CN105825692B - 基于路域气象站的高速公路限速信息获取方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于路域气象站的高速公路限速信息系统，包括沿公路设置的若干气象站、与气象站配合使用的显示屏和控制系统；每一气象站包括一雨量计和一能见度仪，雨量计监测该处雨量信息，能见度仪监测该处能见度信息；控制系统包括第一速度测算子系统、第二速度测算子系统、比较子系统，第一速度测算子系统基于雨量信息获取第一实时车速最大值，第二速度测算子系统基于能见度信息获取第二实时车速最大值，比较子系统对第一实时车速最大值和第二实时车速最大值进行比较，输出其中较小值；每两个显示屏为一组显示比较模块输出的速度信息，所述每一组显示屏分别设置于相对的高速公路上且分别位于相应雨量计的下游路段。

Description

基于路域气象站的高速公路限速信息获取方法及系统

技术领域

本发明涉及一种交通预警技术，特别是一种基于路域气象站的高速公路限速信息获取方法及系统。

背景技术

近年来，随着经济的飞速发展我国高速公路里程也不断延伸，高速公路方便快捷安全畅通的综合效益不断显现。但由于高速公路车速快、流量大及其自身全封闭的特点，因此高速公路一旦遇到低能见度的特殊天气，特别是具有突发性和随机性的团雾状况时就极易发生交通事故。由大雾、雨雪、沙尘暴等天气因素致使高速公路上能见度降低已成为目前高速公路上交通事故的主要诱发因素，并且造成了社会经济和人民生命财产的巨大损失。因此，设计和开发高速公路预警系统已成为交通行业亟待解决的问题。现有的高速公路预警技术往往只能基于某一特殊环境对车辆速度进行限制，例如团雾或降雨，并未有出现一个可以兼顾对团雾和降雨进行测量并通过计算限制车辆速度的系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于雨量计的高速公路预警系统，通过该方法及系统，可以同时对能见度和降雨量进行测量，获取相应气候环境下高速公路允许的车辆最大行驶速度并显示。

一种基于路域气象站的高速公路限速信息系统，包括沿公路设置的若干气象站、与气象站配合使用的显示屏和控制系统。所述每一气象站包括一雨量计和一能见度仪，所述雨量计监测该处雨量信息，所述能见度仪监测该处能见度信息；所述控制系统包括第一速度测算子系统、第二速度测算子系统、比较子系统，所述第一速度测算子系统基于雨量信息获取第一实时车速最大值，所述第二速度测算子系统基于能见度信息获取第二实时车速最大值，所述比较子系统对第一实时车速最大值和第二实时车速最大值进行比较，输出其中较小值；所述每两个显示屏为一组显示比较模块输出的速度信息，所述每一组显示屏分别设置于相对的高速公路上且分别位于相应雨量计的下游路段。

采用上述系统，所述第一速度测算子系统包括训练模块和速度获取模块，所述训练模块基于不同的雨量信息、雨量计所位于的路面结构、不同轮胎结构训练获取雨量信息与车速间的关系，所述速度获取模块根据实时雨量信息调用雨量信息与车速间的关系获得第一实时车速最大值。

采用上述系统，所述训练模块通过包括水膜厚度子模块、附着系数子模块、第一刹车距离子模块、第一安全速度获取子模块在内的子模块获取获取雨量信息与车速间的关系；水膜厚度子模块基于道路参数和雨量获取水膜厚度，附着系数子模块基于水膜厚度获取车辆轮胎与地面的附着系数，第一刹车距离子模块基于附着系数获取安全刹车距离，第一安全速度获取子模块调用附着系数和安全刹车距离获取车辆安全行驶速度。

采用上述系统，所述第二速度测算子系统通过包括第二刹车距离子模块、第二安全速度获取子模块在内的子模块获取能见度与车速间的关系；第二刹车距离子模块基于停车视距模型获取安全刹车距离，第二安全速度获取子模块基于安全刹车距离获取第二实时车速最大值。

作为本发明的一种改进，所述控制系统还包括反应时间子模块，用于存储驾驶员反应时间和车辆反应时间，供获取安全刹车距离时调用。

一种基于路域气象站的高速公路限速信息获取方法，包括以下步骤：

基于雨量信息获取第一实时车速最大值，基于能见度信息获取第二实时车速最大值；

对第一实时车速最大值和第二实时车速最大值进行比较，取较小值输出并显示。

采用上述方法，所述第一实时车速最大值基于雨量与速度的关系获得，所述雨量与速度的关系通过训练方式获取，训练包括：通过雨量获取水膜厚度，通过水膜厚度、路面结构、轮胎结构训练获得车辆轮胎与地面的附着系数，通过附着系数和车辆行驶速度训练获得刹车距离，通过刹车距离、附着系数获取雨量与速度之间的关系。

采用上述方法，所述第二实时车速最大值通过以下步骤获取：

基于停车视距模型L₁(t₀)+L₂(t)-L₃(t₀+t)≤L_J获取刹车距离，

基于刹车距离获取第二实时车速最大值；

其中L₁为制动反应距离，L₂为制动距离，L₃为前方车辆在后车制动并停止前行驶的距离，L_J为能见度距离，t₀为制动反应时间，t为制动时间。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)同时对高速公路上易发生事故诱因的能见度和降雨量进行测量获取相应的速度后进行比对得出在双重气候影响下的最精确允许的速度最大值；(2)基于训练方式获取降雨量下的车速时，可以考量影响车速的多种因素，获取的数值更为准确；(3)增加驾驶员在面对突发状况时的反应时间及车辆反应时间，获取的数值更为准确。

下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。

附图说明

图1为本发明的结构原理框图。

图2为本发明第一速度测算子系统原理结构框图。

图3为本发明第二速度测算子系统原理结构框图。

图4为停车视距原理图。

图5为本发明应用场景示意图。

图6为本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

本发明基于交通运输部建设科技项目《武陵山区公路建设与运营安全保障技术研究》(2014318785090)进行设计。

结合图1，一种基于路域气象站的高速公路限速信息系统，包括沿公路设置的若干气象站、与气象站配合使用的显示屏和控制系统。所述每一气象站包括一雨量计和一能见度仪，所述雨量计监测该处雨量信息，所述能见度仪监测该处能见度信息。所述控制系统包括第一速度测算子系统、第二速度测算子系统、比较子系统，所述第一速度测算子系统基于雨量信息获取第一实时车速最大值，所述第二速度测算子系统基于能见度信息获取第二实时车速最大值，所述比较子系统对第一实时车速最大值和第二实时车速最大值进行比较，输出其中较小值。所述每两个显示屏为一组显示比较模块输出的速度信息，所述每一组显示屏分别设置于相对的高速公路上且分别位于相应雨量计的下游路段。

所述第一速度测算子系统包括训练模块和速度获取模块，所述训练模块基于不同的雨量信息、雨量计所位于的路面结构、不同轮胎结构训练获取雨量信息与车速间的关系，所述速度获取模块根据实时雨量信息调用雨量信息与车速间的关系获得第一实时车速最大值。第一速度测算子系统基于如下原理设计：雨量决定水膜厚度，水膜厚度决定附着系数，附着系数决定摩擦力，摩擦力决定制动距离，制动距离限制车辆行驶速度。多雨地区高速公路上每2-3公里安装一台雨量计，如果雨量计测到下雨了，就由计算模块计算应限速多少，然后上游的LED屏实时显示限速。

结合图2，基于上述原理，所述训练模块，对以下子模块获取的数据进行训练获取雨量信息与车速间的关系：水膜厚度子模块、附着系数子模块、刹车距离子模块、安全速度获取子模块、取整子模块。图中箭头为信号走向。水膜厚度子模块基于道路参数和雨量获取水膜厚度，附着系数子模块基于水膜厚度获取车辆轮胎与地面的附着系数，刹车距离子模块基于附着系数获取安全刹车距离，安全速度获取子模块调用附着系数并和安全刹车距离获取车辆安全行驶速度。

所述水膜厚度子模块通过雨量计对一定区域排水长度L、降雨强度I、坡度N等获取水膜厚度d，即d＝f(L,I,N)，其中L为排水长度，I为降雨强度，N为坡度。

所述附着系数子模块通过水膜厚度d、轮胎的结构、胎面花纹、滑动率，以及行驶速度来获取摩擦系数。由于每一车辆的轮胎结构和胎面花纹均不相同，而行驶速度为待求变量，因此采用训练的方式，对现有市场上的轮胎结构和适合的目标速度进行输入获取一系列的附着系数，通过训练获取不同水膜厚度下的附着系数，然后对于不同水膜厚度的一系列附着系数中取最小值作为该水膜厚度下的标准值。

所述刹车距离子模块存根据附着系数μ、行驶速度v获取刹车距离，即S＝f(μ,v)。

所述安全速度获取子模块根据附着系数μ和安全刹车距离S水膜厚度d相对于降雨量间的关系，获取雨量信息下速度的模型，v＝f(I)。

结合图3，所述第二速度测算子系统通过包括第二刹车距离子模块、第二安全速度获取子模块在内的子模块获取能见度与车速间的关系；第二刹车距离子模块基于停车视距模型获取安全刹车距离，第二安全速度获取子模块基于安全刹车距离获取第二实时车速最大值。

本发明采用以ICX205AL为核心的CCD摄像机作为能见度仪，其像素为方形构造，采用了HAD技术，感光度高，暗电流低；分辨率为1392 X 1040，有效像素数1.45M。芯片工作频率为14.318MHz，支持全像素读出和高帧速读出两种读出方式，前者的输出速度为每秒7.5帧，后者可以达到每秒30帧的速度。同时，ICX20_SAL也支持电子快门功能。

结合图4，车辆安全行驶不发生追尾事故的条件是L₁(t₀)+L₂(t)-L₃(t₀+t)≤L_J式中:

L₁为制动反应距离，

L₂为制动距离，

L₃为前方车辆在后车制动并停止前行驶的距离，

L_J为能见度距离，

t₀为制动反应时间，

t为制动时间；

当前车出现交通事故或抛锚、故障等停车时，L₃取值为0；前后两车的安全停车距离L_安一般取5m，这样安全不追尾条件变为L₁(t₀)+L₂(t)+L_安≤L_J。

在本系统中，为便于信息发布，可以给出推荐限速值，如下表：

表1低能见度下限速推荐值

能见度L<sub>J</sub>(m)	限速计算值(km/h)	推荐值(km/h)
			&lt;50	封路低能见度	禁行
50～100	限速低能见度41.49～66.88	40～65
			100～150	限速低能见度66.88～86.95	65～85
150～200	限速低能见度86.95～104.09	85～100
			200～500	警示低能见度正常行驶	正常行驶

本系统还包括AD转换器，对降雨量信息和能见度信息的模拟信号转换为数字信号。

本系统还包括信息发布控制器，用于控制显示频显示速度信息。

本系统还包括zigbee无线射频模块，用于雨量信息在雨量计和控制系统间的传输，能见度信息在能见度仪和第二刹车距离子模块之间传输，以及速度信息在控制系统和信息发布控制器之间的传输。ZigBee技术作为一种新兴的双向无线通信手段，具有功耗低、时延短、网络容量大、可靠性高及成本低等特点，非常适合于高速公路上的信息传输。由于TI公司技术实力雄厚，提供的开发工具、技术文档、参考设计和应用知识等资料更为完整，有利于平台的搭建，因此将选用TI公司的ZigBee单芯片解决方案。这其中又以最新的Chipcon公司的CC2430芯片表现最为出众。该模块分为发送和接收两部分，发送部分安装在摄像头处，用于实时发送经由图像处理模块得到的限速信息；接收部分集成在信息发布模块，将接收到的限速标志信息传递给LED限速显示标志或门架式可变信息标志牌。

结合图5，假设在高速公路上B到E路段局部有雨且部分路段能见度较低，如图所示，预警系统工作过程如下：当C处雨量监测装置，监测C处有雨，根据雨量大小，获取雨量前提下的速度值为80km/h，同时获取基于能见度下的速度值90km/h，经过比较，雨量下的速度值更小，向双向车道上游可变信息标志牌发送限速80km/h的限速信息，即b1处、d2处可变信息标志牌显示限速80km/h；与C处相邻的雨量监测装置B、D监测雨量信息，经过计算B处由降雨量获得的速度值依然为80km/h，而基于能见度获得的速度值为70km/h，向a1、c2发送限速信息70km/h；经过计算D处由降雨量获得的速度值依然为70km/h，而基于能见度获得的速度值为80km/h，向c1、e2发送限速信息70km/h；与以上同理A、E、F处也进行监测。

本系统可以与测速系统、排水系统配套使用。例如当根据雨量获取车辆安全行驶速度后，通过数据之间的传输设定测速系统的抓拍速度阈值；又例如，当雨量达到一定程度时，切换排水系统的功率，将公路积水迅速排除，使车辆与地面的附着系数达到一个理想范围。

同时本系统还可以对不同种类的车辆进行分别训练，分别获取其在相同雨量情形下不同的安全车速。

结合图6，一种基于路域气象站的高速公路限速信息获取方法，包括以下步骤：

步骤1，获取降雨量信息，基于雨量信息获取第一实时车速最大值；

步骤2，获取能见度信息，基于能见度信息获取第二实时车速最大值；

步骤3，对第一实时车速最大值和第二实时车速最大值进行比较，取较小值输出并显示。

具体的，在步骤1中所述第一实时车速最大值基于雨量与速度的关系获得，所述雨量与速度的关系通过训练方式获取，训练包括以下步骤：

步骤1.1，通过雨量获取水膜厚度；

步骤1.2，通过水膜厚度、路面结构、轮胎结构训练获得车辆轮胎与地面的附着系数；

步骤1.3，通过附着系数和车辆行驶速度训练获得刹车距离；

步骤1.4，通过刹车距离、附着系数获取雨量与速度之间的关系。

步骤2中通过停车视距模型来获取车速，具体包括：

步骤2.1，基于停车视距模型L₁(t₀)+L₂(t)-L₃(t₀+t)≤L_J获取刹车距离，其中L₁为制动反应距离，L₂为制动距离，L₃为前方车辆在后车制动并停止前行驶的距离，L_J为能见度距离，t₀为制动反应时间，t为制动时间；

步骤2.2，基于刹车距离获取第二实时车速最大值。

Claims (6)

1.一种基于路域气象站的高速公路限速信息系统，其特征在于，包括沿公路设置的若干气象站、与气象站配合使用的显示屏和控制系统；

每一气象站包括一雨量计和一能见度仪，

所述雨量计监测雨量信息，

所述能见度仪监测能见度信息；

所述控制系统包括第一速度测算子系统、第二速度测算子系统、比较子系统，

所述第一速度测算子系统基于雨量信息获取第一实时车速最大值，

所述第二速度测算子系统基于能见度信息获取第二实时车速最大值，

所述比较子系统对第一实时车速最大值和第二实时车速最大值进行比较，输出其中较小值；

每两个显示屏为一组显示比较模块输出的速度信息，每一组显示屏分别设置于相对的高速公路上且分别位于相应雨量计的下游路段；

所述第一速度测算子系统包括训练模块和速度获取模块，

所述训练模块基于不同的雨量信息、雨量计所位于的路面结构、不同轮胎结构训练获取雨量信息与车速间的关系，

所述速度获取模块根据实时雨量信息调用雨量信息与车速间的关系获得第一实时车速最大值；

所述训练模块通过以下子模块获取获取雨量信息与车速间的关系：

水膜厚度子模块，基于道路参数和雨量获取水膜厚度，

附着系数子模块，基于水膜厚度获取车辆轮胎与地面的附着系数，对于不同轮胎获取的水膜厚度的若干附着系数中取最小值作为该水膜厚度下的标准值，

第一刹车距离子模块，基于附着系数获取第一安全刹车距离，

第一安全速度获取子模块，调用附着系数和第一安全刹车距离获取车辆安全行驶速度；

所述第二速度测算子系统通过以下子模块获取能见度与车速间的关系：

第二刹车距离子模块，基于停车视距模型获取第二安全刹车距离，

第二安全速度获取子模块，基于第二安全刹车距离获取第二实时车速最大值；

所述停车视距模型为

L₁(t₀)+L₂(t)-L₃(t₀+t)≤L_J

其中，L₁为制动反应距离，L₂为制动距离，L₃为前方车辆在后车制动并停止前行驶的距离，L_J为能见度距离，t₀为制动反应时间，t为制动时间。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制系统还包括反应时间子模块，用于存储驾驶员反应时间和车辆反应时间，供获取第二安全刹车距离时调用。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制系统中设置一取整子模块，对传输至显示屏前的速度信息向下取至最接近的5的倍数。

4.基于上述任意一项系统的高速公路限速信息获取方法，其特征在于，包括：

基于雨量信息获取第一实时车速最大值，基于能见度信息获取第二实时车速最大值；

对第一实时车速最大值和第二实时车速最大值进行比较，取较小值输出并显示。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一实时车速最大值基于雨量与速度的关系获得，所述雨量与速度的关系通过训练方式获取，训练包括：

通过雨量获取水膜厚度，

通过水膜厚度、路面结构、轮胎结构训练获得车辆轮胎与地面的附着系数，

对于不同轮胎获取的水膜厚度的若干附着系数中取最小值作为该水膜厚度下的标准值，

通过附着系数和车辆行驶速度训练获得第一安全刹车距离，

通过第一安全刹车距离、附着系数获取雨量与速度之间的关系。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二实时车速最大值通过以下步骤获取：

基于停车视距模型L₁(t₀)+L₂(t)-L₃(t₀+t)≤L_J获取第二安全刹车距离，

基于第二安全刹车距离获取第二实时车速最大值；

其中L₁为制动反应距离，L₂为制动距离，L₃为前方车辆在后车制动并停止前行驶的距离，L_J为能见度距离，t₀为制动反应时间，t为制动时间。