陡坡和弯曲道路的安全评估方法技术

本发明专利技术公开了一种陡坡与弯曲道路的安全评估方法，用于解决现有道路坡度测量中随机误差和累积误差较大以及数据缺失时无法测量的技术问题，属于道路行驶安全领域。本发明专利技术中陡坡与弯曲道路的安全评估方法，根据车载GPS的测量信息对检测路段进行分段描述与分段拟合，当GPS记录不足以进行平滑处理或者GPS记录缺失如在山洞中行驶时，结合IMU测量信息对GPS测量记录较少的路段进行样条插值和平滑处理，得到道路的拟合曲面方程，进而计算道路的转弯半径、坡度，然后利用递推估计将道路逐段向前推移，通过限定记忆法消除测量中累积误差的影响，提高对道路坡度、弯度等几何参数的计算精度，解决了现有山路难以测量的技术问题，为交通管理部门进行道路路面监测和检查验收提供依据，同时对车辆在该路段安全行驶给出载重、速度要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种道路安全评估方法，特别涉及一种陡坡和弯曲道路危险路段的安全评估方法，属于道路行驶安全领域。
技术介绍
有陡坡的弯曲道路是交通事故的多发地带，较高的交通事故率与急转弯、连续转弯的道路线形有关，且弯道的交通事故比直线段的交通事故结果更为严重，此外，连续的长上、下坡路段的交通事故率明显高于水平路面的交通事故率，可见，道路几何要素设计的不合理以及不良的线形组合，是导致交通事故发生的直接原因，对实际道路的线形特征进行评价，结合道路的特征对行驶车辆的载重、速度进行限制，有助于减少交通事故的发生，提高道路的安全行驶性能。对实际道路的线形特征进行评价主要涉及对道路坡度和弯度的测量，现有的道路路面坡度和弯度的测量方法主要有测绘法、基于数字高程模型(DEM)格网计算法、基于车载传感器测量的计算方法等。测绘法根据水准仪的原理，人工步进的逐点测量，进而推算路面的坡度；基于数字高程模型的格网方法通过计算路面上某一点的梯度得到路面的坡度角，需要知道路面的曲面方程，或利用路面上点的坐标对局部曲面进行拟合来实现；基于车载传感器测量的计算方法主要是在车辆上安装不同的传感器，如GPS、陀螺仪、激光传感器、位移传感器等，根据传感器的测量信息以及几何关系推算道路的坡度信息。文献“基于EffiM的任意方向坡度计算方法，刘学军，任志峰，王彦芳，晋蓓，地域研究与开发，2009，28 (4):139-141”给出了格网DEM上任意方向格网点的坡度计算模型和计算流程；专利201110125126.2，公布日2011.11.23，公开了一种基于激光传感器的车载式道路路面坡度测量方法，通过在车辆质心位置安装陀螺仪，在车身前后端的左右两侧对称安装激光位移传感器，根据测量信息并利用道路的几何关系得到道路的路面横坡坡度以及纵坡坡度。利用测绘法进行测量时需要消耗大量的人力物力，难以实施，并且测量中会有累积误差，测量效率低，DEM格网计算法，需要对路面的曲面方程进行拟合，车载传感器进行测量的计算方法主要根据车辆行驶中所测量单点位置的瞬时信息进行计算，由于测量中的随机误差不可避免，单纯利用单点信息推算得到的道路的坡度不一定连续光滑，而现有的道路坡度计算方法中没有考虑测量时随机误差以及累积误差造成的影响，也没有考虑传感器失效没有测量数据情形时的计算方法，无法解决测量中随机误差和累积误差较大以及数据缺失时无法测量的技术问题。
技术实现思路
为了克服现有道路坡度测量方法中随机误差和累积误差较大以及当数据缺失时无法测量的技术缺陷，本专利技术提出了一种，根据GPS的测量信息对所检测路段进行分段描述与分段拟合，消除了单点测量随机误差的影响，当GPS记录不足以进行平滑处理或者GPS记录缺失如在山洞中行驶时，结合MU测量信息对GPS测量记录较少的路段进行样条插值和平滑处理，得到道路的拟合曲面方程，进而计算道路的转弯半径、坡度，然后利用递推估计将道路逐段向前推移，通过限定记忆法消除测量中累积误差的影响，提高对道路坡度、弯度等几何参数的计算精度，解决了现有山路几何特征难以测量的技术问题，为交通管理部门进行道路路面监测和检查验收提供依据，同时对车辆在该路段安全行驶给出载重、速度要求。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是，一种，其步骤包括以下特点:I)根据道路的线形特征对道路进行分段描述与建模:以测量的初始点为坐标原点建立地理直角坐标系，并对所建立的直角坐标系的坐标轴方向进行校准，使其与地球坐标系的方向相一致，将传感器记录的测量数据转换为地理直角坐标系下X，1，Z的关系，根据所检测路段的曲线变化趋势，按照如下方式对路段进行分段描述与建模:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种陡坡和弯曲道路的安全评估方法，其步骤包括以下特点：?（a）根据道路的线形特征对道路进行分段描述与建模：以测量的初始点为坐标原点建立地理直角坐标系，并对所建立的直角坐标系的坐标轴方向进行校准，使其与地球坐标系的方向相一致，将传感器记录的测量数据转换为地理直角坐标系下x,y,z的关系，根据所检测路段的曲线变化趋势，按照如下方式对路段进行分段描述与建模：?式中，x,y,z表示以测量初始点为坐标原点的地理直角坐标系下的坐标，x1,x2,…,xm以及y1,y2,…,yn分别为x,y方向上的分段点位置，N=m·n为所分路段的个数，fk(x,y)第k个（k=1,2,…,N）路段的函数关系式；?在对所检测路段进行分段时，遵循以下原则：a）每一分段路段上只有一个转弯，并且是相应高度z的单值函数；b）转弯等危险路段分段长度较小，直线路段分段长度可相对较大；?（b）建立分段路段GPS表达的直角坐标系状态方程，对于不同的分段路段，由于其长度不同，传感器所得测量值的记录条数也不尽相同，当GPS记录值不足以拟合曲面方程，或者GPS数据缺乏如车辆在山洞中行驶时，利用IMU的测量信息对状态方程进行样条插值和平滑估计，在每一分段路段上得到足够多个组合测量估计值，实现对分段路段的样条平滑处理，选取x,y,z,Vx,Vy,Vz为状态变量，nx,ny,nz,L,λ，H为输入变量，建立分段路段的状态方程：?式中，x,y,z为地理直角坐标系下的坐标分量，Vx,Vy,Vz分别为车辆载体坐标系下三个方向的速度，L,λ，H分别为车辆所在位置的经度、纬度和高度，Ω为地球相对惯性空间的旋转角速度Ω=15.04107°/h，RN=a/(1?e2sin2L)1/2为卯酉圈平面的曲率半径，RM=a(1?e2)/(1?e2sin2L)3/2为子午面的曲率半径，为地球的第一偏心率，a=6378137.000m为长半轴长，b=6356752.314m为短半轴的长，g=9.8kg/m2为重力角速度，nx,ny,nz为载体坐标系三个方向的过载，Wx,Wy,Wz,为系统误差，均值为零，方差分别为（c）根据拟合最小二乘指标：?对采用GPS/IMU共同得到路段直角坐标系的组合测量估计值按照下式进行分段多项式拟合：?f1(x,y)=a11x3+a12x2y+a13xy2+a14y3+a15x2+a16xy+a17y2+a18x+a19y+a110.?.?fk(x,y)=ak1x3+ak2x2y+ak3xy2+ak4y3+ak5x2+ak6xy+ak7y2+ak8x+ak9y+ak10.?.?.?.?fN(x,y)=aN1x3+aN2x2y+aN3xy2+aN4y3+aN5x2+aN6xy+aN7y2+aN8x+aN9y+aN10式中，Nk(k=2,3,…,N)为前k?1个路段拟合时所采用的组合测量估计值的个数，mk?1是为了平滑曲线向后平移的组合测量估计值个数，xi,yi,zi(i=1,2,…,NN)为第i个组合测量估计值，fk(xi,yi)为第k路段通过模型得到的估计值，aij(i=1,2,…,N,j=1,2,…,10)为模型的待确定系数；?以第k个分段路段的函数表达式fk(x,y)为例说明系数ak1,ak2,…,ak9,ak10的确定，设用于拟合该路段的组合测量估计值共有s个，为了表示方便，将其表示为xk1,yk1,zk1,xk2,yk2,zk2,…,xk,s?1,yk,s?1,zk,s?1,xks,yks,zks，?式中，v为噪声向量；?（d）按照下列公式计算第k个路段的坡度θ以及转弯半径R?θ=arctan[(3ak1x2+2ak2xy+ak3y2+2ak5x+ak6y+ak8)2+(ak2x2+2ak3xy+3ak4y2+ak6x+2ak7y+ak9)2]?R=2{[(3ak1x2+2ak2xy+ak3y2+2ak5x+ak6y+ak8)2+(ak2x2+2ak3xy+3ak4y2+ak6x+2ak7y+ak9)2+1]3/2}?/{[1+(ak2x2+2ak3xy+3ak4y2+ak6x+2ak7y+ak9)2](6ak1x+2ak2x+2ak5)??2(3ak1x2+2ak2xy+ak3y2+2ak5x+ak6y+ak8)?(ak2x2+2ak3xy+3ak4y2+ak6x+2ak7y+ak9)?+[1+(ak2x2+2ak3xy+3ak4y2+ak6x+2ak7y+ak9)2](2ak3x+6ak4y+2ak7)}?（e）根据道路几何线性的设计标准，对于一定的道路坡度角、转弯半径，给出行...

【技术特征摘要】
1.种陡坡和弯曲道路的安全评估方法，其步骤包括以下特点: Ca)根据道路的线形特征对道路进行分段描述与建模:以测量的初始点为坐标原点建立地理直角坐标系，并对所建立的直角坐标系的坐标轴方向进行校准，使其与地球坐标系的方向...

【专利技术属性】
技术研发人员：史忠科，王慧丽，
申请(专利权)人：西安费斯达自动化工程有限公司，
类型：发明
国别省市：