基于ObjectARX的半挂车转弯检测系统开发与研究＊

曾学科 陈雨人 王 桀

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804）

0 引言

汽车长大挂车运输以其良好的经济效益和对特殊物品、特殊运输情况的强大适应性，在交通运输中发挥着越来越重要的作用。但是因为半挂汽车其车身的长度和挂车转向的特殊性，此类车辆在通过小半径的道路时就会产生较大的向内偏移值。这个内偏移值就使得半挂车辆在转弯过程中产生与道路设施发生刮擦的风险，严重时还会发生与行人、非机动车等交通参与者发生刮擦甚至碰撞的交通事故。

车辆的转弯最小半径和最大通道宽度是车辆机动性的重要参数。从交通安全的角度出发，如果设计人员在道路或者建筑设计过程中，把半挂车辆的转弯最小半径以及转弯最大通道宽度的影响作为安全评价的依据，对于道路工程设计的安全性、科学性具有重要的现实意义的。

随着社会交通安全意识的逐步提高，设计人员在设计阶段对设计方案进行快速、交互性的交通安全评价已成为该类工程设计的发展趋势［1］。这种发展趋势具体体现在：道路设计需要进行严格的安全审计 设计的安全审计要求更高的直观性和可重复性 设计成果能在安全审计后快速地进行修改。基于以上的考虑，现代的设计人员就需要现代化设计软件的支持。

美国Transoft公司曾经开发一款名为Auto－TURN的软件，该软件也是基于AutoCAD的设计软件。交通工程师、建筑师、城市设计师可以使用该软件来估算车辆在交叉口、环形路、上客处以及各种停车设施等的车辆机动行为。但是该软件用来检测的车辆都是采用欧美标准的车型，并不适用于我国的具体情况，而且价格相对昂贵。对于那些未使用AutoTURN的设计单位，在此提供了一个开放的开发流程与思路供设计人员参考。

1 ObjectARX 开发工具

ObjectARX［2］是AutoCAD软件的强大的二次开发工具，ObjectARX 应用程序是1个DLL（动态链接库），共享AutoCAD的地址空间，对AutoCAD 核心函数进行直接调用。因此，使用ARX 编程的函数的运行速度是其他开发工具不能比拟的。ObjectARX 可以让开发者使用C语言为AutoCAD设计一些特殊的实体对象，可使各种专业性很强的对象与AutoCAD 内部实体一样，具有高度灵活的操作方法和完全封装的属性数据，从而实现面向对象的设计思想。使用MFC还可以大大简化程序编写，还可以建立MFC对话框作为开发软件的界面，这使得ObjectARX 开发的软件具有良好的可视性和友好的人机交互性［3］。

2 软件实现与功能

2.1 半挂汽车转弯过程模型原理

现有的涉及半挂汽车列车轨迹问题的文献中，车辆转弯模型主要分为2种。第1种如文献［4］中所提到的图解法；第2种为文献［5、6］提到的直角坐标法。直角坐标法由于采用多个坐标系来建立模型，考虑到AutoCAD 数据库的特点以及应用的需要，直角坐标法并不适合AutoCAD平台上用于转弯检测系统的开发。车辆转弯图解法是基于车辆转弯运动微分方程推导，运用解析的方法来实现车辆转弯过程的重现，具有灵活性高、数据存储量少、实用性强的特点。故软件采用图解法作为软件的算法，并考虑到工程实际的应用，对模型进行相应的简化。下面简述软件采用的图解法模型，见图1。

图1 车辆转弯轨迹示意图Fig.1 Vehicle turning path diagram

设f（x）为车辆前轮的行驶轨迹方程。在瞬时T 时刻，车辆前外轮位于S1点处，后外轮位于B1点处，瞬时转向中心为C1，转向角为a。车辆沿f（x）行驶，经过ΔT的时间，前外轮运动到S2点处，后外轮运动到B2点处，瞬时转向中心为C2，转向角为a＋da。此刻，前外轮的位移为dS，后外轮的位移为dB，车辆转过角度为dq，过点S2做平行于S1B1的直线，有以下的等式

式中：dv为S1处切线与dS 延长线的夹角，dw为S2处切线与dS 延长线的夹角，其中：

设在转弯过程中，车轮都做纯滚动，不发生侧滑，则后外轮的运动轨迹B（x）应是1条连续的曲线。现过B2点作关于B（x）的法线，与S1B1交于点U。在△B1B2U 中，∠B2B1U为B（x）曲线B1处弦和切线的夹角，当B2→B1时，∠B2B1U→0，所以：

式（2）即为车辆转弯时的微分方程式。

根据车辆转弯时微分方程式的推导过程，就可以运用图解法原理在软件中建立算法，并进行车辆转弯过程的仿真，详见文献［4］。而在软件的开发过程中，从应用的角度来考虑，就需要对模型进行一些修改：以车辆前车轴的中心点作为计算基本点，而不是把车辆的前外轮点作为计算基本点，这样就更符合实际，因为车辆转弯时应该是车辆前轴中心点沿着行驶轨迹在行驶，驾驶员总是习惯把车体的对称中心对着行驶路线来驾驶的。而且试验表明，采用车辆前车轴的中心点作为计算基本点比采用车辆的前外轮点具有更高的精确度，适用性更好。相应的，后外轮点就应该改为后车轴中心点来进行计算，其他点以此类推。

2.2 软件设计

半挂汽车转弯检测系统开发的目标是为设计人员提供1个灵活、实用的交通安全审计工具，缩短项目设计周期，提高方案设计效率和质量，并推动交通安全审计的标准化和计算机化。软件与AutoCAD 实现无缝衔接，设计的专业功能完全自主开发。

软件的设计总体思路见图2，首先选择道路限速和设计使用的测试车型，软件提供多种车型供用户选择，也可以让设计人员自定义专业的车体几何参数，具有很强的灵活性。然后根据设计的具体情况，用多段线设计出车辆的行驶轨迹，接着选取该多段线为车辆的行驶路线，软件就会自动读取路线信息，并依据输入的限速和测试车型，系统自动判断路线是否满足车辆转弯的实际要求。如果路线的最小半径小于软件计算的半径，则提示设计人员修改路线或者更改限速、车型的输入。在满足软件的路线要求后，软件就会按照行驶路线生成车辆转弯通道边界线，然后通过动画来动态显示车辆转弯的整个过程，设计人员就能直观地对设计方案进行半挂车转弯安全性的评价。如果通过软件检测后发现设计存在不足的地方，可以立刻修改设计方案，然后再使用检测软件进行评价，直到设计达到要求为止。

2.3 软件的校验

美国公路与运输协会（AASHTO）在《A Policy on geometric design of highways and streets》设计指南中给出了的道路设计标准车型的最小转弯半径，图3为其中一款标准设计车型Semitrailer（WB－12［WB－40］）的最小转弯半径示意图。

图2 软件设计的总体思路Fig.2 The general idea of software design

图3 AASHTO 定义的180°最小转弯半径Fig.3 The minimum turning radius of 180°inAASHTO definition

为了验证软件采用图解法计算的准确性，本文根据几款设计指南中的小轿车和半挂车的几何尺寸，进行了车辆180°转弯的最小半径验算。表1为同样车型下，AASHTO 定义的最小转弯半径［3］和软件实测的最小转弯半径的对比。

由表1可知，在车辆几何尺寸相同的条件下，软件实测的最小转弯半径与AASHTO 定义的最小转弯半径误差很小，是满足工程设计的要求的。

表1 AASHTO 定义的最小转弯半径和软件实测的最小转弯半径的对比Tab.1 The contrast of the minimum turning radius of AASHTO definition and the software

2.4 运行实例

我国现有规范对城市道路平面交叉口转弯最小半径也有相应的规定。规范中给出了在不同行车速度下缘石的最小半径值，但是规范只考虑了国家标准中定义的设计车辆，并没有涉及一些特殊的半挂车的情况。而设计人员在设计一些物流园区道路或者一些城市道路中，由于半挂车的比例较高，就需要对一些半挂车辆进行转弯能力的评价，但是由于缺少半挂车辆的具体参数，而且无法在计算机的设计方案上直观检测，设计人员一般很难对相关设计中半挂车的转弯安全性进行评价。转弯检测系统的车辆轨迹转弯通道功能就能给设计者提供灵活、直观的设计参考。以下举例说明软件的实际应用。

图4为某物流园区附近交叉路口的CAD 平面设计图，某种大型半挂车型是该十字交叉口流量比重较高的车型，设计人员要得到此设计中南进口道的右转车道设计是否能满足：

图4 某物流园区附近交叉路口Fig.4 A crossroads near a logistics park

1）此类半挂车型在限速40km／h的情况下，是否能尽量不侵占其他车道，顺利地从南进口道右转90°通过交叉口。

2）此类半挂车型从南进口道右转90°通过交叉口的最大通道宽度，车道标线或者路缘石布设是否符合半挂车辆转弯轨迹。

软件操作流程。首先选择车型以及限速，然后根据车道的具体情况，选择车辆转弯的行驶路线；确定车型以及限速、行驶路线后，软件就自动生成了该车型沿着行驶路线的通道边界线，并且演示车辆的动态转弯过程。

运行结果见图5，图中右下角为软件界面，功能包括行驶轨迹选定、车型选择、车型尺寸设置以及限速设置：

图5 程序运行结果Fig，5 The software running results

由图5中可见，该类半挂车型在选择车道中心线为行驶轨迹以及车速40km／h的情况下，车辆沿着行驶路径通过交叉口，形成的最外侧2条绿线即为通道的边界，在此边界区域内不应该存在道路设施，标线和渠化可以参考该边界来设计。

从通道的边界与车道标线的对比情况来看，行驶轨迹边界与总体的标线和渠化设计比较符合，但是车辆在转弯过程中有轻微的侵占旁边车道，而且通道边界距离路缘石较近，根据具体情况，可以考虑适当增大路缘石半径或者降低限速，以提高道路交通安全性。

软件运行结束后还能得到车辆整个转弯过程的通道宽度数据，为具体的道路设计提供数据参考。转弯通道示意图及转弯通道宽度示意图见图6、图7。

图6 转弯通道示意图Fig.6 The turning channel diagram

图7 转弯通道宽度示意图Fig.7 The turning channel width diagram

3 结束语

软件采用了简化的半挂车转弯模型，经验证方法正确，便于工程应用；具有多种车型可供选择，用户也可以按自己的需求自定义特殊车型，能满足多种工程设计审计的需求；可视化的界面简化了用户的工作程序，直观动态的检测结果使得设计人员对设计方案的好坏一目了然；软件基于CAD 平台的开发，使道路设计方案得以实现快速且可重复性修改，简化了方案设计的流程，有效提高工作效率。

另外，如何确定车辆转弯合理的运行路线、以及在设计中考虑车辆转弯时侧滑、道路超高的影响将是今后需要进一步研究的方向。

［1］史桂芳.浅析美国公路安全设计模型（IHSDM ）的应用［J］.交通与计算机，2006，6（24）：56－59.

［2］李世国.AutoCAD高级开发技术ARX 编程及应用［M］.北京：机械工业出版社，1999.

［3］刘会学.交通标志计算机辅助设计系统TSCAD［J］.公路，2000（11）：20－22.

［4］萧建英.汽车及汽车列车转弯过程的研究［J］.汽车技术，1986（8）：25－27.

［5］林熊熊.半挂汽车列车弯路运动轨迹计算机仿真［J］.汽车工程，1997，19（1）：60－65.

［6］Chen H.Designing articulated vehicles for low－speed maneuverability［J］.Journal of Transportation Engineering，1992，118（5）：711－728.