一种降雨天气高速公路行车实时安全反馈方法

技术领域

本发明涉及车辆安全行驶技术领域，特别涉及一种降雨天气高速公路行车实时安全反馈方法。

背景技术

高速公路在给人们带来现代交通高效、快捷的全新感受的同时，也以高事故率、高事故伤亡率困扰着高速公路的管理者和使用者。随着社会的发展，公路交通安全日益受到人们的重视。而多数的交通事故与天气状况有关。近年来，我国交通发展由东部向西部转移，西南山区地形条件复杂，公路弯道较多，而且具有降雨强度大，降雨频次大等气候特征，高速公路积水行车安全更受到社会的广泛关注。

目前高速公路降雨天气的行车安全问题，主要是依靠在道路的设计和施工环节，减小路面积水从而提供车辆行驶的稳定性，这种方法的效果会随着路面老化等问题而下降。另外司机行驶的状况十分复杂，在弯道超高过渡段零坡排水困难，没有相关的互联网技术应用可以直接向司机给出相应的安全反馈。

针对现有技术存在的问题，本申请提供了一种降雨天气高速公路行车实时安全反馈方法，建立了全路段的积水状态空间分布模型，提出了安全车速计算方法，实现了高速行驶过程中实时、高效的安全车速信息反馈，保障降雨天气下的行车安全，降低交通事故的发生率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降雨天气高速公路行车实时安全反馈方法，建立了全路段的积水状态空间分布模型，提出了安全车速计算方法，实现了高速行驶过程中实时、高效的安全车速信息反馈，保障降雨天气下的行车安全，降低交通事故的发生率。

本发明提供了一种降雨天气高速公路行车实时安全反馈方法，包括以下步骤：

步骤S1：建立路面数学模型计算路面的合成坡度；

步骤S2：建立路面积水状态的物理模型，计算斜坡的水膜厚度；

步骤S3：采集降雨气象数据，计算积水条件下的安全车速；

步骤S4：输入用户车辆的基本参数信息，进行车辆的定位和目的地导航，实时更新反馈车辆当前位置的安全车速。

进一步地，所述步骤S1中计算路面合成坡度的公式如下：

其中，i为最大坡度，单位是％；ΔB为断面宽度，单位是m；ΔI为道路的单位长度，选取逐桩坐标表的单位长度，单位是m；

进一步地，路面积水状态的物理模型根据所述步骤S1研究路段的合成坡度结果，选择对应的计算公式：

当结果为零坡时：

C为常数，且

当结果为斜坡时：

式中，h为水膜厚度，单位mm；I为降雨量，单位mm/min；v为液体的运动粘滞系数，常温下取0.00877cm

进一步地，所述步骤S3利用从降雨天气的数据接口获取的降雨强度，将数据导入公式(3)计算出水膜厚度，再带入安全车速的计算公式(4)，计算方法如下：

其中，h为水膜厚度，单位mm；L为排水长度，单位m；S为路面坡度，单位m/m；I为降雨强度，单位mm/h；G为汽车总载荷；n为车轮数目；ρ为水密度；w为轮胎宽度；

与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

(1)本发明提出的一种降雨天气高速公路行车实时安全反馈方法，基于道路设计资料，并考虑了降雨强度、路面坡度、路面排水设施等因素，建立了全路段的积水状态空间分布模型，提出了安全车速计算方法，为系统开发提供了理论基础。

(2)本发明提出的一种降雨天气高速公路行车实时安全反馈方法，基于路面积水状态实时分析，开发的高速公路行车安全反馈app，可以实时采集降雨强度，并根据高速公路三维线形设计参数以及路面几何参数实时分析路面积水状态，并根据胎路附着状态进行判断，将安全车速反馈给驾驶员。

(3)本发明提出的一种降雨天气高速公路行车实时安全反馈方法，其开发的app操作简单，可以全路段覆盖使用，应用互联网技术，信息化传递处理数据，实现了高速行驶过程中实时、高效的安全车速信息反馈，保障降雨天气下的行车安全，降低交通事故的发生率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的路面水平坐标模型图；

图2为本发明实施例提供的零坡第二阶段排水口特征图；

图3为本发明实施例提供的第二阶段积水状态立面图；

图4为本发明实施例提供的坡面单元模型图；

图5为本发明实施例提供的斜坡径流微元二维状态图；

图6为本发明实施例提供的斜坡径流微元三维状态图；

图7为本发明实施例提供的降雨强度对水膜厚度的影响图；

图8为本发明实施例提供的横断面宽度变化对水膜厚度的影响图；

图9为本发明实施例提供的水膜厚度随时间变化曲线图；

图10为本发明实施例提供的水膜厚度随x(m)的变化曲线图；

图11为本发明实施例提供的水膜厚度三线对比图；

图12为本发明实施例提供的轮胎与路面的润滑系统图；

图13为本发明实施例提供的轮胎与路面的受力分析图；

图14为本发明实施例提供的停滞点位置图；

图15为本发明实施例提供的水膜给车的作用力图；

图16为本发明实施例提供的app运行流程图。

具体实施方式

下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

随着我国交通发展，高速公路的建设重点逐渐由东部向西部转移，西南多雨的山区高速公路建设有很大的发展空间，但由于地形复杂，公路弯道较多，降雨天气高速公路积水行车安全更不容忽视。

高速公路行车安全反馈系统是信息化时代，开发的app致力于解决降雨天气形成安全问题，既互联网技术与交通领域发展的有机结合，也是向智能交通的一次迈进。

app可以自动采集相关数据并根据胎路附着状态进行安全车速计算，实时将安全车速反馈给驾驶员，保障降雨天气下的行车安全，有效降低由交通事故引起的生命财产损失，操作简便，界面友好，具有广阔的应用前景，必将产生良好的经济及社会效益。

在此基础上，本发明将结合大数据分析，将系统与GPS卫星定位、高德地图、百度地图等地图导航类App寻求合作，优化系统的使用体验，扩大用户数量，提升市场服务能力，最大程度实现系统的实用价值。

条件下，滞留在路面的水会在路面形成径流，径流中每束流管都对应有不同的几何状态。若取任意一个单位宽度(单束流管)进行水力学分析，即可得到其该位置水膜厚度的表达式。因为该区域与相邻区域面之间变化连续且均匀，可认为相互之间水量交换处于动态平衡，则假设相邻区域彼此之间互不影响。

参照图1-16，本发明提供了一种降雨天气高速公路行车实时安全反馈方法，包括以下步骤：

步骤S1：建立路面数学模型计算路面的合成坡度；

步骤S2：建立路面积水状态的物理模型，计算斜坡的水膜厚度；

步骤S3：采集降雨气象数据，计算积水条件下的安全车速；

步骤S4：输入用户车辆的基本参数信息，进行车辆的定位和目的地导航，实时更新反馈车辆当前位置的安全车速。

实施例1

对于公路路面，根据设计资料或测量数据建立研究路段的空间直角坐标系，得到路面上每一点的空间坐标。将路面设定成一个连续的空间曲面，由无数个倾斜的平面连续拼接而成，转弯或坡度变化处，也可看作是多个扇形拼接组成，整体成光滑过渡，则路面的几何方程为φ(x,y,z)。

为了实现横向路面排水，一般设置路拱横坡。但在超高过渡段，存在横坡变化，甚至横坡为零。而纵坡也会随着地势而变化，就会存在路面合成最大坡度，即降雨汇集方向。

为了分析路面积水状态，建立路面合成坡度的空间几何模型，如图1所示。采用结构单元拉伸法合成最大坡度，在投影固定不变的情况下，拉伸模型的高度，得到斜平面的法向方向，计算出最大坡脚i，设四角坐标分别为(x

设横向坡度为α，纵向坡度为β，主要分为以下几种工况：

(1)根据上述几何模型，可判断出在持续均匀降雨路面为一水平面，当位于超高过渡段的零坡，则i＝0。

(2)路面纵坡为0，仅在横断面存在坡度，此时有：

ΔB＝x

ΔH＝z

通过路面平面函数φ(x,y,z)得到：

(3)当横、纵坡同时存在时，可以看作在工况(2)的基础上，将模型一侧整体向上提升一个高度，此时四个端点仍在一个平面内。设此时抬起高度ΔH，则：

ΔH＝Δl*β (1-5)

令

Δl＝y

综上得出所述步骤S1中计算路面合成坡度的公式如下：

其中，i为最大坡度，单位是％；ΔB为断面宽度，单位是m；ΔI为道路的单位长度，选取逐桩坐标表的单位长度，单位是m；

此时过面上一点，可计算得到对应的最大坡脚，该坡脚所对应截面与路面交线方向，即为降水汇集在路面后，路面径流的主要流动方向，则水流在路面流过长度B

该流线长与横断截面在平面上的交线夹角为γ，则

其中，在高速公路的超高过渡段可能出现局部零坡状况，积水很难通过自重流向排水口，路面积水存在较大的交通隐患。

假设沿行进方向，路边按一定的规律设置有排水口，取单位长度作为模型的宽，截取长度l0，即在l0长度内，有n个排水口，n初始值取1。再取道路横断面与道路路面的交线，交线长度B

随着降雨强度逐渐增大，路面开始有积水，呈均匀分布的一层水膜。如果不考虑路面不平整造成的局部积水，雨水通过径流缓缓排入排水设施，此阶段的特征是排水口不被水覆盖，如图2所示。

此阶段降雨量与排水基本均衡，水膜形成是两方面因素：一是由于水的表面张力，二是路面径流排水需要一定时间，则滞留的雨水形成水膜。基于水膜表面张力理论，此时水膜厚度一般小于2mm。由于在均匀的降雨状况下，水膜都会向四周扩散，在路面上大多数区域水膜厚度基本相同。所以对于路面上任意一点，水膜扩散的趋势被抵消，水膜整体缓慢的向排水口移动，整体可假定为直线，排水边缘的水膜厚度大概呈现一个四分之一椭圆(表面张力)，如图 3所示。

假设积水移动速度是

式中：I是降雨量，单位mm/min；l0是单元的宽，单位m；B0是单元的长，单位m；h是水膜厚度，单位mm；t是时间，单位s；g是重力加速度，单位kg*m/s

积分可得

A＝IB

当t→∞，则

实施例2

路面积水状态的物理模型，如图4所示，选取最大坡脚对应的截面，截面和表面交线为B

在路面坡度上，对于无显著积水状态，在湿滑路面上，尤其是润湿不均匀，汽车制动时很容易发生摆尾，存在一定的行车安全风险。

对于自由排水的积水状态，在一个单元模型中，径流为沿坡面流动，在坡脚排水口排出。降水过程中积水不断增多，流速增加，则有

其中V是流速，单位m/s；n是粗糙系数；h是水膜厚度，单位mm；i是坡度；

由式(2-1)可见水膜厚度也是沿程增加的，若将流速变化近似不计，根据能量守恒得：

对于该径流模型，可知为一般降水情况下均为紊流，水力半径

根据沥青路面的构造深度与水膜厚度的关系，可认为该径流基本处于紊流光滑区，根据勃拉休斯公式

式中v为液体的运动粘滞系数，单位cm2/s；可通过查询技术数据获得，如水在20℃下的v＝0.0101cm2/s。

对沿程任意一个微元dx分析，其二维及三维状态分别如图5、图6所示，此时微元的两边进出流速v和v+dv，降雨也有所补充，则水的增量引起水膜厚度的沿程变化。

Idxdt-dvhdt＝dxdh (2-6)

Idx＝dvh+vdh (2-7)

I

综上所述，路面积水状态的物理模型根据所述步骤S1研究路段的合成坡度结果，选择对应的计算公式：

当结果为零坡时：

C为常数，且

当结果为斜坡时：

式中，h为水膜厚度，单位mm；I为降雨量，单位mm/min；v为液体的运动粘滞系数，常温下取0.00877cm

实施例3

所述步骤S3利用从降雨天气的数据接口获取的降雨强度，将数据导入公式(3)计算出水膜厚度，再带入安全车速的计算公式(4)，计算方法如下：

其中，h为水膜厚度，单位mm；L为排水长度，单位m；S为路面坡度，单位m/m；I为降雨强度，单位mm/h；G为汽车总载荷；n为车轮数目；ρ为水密度；w为轮胎宽度；

实施例4

1、获取降雨强度对水膜厚度的影响，取横断面宽度为10m，斜坡取坡度为8％，降雨量从1mm/min到5mm/min,步幅为0.4mm/min，结果如图7所示。

由图可得，零坡和斜坡的自由排水阶段以及零坡的阻滞性排水阶段，水膜厚度的变化趋势相同，都是随着降雨强度的增加，水膜厚度也随之增加。

从图中可以清晰的看出，零坡的阻滞性排水阶段，水膜厚度随降雨强度的变化速度很快，增长非常迅速，这是因为在排水受阻时，这种降雨强度的增大排水来不及作出反应，积水的量便会持续上升。而自由排水阶段，零坡的水膜厚度大于斜坡路面的最大水膜厚度。

2、获取横断面宽度对水膜厚度的影响，取降雨强度为1.2mm/min，横断面宽度从6m到15m,步幅为1m。结果如图8所示。

由图可得，零坡自由排水阶段和阻滞性排水阶段的变化趋势相同，都是路面越宽，水膜厚度越大。但是其前后水膜厚度在一开始是自由排水阶段更大，这是因为在横断面宽度较小时积水总量也少，此时阻滞性排水的流速慢，但一次性从整个排水口流入的量却大，积水的水膜厚度便更小。但在水膜厚度较小时，很难发生阻滞性排水的情况，往往还是以自由排水阶段为主，也恰好是最不利情况。另外，阻滞性排水的水膜厚度增长速度明显更快，这是因为阻滞性排水，前后水流存在附加的作用力，阻碍了水的正常排出，而滞留越多阻碍就越大，所以积水的速度也就越快。

3、获取零坡路段积水模型，取当降雨量为1.2mm/min，B

可得，水膜厚度随着时间增长会最终趋于一个恒定的值，即为该情况下的水膜厚度。该水膜厚度与降水强度和水膜自身的表面张力有关。而随着时间增长，水膜厚度的变化越来越慢，是由于路面积水增多，水膜厚度变化的“惯性”增大，逐步趋于定值。

4、获取水膜厚度在最大坡度断面的空间分布，当降雨量为1.2mm/min， B0为20m,g取9.8m/s2，坡度为0.02，则可得此时水膜厚度，如图10所示，坡度存在时，降水在路面上有主要流向，对于越靠近下端的位置水膜厚度越大。这是路面的水膜厚度分布不均匀，对行车存在一定的安全隐患。

5、获取坡度变化对最大水膜厚度的影响，取最大坡度截面与路面交线长 15m，降雨量1.2mm/min，v取26℃时0.00877cm2/s，最大坡脚从0.01到0.04，步幅0.005，并绘制散点图拟合曲线，如表1所示：

表1.斜坡第二阶段不同坡度对应水膜厚度

由表格可得，随着最大坡度的增加，最大水膜厚度逐渐减小。所以设计阶段灵活运用各种坡度变化来加速排水减少积水。

6、获取降雨量变化对最大水膜厚度的影响，取最大坡度截面与路面交线长15m，坡脚为0.02，v取26℃时0.00877cm2/s，降雨量从0.6mm/min到 5mm/min，步幅为0.4mm/min，结果如表2所示：

表2.斜坡不同降雨量对应的最大水膜厚度

再补充斜面中点对应的水膜厚度，如表3所示：

表3.斜坡不同降雨量对应的斜面中点水膜厚度

综合上面的两个表格，首先可知降雨量越大水膜厚度越大。其次，对比两个表格，中点大于最大水膜厚度的一半，即表面水膜厚度的分布不是线性的。差值比较可得：

0.7h

可用于快速计算，另一方面在水膜厚度在路面变化的后半段变化幅度并不大，小于前面的变化幅度。如图11所示。

实施例5

行驶车辆，左右两侧轮胎下水膜厚度的差值分析

假设车轮之间间距2m，车的左轮距路面高侧的距离为x

表4.车轮水膜厚度差

过大的水膜厚度差，会导致汽车行驶容易发生摆尾，外侧的水膜厚度过大，容易发生水滑，总体看来降雨在路面形成积水时，整个路面都有安全隐患。

路面上流动的积水由于道路构造深度的影响使得积水中的质点在空间和时间上高度无规律运动，并且发生着强烈的速度脉动和动量混合导致Re>500，因此这种状态为湍流状态。道路表面不同部位粗糙系数、水膜压力、水膜厚度等都是随机变量，假设发生滑水时轮胎不会在道路上发生横向位移，可以将其转化为平面问题，建立轮胎与路面的润滑系统，参见图12。

车辆在有积水的路面行驶时，车轮必定会对路面积水发生扰动，从而引起水膜发生流动。由于流束受到轮胎阻碍，使得流速在轮胎表面流速变为0，此点即为停滞点，这一过程的发生在轮胎的接地长度范围内，并且流束能量随流速变化而转化(从动能转化为压能)当流速到达停滞点时，其流速能量完全转化为压能，这个时候水膜给车一个向上的作用力，是车和路面的作用力变小，发生失控。现在以此为理论基础建立滑水分析模型，找到安全行驶临界速度。

参见图13至15，假设速度随位移成线性分布，以减速开始的位置为原点，其到轮胎的距离是L，则任意位置x的速度为式中：

x为车辆减速开始位置到研究位置距离，单位m；V

则F＝W

因为

式中：w为车辆轮胎宽度，单位m，所以

可知W

因为当W

根据实际情况修正

由于为满足行车安全，以保证70％有效重力与路面作用为安全速度

令

若将80％G的水对车辆的竖向作用力定义为极限危险状态，通过带入数据可得普通小轿车在V＝120km/h，水膜厚度为7mm中行车极不安全，这也就是雨天交通事故频发的一个重要原因。

随着重力的增大，临界滑水速度也在增大。例如实际生活中的大卡车虽然不易发生滑水，但其惯性大，所以其限速的主要考虑因素不在水滑，可见分析问题必须全面考虑，综合确定车辆在该水膜厚度下参考安全行车速度。

参照图16，本程序进行前期数据处理时利用采集沥青路面图像，构建广义回归神经网络模型，沥青路面图像的像素平均高程、像素极差、像素均值作为广义回归神经网络模型的输入数据，沥青路面构造深度作为广义回归神经网络模型的输出数据，根据广义回归神经网络模型，预测沥青路面构造深度，确定沥青路面水膜厚度，根据沥青路面水膜厚度，确定参考行车安全速度。本发明通过对路面径流及水滑现象、水膜厚度、路面抗滑性能进行分析，在分析路面积水造成事故的同时，构造App程序，对实时状态进行监测提示。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。