[发明专利]侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统及方法

权利要求书

1.一种侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统，其特征在于：包括风速风向检测装置(1)、路面状况检测装置(2)和信息处理及情报输出装置(3)，所述风速风向检测装置由第一微控制器(4)及与其相连接的风速风向传感器(5)、第一稳压电源(7)和第一ZigBee通信模块(8)组成，第一微控制器经风速风向传感器检测桥梁所在位置的风速和风向，经第一ZigBee通信模块实现与信息处理及情报输出装置的无线通信；所述路面状况检测装置由第二微控制器(9)及与其相连接的结冰及温湿度传感器(10)、第二稳压电源(12)和第二ZigBee通信模块(13)组成，第二微控制器经结冰及温湿度传感器采集桥梁路面的结冰情况及周围环境的温湿度，经第二ZigBee通信模块实现与信息处理及情报输出装置的无线通信；

所述信息处理及情报输出装置(3)由第三微控制器(14)及与其相连接的第三ZigBee通信模块(15)、第三稳压电源(16)和LED显示屏(19)组成，第三微控制器经第三ZigBee通信模块与风速方向检测装置、路面状况检测装置相通信，以获取桥梁处的风速、风向、结冰和温湿度信息，经LED显示屏将限速值以及是否易出现车辆侧滑、侧翻信息显示出来。

2.根据权利要求1所述的侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统，其特征在于：所述风速风向传感器(4)经第一TTL转RS485模块(6)与第一微控制器(4)相连接，结冰及温湿度传感器(10)经第二TTL转RS485模块(11)与第二微控制器(9)相连接；所述LED显示屏(19)连接有LED控制卡(18)，第三微控制器(14)经TTL转RS232模块(17)与LED控制卡相连接。

3.根据权利要求1或2所述的侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统，其特征在于：所述第一微控制器(4)、第二微控制器(9)和第三微控制器(14)均采用单片机。

4.一种基于权利要求1所述的侧风环境下桥梁上车辆侧滑与侧翻预警系统的预测方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).获取桥梁路面状况，利用路面状况检测装置采集桥梁所在环境的结冰、温度和湿度信息，以判断桥梁属于新建桥面、旧桥面、潮湿桥面、冰雪桥面中的哪一种，以获取车辆与桥面的摩擦系数，记为

b).获取风速和风向，利用风速风向检测装置测得车辆行进过程中受到的侧风速，记为v；

c).计算侧滑临界车速，设桥梁所在路段的曲线半径为R、横坡度为α，车辆两侧的轮间距为2L，车辆的重心高度为H；当车辆竖向跳跃且车辆不发生侧滑时，须满足车辆所受的侧向力小于路面提供的最大附着力，通过对车辆的受力分析可得：

其中，F_a为车辆在桥梁上行驶时的离心力，F_a＝mu²/R，m为车辆质量，u为车辆行驶车速；F_sw为车辆受到的侧风力，G为车辆重力，G＝mg，为桥面摩擦系数，F_d为车辆竖向跳跃产生的荷载，F_d＝mg′，g′为车辆过桥时的竖向跳跃加速度均值，由车辆振动模型计算得到或者现场实测得到；F_zw为车辆受到的空气升力；

车辆受到的侧风力F_sw、空气升力F_zw分别通过公式(2)和(3)求取：

其中，C_S为侧向气动力系数，ρ为空气密度，A为车辆侧面面积，u_r为合成风速，u为车速；C_L为空气升力系数；侧向气动力系C_S、空气升力系数C_L与风向角β＝arctan(v/u)成正比例关系，C_S＝K_CS×β，C_L＝K_CL×β，K_CS、K_CL为比例系数，其与车辆外形有关；

车辆处于将要发生侧滑的临界状态时，公式(1)取等号，将F_a、F_sw、F_zw、F_d带入公式(1)并整理可得：

根据测得的当前侧风速v和最易发生侧滑的大型货车比例系数K_CS、K_CL、车辆侧面面积A、车辆质量或者重量G，计算出车辆将要发生侧滑时的车速，车速值记为V1；

d).计算侧翻临界车速，当车辆不发生侧翻时，车辆所受的侧翻力矩小于车辆的稳定力矩，可得到：

(F_a+F_sw-Gsinα)×H≤(Gcosα-F_d-F_zw)×L (5)

车辆处于将要发生侧翻的临界状态时，上式取等号，将F_a、F_sw、F_zw、F_d带入公式(5)并整理可得：

根据测得的当前侧风速v和最易发生侧翻的大型货车比例系数K_CS、K_CL、车辆侧面面积A、重量G，计算出车辆将要发生侧翻时的车速，车速值记为V2；

对车辆将要发生侧滑时的车速V1与将要发生侧翻时的车速V2进行比较，以两者中的最小值作为桥梁的限速值经LED显示屏显示出来，以提醒过桥车辆低于该速度行驶。