基于GPS_GIS的道路交通安全预报研究

1、第23卷第4期重庆交通学院学报2004年8月Vo1123No14JOURNA L OF CH ONG QI NGJ I AOT ONG UNI VERSITY Aug.,2004基于GPSGIS的道路交通安全预报研究曹智翔,黄显贵(重庆交通学院土木建筑学院,重庆400074摘要:提出了一种基于GIS和G PS的道路行车安全预报系统方法,根据车辆在道路的位置控制行车状况,对车辆行驶进行安全预测,为智能交通系统开拓了新的应用空间,具有极大的经济和社会潜在效益.关键词:道路线形;智能交通(ITS;地理信息系统(GIS;全球定位系统(G PS中图分类号:U492.8+4文献标识码:A文章编号:1001

2、2716X(20040420082203道路交通事故的发生,是由于驾驶员、车辆、道路及环境因素所组成的系统互相协调作用受到破坏的结果.在道路交通事故中,过去一般将事故原因归为驾驶员的原因所引起,通过对交通事故的深入研究,在道路交通事故背后、分析其隐含的原因,可以发现至少40%以上的交通事故是由于困难与不舒适的道路条件所造成的1.随着车辆数量的增加、车辆的机动性能的提升、道路等级的提高,车辆的行车速度不断加快,由道路的几何线形对车辆的交通安全的影响不容忽视.据调查,在1990年的全国特大交通事故中,有47起是发生在坡道、转弯的路段上1,因此,有必要对道路的状况对交通事故的影响引起足够的重视,对重

3、要的路段采取积极的防范措施.基于这样的原因,笔者提出一种道路交通安全事故预报系统的新方法.1几何线形对道路交通事故影响分析公路主要是由道路的平面线形、道路的纵断面线形及道路的横断面线形所组成.道路设计质量的好坏直接影响到行车的安全.公路平面曲线线形参数是鉴定公路技术条件的重要指标之一.在进行道路平曲线设计时,其原理是要确保汽车沿公路行驶时,其横向和纵向同时处于安全的正常行车状态.R min=V2/127(f+i(1式中:Rmin曲线最小曲率半径,(m;V 计算车速,(kmh;i最大超高横坡度;f 路面与车轮之间的横向摩阻系数.当汽车按照设计车速通过曲线时,横向摩阻系数的大小,影响到驾驶人员和乘

4、客的紧张和舒适3,见表1所示.表1摩阻系数与人的心理感觉关系f汽车通过曲线时的感觉0.01感觉不到曲线,驾驶员不紧张0.15稍感觉到有曲线,驾驶员不太紧张,没有不舒服感0.20感到汽车通过曲线,驾驶人员明显紧张,稍有不稳定的感觉0.2540%的人感觉不舒服,驾驶员相当紧张0.30所有通过曲线的人都感到不舒服,驾驶员相当紧张0.35所有人感到非常不舒服,很紧张,汽车有倾滑的危险、不稳定0.40乘员站不住,汽车有倾覆的危险如果f值过大,会影响到驾驶人员的心理,使驾驶人员心理紧张,直接导致操作失误,并且驾驶员为减少离心力的影响往往采用大回转,容易造成汽车离开车道,增加发生事故的几率.考虑汽车在曲线上

5、行驶时的横向滑移稳定,在横向滑移的极限平衡状态,当道路的曲线半径一定、磨阻系数及横坡已知时,汽车的极限行车速度为: V max=127R(f±i(2即当汽车在道路上行驶时,车速超过极限行车收稿日期:2003206219;修改日期:2003211227作者简介:曹智翔(1965-,男,四川自贡人,副教授,硕士,从事测量技术与G PS应用的教学科研工作.速度则汽车将发生横向滑移,给汽车行驶安全带来隐患.公路的纵断面线形是指公路上坡、下坡的纵向坡度及前后两个坡度间插入的竖曲线,纵断面线形也是影响公路行车安全的一个重要因素.纵坡设计时要考虑汽车有必要的牵引力、保证有合理的行车视距和车速.过大

6、的纵坡,为保证行车的安全,需要较高的路面抗滑能力,当路面的抗滑能力不足时,安全难以保证;在这样的纵坡上,汽车下坡时,很容易超速行驶,对安全和舒适都是不利的.同时在过大的纵坡上行驶,汽车也容易因发动机过热而熄火、制动失灵.因汽车在下坡时的冲击,路面也容易破坏.同时,过大的纵坡也使驾驶人员下坡时心理紧张,来不及制动,发生交通事故4.在进行竖曲线半径设计时,一般是从考虑汽车对路面的冲击、视距的要求、和保证桥下净空等方面所要求的竖曲线长度来计算竖曲线极限最小半径.当汽车行驶的路面竖曲线半径已知时,根据冲击的缓冲要求可以得到保证行车的安全和舒适的最大行车速度为:V max= 3.6R(3当坡度很小时,由

7、计算所得的竖曲线长度一般均很短,这给驾驶员一个很急的折曲的错觉,会造成心理上的紧张和判断的失误.因此公路工程技术标准规定了竖曲线的最小长度为汽车按计算车速行使3s的距离.以此为依据,如竖曲线的长度已知,可按3s以上车辆才能通过竖曲线,计算汽车的控制行车速度.影响道路交通安全的几何线形因素不仅有以上的原因,同时也与几何线形的组合是否合理有很大的关系.同时交通事故的原因是多因素产生的,极其复杂.但在一个较为封闭的汽车专用交通系统中(如高速公路,各种因素所造成的交通事故基本上都与汽车的行驶速度有关,在汽车通过各种道路时,如已知道路的路面线形和状况,控制汽车的安全行车速度是减少交通事故的有效手段.2车

8、辆瞬时位置的确定以上可见,要对道路的交通行车安全进行预测,这与车辆所在瞬时位置的路面状况有极大的关系.智能交通系统(ITS所涉及的主要内容之一为车辆的定位导航,车辆的定位技术也是它的核心部分.目前世界上所采用的定位导航技术大体分为推荐导航和无线电导航,主要有下面的几种:2惯性导航技术I NS(Inertial Navigation Sys2 tems.是由加速度计和陀螺仪组成,具有在高速下捕捉数据的能力,且定位精度较高.但在长时间定位中,误差容易累积使定位精度下降.3轨迹推算定位DR(Dead Reckoning.DR包括罗盘仪、速度仪、里程计、转速计.这些传感器测量车辆的行驶距离、速度和方位

9、.在短时间内精度较高,时间长了会造成误差的累积.4地面无线电传呼TRF(T errain Radio Frequen2 cy定位.5信标杆SP(Signal P ole定位.以上各种定位技术各有优缺点,车辆导航一般采用G PS导航.为克服G PS本身的缺陷也可采用G PS和惯性导航系统的组合技术.将车辆所在位置调整到电子地图上的道路位置的方法称为“地图匹配”,这是一种将地图和测量各自存在的误差作为前提条件的一种核对技术,基本上是参考车辆的行驶轨迹和确定的道路形状,进行相关匹配,做出自动修正,在电子地图上得到车辆的正确位置,精确地将其显示在电子地图上的应在的道路位置5,现有的汽车导航系统一般是采

10、用的这种方法.地图匹配算法要求电子地图的精度较高.在车辆报警系统中,车辆在电子地图上的位置是否精确的显示并不重要,重要的是车辆所在的道路中的位置,即车辆在所在道路中的里程位置.目前采用差分技术,G PS的定位精度可在1m左右,采用双频动态实时定位(RTK定位精度更是高达厘米级(日本三菱电机公司最近开发出新的G PS定位系统,在汽车、火车以时速100km/h行驶的情况下,定位误差只有2cm.目前,日本国土地理院已在全国设有上千个全球卫星定位系统的基准点,如果加以利用的话,用很少的投资即可在全国开展服务.,足以满足导航定位的精度要求,因此电子地图的精度可以要求不很高,定位精度由G PS系统提供保证

11、.G PS所测量的是三维位置信息(经度、纬度、大地高是属于WG S-84坐标系统的,而车辆所在的道路的坐标系统我国一般是1980年国家大地坐标系和1954年的北京坐标系或者是独立的坐标系统.因此,应将G PS所测的WG S-84坐标转换到所需的道路坐标系统中,这可以通过坐标转换求得.在建立38第4期曹智翔,等:基于G PSGIS的道路交通安全预报研究道路数据库时,可事先将求得的转换参数存在道路数据库中,车辆实时定位时直接利用参数进行坐标转换.车辆行驶是否安全与车辆所在位置的道路平面线形、纵断面线形和道路的横坡、路面状况及气候和周围的环境有重要的关系.这些数据均与道路的里程有关,由道路数据库提供

12、.因此有必要将车辆所在位置的道路坐标系下的坐标转换为车辆所在道路的里程及到道路中线的横向距离,只要知道车辆所在的道路里程位置即可在道路数据库中提取相关数据进行计算.将汽车位置的坐标转换到道路里程可以采用数值迭代的方法进行计算,文献6中提出了一种转换方法,可以很容易地将所测坐标转换为里程和到中线的距离.3道路数据库的建立及安全事故预报要进行安全预测,与道路状况有关,道路的状况由道路数据库提供.道路数据库是本系统的基础数据,其质量的好坏直接关系到系统能否达到预期的效果.在建立道路数据库时应充分考虑尽量符合智能交通系统标准(IS OTC204,以便数据库有良好的兼容性和可移植性.道路数据库应该提供良

13、好的数据共享,其数据结构和所应包含的具体内容还很值得深入研究.数据库可以通过现场实测和竣工资料,配合调查采集.对于广大的区域最有效的方法是采取道路几何线形测试车进行,如澳大利亚道路研究所(ARRB生产的道路几何特征测试车RG ADS系统(不带G PS接受机和G ipsi-trac系统(带G PS接受机进行几何线形采集.当测试车在道路上行驶时,车上的记录器能自动记录道路的距离、纵坡、平曲线曲率、竖曲线曲率、超高、横坡度、车辆的速度等资料7.根据车辆所在位置的里程可在道路数据库中提取相关路段的数据,利用基于GIS开发的计算模型计算车辆应该满足的安全行车状态,同车辆实际运行状态相比较,判断车辆实时行

14、车是否安全.系统根据车辆现有的速度、加速度等信息,采用某种算法如卡尔曼滤波预测车辆在某时间段内将要达到的公路里程,计算下一路段车辆安全状态预测,如速度、加速度等,与安全极限数据相比较、同时也可根据前方车辆的运行数据计算车辆现有位置在何时可能发生汽车追尾等,以便驾驶人员能够采取积极的有效措施改变车辆的运行状态.作为智能交通系统的一个分支,应力求采用现有的成熟技术进行系统集成,将主要的精力用到专业系统应用的开发中来,这样可以缩短系统开发周期,提高系统的安全性、稳定性和可移植性及有利于系统的更新和持续发展.目前主要的GIS产品均提供G PS接受功能,如Mapin fo6.5,ArcIn fo8等,可

15、直接从G PS设备获取坐标信息并动态的在地图上显示车辆的位置,并具有强大的数据分析、地理分析、数据管理、地图投影、数据发布的能力.除提供系统本身的二次开发语言外,还具有开放的开发环境,可利用如Visual Basic、C+、P owerBuilder和Delphi等高级语言编写应用程序,这给熟悉某种开发语言的程序员提供了良好的开发环境.基于GIS平台开发的道路交通导航系统已在商业上进行了成功应用.4小结综上所述,基于G PS、GIS的道路交通系统行车安全预报在理论上是可行的,在技术上利用现有的技术也是可实施的.我国作为经济突飞猛进的大国,目前小汽车以每年50%的速度增长,交通事故也随着车辆的增

16、多和车速的加快而增加,开发安全行车预警系统不失为减少交通事故的有效手段之一.通过系统的研究、开发和应用,必将创造新的市场空间和新的经济增长点,将产生巨大的社会经济效益,有利于经济的持续发展.参考文献:1任福田,刘小明.道路交通安全M.北京:人民交通出版社,2001.2中华人民共和国交通部.公路工程技术标准.(J T J01-88S.北京:人民交通出版社,1995.3张正林.公路工程M.北京:人民交通出版社,1993.4徐吉谦.交通工程总论M.北京:人民交通出版社,1993.5交通工学研究会,董国良译(日.智能交通系统M.北京:人民交通出版社,2000.6曹智翔.公路边线放样新方法J.重庆交通学

17、院学报,2001,20(2:9093.7王文锐.公路几何线形检测技术M.北京:人民交通出版社,2000.(下转106页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责任编辑:袁本奎(上接84页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责任编辑:袁本奎(上接102页The study and manu facture about t