一种评估降雨环境下汽车轮胎与路面摩擦系数的方法及系统

1.本发明属于交通安全技术领域，具体涉及一种评估降雨环境下汽车轮胎与路面摩擦系数的方法及系统。


背景技术：

2.雨天对汽车轮胎与路面摩擦系数的影响识别是实现智慧高速全天候安全通行必须首先解决的关键技术难题之一，准确、快速评估降雨环境下汽车轮胎与路面的摩擦系数是保证智慧高速运营安全和制定限速方案的现实需要。降雨对车辆行驶安全最直接的影响是降雨引起的路面水膜厚度的增加导致路面摩擦系数减小，使路面抗滑性能减弱，容易导致侧滑、侧滑和碰撞事故的发生。
3.现有技术大多数是通过仿真和实地测量，以水膜厚度量化降雨对路面摩擦系数的影响程度，这样做符合降雨对路面摩擦系数的影响机制，即降雨对摩擦系数的影响是由于降雨带来的水膜厚度导致了轮胎与路面之间的相互作用特性发生了变化。但对应用者而言，需要在降雨环境下现场测量路面的水膜(积水)厚度才能明确降雨对行车环境的影响程度，这种方法程序复杂、精度难以保证以及可重复性差，无疑限制了成果的推广应用。降雨环境下公路的行车环境是一个复杂的系统，不同的道路几何特征和排水设施排水能力对路面水膜厚度的影响不同，加重了降雨对路面摩擦系数评估的复杂性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种评估降雨环境下汽车轮胎与路面摩擦系数的方法及系统，本发明适用于快速评估降雨环境下汽车轮胎与路面摩擦系数。以解决利用现有技术难以精确度量水膜厚度，直接利用水膜厚度预测摩擦系数的不准确性问题。
5.本发明的第一个目的是提供一种评估降雨环境下汽车轮胎与路面摩擦系数的方法，包括以下步骤：
6.s1、获取被测试路段的道路几何特征信息和排水设施的排水能力信息；
7.s2、获取被测试路段的降雨强度信息；
8.s3、根据步骤s1获得的道路几何特征信息和排水能力信息以及步骤s2获得的降雨强度信息计算得到不同路段、不同降雨强度组合条件下的轮胎与路面的摩擦系数。
9.优选的，步骤s3中，摩擦系数的计算包括以下步骤：
10.s31、根据步骤s2获得的降雨强度信息对降雨量和排水量进行计算；
11.s32、根据步骤s1获得的道路几何特征信息结合步骤s31计算得到的降雨量和排水量对不同道路几何特征下的积水量进行计算；
12.s33、根据步骤s1获得的排水能力信息结合步骤s32计算得到的积水量对不同降雨强度下的轮胎与路面的摩擦系数进行计算，得到轮胎与路面的摩擦系数。
13.本发明的第二个目的是提供一种评估降雨环境下汽车轮胎与路面摩擦系数的系统，包括天气信息处理模块、道路信息处理模块、排水设施能力解析模块、摩擦系数模型计
算模块和信息显示模块；
14.所述天气信息处理模块，用于处理天气预报信息、用户输入的信息、路侧气象设备采集信息；
15.所述道路信息处理模块，用于多源异构信息处理和获取道路几何特征、路面特性、使用年限信息；
16.所述排水设施能力解析模块，用于图像识别、解析、判断以及评估排水设施使用状况；
17.所述摩擦系数模型计算模块，用于根据天气信息、道路信息、排水设施能力信息，计算降雨环境下汽车轮胎与路面的摩擦系数；
18.所述信息显示模块，用于显示汽车轮胎与路面的摩擦系数数据。
19.本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
20.(1)本发明通过提供的评估降雨环境下汽车轮胎与路面摩擦系数的系统，能够获取被测试路段道路几何特征信息及排水设施排水能力信息，借助路侧气象雷达获取被测试路段降雨强度信息，根据降雨强度信息、道路几何特征信息及排水设施排水能力信息直接快速预测不同路段、不同降雨强度组合条件下的轮胎与路面的摩擦系数，可解决雨天难以实时动态测量路面摩擦系数以及测量不准确的技术问题；
21.(2)本发明提供的评估降雨环境下汽车轮胎与路面摩擦系数的方法和系统可以快速评估降雨对轮胎与路面摩擦系数的影响，快速制定雨天合理限速方案，为制定全天候快速安全通行策略提供依据，对保证中国目前16万公里高速公路全天候快速通行，有巨大的经济效益；对实现雨天高速公路的全天候安全通行，有良好的社会效益。
附图说明
22.图1为本发明实施例提供的评估降雨环境下汽车轮胎与路面摩擦系数方法的流程框图；
23.图2为本发明实施例中的摩擦系数模型计算原理的流程框图；
24.图3本发明实施例提供的评估降雨环境下汽车轮胎与路面摩擦系数系统的结构框图。
具体实施方式
25.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
26.如图1所示，本发明实施例提供的评估降雨环境下汽车轮胎与路面摩擦系数的方法，具体包括以下步骤：
27.s1、获取被测试路段的道路几何特征信息和排水设施的排水能力信息；具体是利用本发明实施例提供的评估降雨环境下汽车轮胎与路面摩擦系数系统中的道路信息处理模块和排水设施能力解析模块通过图像识别、读取路段设计和管理数据库，获取被测试路段纵坡i、横坡ih、路幅宽度w、路面类型、构造深度、使用年限、排水设施类型和几何尺寸等
信息。如果用户没有数据库，系统可以通过人工手动输入上述数据；
28.s2、获取被测试路段的降雨强度信息；本发明实施例提供的系统有三种方法可以得到被试路段的降雨强度ir，一是根据天气预报，二是根据路侧气象信息采集装置，三是通过实地测量，实地测量选择标准人工雨量器。为了保证快速性，系统可根据15分钟的实测降雨强度计算小时降雨强度。根据天气预报或者实地测量15分钟的降雨强度，能评估不同降雨强度下摩擦系数的变化范围(天气预报)或准确的摩擦系数(实地测量)；
29.s3、根据步骤s1获得的道路几何特征信息和排水能力信息以及步骤s2获得的降雨强度信息ir计算得到不同路段、不同降雨强度组合条件下的轮胎与路面的摩擦系数，如图2所示，摩擦系数的计算包括以下步骤：
30.s31、根据步骤s2获得的降雨强度信息对降雨量和排水量进行计算；
31.s32、根据步骤s1获得的道路几何特征信息结合步骤s31计算得到的降雨量和排水量对不同道路几何特征下的积水量进行计算；路面的横坡、纵坡坡度不同，道路排水能力不同，存在道路横向排水不良、纵向排水不良或横、纵均排水不良的情况，降雨在路面不能及时排出而存在积水，积水量的计算模型根据道路几何特征确定。
32.s33、根据步骤s1获得的排水能力信息结合步骤s32计算得到的积水量对不同降雨强度下的轮胎与路面的摩擦系数进行计算，得到轮胎与路面的摩擦系数。排水设施的能力决定降雨在路面形成的积水排出的速度，直接影响到路面与轮胎的摩擦系数。
33.s331、摩擦系数f的大小受路面水膜厚度h影响，路面水膜厚度和排水设施排水能力有关。水膜厚度的计算分为三种情况，具体地，排水设施能力良好时，降雨量q等于排水量qc；排水设施能力不良时，降雨量q大于排水量qc，路面出现积水量v
j1
(h)；无排水能力时，排水量为零，降雨量q等于积水量v
j1
(h)。
34.水膜厚度计算：
35.(1)降雨量q的计算：
36.q＝irlw
×
10-3
37.其中，q表示被测试路段汇流区域的降雨量，汇流区域与道路合成坡度和排水设施有关，ir表示降雨强度，l表示平行于行车方向的排水长度，w表示路幅宽度。
38.(2)排水量qc的计算：当道路硬路肩外边缘设置路缘石，按以下公式计算排水设施排水量：
[0039][0040]
其中，qc表示排水量，ih表示横坡，n表示沥青路面粗糙系数，h表示水膜厚度，i表示纵坡。
[0041]
(3)当道路有路缘石时，且排水设施排水能力良好时，水膜厚度h的计算：降雨量等于排水量。按以下公式计算水膜厚度。
[0042][0043]
其中，h表示水膜厚度，ir表示降雨强度，l表示平行于行车方向的排水长度，w表示
路幅宽度，ih表示横坡，n表示沥青路面粗糙系数，i表示纵坡。
[0044]
(4)当道路有路缘石，且排水设施排水能力不良或者无排水能力时，此时，降雨量大于排水量，没有及时排出的降雨在路面形成积水。
[0045]
道路几何特征不同，同样降雨强度下路面积水厚度(水膜厚度)不同。根据道路几何特征，路面积水模型v
ji
(h)分为四类，分别为：
[0046]
(i)当横坡大于或等于0.3％，纵坡为－0.3％～ 0.3％，路面纵坡排水不良，主要通过横坡进行排水。当纵坡排水不良路段包含凹形竖曲线变坡点时，此时，模型对应的积水体积v
j1
(h)为：
[0047][0048]
其中，r为竖曲线半径，h为水膜厚度，ih为横坡。
[0049]
(ii)当横坡大于或等于0.3％，纵坡为－0.3％～ 0.3％，当纵坡排水不良路段位于竖曲线一侧或者直坡段上。此时，模型对应的积水体积v
j2
(h)为：
[0050][0051]
其中，h为水膜厚度，w表示路幅宽度，i表示纵坡。
[0052]
(iii)当横坡、纵坡均为－0.3％～ 0.3％，道路横坡、纵坡均排水不良，此时，模型对应的积水体积v
j3
(h)为，
[0053][0054]
其中，r为竖曲线半径，h为水膜厚度，w表示路幅宽度。
[0055]
(iv)当横坡为－0.3％～ 0.3％，纵坡大于或等于0.3％时，此时，模型对应的积水体积v
j4
(h)为，
[0056][0057]
其中，h表示水膜厚度，l表示平行于行车方向的排水长度，ih表示横坡。
[0058]
(5)当道路有路缘石，且排水设施排水能力不良时，按以下公式计算水膜厚度h：
[0059]vji
(h)＝q-3600aqc[0060]
式中，v
ji
(h)为积水体积，i取1,2,3,4，q为降雨量，a为排水设施性能演变系数，和排水设施养护及时性有关。qc为排水量。
[0061]
(6)当道路有路缘石，且无排水设施排水能力时，按以下公式计算水膜厚度h：
[0062]vji
(h)＝q
[0063]
s332：根据水膜厚度，通过下列公式计算该路段不同水膜厚度对应的路面摩擦系数：
[0064]
f＝a1h3 a2h2 a3h c
[0065]
其中，f为路面摩阻系数，h为水膜厚度，a1，a2，a3，c为常数，和路面材料特性、使用年限、构造深度有关。常数项的确定可以通过被测试公路的摩擦系数测量实验人工手动输
入系统，由于公路路面随使用年限存在变异性，需要定期检验、修正常数项的取值。
[0066]
如图3所示，本发明实施例还提供了一种评估降雨环境下汽车轮胎与路面摩擦系数的系统，包括天气信息处理模块、道路信息处理模块、排水设施能力解析模块、摩擦系数模型计算模块和信息显示模块；
[0067]
天气信息处理模块，用于处理天气预报信息、用户输入的信息、路侧气象设备采集信息；
[0068]
道路信息处理模块，用于多源异构信息处理和获取道路几何特征、路面特性、使用年限信息；
[0069]
排水设施能力解析模块，用于图像识别、解析、判断以及评估排水设施使用状况；
[0070]
摩擦系数模型计算模块，用于根据天气信息、道路信息、排水设施能力信息，计算降雨环境下汽车轮胎与路面的摩擦系数；
[0071]
信息显示模块，用于显示汽车轮胎与路面的摩擦系数数据。
[0072]
摩擦系数模型计算模块包含降雨量计算模块、排水量计算模块、积水量计算模块和摩擦系数模型模块，降雨量计算模块用于计算降雨量，排水量计算模块用于计算排水量，积水量计算模块用于根据道路几何特征信息结合降雨量和排水量计算不同道路几何特征下的积水量；摩擦系数模型模块用于对不同降雨强度下的轮胎与路面的摩擦系数进行计算。
[0073]
摩擦系数模型模块包含摩擦系数模型，摩擦系数模型为：
[0074]
f＝a1h3 a2h2 a3h c
[0075]
其中，f为路面摩阻系数，h为水膜厚度，a1，a2，a3，c为常数。
[0076]
综上所述，本发明实施例提供的评估降雨环境下汽车轮胎与路面摩擦系数的系统和方法，能够获取被测试路段道路几何特征信息及排水设施排水能力信息，借助路侧气象雷达获取被测试路段降雨强度信息，根据降雨强度信息、道路几何特征信息及排水设施排水能力信息直接快速预测不同路段、不同降雨强度组合条件下的轮胎与路面的摩擦系数，可解决雨天难以实时动态测量路面摩擦系数以及测量不准确的技术问题。
[0077]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。