高速公路车辆追尾预警系统及车辆主动转向系统
随着计算机信息技术的高速发展，GIS与GPS的研究进展逐步深入，交通安全也逐渐进入了数字时代。针对高速公路车辆追尾事故所占事故总数的比重大，且事故伤害及经济损失大的特点，本文从系统工程的角度分析了追事故的原因，并进一步建立了预警函数，从而确定高速公路车辆追尾事故的预警系统框架。该系统对车辆的运行状态进行实时监控和分析，为驾驶员提供前方车辆是否对自身构成追尾信息，及时报警以提示驾驶员采取响应措施，能够有效地预防追尾事故。
1 GIS与GPS及其主要功能
地理信息系统GIS是以地理坐标为骨干的信息系统，是对采集、存储、管理、分析与空间、地理位置有关的信息系统的统称。GIS主要由计算机及其附属设备、地理数据库及具有数据操作分析功能的数据库管理系统、各种制图输出工具及其他输出设备三大部分组成。交通GIS能以文字、数字的方式描述交通信息并对其分析，同时还能用图形、图像对相关的交通信息进行图形化处理。车辆GPS系统由车载接收、显示系统和无线电通讯系统以及地面控制中心等组成。车载终端安装的GPS接收机只要接收到四颗(含基准台，进行差分定位，可提2—5 m)以上卫星发出的信号，经过计算处理就可报告GPS接收机的位置、时间和运动状态，通过三角定位原理计算出车辆当前所处的经度、纬度、时间、速度和航向。驾车人可根据车载显示器上显示的交通信息，及时采取合理的交通行为。因此，在高速公路事故管理系统中，利用GIS与GPS将道路上运营车辆与管理中心建立实时联系，对车辆进行实时定位与跟踪，快速分析车辆运行情况，避免车辆追尾事故，能够有效地保证车辆的运行安全。
2车辆追尾事故的成因分析
在我国，追尾碰撞居高速公路各种事故之首，相关研究表明追尾事故占高速公路交通事故总数的30％左右，而且多为恶性事故，所造成的事故伤害及经济损失最大。从交通工程的系统分析角度出发，根据我国2002年的高速公路事故统计数据，可以了解到高速公路追尾事故诱
发的主要原因为：
(1)驾驶员失误，可分为直接原因和间接原因。直接原因是指驾驶员的错误动作，具体表现为违章驾驶、感觉错误、选定错误等；间接原因指影响驾驶员完成安全驾驶任务必需的信息处理功能的驾驶员条件或状态。驾驶员因素一直以来是事故诱发的主要因素，在我国2002年的高速公路事故统计中有24 812起是驾驶员引起的，占事故总数(29 611)的83．79％。
(2)前后车纵向间距不够，不能满足跟随车辆的制动安全距离。其中2002年事故中有3 616起，占总数的12．21％，而且死亡人数比例偏高。
(3)车辆性能不能满足高速公路的行驶需求。在2002年我国的高速公路事故统计中，由于车辆机械故障所引起的事故就有3 862起，占事故总数的13．04％，可以看到，提高车辆性能可以有效地预防追尾事故。
(4)异常天气(如雨、雪、雾)造成能见度低，不能保证行车的安全距离，同时受到当时路面条件的影响，制动效果难以保障。虽然所占比例较小，但容易诱发连续追尾，且多为特、重大事故，危险系数高。
(5)管理者不能第一时间赶赴现场处理前事故，导致追尾事故进一步恶化。
(6)追尾事故信息的采集、发布以及接收网络不完善。
3车辆追尾预警函数分析
综上原因分析，可以看出引起高速公路汽车追尾的众多因素中，起主导作用的还是驾驶员以及车辆，即一方面是由于车速过高，驾驶员未能保持相应的安全跟车距离从而刹车不及所致；另一方面是由于车辆本身的加减速性能不良所引起的。
(1) 首先，我们从驾驶员的角度出发。利用车辆跟驰理论知识分析追尾事故的安全车间距离，经典的跟车模型一般表达式如下：
其中： 乃为跟驰车t+T时刻的加速度，T为时间间隔， 为第n辆车(头车)的速度 为第1辆车(跟驰车)的速度 为跟驰车驾驶员的反应强度系数， 是与驾驶员动作强度相关的量，量纲为 。
那么由此可以推导出跟驰车辆与前车的车头间距变化量△S：
分析后取其最大值 。 为跟驰车实时速度，如果 ，则发生追尾事故，其中D为跟驰车与前车的实时车间距离。
(2)其次，从车辆制动距离看。当驾驶员在接受了紧急制动信号(前车出现减速度)后，则跟驰车辆的最大制动距离为：
其中：跟驰车的实时速度为 ，车辆的最大减速度为 ， 分别为驾驶员实际制动过程的四个部分构成时间：反映动作时间、制动协调时间、减速度增长时间、持续制动时间。
从另一方面来说，前方目标车辆的制动过程和上述的跟随车制动类似，但由于只有在目标车辆出现减速度时后面跟随车辆才有所发现，因此，可以将目标车辆的
制动距离简化为：
因此，可以得到车头间距变化量：
如果 ，则发生追尾事故。
综合跟驰中驾驶员的反应——刺激模型式(2)与车辆制动距离模型式(5)，根据以往高速公路追尾事故数据统计，分析其驾驶员与车辆所占事故的构成比重，从而分别赋予其权重系数 ，在未知的情况下，根据2002年高速公路事故统计数据，可取 ，可得
公式(6)即为车辆安全制动距离的计算函数，所得值与采集到的实时车间距离之差就是车辆是否采取报警的评判标准。如果 ，则报警；如果 则不报警，并返回上一层重新输入数据及计算。
4车辆追尾预警系统的框架结构
通过以上车辆追尾事故的成因分析与预警函数的建立，可以利用先进的GIS与GPS技术、通讯技术、计算机技术、图形图像显示技术等科技手段，建立一个系统的预警框架(见图1)，对追尾系统的人一机一环境进行分析与管理。
车辆追尾预警系统从功能上可分为五大子系统：
(1)数据库管理子系统口1。该系统对追尾信息进行采集、存储、管理、分析。它包括：①GIS数据库管理子系统，按照预设的格式存储与路网有关的数字地图信息，使计算机能够处理与地图有关的功能，它是整个车辆追尾预警系统的基础；②驾驶员特征管理子系统；③车辆特征管理子系统。由于驾驶员以及车辆的不同，驾驶员特征管理子系统及车辆特征管理子系统可以设置为开放式人机交互界面，由驾驶员根据自身条件及车辆状况设置参数。
(2)GPS车辆定位子系统。车辆GPS系统由车载接收、显示系统和无线电通讯系统以及地面控制中心等组成。车载终端安装的GPS接收机只要接收到四颗以上卫星发出的信号，经过计算处理就可报告GPS接收机的位置、时间和运动状态，通过三角定位原理计算出车辆当前所处的经度、纬度、时间、速度和航向。驾车人可根据车载显示器上显示的交通安全状况，及时采取合理的交通行为。
(3)电子地图匹配子系统。将定位系统输出的位置估计与地图数据库提供的道路位置信息进行比较，并通过适当的模式匹配和识别过程确定车辆当前的行驶路段
及在路段中的准确位置，从而提高定位的精度。
(4)无线通信子系统。可接受实时交通信息广播，使驾驶员及时掌握最新的交通信息，同时还可将车辆状况报告给交通控制中心，实现报警、求助和通信功能，
能有效杜绝后续追尾事故，预防事故恶化。
(5)车辆报警子系统。包括信息采集输入子系统、信息分析子系统、处理结果输出子系统、信号报警子系统。该系统利用预警函数式
(6)，对车辆安全进行定量分析和预报，它是整个车辆追尾预警系统的灵魂。
5追尾预警系统流程图
车辆报警系统的工作原理是：根据GIS／GPS采集的实时数据及驾驶员与车辆的特征数据，通过车辆追尾报警函数计算，对当前的行车安全状态进行判断处理，并给出处理结果。其车辆追尾报警主程序设计流程.
6结语
车辆控制及安全系统例是智能交通系统建设的一项基础内容，而我国高速公路交通安全不容乐观，且追尾事故危害性大。论文分析了高速公路车辆追尾事故的原因，研究了车辆安全制动距离，综合驾驶员跟驰与车辆制动模型图2车辆追尾报警流程图得到安全距离函数，对基于GIS／GPS的高速公路车辆追尾预警系统进行了研究。系统以全球定位系统和地理信息系统等主要技术为支撑，能更好地预防高速公路车辆追尾事件，对减少车辆追尾事故的发生有很积极的意义，有利于提高高速公路交通安全水平。
车辆主动转向系统的功能与电控原理
当轿车高速行驶时，如果驾驶员突然进行转弯或采取避让动作，常常会导致严重的交通事故。因为大部分驾驶员在轿车出现可能会危及自身及其他交通参与者的侧向打滑时，由于人的感应能力的局限性，无法对轿车的这种行驶不稳定状态做出及时有效的反应。针对这种汽车主动安全性方面的要求，德国知名的汽车制造商和零部件供应 商正在研发所谓的“主动转向系统”。该统能够在上述紧急状况发生时，根据实时测量的轿车行驶稳定性方面的数据，接替驾驶员而自动地对轿车施加经过精确计算的反向转向操作，使轿车保持稳定的行驶状态，避免恶性交通事故的发生。宝马公司计划在2003年推出的新一代5系列轿车，并选装其与世界著名的汽车部件提供商Bosch和zF公司联合开发的“主动转向系统”。与通常的转向装置不同，在主动转向系统中，机械式转向盘的转向柱被分成两部分，在转向柱的中间部位
有一个行星齿轮传动机构，利用该机构，主动转向系统中的电动马达，能够以独立于驾驶员的转向盘转向操作，对轿车的两个前轮(转向轮]产生一个附加的或减小的转向转角。众所周知，电子行车稳定控制系统E S P具有诸多性能优良的传感器，这些传感器不间断地测量轿车的车速、横向加速度和转向盘的转角。ESP是由Bosch和梅塞德斯一奔驰公司引用的英文缩写语，其他著名的汽车制造商如宝马、保时捷和丰田一凌志等公司，在轿车中也应用
了与ESP系统功能相似的装置，只是采用了不同的英文(或德文)缩写。例如，宝马公司将其称为Dsc系统，而保时捷和丰田一凌志公司则将其分别称为PsH和VSC系统。主动转向系统与ESP系统相耦合，在轿车遇到危害其行车稳定状态的情况时，它能够自动地对轿车转向轮产生一个反向转向。例如，当ESP系统的传感器感应到轿车开始出现过多转向的趋势时，主动转向系统就会自动地对转向轮施加一个独立的干涉性修正，以避免轿车发生侧翻类的交通事故。主动转向系统对转向轮做出的修正，驾驶员是感觉不到的。相对于传统的EsP系统，这也是主动转向系统一个涉及到乘坐舒适性方面的优点。因为EsP系统在需要对轿车的行驶状态进行干涉时，只是通过对单个车轮施加制动来调节轿车的行驶稳定性。这时由脉j中制动力引起的轿车振动，乘员能够感觉得到。德国
汽车零部件供应商Contlnenta1Teves公司，目前也在研制类似的主动转向系统。该公司将其产品命名为ESPⅡ，并计划用2～3年时间实现批量供货。EsPⅡ系统能够识别出转向轮与地面之间的附着系数“(在物理学中该系数又称为滑动摩擦系
数)。如果汽车在路面两侧附着系数不同的对开路面上制动时，它将有朝着路面附着系数较大的一侧转动的趋势，即出现所谓的“制动器拉动”现象。在这种情况下，ESPⅡ系统能够通过让转向轮朝路面附着系数较小的侧做些适当的转向转动，来平衡上述“制动器拉动”的趋势。ESPⅡ系统同样将其转向盘转向柱设计成两部分，其中一部分含有一个齿轮传动机构。通过该齿轮传动机构，系统中的电动马达对转向轮的转角施加影响。ESPⅡ系统对汽车制动和转向的干涉，是用ESP系统的控制装置基于一个扩展的软件
来操控的。在将来，Co ntl ne ntal
Teves公司还希望自己的主动转向系
统能够在制动时对汽车悬架的弹性
特性进行干涉，以获得更佳的汽车
制动效果。德国的全德汽车俱乐部(ADAC)技术中心的交通专家认为，这个与ESP系统网络化集成在起的主动转向系统具有一些引人注目的优点。例如，当需要进行快速避让或反向转向时，驾驶者的反应通常是太慢或者太激烈，而主动转向系统在这时便可发挥意想不到的作用。如果传感器感应到汽车一侧的车轮出现打滑，主动转向系统将以较慢的速度对这一侧车轮施加制动力，然后再迅速解决掉制动力，这样也可以避免“制动器拉动”现象。Contlnenta1Teves公司研究表明，在紧急情况下，与普通ABS相比较，主动转向系统的反转向功能能够使制动距离.
