侧单元RSU，即j为一定值，比较n个间距

的大小。当得到一个最小的间距时，将此间距对应的目标道路节点作为距该路侧单元RSU最近的道路节点；当得到两个相等的最小间距时，将这两个间距对应的两个目标道路节点中i较小的目标道路节点作为距该路侧单元RSU最近的道路节点。定义k为距该路侧单元RSU最近的道路节点中下标i的值。

经过上述方法，每一个路侧单元RSU都得到其对应的j值和k值，将j和k作为路侧单元RSU的身份标识信息。

子步骤2：结合道路信息和路侧单元RSU身份标识信息确定每一个路侧单元RSU发布的预警信息

对于急弯路段旁的路侧单元RSU，其发布的预警信息为：“j、k，前方存在急弯”。

对于向下陡坡路段旁的路侧单元RSU，其发布的预警信息为：“j、k，前方存在向下陡坡”。

对于易产生形成湿滑路面路段旁的路侧单元RSU，当遥感式路面状况监测仪监测结果为干燥，路侧单元RSU不发布预警信息，当遥感式路面状况监测仪监测结果为湿滑，路侧单元RSU发布的预警信息为：“j、k，前方存在湿滑路面”。步骤五：设置车载单元OBU有效范围内接收到的预警信息播放机制

车载单元OBU在通信有效范围内能够接收多个路侧单元RSU的信息，由于罐车行驶时需要提醒驾驶员前方最近的道路信息，故先将车载单元OBU在通信有效范围内接收的预警信息排序，然后语音提示单元播放罐车前进道路上距离最近的路侧单元RSU发送的信息。

将步骤二中罐车当前所在位置的经纬度信息(L_a,B_a)根据公式(2)投影为高斯平面直角坐标系坐标(x_a,y_a)。分别计算车辆当前位置(x_a,y_a)与目标道路节点(x_i,y_i)|i＝1,2,…,n间的距离Δd_i，计算公式为：

比较n个间距Δd_i的大小，当得到一个最小的间距时，将此间距对应的目标道路节点定义为最近节点(x_b,y_b)；当得到两个相等的最小间距时，将这两个间距对应的两个目标道路节点中i较大的节点定义为最近节点(x_b,y_b)。b为距罐车最近的道路节点中下标i的值。

利用距罐车当前位置最近节点信息中的b值与每条预警信息对应的j值和k值设置信息播放机制。

当车载单元OBU没有接收到预警信息时，语音提示单元不工作；

当车载单元OBU接收到一条预警信息时，若k＞b，表示发布预警信息的路侧单元RSU所在位置在车辆前方，语音提示单元播放预警信息；若k≤b，表示发布预警信息的路侧单元RSU所在位置在车辆后方，语音提示单元不工作；

当车载单元OBU接收到多条预警信息时，首先将每条预警信息中的k与b比较，保留k＞b的预警信息；然后在保留下的预警信息中选择j值最小的，语音提示单元播放该预警信息，若无信息保留下，语音提示单元不工作。

步骤六：针对不同场景实现罐车侧翻事前预警

(1)罐车当前正常行驶，车速超过当前道路限制的最大速度；

根据《危险货物道路运输安全管理办法》第四十五条可知，危险货物运输车辆在高速公路上应当靠右侧车道行驶，且行驶速度不高于每小时80公里；在其它道路上行驶不高于每小时60公里。由罐车最后轴两侧非转向轮上安装轮速传感器车速为v，当v满足式(7)时，语音提示单元播放：“车速超过当前道路限制的最大速度”。

(2)罐车当前正常行驶，轮胎存在爆胎危险；

设置胎压安全上限阈值为T_H、胎压安全下限阈值为T_L和温度安全阈值为K_H，当胎压T_ls、T_rs和胎温K_ls、K_rs满足式(8)中任一条件时，语音提示单元播放：“轮胎存在爆胎危险”。

(3)罐车当前正常行驶，前方存在急弯；

(4)罐车当前正常行驶，前方存在向下陡坡；

(5)罐车当前正常行驶，前方存在湿滑路面；

车载单元OBU接收路侧单元RSU发布出的预警信息，基于步骤五的信息播放机制，语音提示单元播放罐车前进方向上距离最近的路侧单元RSU信息，或是“前方存在湿滑路面”，或是“前方存在急弯”，或是“前方存在向下陡坡”。如图3所示。

Claims (1)

1.一种基于车路协同感知的罐车侧翻事前预警方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤一：分析罐车侧翻原因并明确需要事前预警的侧翻场景

罐车发生侧翻受车身条件和道路条件的影响，车身条件包括超速和爆胎，道路条件包括急弯、向下陡坡和湿滑路面；

针对上述侧翻原因，归纳总结以下五种罐车侧翻事前预警场景：

(1)罐车当前正常行驶，车速超过当前道路限制的最大速度；

(2)罐车当前正常行驶，轮胎存在爆胎危险；

(3)罐车当前正常行驶，前方存在急弯；

(4)罐车当前正常行驶，前方存在向下陡坡；

(5)罐车当前正常行驶，前方存在湿滑路面；

步骤二：根据各种场景预警需求搭建侧翻事前预警系统

在罐车最后轴两侧非转向轮上安装轮速传感器，实时输出两侧轮速v₁和v₂，定义罐车纵向车速为v，计算公式为：

在罐车车轮上安装轮胎压力检测系统，实时输出各轮胎的胎压T_ls、T_rs和胎温K_ls、K_rs，T_ls表示罐车第s根车轴左侧车轮的胎压，T_rs表示罐车第s根车轴右侧车轮的胎压，K_ls表示罐车第s根车轴左侧车轮的胎温，K_rs表示罐车第s根车轴右侧车轮的胎温，s表示车轴编号；

选用专用短程通信设备来实现车路通信，该设备包含两部分，第一部分是路侧单元RSU，布置于路侧，第二部分是车载单元OBU，固定于驾驶室；

选用遥感式路面状况监测仪实时监测路面状况，固定于雨雪多发路段、桥面和高架桥的路侧；

选用组合导航系统，定位精度在分米级和米级之间，组合导航系统固定于罐车质心处，连接的天线固定在车顶中心位置，实时输出罐车当前所在位置的经纬度信息(L_a,B_a)，L_a表示罐车的经度信息，B_a表示罐车的纬度信息；

选用语音提示单元作为报警模块，固定于驾驶室；

步骤三：选定目标道路并确定路侧单元RSU的安装位置

选定包含侧翻事故高发路段的高等级路面为目标道路，高等级路面包括高速公路和一级公路，确定目标道路的起始点与终点；

在目标道路雨雪多发路段、桥面和高架桥路侧各安装一个遥感式路面状况监测仪和一个路侧单元RSU，定义目标道路的雨雪多发路段、桥面和高架桥共有q₁处，要q₁个路侧单元RSU和q₁个遥感式路面状况监测仪；

确定用于急弯和向下陡坡的路侧单元RSU的安装位置的步骤如下：

子步骤1：通过信息采集车辆获取目标道路信息和车辆状态信息

信息采集车辆搭载实时动态差分组合导航系统，水平定位精度的圆概率误差小于0.02m，组合导航系统固定于信息采集车辆底盘质心处，连接的天线固定在车顶中心位置，实时输出信息采集车辆所在位置的经纬度信息(L_i,B_i)、车速V_i、侧向加速度A_i、俯仰角α_i和纵向加速度β_i，其中L_i表示信息采集车辆的经度信息，B_i表示信息采集车辆的纬度信息，i＝1,2,3…；

子步骤2：将采集到目标道路节点的经纬度坐标转化成平面坐标并计算各节点处的道路曲率半径和纵向坡度

从目标道路起点到终点之间有n个位置信息采集点，采用3度带高斯-克吕格投影方法，将经纬度坐标(L_i,B_i)投影为高斯平面直角坐标系坐标(x_i,y_i)，(x_i,y_i)|i＝1,2,…,n表示目标道路的n个节点以及节点的位置信息；根据起点(L₁,B₁)选定(L₀,B₀)作为高斯-克吕格投影的原点，其中L₀＝L₁、B₀＝0°，坐标转换公式如下：

式(2)中，x_i为第i个节点在高斯平面直角坐标系下的纵坐标即北向位置；y_i为第i个节点在高斯平面直角坐标系下的横坐标即东向位置；l为所求点的经度L_i与L₀之差；t＝tanB_i；η＝e'cosB_i；e'为椭球第二偏心率；N为通过所求点的卯酉圈曲率半径；

为赤道至纬度B_i的子午线弧长，且

其中C₀，C₁，C₂，C₃，C₄为与点位无关的系数，仅有椭球体长半轴、短半轴、第一偏心率参数确定；

节点(x_i,y_i)|i＝1,2,…,n处的道路曲率半径r_i为：

式(3)中，V_i为信息采集车辆的车速、A_i为信息采集车辆的侧向加速度；

节点(x_i,y_i)|i＝1,2,…,n处的纵向坡度θ_i为：

式(4)中，β_i为信息采集车辆的纵向加速度，g为重力加速度，g＝9.8m/s²；

子步骤3：根据道路曲率半径、纵向坡度和俯仰角确定急弯和向下陡坡的路段并在路侧布置路侧单元RSU

定义急弯为道路曲率半径小于50m的弯道，向下陡坡指纵向坡度大于3％的下坡道；

目标道路急弯和向下陡坡判别方法为：在节点(x_i,y_i)处，若r_i＜50m，则节点(x_i,y_i)是急弯路段节点；若θ_i＞3％且α_i＜0，则节点(x_i,y_i)是向下陡坡路段节点；定义目标道路存在q₂处急弯和q₃处向下陡坡，在q₂处急弯和q₃处向下陡坡路侧各布置一个路侧单元RSU；

步骤四：明确路侧单元RSU发布的预警信息内容

子步骤1：确定各个路侧单元RSU的身份标识信息

从目标道路起点到终点，利用实时动态差分组合导航系统沿着道路前进方向依次采集q个路侧单元RSU所在位置的经纬度信息

利用公式(2)将经纬度信息

投影为高斯平面直角坐标系坐标

分别计算路侧单元RSU位置

与目标道路节点(x_i,y_i)|i＝1,2,…,n间的距离

计算公式为：

对于其中一个路侧单元RSU，即j为一定值，比较n个间距

的大小，当得到一个最小的间距时，将此间距对应的目标道路节点作为距该路侧单元RSU最近的道路节点；当得到两个相等的最小间距时，将这两个间距对应的两个目标道路节点中i较小的目标道路节点作为距该路侧单元RSU最近的道路节点，定义k为距该路侧单元RSU最近的道路节点中下标i的值；

经过上述方法，每一个路侧单元RSU都得到其对应的j值和k值，将j和k作为路侧单元RSU的身份标识信息；

子步骤2：结合道路信息和路侧单元RSU身份标识信息确定每一个路侧单元RSU发布的预警信息

对于急弯路段旁的路侧单元RSU，其发布的预警信息为：“j、k，前方存在急弯”；

对于向下陡坡路段旁的路侧单元RSU，其发布的预警信息为：“j、k，前方存在向下陡坡”；

对于易产生形成湿滑路面路段旁的路侧单元RSU，当遥感式路面状况监测仪监测结果为干燥，路侧单元RSU不发布预警信息，当遥感式路面状况监测仪监测结果为湿滑，路侧单元RSU发布的预警信息为：“j、k，前方存在湿滑路面”；步骤五：设置车载单元OBU有效范围内接收到的预警信息播放机制

将步骤二中罐车当前所在位置的经纬度信息(L_a,B_a)根据公式(2)投影为高斯平面直角坐标系坐标(x_a,y_a)，分别计算车辆当前位置(x_a,y_a)与目标道路节点(x_i,y_i)|i＝1,2,…,n间的距离Δd_i，计算公式为：

比较n个间距Δd_i的大小，当得到一个最小的间距时，将此间距对应的目标道路节点定义为最近节点(x_b,y_b)；当得到两个相等的最小间距时，将这两个间距对应的两个目标道路节点中i较大的节点定义为最近节点(x_b,y_b)；b为距罐车最近的道路节点中下标i的值；

利用距罐车当前位置最近节点信息中的b值与每条预警信息对应的j值和k值设置信息播放机制；

当车载单元OBU没有接收到预警信息时，语音提示单元不工作；

当车载单元OBU接收到一条预警信息时，若k＞b，表示发布预警信息的路侧单元RSU所在位置在车辆前方，语音提示单元播放预警信息；若k≤b，表示发布预警信息的路侧单元RSU所在位置在车辆后方，语音提示单元不工作；

当车载单元OBU接收到多条预警信息时，首先将每条预警信息中的k与b比较，保留k＞b的预警信息；然后在保留下的预警信息中选择j值最小的，语音提示单元播放该预警信息，若无信息保留下，语音提示单元不工作；

步骤六：针对不同场景实现罐车侧翻事前预警

(1)罐车当前正常行驶，车速超过当前道路限制的最大速度；

当罐车车速v满足式(7)时，语音提示单元播放：“车速超过当前道路限制的最大速度”；

(2)罐车当前正常行驶，轮胎存在爆胎危险；

设置胎压安全上限阈值为T_H、胎压安全下限阈值为T_L和温度安全阈值为K_H，当胎压T_ls、T_rs和胎温K_ls、K_rs满足式(8)中任一条件时，语音提示单元播放：“轮胎存在爆胎危险”；

(3)罐车当前正常行驶，前方存在急弯；

(4)罐车当前正常行驶，前方存在向下陡坡；

(5)罐车当前正常行驶，前方存在湿滑路面；

车载单元OBU接收路侧单元RSU发布出的预警信息，基于步骤五的信息播放机制，语音提示单元播放罐车前进方向上距离最近的路侧单元RSU信息，或是“前方存在湿滑路面”，或是“前方存在急弯”，或是“前方存在向下陡坡”。

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