基于GPS_GIS的道路交通安全預(yù)報研究

1、第23卷第4期重慶交通學(xué)院學(xué)報2004年8月Vo1123No14JOURNA L OF CH ONG QI NGJ I AOT ONG UNI VERSITY Aug.,2004基于GPSGIS的道路交通安全預(yù)報研究曹智翔,黃顯貴(重慶交通學(xué)院土木建筑學(xué)院,重慶400074摘要:提出了一種基于GIS和G PS的道路行車安全預(yù)報系統(tǒng)方法,根據(jù)車輛在道路的位置控制行車狀況,對車輛行駛進(jìn)行安全預(yù)測,為智能交通系統(tǒng)開拓了新的應(yīng)用空間,具有極大的經(jīng)濟(jì)和社會潛在效益.關(guān)鍵詞:道路線形;智能交通(ITS;地理信息系統(tǒng)(GIS;全球定位系統(tǒng)(G PS中圖分類號:U492.8+4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1001

2、2716X(20040420082203道路交通事故的發(fā)生,是由于駕駛員、車輛、道路及環(huán)境因素所組成的系統(tǒng)互相協(xié)調(diào)作用受到破壞的結(jié)果.在道路交通事故中,過去一般將事故原因歸為駕駛員的原因所引起,通過對交通事故的深入研究,在道路交通事故背后、分析其隱含的原因,可以發(fā)現(xiàn)至少40%以上的交通事故是由于困難與不舒適的道路條件所造成的1.隨著車輛數(shù)量的增加、車輛的機(jī)動性能的提升、道路等級的提高,車輛的行車速度不斷加快,由道路的幾何線形對車輛的交通安全的影響不容忽視.據(jù)調(diào)查,在1990年的全國特大交通事故中,有47起是發(fā)生在坡道、轉(zhuǎn)彎的路段上1,因此,有必要對道路的狀況對交通事故的影響引起足夠的重視,對重

3、要的路段采取積極的防范措施.基于這樣的原因,筆者提出一種道路交通安全事故預(yù)報系統(tǒng)的新方法.1幾何線形對道路交通事故影響分析公路主要是由道路的平面線形、道路的縱斷面線形及道路的橫斷面線形所組成.道路設(shè)計質(zhì)量的好壞直接影響到行車的安全.公路平面曲線線形參數(shù)是鑒定公路技術(shù)條件的重要指標(biāo)之一.在進(jìn)行道路平曲線設(shè)計時,其原理是要確保汽車沿公路行駛時,其橫向和縱向同時處于安全的正常行車狀態(tài).R min=V2/127(f+i(1式中:Rmin曲線最小曲率半徑,(m;V 計算車速,(kmh;i最大超高橫坡度;f 路面與車輪之間的橫向摩阻系數(shù).當(dāng)汽車按照設(shè)計車速通過曲線時,橫向摩阻系數(shù)的大小,影響到駕駛?cè)藛T和乘

4、客的緊張和舒適3,見表1所示.表1摩阻系數(shù)與人的心理感覺關(guān)系f汽車通過曲線時的感覺0.01感覺不到曲線,駕駛員不緊張0.15稍感覺到有曲線,駕駛員不太緊張,沒有不舒服感0.20感到汽車通過曲線,駕駛?cè)藛T明顯緊張,稍有不穩(wěn)定的感覺0.2540%的人感覺不舒服,駕駛員相當(dāng)緊張0.30所有通過曲線的人都感到不舒服,駕駛員相當(dāng)緊張0.35所有人感到非常不舒服,很緊張,汽車有傾滑的危險、不穩(wěn)定0.40乘員站不住,汽車有傾覆的危險如果f值過大,會影響到駕駛?cè)藛T的心理,使駕駛?cè)藛T心理緊張,直接導(dǎo)致操作失誤,并且駕駛員為減少離心力的影響往往采用大回轉(zhuǎn),容易造成汽車離開車道,增加發(fā)生事故的幾率.考慮汽車在曲線上

5、行駛時的橫向滑移穩(wěn)定,在橫向滑移的極限平衡狀態(tài),當(dāng)?shù)缆返那€半徑一定、磨阻系數(shù)及橫坡已知時,汽車的極限行車速度為: V max=127R(f±i(2即當(dāng)汽車在道路上行駛時,車速超過極限行車收稿日期:2003206219;修改日期:2003211227作者簡介:曹智翔(1965-,男,四川自貢人,副教授,碩士,從事測量技術(shù)與G PS應(yīng)用的教學(xué)科研工作.速度則汽車將發(fā)生橫向滑移,給汽車行駛安全帶來隱患.公路的縱斷面線形是指公路上坡、下坡的縱向坡度及前后兩個坡度間插入的豎曲線,縱斷面線形也是影響公路行車安全的一個重要因素.縱坡設(shè)計時要考慮汽車有必要的牽引力、保證有合理的行車視距和車速.過大

6、的縱坡,為保證行車的安全,需要較高的路面抗滑能力,當(dāng)路面的抗滑能力不足時,安全難以保證;在這樣的縱坡上,汽車下坡時,很容易超速行駛,對安全和舒適都是不利的.同時在過大的縱坡上行駛,汽車也容易因發(fā)動機(jī)過熱而熄火、制動失靈.因汽車在下坡時的沖擊,路面也容易破壞.同時,過大的縱坡也使駕駛?cè)藛T下坡時心理緊張,來不及制動,發(fā)生交通事故4.在進(jìn)行豎曲線半徑設(shè)計時,一般是從考慮汽車對路面的沖擊、視距的要求、和保證橋下凈空等方面所要求的豎曲線長度來計算豎曲線極限最小半徑.當(dāng)汽車行駛的路面豎曲線半徑已知時,根據(jù)沖擊的緩沖要求可以得到保證行車的安全和舒適的最大行車速度為:V max= 3.6R(3當(dāng)坡度很小時,由

7、計算所得的豎曲線長度一般均很短,這給駕駛員一個很急的折曲的錯覺,會造成心理上的緊張和判斷的失誤.因此公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了豎曲線的最小長度為汽車按計算車速行使3s的距離.以此為依據(jù),如豎曲線的長度已知,可按3s以上車輛才能通過豎曲線,計算汽車的控制行車速度.影響道路交通安全的幾何線形因素不僅有以上的原因,同時也與幾何線形的組合是否合理有很大的關(guān)系.同時交通事故的原因是多因素產(chǎn)生的,極其復(fù)雜.但在一個較為封閉的汽車專用交通系統(tǒng)中(如高速公路,各種因素所造成的交通事故基本上都與汽車的行駛速度有關(guān),在汽車通過各種道路時,如已知道路的路面線形和狀況,控制汽車的安全行車速度是減少交通事故的有效手段.2車

8、輛瞬時位置的確定以上可見,要對道路的交通行車安全進(jìn)行預(yù)測,這與車輛所在瞬時位置的路面狀況有極大的關(guān)系.智能交通系統(tǒng)(ITS所涉及的主要內(nèi)容之一為車輛的定位導(dǎo)航,車輛的定位技術(shù)也是它的核心部分.目前世界上所采用的定位導(dǎo)航技術(shù)大體分為推薦導(dǎo)航和無線電導(dǎo)航,主要有下面的幾種:2慣性導(dǎo)航技術(shù)I NS(Inertial Navigation Sys2 tems.是由加速度計和陀螺儀組成,具有在高速下捕捉數(shù)據(jù)的能力,且定位精度較高.但在長時間定位中,誤差容易累積使定位精度下降.3軌跡推算定位DR(Dead Reckoning.DR包括羅盤儀、速度儀、里程計、轉(zhuǎn)速計.這些傳感器測量車輛的行駛距離、速度和方位

9、.在短時間內(nèi)精度較高,時間長了會造成誤差的累積.4地面無線電傳呼TRF(T errain Radio Frequen2 cy定位.5信標(biāo)桿SP(Signal P ole定位.以上各種定位技術(shù)各有優(yōu)缺點,車輛導(dǎo)航一般采用G PS導(dǎo)航.為克服G PS本身的缺陷也可采用G PS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的組合技術(shù).將車輛所在位置調(diào)整到電子地圖上的道路位置的方法稱為“地圖匹配”,這是一種將地圖和測量各自存在的誤差作為前提條件的一種核對技術(shù),基本上是參考車輛的行駛軌跡和確定的道路形狀,進(jìn)行相關(guān)匹配,做出自動修正,在電子地圖上得到車輛的正確位置,精確地將其顯示在電子地圖上的應(yīng)在的道路位置5,現(xiàn)有的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)一般是采

10、用的這種方法.地圖匹配算法要求電子地圖的精度較高.在車輛報警系統(tǒng)中,車輛在電子地圖上的位置是否精確的顯示并不重要,重要的是車輛所在的道路中的位置,即車輛在所在道路中的里程位置.目前采用差分技術(shù),G PS的定位精度可在1m左右,采用雙頻動態(tài)實時定位(RTK定位精度更是高達(dá)厘米級(日本三菱電機(jī)公司最近開發(fā)出新的G PS定位系統(tǒng),在汽車、火車以時速100km/h行駛的情況下,定位誤差只有2cm.目前,日本國土地理院已在全國設(shè)有上千個全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的基準(zhǔn)點,如果加以利用的話,用很少的投資即可在全國開展服務(wù).,足以滿足導(dǎo)航定位的精度要求,因此電子地圖的精度可以要求不很高,定位精度由G PS系統(tǒng)提供保證

11、.G PS所測量的是三維位置信息(經(jīng)度、緯度、大地高是屬于WG S-84坐標(biāo)系統(tǒng)的,而車輛所在的道路的坐標(biāo)系統(tǒng)我國一般是1980年國家大地坐標(biāo)系和1954年的北京坐標(biāo)系或者是獨立的坐標(biāo)系統(tǒng).因此,應(yīng)將G PS所測的WG S-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到所需的道路坐標(biāo)系統(tǒng)中,這可以通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換求得.在建立38第4期曹智翔,等:基于G PSGIS的道路交通安全預(yù)報研究道路數(shù)據(jù)庫時,可事先將求得的轉(zhuǎn)換參數(shù)存在道路數(shù)據(jù)庫中,車輛實時定位時直接利用參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換.車輛行駛是否安全與車輛所在位置的道路平面線形、縱斷面線形和道路的橫坡、路面狀況及氣候和周圍的環(huán)境有重要的關(guān)系.這些數(shù)據(jù)均與道路的里程有關(guān),由道路數(shù)據(jù)庫提供

12、.因此有必要將車輛所在位置的道路坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為車輛所在道路的里程及到道路中線的橫向距離,只要知道車輛所在的道路里程位置即可在道路數(shù)據(jù)庫中提取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算.將汽車位置的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到道路里程可以采用數(shù)值迭代的方法進(jìn)行計算,文獻(xiàn)6中提出了一種轉(zhuǎn)換方法,可以很容易地將所測坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為里程和到中線的距離.3道路數(shù)據(jù)庫的建立及安全事故預(yù)報要進(jìn)行安全預(yù)測,與道路狀況有關(guān),道路的狀況由道路數(shù)據(jù)庫提供.道路數(shù)據(jù)庫是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),其質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)期的效果.在建立道路數(shù)據(jù)庫時應(yīng)充分考慮盡量符合智能交通系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)(IS OTC204,以便數(shù)據(jù)庫有良好的兼容性和可移植性.道路數(shù)據(jù)庫應(yīng)該提供良

13、好的數(shù)據(jù)共享,其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和所應(yīng)包含的具體內(nèi)容還很值得深入研究.數(shù)據(jù)庫可以通過現(xiàn)場實測和竣工資料,配合調(diào)查采集.對于廣大的區(qū)域最有效的方法是采取道路幾何線形測試車進(jìn)行,如澳大利亞道路研究所(ARRB生產(chǎn)的道路幾何特征測試車RG ADS系統(tǒng)(不帶G PS接受機(jī)和G ipsi-trac系統(tǒng)(帶G PS接受機(jī)進(jìn)行幾何線形采集.當(dāng)測試車在道路上行駛時,車上的記錄器能自動記錄道路的距離、縱坡、平曲線曲率、豎曲線曲率、超高、橫坡度、車輛的速度等資料7.根據(jù)車輛所在位置的里程可在道路數(shù)據(jù)庫中提取相關(guān)路段的數(shù)據(jù),利用基于GIS開發(fā)的計算模型計算車輛應(yīng)該滿足的安全行車狀態(tài),同車輛實際運行狀態(tài)相比較,判斷車輛實時行

14、車是否安全.系統(tǒng)根據(jù)車輛現(xiàn)有的速度、加速度等信息,采用某種算法如卡爾曼濾波預(yù)測車輛在某時間段內(nèi)將要達(dá)到的公路里程,計算下一路段車輛安全狀態(tài)預(yù)測,如速度、加速度等,與安全極限數(shù)據(jù)相比較、同時也可根據(jù)前方車輛的運行數(shù)據(jù)計算車輛現(xiàn)有位置在何時可能發(fā)生汽車追尾等,以便駕駛?cè)藛T能夠采取積極的有效措施改變車輛的運行狀態(tài).作為智能交通系統(tǒng)的一個分支,應(yīng)力求采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)集成,將主要的精力用到專業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用的開發(fā)中來,這樣可以縮短系統(tǒng)開發(fā)周期,提高系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可移植性及有利于系統(tǒng)的更新和持續(xù)發(fā)展.目前主要的GIS產(chǎn)品均提供G PS接受功能,如Mapin fo6.5,ArcIn fo8等,可

15、直接從G PS設(shè)備獲取坐標(biāo)信息并動態(tài)的在地圖上顯示車輛的位置,并具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、地理分析、數(shù)據(jù)管理、地圖投影、數(shù)據(jù)發(fā)布的能力.除提供系統(tǒng)本身的二次開發(fā)語言外,還具有開放的開發(fā)環(huán)境,可利用如Visual Basic、C+、P owerBuilder和Delphi等高級語言編寫應(yīng)用程序,這給熟悉某種開發(fā)語言的程序員提供了良好的開發(fā)環(huán)境.基于GIS平臺開發(fā)的道路交通導(dǎo)航系統(tǒng)已在商業(yè)上進(jìn)行了成功應(yīng)用.4小結(jié)綜上所述,基于G PS、GIS的道路交通系統(tǒng)行車安全預(yù)報在理論上是可行的,在技術(shù)上利用現(xiàn)有的技術(shù)也是可實施的.我國作為經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)的大國,目前小汽車以每年50%的速度增長,交通事故也隨著車輛的增

16、多和車速的加快而增加,開發(fā)安全行車預(yù)警系統(tǒng)不失為減少交通事故的有效手段之一.通過系統(tǒng)的研究、開發(fā)和應(yīng)用,必將創(chuàng)造新的市場空間和新的經(jīng)濟(jì)增長點,將產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益,有利于經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展.參考文獻(xiàn):1任福田,劉小明.道路交通安全M.北京:人民交通出版社,2001.2中華人民共和國交通部.公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).(J T J01-88S.北京:人民交通出版社,1995.3張正林.公路工程M.北京:人民交通出版社,1993.4徐吉謙.交通工程總論M.北京:人民交通出版社,1993.5交通工學(xué)研究會,董國良譯(日.智能交通系統(tǒng)M.北京:人民交通出版社,2000.6曹智翔.公路邊線放樣新方法J.重慶交通學(xué)

17、院學(xué)報,2001,20(2:9093.7王文銳.公路幾何線形檢測技術(shù)M.北京:人民交通出版社,2000.(下轉(zhuǎn)106頁The anti2jamming step about the unloaded torque measureof the vehicle redirectorsLI U X iao2gen,Y ANG Zhi2gang,DU Z i2xue(School of Machine&E lectronic,Chongqing Jiaotong University,Chongqing400074,ChinaAbstract:The unloaded torque detec

18、tion system of the vehicle redirector is the study target in the paper.The authors adopt the hardware and s oftware methods to clear up the interference signal that affects the measure of redirector unloaded torque,s o that the redirector unloaded torque is measured m ore accurately and reliably.K e

19、y w ords:redirector;unloaded torque;anti2jamming責(zé)任編輯:袁本奎(上接84頁The highw ay traffic safety forecast research base on GPS and GISC AO Zhi2xiang,H UANG X ian2gui(School of Civil Engineering&Architecture,Chongqing Jiaotong University,Chongqing400074,ChinaAbstract:A new system method about the traffi

20、c safety forecast base on GIS and G PS is advanced in this paper,control the car status according to the position of the vehicle on the highway,and proceed to the safe forecast of vehicle.The new applied space of the intelligent transport sys2 tem will be expanded,and will have the tremendous economy with the s ocial and latent w orth in the applications of G PS and GIS.K ey w ords:highway form;intelligent transport system(ITS;geographical in formation System(GIS;global positioning system(G PS責(zé)任編輯:袁本奎(上接102頁The study and manu facture about t