一种降雨条件下主动交通安全管控方法及系统与流程

本发明属于主动交通安全管控，涉及一种降雨条件下主动交通安全管控方法及系统。

背景技术：

1、降雨会影响路面摩阻，不同降雨强度在道路表面形成不同的水膜厚度，当水膜厚度达到一定程度时会发生水滑，进而引发交通事故；此外，车辆行驶时溅起的水雾也会降低行驶时的能见度水平，从而严重影响行车安全。据统计，雨天交通事故率约是正常天气的2～3倍，特别是在持续降雨的情况下，路面水膜厚度增加，此时轮胎与路面的摩擦系数接近为零，车辆若仍保持较高速度行驶，极易造成侧滑、追尾等交通事故。

2、雨天天气下高速公路的行车环境是一个复杂的系统，现实道路中不同的降雨类型、路面材料和排水系统都会导致路面水膜厚度不同。现有的研究缺乏降雨强度与水膜厚度的量化研究，无法直观地了解二者的关系，使得降雨强度的变化无法真正应用到交通行业。

3、传统关于雨天动态限速控制措施是基于降雨量、能见度等气象指标指定的，并未考虑降雨强度、道路几何线形以及路面构造深度等多变量组合引起水膜厚度变化的影响，导致现有公路管理部门在降雨天气采用的速度管控措施不够准确和精细化。同时，传统关于水膜厚度值的确定大都基于经验值，并未从引起水膜厚度变化的深层次原因分析。若明确不同降雨强度所对应的水膜厚度，就可以更加便捷地为道路运营管理部门以及交警部门提供雨天限速的理论基础，从而提高汽车雨天行驶的安全性。因此，研究雨天水膜变化规律对减少交通事故的发生具有重要作用，同时也是建立雨天主动安全防控策略的关键依据。

4、随着主动安全管控理念的愈发成熟，降雨条件下动态限速的研究也逐渐增多。

5、发明专利202110846794.3综合考虑交通气象数据以及视距、水滑速度和车辆行驶稳定性等因素，确定了不良天气下高速公路最大容许速度；

6、发明专利202011263224.3基于交通气象要素、交通流以及限速区对可变限速的影响，提出了一种高速公路限速取的速度协同控制方法；

7、发明专利202110099504.3基于元胞自动机模型和元胞传输模型，建立高速公路雨天管控样本库，通过控制器优化算法不断改进知识库，可以实现匝道和主线限速的融合协调。

8、上述发明制定的动态限速方案并未考虑降雨引起路面水膜厚度变化的影响，由于水膜厚度的变化会导致路面摩擦系数降低，因此，不同水膜厚度对应的安全行驶速度也有一定差异。

9、综上所述，明确不同降雨强度和道路环境特征所对应的水膜厚度，并以此提出更加科学、合理以及精细化的降雨天气下速度管控措施是急需解决的难题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明为解决针对降雨条件下，现有公路管理部门在降雨天气采用的速度管控措施不够准确和精细化的问题，提供一种降雨条件下主动交通安全管控方法及系统。

2、本发明所采用的技术方案为：一种降雨条件下主动交通安全管控方法，首先根据道路竣工图文件获取道路基本线形参数，利用交通气象监测站获取降雨气象资料；然后计算路面合成坡度，根据路面三维模型利用梯度下降算法计算降雨天气下路面雨水径流长度；最后计算水膜厚度及其对应的水滑速度，进而得到降雨条件下道路动态限速方案。

3、具体步骤为：

4、1)道路基础数据的获取：根据竣工图文件获取道路线形指标参数，包括设计速度vd、道路现有限速值v限、路拱横坡ig，道路纵坡i，圆曲线超高ih，缓和曲线长度lc以及行车道宽度b；

5、2)确定影响水膜厚度的因素：

6、影响水膜厚度的因素为降雨强度q、路面坡度i、雨天路面径流长度lf以及路面构造深度td；

7、3)影响水膜厚度指标的确定方法：

8、3-1)降雨强度q：降雨强度通过路段内交通气象监测站获取降雨气象资料，单位为mm/h；

9、3-2)路面坡度i：路面坡度为道路坡面合成坡度，在一般路段和超高过渡段其计算公式分别为：

10、a：一般路段是指道路横坡稳定不变的路段，包括直线路段和圆曲线路段，此路段上超高和纵坡在道路修建完成后为固定值；

11、一般路段合成坡度计算公式为：

12、

13、其中：

14、i——路面坡度；

15、ig——路拱横坡；

16、i——纵坡坡度；

17、b：超高过渡段是指设置在直线和圆曲线之间或半径相差较大的两个转向相同的圆曲线之间的曲率连续变化的路段；

18、超高过渡段合成坡度计算公式为：

19、

20、其中：

21、ix——距超高过渡段起点x距离处行车道横坡值，

22、ih——圆曲线超高值；

23、3-3)路面径流长度lf：路面径流长度通过数理分析计算得到，其具体步骤为：

24、a：一般路段：一般路段水流沿着路面合成坡度径流，流动轨迹为直线，径流长度计算公式为：

25、

26、其中：

27、lf——径流路径长度，m；

28、ig——路拱横坡；

29、i——纵坡坡度；

30、i——合成坡度；

31、b——行车道宽度，m；

32、b：超高过渡段：采用数学建模的方法构建超高过渡段路面三维函数模型，通过理论计算得到径流路径长度；

33、3-4)构造深度td：构造深度通过手工铺砂法测定或根据经验值推荐选用0.3-0.5mm；

34、4)路面水膜厚度回归模型：

35、利用人工降雨试验标定模型参数，最终得到的水膜厚度回归公式为：

36、

37、其中：

38、h——水膜深度，mm；

39、lf——排水长度，m；

40、i——路面坡度，m/m；

41、q——降雨强度，mm/h；

42、td——路面构造深度，mm；

43、5)不同水膜厚度对应的水滑速度：

44、当水膜厚度超过1mm时，车辆开始发生水滑现象，根据水滑速度模型计算水滑速度v与水膜厚度h的计算关系如下：

45、

46、式中：

47、a——旋转减速度；

48、p——轮胎气压(kpa)；

49、td——轮胎接触地面深度(mm)；

50、a——下两式中的较大值：

51、

52、

53、式中：

54、td——路面构造深度(mm)；

55、h——路面水膜厚度，(mm)；

56、6)建立降雨条件下高速公路交通安全管控系统

57、在气象条件良好以及降雨强度较小的情况下，路面水膜厚度小于1mm，高速公路的限速值维持现状，采用v限；随着降雨强度的不断增大，路面水膜厚度增加，当水膜厚度超过1mm时，高速公路限速值为水滑速度v及现有限速值v限中的较小值；

58、依据步骤5)确定的水滑速度公式，计算不同水膜厚度下对应的水滑速度v，取v和v限中最小值作为确定动态限速值的依据，参考《公路路线设计规范》(jtg d20-2017)中对高速公路几何线形基础数据的一般规定，确定的一般情况下不同降雨等级高速公路动态限速值为：

59、降雨气象条件下高速公路事件管理动态限速值

60、

61、上述步骤3-3)中超高过渡段的径流路径长度的具体方法为：

62、a：构建超高过渡段路面函数模型：以超高旋转轴为x轴，桩号递增方向为正方向，超高过渡段起点为x轴原点；平行地面垂直x轴并朝向行车道外侧为y轴正方向；垂直xy平面为z轴，竖直向上为正方向构建坐标系，则超高过渡段路面为三维曲面，其函数模型为：

63、

64、其中，ig——路拱横坡；

65、ih——圆曲线超高值；

66、lc——缓和曲线长度；

67、x、y、z分别为路面上各点距坐标轴原点的距离；

68、b：计算梯度向量：利用曲面函数，计算曲面在某点的梯度向量为：

69、

70、c：定义径流长度函数：

71、

72、d：初始化起点坐标(x1,y1,z1)和学习率α；

73、e：根据梯度下降方法更新起点坐标：

74、

75、

76、

77、f：在每一步移动后，计算已经过的路径长度：

78、

79、g：判断约束条件y＝0或y＝b/2是否满足，若满足则更新最大径流长度和输出相应的终点坐标，否则继续迭代；

80、重复以上步骤e-g直到满足约束条件，即可得到超高过渡段径流路径长度。

81、一种降雨条件下主动交通安全管控系统，其特征在于，包括输入端、决策端以及预警端；

82、输入端：输入端采用交通道路气象监测系统，以单柱式设置于路侧，实时获取气象资料；

83、决策端：决策端采用边缘计算单元，根据内部存储的道路竣工图数据以及实时传输的气象资料自动计算降雨条件下可变限速值，自主决策发布预警信息指令；

84、预警端：预警端分为可变限速标志、智能诱导设施两种安全管控措施；

85、可变限速标志采用单柱式可变信息板设置于路侧，设置在需限速路段前方100m处；

86、智能诱导装置采用情报板式或箱式智能诱导灯，装置显示红色警示灯及黄色线形诱导箭头，对驾驶员起到警示和引导作用，设置间隔为15-20m。

87、本发明的有益效果是:

88、1)本发明通过确定影响水膜厚度的影响因素，构建道路三维曲面函数，建立雨天道路水膜厚度量化模型，并基于不同水膜厚度提出了水滑速度的函数关系，给出了高速公路不同降雨等级下的动态限速值，最终建立降雨条件下高速公路交通安全管控系统。

89、2)本发明通过量化降雨强度和道路环境特征与水膜厚度的关系，确定不同水膜厚度对应的水滑速度，科学合理提出雨天速度管控措施，以提高道路的雨天行车安全性。

90、3)本发明直接通过数理计算得到径流长度，结果准确可靠，能够真实反映不同降雨等级下的路面水膜厚度的情况。

91、4)本发明提出的动态限速值能够为高速公路科学、合理以及精细化管控提供参考，对高速公路安全运营具有重要现实意义。