CN105427638A - 面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统 - Google Patents

Abstract

面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统，涉及道路交通信号控制领域。本发明是为了解决现有高速公路作业区交通设施不能够根据实际路况自适应调整标识的问题。本发明所述的面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统，能自动检测和显示高速公路施工作业区入口处的车辆速度，为驾驶员提供作业区入口位置的车流速度信息，从而提前进行速度控制，能减少高速公路交通事故，提高高速公路作业区行车安全和行车效率。特别适用于高速公路施工作业区为驾驶员提供车速信息。

Description

面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统

技术领域

本发明属于道路交通信号控制领域，涉及一种人机交互式车速控制预警系统。

背景技术

随着我国汽车保有量以及高速公路里程的不断提高，高速公路养护维修和改扩建工程也在不断进行，高速公路作业区数量增多，分布也更加广泛，我国高速公路作业区安全问题日益明显，其中一个典型就是限速。由于施工作业区限速而产生的问题也日益突出。

一方面不适当的预警系统容易导致重大事故的发生，造成巨大的损失；另一方面，不适当的预警系统导致施工作业区通行效率大大降低，造成不必要的浪费。对车辆进行适当的限速是保障高速公路作业区安全的主要方法之一，对保障作业区交通安全和提高作业区交通运行效率有重要意义。

目前国内大都通过在距离作业区一段距离放置临时限速牌进行限速提示，但这种方式限速标识是不变的，在通行条件良好的情况下影响了通行效率。而且这种方式限速效果受到驾驶员观察能力的影响，许多事故就是由于驾驶员没能及时观察到限速标识造成的，尤其是在夜间行车时，限速牌就更加难于被驾驶员所辨识。

专利文献CN1224208A公开了一种高速公路行车指挥灯，其有针对性的提示运行中的汽车相应路段的车速限定，但其不能根据车流情况自适应调整限速值，只是将人为设定的限速值分路段提示给车辆驾驶员。

专利文献CN2901465Y公开了一种交通智能显示装置，其用以根据季节、天气等因素自动调整限速标识。但它们都不能根据实际路况自适应于高速公路作业区。

发明内容

本发明是为了解决现有高速公路作业区交通设施不能够根据实际路况自适应调整标识的问题，现提供面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统。

面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统，它包括：多个智能桶1、桶管理器2、现场主管理器3和信息发布装置4；

多个智能桶1均匀分布在高速公路施工作业区内，并保证至少一个智能桶1位于高速公路施工作业区入口处，智能桶1用于实时采集当前车辆信息，并将当前车辆信息反馈至桶管理器2中，将智能桶1位置信息发送至现场主管理器3中，当前车辆信息为：当前高速公路施工作业区内车辆的车速信号；

桶管理器2用于实时采集智能桶1反馈的车辆信息，并将所采集到的车辆信息进行汇总，获得高速公路施工作业区内的车流速度信息然后将车流速度信息实时发送至现场主管理器3中；

现场主管理器3实时采集桶管理器2获得的车流速度信息和所有智能桶1的位置信息，并根据采集到的车流速度信息获得高速公路施工作业区内的车流减速度，然后将车流减速度与给定车流量阈值进行比较，根据比较结果获得限速值，并将该限速值和车流速度信息发送给信息发布装置4，给定车流量阈值为预先设定在现场主管理器3内的车流量标准值；

信息发布装置4位于高速公路施工作业区上游，信息发布装置4用于将现场主管理器3获得的限速值和车流速度信息进行实时发布；

利用下式获得高速公路施工作业区内的车流减速度：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{dec}}_{ij}=0.102\frac{{(s_i-s_j)}^2}{2(d_{ij}-s_{i}t)}+{\mathrm{grd}}_{ij}\\ {\mathrm{grd}}_{ij}=(e_i-e_j)/d_{ij}\end{array}\right.$

其中，dec_ij为车流减速度，s_i为第i个智能桶的测得的车速值，s_j为第j个智能桶的测得的车速值，d_ij为第i个智能桶与第j个智能桶之间的距离，t为车辆从第i个智能桶到第j个智能桶所花费的时间，e_i第i个智能桶的高度，e_i第i个智能桶的高度，e_j为第j个智能桶的高度。

智能交通被认为是交通运输工程发展的未来，通过各种智能化设备的铺设，使得交通的安全性、快捷性、舒适性等得到巨大的提升。面向施工作业区的人机交互式车速分级预警系统，是将交通领域相关理论与技术结合的成果，具有较高的实际意义，可以普遍适用于高速公路各种类型的道路施工作业区，提高高速公路施工作业区的通行安全和效率。本发明所述的面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统，能自动检测和显示高速公路施工作业区入口处的车辆速度，为驾驶员提供作业区入口位置的车流速度信息，从而提前进行速度控制，能减少高速公路交通事故，提高高速公路作业区行车安全和行车效率。

通过对面向施工作业区的人机交互式车速分级预警系统的运用，驾驶员可以被及时给予高速公路施工作业区入口处的车辆速度，并提前进行相应的操作。从而提前进行速度控制，能减少高速公路交通事故，提高高速公路作业区行车安全和行车效率。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统的结构框图；

图2为具体实施方式一所述的面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统工作现场的示意图，图中1为智能桶，2为桶管理器，3为现场主管理器，4为信息发布装置；

图3为智能桶的结构示意图；

图4为桶管理器的结构示意图；

图5为现场主管理器的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统，它包括：多个智能桶1、桶管理器2、现场主管理器3和信息发布装置4；

多个智能桶1均匀分布在高速公路施工作业区内，并保证至少一个智能桶1位于高速公路施工作业区入口处，智能桶1用于实时采集当前车辆信息，并将当前车辆信息反馈至桶管理器2中，将智能桶1位置信息发送至现场主管理器3中，当前车辆信息为：当前高速公路施工作业区内车辆的车速信号；

桶管理器2用于实时采集智能桶1反馈的车辆信息，并将所采集到的车辆信息进行汇总，获得高速公路施工作业区内的车流速度信息然后将车流速度信息实时发送至现场主管理器3中；

现场主管理器3实时采集桶管理器2获得的车流速度信息和所有智能桶1的位置信息，并根据采集到的车流速度信息获得高速公路施工作业区内的车流减速度，然后将车流减速度与给定车流量阈值进行比较，根据比较结果获得限速值，并将该限速值和车流速度信息发送给信息发布装置4，给定车流量阈值为预先设定在现场主管理器3内的车流量标准值；

信息发布装置4位于高速公路施工作业区上游，信息发布装置4用于将现场主管理器3获得的限速值和车流速度信息进行实时发布；

利用下式获得高速公路施工作业区内的车流减速度：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{dec}}_{ij}=0.102\frac{{(s_i-s_j)}^2}{2(d_{ij}-s_{i}t)}+{\mathrm{grd}}_{ij}\\ {\mathrm{grd}}_{ij}=(e_i-e_j)/d_{ij}\end{array}\right.$

其中，dec_ij为车流减速度，s_i为第i个智能桶的测得的车速值，s_j为第j个智能桶的测得的车速值，d_ij为第i个智能桶与第j个智能桶之间的距离，t为车辆从第i个智能桶到第j个智能桶所花费的时间，e_i第i个智能桶的高度，e_i第i个智能桶的高度，e_j为第j个智能桶的高度。

本实施方式中根据比较结果获得限速值的具体方法为：根据比较结果能够获得当前高速公路施工作业区内的车流量是否超出给定车流量阈值，若超出，则可以利用超出的范围与限速表格进行对比，从而获得限速值，限速表格为根据实际经验获得的车流量超出值与限速值的映射关系表。例如当车流量过大，车流速度慢时，将当前车流速度与给定车流量阈值相减就能够获得车流速度差值，该差值放入限速表格中，则对应出后续车辆的限速值，限速值的最高车速为高速公路相应路段的法定限速值。

本实施方式所述的面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统，用于自动检测高速公路施工作业区入口处的车辆速度，使驾驶员可以在施工作业区的上游通过信息发布装置4了解到施工作业区内及入口处的车流速度，进而提前进行车速控制，达到辅助施工作业区上游的驾驶员控制车辆速度的目的，保证了通行效率，提高了通行安全。

具体实施方式二：参照图3至图5具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统作进一步说明，本实施方式中，智能桶1包括：发射天线1-1、无线发射模块1-2、检测器1-3、智能桶管理器1-4、桶电源1-5和GPS发射器1-6；

检测器1-3的车速信号输出端连接智能桶管理器1-4的车速信号输入端，桶电源1-5用于给智能桶管理器1-4供电，智能桶管理器1-4的车速信号输出端连接无线发射模块1-2的车速信号输入端，发射天线1-1与无线发射模块1-2电气连接，将无线发射模块1-2获得的信号进行无线发射，GPS发射器1-6的时间信号输入端连接智能桶管理器1-4的时间信号输出端，GPS发射器1-6还用于对智能桶1的位置进行定位；

桶管理器2包括：接收天线2-1、无线接收模块2-2、桶管理控制器2-3和桶管理器电源2-4；

接收天线2-1与无线接收模块2-2电气连接，无线接收模块2-2的无线信号输出端连接桶管理控制器2-3的车速信号输入端，桶管理器电源2-4用于为桶管理控制器2-3供电；

现场主管理器3包括：GPS接收器3-1、现场主管理器控制器3-2和主管理器电源3-3；

GPS接收器3-1的定位信号输出端连接现场主管理器控制器3-2的定位信号输入端，主管理器电源3-3用于为现场主管理器控制器3-2供电，

智能桶1与桶管理器2通过发射天线1-1和接收天线2-1进行数据交互，现场主管理器3利用GPS发射器1-6和GPS接收器3-1对多个智能桶1进行定位，桶管理控制器2-3车流速度信息输出端连接现场主管理器控制器3-2的车流速度信息输入端。

智能桶管理器1-4还能够将所采集到的信息进行存储，便于随时调用。

现场主管理器3通过GPS接收器保证和桶管理器2以及智能桶1的时间同步，即保证整个系统的时间同步；若安装时记下智能桶1、作业区和系统自身的坐标，还可借助GPS接收器对它们进行定位。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统作进一步说明，本实施方式中，检测器1-3为TheIR254型被动红外线探测器。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统作进一步说明，本实施方式中，智能桶管理器1-4、桶管理控制器2-3和现场主管理器控制器3-2均为STC89C52RC-40I-PDIP40型单片机。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统作进一步说明，本实施方式中，无线发射模块1-2和无线接收模块2-2无线电模块均为WI232DTS嵌入式无线电模块。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统作进一步说明，本实施方式中，桶电源1-5、桶管理器电源2-4和主管理器电源3-3均为太阳能电池。

实施例

根据《道路交通安全法实施条例》和《高速公路养护手册》中规定“警告区一般长为1000m，上游过渡区长为100～150m，缓冲区为210m，但也可酌情缩短”，据此给出具体铺设方案。

系统在警告区起始位置处放置车载预警器雷达信号发射装置，并在行车道右侧没间隔100m放置一个警告标志。考虑到在整个警告区内布设智能桶会造成不必要的浪费，因此采取在警告区内分段布设智能桶的方案。经计算，可在警告区内0～100m、400～500m、800～900m三处分别布设4个智能桶，布设间距为25～30m。

为测量施工进入作业区车辆速度，在缓冲区内起始50～150m处增加布设5个智能桶，相互间隔20m。

由于缓冲区内常常会出现排队现象，因此将缓冲区靠近上游过渡区的100m范围作为预判定队尾处，在该处设5个智能桶，用于探测队尾处车速，布设间距15m。

为提高系统可靠性，在该区段的最后一个智能桶位置后30m处再次放置车载预警装置雷达发射器，用于对驾驶员的第二次语音预警。

考虑各种施工作业区的车辆特点以及经济效益等多方面的原因，可以对长期占用行车道、单侧整幅封闭、单向多车道和超车道这四种类型的作业区内进行智能桶的铺设，各类型的铺设方案可参考表1。

表1各类型作业区智能桶布设范围

若现场主管理器3计算得出的减速度值大于1.4m/s²，此时，能够获知当前高速公路施工作业区内出现排队现象，利用信息发布装置4对上游车辆进行限速，限速值为经过施工作业区的车队的车速平均值。若现场主管理器3计算得出的减速度值小于1.4m/s²，此时，能够获知当前高速公路施工作业区内未形成车队，信息发布装置4则显示正常的限速值30km/h，此后本发明所述系统对行驶车辆是否超速进行判断，若车速大于30km/h，则利用灯光及声音对作业区的施工人员利进行预警，同时利用车载终端对驾驶员进行预警；若车速小于30km/h，则提示驾驶员安全驾驶。

高速公路正常路段以及施工作业区实行分段限速控制，各段之间采用连续渐变的限速值，变化值20km/h。高速公路普通路段一般限速110km/h，所以上游预告区分别采用90km/h、70km/h、50km/h的限速值，上游过渡段和缓冲段限速50km/h，施工路段限速70km/h，下游过渡区及终止区限速50km/h，车辆通过施工作业区后恢复限速110km/h。

设置大车比例为15.19％，纵坡度为2.5％，输入流量为800vel/h，在上游过渡区前和施工路段末端分别设置排队计数器，采集排队长度。

Claims (6)

1.面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统，其特征在于，它包括：多个智能桶(1)、桶管理器(2)、现场主管理器(3)和信息发布装置(4)；

多个智能桶(1)均匀分布在高速公路施工作业区内，并保证至少一个智能桶(1)位于高速公路施工作业区入口处，智能桶(1)用于实时采集当前车辆信息，并将当前车辆信息反馈至桶管理器(2)中，将智能桶(1)位置信息发送至现场主管理器(3)中，当前车辆信息为：当前高速公路施工作业区内车辆的车速信号；

桶管理器(2)用于实时采集智能桶(1)反馈的车辆信息，并将所采集到的车辆信息进行汇总，获得高速公路施工作业区内的车流速度信息然后将车流速度信息实时发送至现场主管理器(3)中；

现场主管理器(3)实时采集桶管理器(2)获得的车流速度信息和所有智能桶(1)的位置信息，并根据采集到的车流速度信息获得高速公路施工作业区内的车流减速度，然后将车流减速度与给定车流量阈值进行比较，根据比较结果获得限速值，并将该限速值和车流速度信息发送给信息发布装置(4)，给定车流量阈值为预先设定在现场主管理器(3)内的车流量标准值；

信息发布装置(4)位于高速公路施工作业区上游，信息发布装置(4)用于将现场主管理器(3)获得的限速值和车流速度信息进行实时发布；

利用下式获得高速公路施工作业区内的车流减速度：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{dec}}_{ij}=0.102\frac{{(s_i-s_j)}^2}{2(d_{ij}-s_{i}t)}+{\mathrm{grd}}_{ij}\\ {\mathrm{grd}}_{ij}=(e_i-e_j)/d_{ij}\end{array}\right.$

其中，dec_ij为车流减速度，s_i为第i个智能桶的测得的车速值，s_j为第j个智能桶的测得的车速值，d_ij为第i个智能桶与第j个智能桶之间的距离，t为车辆从第i个智能桶到第j个智能桶所花费的时间，e_i第i个智能桶的高度，e_j为第j个智能桶的高度。

2.根据权利要求1所述的面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统，其特征在于，智能桶(1)包括：发射天线(1-1)、无线发射模块(1-2)、检测器(1-3)、智能桶管理器(1-4)、桶电源(1-5)和GPS发射器(1-6)；

检测器(1-3)的车速信号输出端连接智能桶管理器(1-4)的车速信号输入端，桶电源(1-5)用于给智能桶管理器(1-4)供电，智能桶管理器(1-4)的车速信号输出端连接无线发射模块(1-2)的车速信号输入端，发射天线(1-1)与无线发射模块(1-2)电气连接，将无线发射模块(1-2)获得的信号进行无线发射，GPS发射器(1-6)的时间信号输入端连接智能桶管理器(1-4)的时间信号输出端，GPS发射器(1-6)还用于对智能桶(1)的位置进行定位；

桶管理器(2)包括：接收天线(2-1)、无线接收模块(2-2)、桶管理控制器(2-3)和桶管理器电源(2-4)；

接收天线(2-1)与无线接收模块(2-2)电气连接，无线接收模块(2-2)的无线信号输出端连接桶管理控制器(2-3)的车速信号输入端，桶管理器电源(2-4)用于为桶管理控制器(2-3)供电；

现场主管理器(3)包括：GPS接收器(3-1)、现场主管理器控制器(3-2)和主管理器电源(3-3)；

GPS接收器(3-1)的定位信号输出端连接现场主管理器控制器(3-2)的定位信号输入端，主管理器电源(3-3)用于为现场主管理器控制器(3-2)供电，

智能桶(1)与桶管理器(2)通过发射天线(1-1)和接收天线(2-1)进行数据交互，现场主管理器(3)利用GPS发射器(1-6)和GPS接收器(3-1)对多个智能桶(1)进行定位，桶管理控制器(2-3)车流速度信息输出端连接现场主管理器控制器(3-2)的车流速度信息输入端。

3.根据权利要求1所述的面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统，其特征在于，检测器(1-3)为TheIR254型被动红外线探测器。

4.根据权利要求1所述的面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统，其特征在于，智能桶管理器(1-4)、桶管理控制器(2-3)和现场主管理器控制器(3-2)均为STC89C52RC-40I-PDIP40型单片机。

5.根据权利要求1所述的面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统，其特征在于，无线发射模块(1-2)和无线接收模块(2-2)无线电模块均为WI232DTS嵌入式无线电模块。

6.根据权利要求1所述的面向高速公路施工作业区的人机交互式车速控制预警系统，其特征在于，桶电源(1-5)、桶管理器电源(2-4)和主管理器电源(3-3)均为太阳能电池。