基于智能路鈕的超高速公路虛擬軌道系統(tǒng)研究

何永明 ，裴玉龍，冉 斌

(1.東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱150040；2.威斯康星大學(xué)麥迪遜分校土木工程學(xué)院，威斯康辛，麥迪遜57306，美國(guó)；3.東南大學(xué)a.交通學(xué)院，b.東南大學(xué)—威斯康星大學(xué)智能網(wǎng)聯(lián)交通聯(lián)合研究院，南京211189)

0 引言

歐洲的法國(guó)等21個(gè)國(guó)家高速公路最高限速為130 km/h，美國(guó)德克薩斯州高速公路最高限速為137 km/h(85 mile/h)，意大利高速公路最高限速為140 km/h，德國(guó)部分高速公路甚至不設(shè)限速.我國(guó)1951年版《公路工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(草案)》，首次規(guī)定我國(guó)公路最高設(shè)計(jì)車速為120 km/h，并沿用至今.自2016年何永明[1]提出“超高速公路”的概念至2018年我國(guó)首條超高速公路“杭紹甬”開(kāi)工建設(shè)僅用了2年時(shí)間.2019年3月，設(shè)置自動(dòng)駕駛專用車道的“京雄”超高速公路也獲得立項(xiàng)，超高速公路的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)預(yù)期.

近年來(lái)我國(guó)高速鐵路發(fā)展迅速.高速列車之所以能夠高速、安全地行駛，是因?yàn)橛需F軌的約束.為了保證設(shè)計(jì)車速超過(guò)120 km/h的“超高速公路”運(yùn)行安全，用基于智能路鈕技術(shù)的虛擬軌道，將汽車限制在由智能路鈕形成的虛擬軌道內(nèi)行駛.理論計(jì)算分析結(jié)果表明，當(dāng)信號(hào)傳輸延時(shí)小于100 ms時(shí)，可以保證汽車在180 km/h行駛時(shí)不脫軌.目前，中國(guó)移動(dòng)4G延時(shí)在60～90 ms，聯(lián)通和電信4G的測(cè)速延時(shí)大多在20～40 ms；而隨著5G網(wǎng)絡(luò)的推廣，延時(shí)將降至1 ms以內(nèi)，故可以充分保證基于智能路鈕的超高速公路虛擬軌道系統(tǒng)安全運(yùn)行.

1 超高速公路概述

1.1 超高速公路提出的背景

我國(guó)公路和鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的速度和質(zhì)量舉世矚目.截至2018年底，我國(guó)高速公路總里程已突破14萬(wàn)km，連續(xù)8年世界第一；高速鐵路通車?yán)锍踢_(dá)到2.9萬(wàn)km，超過(guò)全球高鐵總里程的60%.鐵路無(wú)論是通車?yán)锍踢€是運(yùn)營(yíng)速度都實(shí)現(xiàn)了跨越式的突破.我國(guó)公路總里程和高速公路總里程也在不斷刷新歷史記錄，但公路最高設(shè)計(jì)車速卻從未提高，鎖定為120 km/h，68年未變，甚至沒(méi)有高速公路提速的相關(guān)研究[1].

我國(guó)高速鐵路的發(fā)展為超高速公路的建設(shè)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，國(guó)外超過(guò)120 km/h高速公路的安全運(yùn)營(yíng)為我國(guó)超高速公路的安全運(yùn)營(yíng)樹(shù)立了信心[2].何永明[1]提出了“超高速公路”的設(shè)想，即設(shè)計(jì)車速高于120 km/h的高速公路.超高速公路不同于普通高速公路，為了保證超高速公路的運(yùn)行安全，超高速公路路面更加平整，路線更加平順，設(shè)施更加完備[3].

1.2 超高速公路等級(jí)劃分

何永明[1]首次提出超高速公路概念的同時(shí)，也提出了超高速公路的技術(shù)等級(jí)和對(duì)應(yīng)的最高設(shè)計(jì)車速.考慮到安全性和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多輪專家論證后，超高速公路技術(shù)等級(jí)和最高設(shè)計(jì)車速如表1所示.

在劃分超高速公路等級(jí)的同時(shí)，也提出了各級(jí)超高速公路服務(wù)對(duì)象、建設(shè)方式和預(yù)計(jì)實(shí)施年限.各級(jí)超高速公路比較如表2所示.

以上各級(jí)超高速公路服務(wù)對(duì)象、建設(shè)方式和預(yù)計(jì)實(shí)施年限只是首次提出超高速公路概念時(shí)的初步設(shè)想，實(shí)際發(fā)展會(huì)有較大出入.例如，超一級(jí)高速公路計(jì)劃實(shí)施年限為15年，但是從超高速公路概念的提出到第1條超高速公路開(kāi)工建設(shè)僅用了2年時(shí)間.隨著我國(guó)高速公路建設(shè)由高速度向高質(zhì)量的轉(zhuǎn)變和自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，各級(jí)超高速公路建設(shè)都將很快提上日程.

表1 論證后高速公路等級(jí)劃分[1]Table 1 Classification of highway after argument

表2 各級(jí)超高速公路比較[3]Table 2 Comparison of superhighways of different grades

2 虛擬軌道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.1 虛擬軌道系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于智能路鈕的高速公路虛擬軌道系統(tǒng)由路面子系統(tǒng)、車載子系統(tǒng)和服務(wù)中心子系統(tǒng)組成.路面子系統(tǒng)由寫入路鈕、標(biāo)簽路鈕組成；車載子系統(tǒng)由閱讀器、顯示器、前輪偏角檢測(cè)器、數(shù)據(jù)處理模塊和轉(zhuǎn)向電機(jī)組成；服務(wù)中心子系統(tǒng)由服務(wù)器和手持終端組成；此外，各子系統(tǒng)還包括電源和連接線路[4].智能路鈕系統(tǒng)閱讀器和標(biāo)簽路鈕通過(guò)特高頻(902～928 MHz)RFID射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行通信[5].各組成部分如圖1所示.

圖1 虛擬軌道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖Fig.1 Structure composition diagram of virtual orbit system

2.2 路面子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

路面子系統(tǒng)由寫入路鈕和標(biāo)簽路鈕及其接線組成.路面子系統(tǒng)在路面鋪設(shè)施工時(shí)被埋入路面結(jié)構(gòu)層，頂部與路面平齊，可避免車輛碾壓時(shí)出現(xiàn)顛簸.寫入路鈕和標(biāo)簽路鈕埋設(shè)位置位于汽車行駛在車道正中心時(shí)駕駛員的正下方，汽車行駛在車道正中央時(shí)，發(fā)光路鈕形成的視線誘導(dǎo)線條位于駕駛員的正前方.寫入路鈕安裝在需要良好視線誘導(dǎo)的道路起點(diǎn)或車道入口處，寫入路鈕除具有傳統(tǒng)發(fā)光路鈕所具備的發(fā)光結(jié)構(gòu)外，還具備寫入接口和存儲(chǔ)空間，可通過(guò)手持終端或者服務(wù)中心子系統(tǒng)的服務(wù)器寫入路鈕位置和所在路段道路平、縱、橫線形參數(shù).標(biāo)簽路鈕與寫入路鈕通過(guò)導(dǎo)線相連，標(biāo)簽路鈕除具有傳統(tǒng)發(fā)光路鈕所具備的發(fā)光結(jié)構(gòu)外，還具備射頻發(fā)射結(jié)構(gòu).路面子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2(a)所示，路面子系統(tǒng)、寫入路鈕和標(biāo)簽路鈕的結(jié)構(gòu)及安裝如圖2所示.

2.3 車載子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

車載子系統(tǒng)由閱讀器、顯示器、前輪偏角檢測(cè)器、數(shù)據(jù)處理模塊和轉(zhuǎn)向電機(jī)組成[4].組成車載子系統(tǒng)的閱讀器安裝在車輛底部，駕駛員正下方，當(dāng)車輛在車道正中央行駛時(shí)，閱讀器位于標(biāo)簽路鈕的正上方，此時(shí)閱讀器與標(biāo)簽路鈕距離最近，為車輛最小離地間隙.

組成車載子系統(tǒng)的顯示器與車載導(dǎo)航系統(tǒng)兼容，車載導(dǎo)航系統(tǒng)地圖采用道路設(shè)計(jì)時(shí)的平、縱、橫參數(shù).車載子系統(tǒng)顯示器能夠?qū)臉?biāo)簽路鈕讀取的坐標(biāo)信息代替GPS坐標(biāo)信息，從而能夠更精確、快速地實(shí)現(xiàn)定位，并且顯示在標(biāo)簽路鈕讀取的平、縱、橫參數(shù)繪制的地圖上.車載子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向電機(jī)可與車輛本身電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電機(jī)共用.車載子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和安裝如圖1和圖2所示.

2.4 服務(wù)中心子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

服務(wù)中心子系統(tǒng)，由服務(wù)器和手持終端組成.服務(wù)中心子系統(tǒng)服務(wù)器管理多條設(shè)有智能路鈕的道路和眾多的車載子系統(tǒng).服務(wù)中心子系統(tǒng)具有路面子系統(tǒng)信息寫入和車載子系統(tǒng)地圖生成的功能.服務(wù)中心子系統(tǒng)服務(wù)器可通過(guò)導(dǎo)線與路面子系統(tǒng)連接，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽路鈕位置信息和道路線形信息的寫入，也可用手持終端實(shí)現(xiàn)較偏遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)有線連接的路面子系統(tǒng)信息的寫入.車載子系統(tǒng)通過(guò)服務(wù)中心子系統(tǒng)手持終端完成車載子系統(tǒng)地圖的生成.服務(wù)中心子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示.

圖2 路面子系統(tǒng)和車載子系統(tǒng)安裝圖Fig.2 Installation diagram of pavement subsystem and subsystem

3 虛擬軌道系統(tǒng)工作原理

3.1 路面子系統(tǒng)工作原理

車輛駛過(guò)標(biāo)簽路鈕位置時(shí)，能夠通過(guò)4G、5G網(wǎng)絡(luò)或者RFID準(zhǔn)確讀取寫入路鈕內(nèi)存儲(chǔ)的道路平、縱、橫線形參數(shù)，同時(shí)讀取標(biāo)簽路鈕的位置參數(shù)，即車輛所在的準(zhǔn)確位置[6].與GPS定位系統(tǒng)和手機(jī)基站定位相比，智能路鈕系統(tǒng)定位精確度高，延誤時(shí)間短，實(shí)時(shí)性強(qiáng).

3.2 車載子系統(tǒng)工作原理

數(shù)據(jù)處理模塊可以讀取車輛電子控制單元(Electronic Control Unit，ECU)中駛過(guò)第n-1個(gè)標(biāo)簽路鈕時(shí)的速度Vn-1，單位為km/h，數(shù)據(jù)處理模塊還可將閱讀器讀取的道路線形參數(shù)進(jìn)行處理，得到各點(diǎn)切線方程.在第n-1個(gè)標(biāo)簽路鈕處，道路切線與車身角度為αn-1，單位為rad.前輪偏角與車身夾角如圖3所示.當(dāng)αn-1＜0時(shí)，切線在車身左側(cè)，車輛將左轉(zhuǎn)；當(dāng)αn-1=0時(shí)，切線與車身平行，車輛將直行；當(dāng)αn-1＞0時(shí)，切線在車身右側(cè)，車輛將右轉(zhuǎn).

當(dāng)車輛駛過(guò)第n-1個(gè)標(biāo)簽路鈕時(shí)，前輪偏角檢測(cè)器檢測(cè)得到前輪偏角為βn-1，單位為rad.車身中心線與車道中心線切線夾角β如圖4所示.當(dāng)βn-1＜0時(shí)，車輛沿曲線行駛，向左轉(zhuǎn)彎；當(dāng)βn-1=0時(shí)，車輛沿直線行駛；當(dāng)βn-1＞0時(shí)，車輛沿曲線行駛，向右轉(zhuǎn)彎.

圖3 前輪偏角與車身夾角Fig.3 Front wheel angle and body included angle

汽車在行駛過(guò)程中，汽車前輪偏角應(yīng)與道路切線平行，即θn=αn-βn=0.當(dāng)車輛駛過(guò)第n-1個(gè)標(biāo)簽路鈕時(shí)，若θn-1=αn-1-βn-1≠0，則需要轉(zhuǎn)動(dòng)前輪，使車輛經(jīng)過(guò)第n個(gè)標(biāo)簽路鈕時(shí)θn=αn-βn=0，則轉(zhuǎn)動(dòng)角度 Δθ=θn-θn-1=(αn-βn)-(αn-1-βn-1)=βn-1-αn-1.當(dāng) Δθ＜0時(shí)，需逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤；當(dāng)Δθ=0時(shí)，保持方向盤角度；當(dāng)Δθ＞0時(shí)，需順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤.

圖4 車身中心線與車道中心線切線夾角 βFig.4 Angle beta of tangent line between car body center line and lane center line

若某輛車前輪偏角β由0變到βmax，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度為γmax，則方向盤轉(zhuǎn)角與前輪偏角的傳動(dòng)比I=γmaxβmax；方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω(單位為rad/s)與車輛在兩個(gè)標(biāo)簽之間行駛的時(shí)間t(單位為s)和所需轉(zhuǎn)動(dòng)角度有關(guān)，即

而t由兩個(gè)標(biāo)簽之間長(zhǎng)度Ln(單位為m，可由閱讀器讀取)和車輛行駛速度V(單位為km/h)決定，t=Ln/3.6V(1 m/s=3.6 km/h).

分別代入得到

因此，車輛在不同線形道路上行駛時(shí)，方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω都可確定，數(shù)據(jù)處理模塊控制轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，使車輛沿標(biāo)簽路鈕形成的虛擬軌道行駛.

3.3 服務(wù)中心子系統(tǒng)工作原理

服務(wù)中心子系統(tǒng)，由服務(wù)器和手持終端組成.服務(wù)中心子系統(tǒng)服務(wù)器管理多條設(shè)有智能路鈕的道路和眾多的車載子系統(tǒng).服務(wù)中心子系統(tǒng)具有路面子系統(tǒng)信息寫入和車載子系統(tǒng)地圖生成的功能.服務(wù)中心子系統(tǒng)服務(wù)器可通過(guò)導(dǎo)線與路面子系統(tǒng)連接，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽路鈕位置信息和道路線形信息的寫入，也可用手持終端實(shí)現(xiàn)較偏遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)有線連接的路面子系統(tǒng)信息的寫入.車載子系統(tǒng)通過(guò)服務(wù)中心子系統(tǒng)手持終端完成車載子系統(tǒng)地圖的生成.

4 計(jì)算驗(yàn)證

4.1 基本假設(shè)

為了驗(yàn)證車輛在虛擬軌道上脫軌臨界條件需做出以下假設(shè)：

(1)車輛左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎情形相同，因此僅驗(yàn)證車輛右轉(zhuǎn)彎脫軌臨界條件.假設(shè)汽車先沿直線行駛，然后右轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)緩和曲線進(jìn)入圓曲線，最后經(jīng)過(guò)緩和曲線駛?cè)胫本€，完成一次完整的轉(zhuǎn)彎過(guò)程.

(2)由于緩和曲線的長(zhǎng)度與圓曲線半徑有關(guān)，因此假設(shè)圓曲線半徑為R，緩和曲線最大轉(zhuǎn)向角β=0.5rad，由計(jì)算得到緩和曲線長(zhǎng)度ls=R.

(3)車輛沿虛擬軌道中心線行駛，一般認(rèn)為偏離中心線超過(guò)0.5 m才會(huì)影響自身安全和其他車輛行駛.故假設(shè)當(dāng)車身偏離軌道中心線超過(guò)0.5 m，達(dá)到脫軌臨界值.

(4)每?jī)蓚€(gè)標(biāo)簽之間的距離相同，為L(zhǎng)n，且Ln＜R.

(5)方向盤在緩和曲線的起點(diǎn)開(kāi)始勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，在圓曲線的起點(diǎn)方向盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)，前輪偏角與圓曲線相切.

(6)方向盤傳動(dòng)比為20，即方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)360°會(huì)導(dǎo)致車輪轉(zhuǎn)向18°，駕駛員從容轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的角速度ω為βV/ls=βV/R.

4.2 驗(yàn)證過(guò)程

為了詳細(xì)說(shuō)明轉(zhuǎn)彎時(shí)虛擬軌道的工作過(guò)程，將計(jì)算步驟闡述如下：

(1)由假設(shè)車輛將右轉(zhuǎn)，前方道路切線在車身中心線右側(cè)，αn-1＞0，車輛在直線上時(shí)前輪偏角為0，到達(dá)圓曲線起點(diǎn)時(shí)前輪偏角變?yōu)棣?

(2)車輛在兩個(gè)標(biāo)簽之間行駛需要的時(shí)間為t1=Ln/3.6V，車輛在緩和曲線上行駛的時(shí)間為t2=ls/3.6V＝R/3.6V，由于Ln＜R，則t1＜t2，因此將t1作為評(píng)價(jià)偏離距離的時(shí)間單位.

(3)由于方向盤是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，則每?jī)蓚€(gè)路鈕之間前輪轉(zhuǎn)角Δβ相同，Δβ=β·Ln/R.

(4)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和分析，由緩和曲線段進(jìn)入圓曲線段時(shí)單位長(zhǎng)度偏離最大，因此在該處取很小一段進(jìn)行分析，如圖5所示.

如果某個(gè)路鈕信號(hào)丟失，則偏移的距離為

(5)根據(jù)假設(shè)偏離0.5 m，即為出軌，則需要滿足

化簡(jiǎn)得

將β=0.5 rad=28.66°，R=Rmin，Rmin為根據(jù)超高速公路設(shè)計(jì)車速V計(jì)算出的圓曲線一般最小半徑，計(jì)算得到路鈕最小間距如表3所示.

圖5 緩和曲線段進(jìn)入圓曲線段車輪偏移距離Fig.5 Wheel offset distance from detent curve segment to circular curve segment

表 3 圓曲線取一般最小半徑計(jì)算路鈕最小間距Table 3 Minimum distance according to general minimum radius

4.3 驗(yàn)證結(jié)果分析

以上計(jì)算和分析表明，當(dāng)超高速公路設(shè)計(jì)車速分別為140，160，180 km/h時(shí)，只要保證路鈕間的距離分別小于1.33，1.50，1.69 m，就可保證車輛偏離中心線的距離小于0.5 m，從而保證車輛在虛擬軌道內(nèi)行駛.

5 結(jié)論

計(jì)算和分析表明，當(dāng)超高速公路設(shè)計(jì)車速分別為140，160，180 km/h時(shí)，只要保證路鈕間的距離分別小于1.33，1.50，1.69 m，即可保證車輛偏離中心線的距離小于0.5 m.因此，通過(guò)基于智能路鈕的虛擬軌道系統(tǒng)可將車輛限制在虛擬軌道內(nèi)行駛，能夠提高超高速公路的安全性.