CN107093332A

CN107093332A - 城市快速路匝道合流区安全预警系统

Info

Publication number: CN107093332A
Application number: CN201710548017.4A
Authority: CN
Inventors: 马艳丽; 蒋贤才; 吴昊天; 胡宝雨; 范璐洋; 史惠敏
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2017-08-25
Anticipated expiration: 2037-07-06
Also published as: CN107093332B

Abstract

城市快速路匝道合流区安全预警系统，属于道路交通信号控制领域，为了解决现有的城市快速路匝道合流区安全预警效果不好的问题。本发明的信息采集系统采集城市快速路匝道合流区的车辆信息；信息处理系统得出PET值，将该PET值与预先设定好的PET阈值进行比较，当PET值小于PET阈值时，发出预警信号；PET值为合流区的车辆在合流过程中后车头部到达侵入线的时间与前车尾部离开侵入线的时间之差，侵入线是一条垂直于车道分界线且与车辆的车道变换轨迹相交的虚拟直线；车载预警系统发出预警。有益效果为从车路协同的角度实现对驾驶员的预警，改善了城市快速路入口匝道合流区的安全环境。

Description

城市快速路匝道合流区安全预警系统

技术领域

本发明属于道路交通信号控制领域。

背景技术

快速路系统在大城市交通中起着主骨架路网的作用，保障快速路系统的高效运行一直是交通管理部门重中之重的工作。

入口匝道是城市快速路连续流和城市道路间断流转换的通道。匝道车辆和主干道车辆的冲突，会使得匝道入口附近成为交通事故的多发地段，尤其是由于设计因素或地理条件的限制，在许多入口匝道和主干道汇合点附近，匝道上的驾驶员无法看到主干道上的车辆，而主干道上的驾驶员也无法看到匝道上的车辆，除非车辆非常靠近汇合点时，才可以相互进入对方的视野，两辆快速行驶的车辆往往会由于发现对方时来不及刹车而造成交通事故，导致人员伤亡，带来经济损失。所以，应用预警系统来实时警示匝道车辆驾驶员对保障匝道合流区的交通安全和提高匝道合流区的通行效率有重要意义。

国外关于入口匝道控制的理论在上世纪60年代已开始着手研究,相关理论已经相对成熟，提出了多种匝道控制算法[如定时控制、需求--容量差额控制、占有率控制算法等]，美国、法国、德国、英国、荷兰等国都己有成功应用。

国内专利文献CN1595468提出了一种入口匝道控制方法，该方法立足于减少匝道车辆和主干道车辆之间的剧烈冲突，给出的信号为限速信号，但其只给出最高限速值。

国内专利文献CN101299298提出了一种道路自适应入口匝道汇入控制设备与方法，该方法仅仅通过自动控制匝道汇入信号灯和情报板等设备达到控制流量的目的。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的城市快速路匝道合流区安全预警效果不好的问题，提出了一种城市快速路匝道合流区安全预警系统。

本发明所述的城市快速路匝道合流区安全预警系统，该预警系统包括信息采集系统、信息处理系统和车载预警系统；

信息采集系统，用于采集城市快速路匝道合流区的车辆信息；

信息处理系统，用于根据城市快速路匝道合流区的车辆信息得出PET值，将该PET值与预先设定好的PET阈值进行比较，当PET值小于PET阈值时，发出预警信号；

所述PET值为合流区的车辆在合流过程中后车头部到达侵入线的时间与前车尾部离开侵入线的时间之差，其中，侵入线是一条垂直于车道分界线且与车辆的车道变换轨迹相交的虚拟直线；

车载预警系统，用于根据预警信号发出预警。

本发明的有益效果是通过城市快速路匝道合流区安全预警系统，从车路协同的角度实现对匝道车辆驾驶员的预警；因此，在一定程度上改善城市快速路入口匝道合流区的安全环境，预警效果好，而且其具有可扩展性、算法的可替代性，具有明显的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的城市快速路匝道合流区安全预警系统的结构框图；

图2为具体实施方式三中匝道合流区车辆位置示意图；

图3为具体实施方式六中信息采集系统的结构框图；

图4为具体实施方式七中信息处理系统的结构框图；

图5为具体实施方式八中车载预警系统的结构框图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的城市快速路匝道合流区安全预警系统，该预警系统包括信息采集系统1、信息处理系统2和车载预警系统3；

信息采集系统1，用于采集城市快速路匝道合流区的车辆信息；

信息处理系统2，用于根据城市快速路匝道合流区的车辆信息得出PET值，将该PET值与预先设定好的PET阈值进行比较，当PET值小于PET阈值时，发出预警信号；

车载预警系统3，用于根据预警信号发出预警。

在本实施方式中，通过对选用的城市快速路视频资料的分析，进行PET值的调查与分析，建立历史PET值数据库；根据建立的历史PET值数据库进行数据拟合，在拟合过程中分别采用正态分布、伽马分布和韦布尔分布，选取拟合度好的分布，并取PET值的15％分位值PET₁₅和85％分位值PET₈₅作为两个PET阈值；根据以上两个PET阈值将匝道合流区的冲突划分为三个等级：一级预警、二级预警和三级预警；一级预警代表会有严重冲突发生，二级预警代表会有轻微冲突发生，三级预警代表会有潜在冲突发生；具体的PET值与匝道合流区冲突划分的三个等级的对应关系详见表1。

表1 PET值与匝道合流区冲突划分的三个等级的对应关系

PET值	<PET₁₅	PET₁₅～PET₈₅	>PET₈₅
				预警等级	一级预警	二级预警	三级预警

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的城市快速路匝道合流区安全预警系统进一步限定，在本实施方式中，所述信息处理系统2包括信息采集单元2-1、合流区冲突识别算法单元2-2和主控单元2-3；

信息采集单元2-1，用于接收城市快速路匝道合流区的车辆信息；

合流区冲突识别算法单元2-2，用于根据城市快速路匝道合流区的车辆信息得出PET值；

主控单元2-3，用于根据PET值与预先设定好的PET阈值进行比较，当PET值小于PET阈值时，主控单元2-3发出预警信号。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的城市快速路匝道合流区安全预警系统进一步限定，在本实施方式中，合流区冲突识别算法单元2-2是通过合流区冲突识别模型实现合流区冲突识别算法计算的；

所述合流区冲突识别模型为：

式中：T₁代表主路车辆到达合流冲突区域起点的时间；T₂代表匝道车辆到达合流冲突区域起点的时间；v_A代表主路车辆速度；v_B代表匝道车辆速度；a_A代表主路车辆加速度；a_B代表匝道车辆加速度；x_A代表主路车辆距合流冲突区域起点的距离；x_B代表匝道车辆距合流冲突区域起点的距离；Δt代表匝道车辆驾驶员驾驶车辆意识到发生危险而采取一些措施所需的平均时间；

所述Δt为一个固定的常数，并且其取值范围为0.8秒至1.3秒之间。

在本实施方式中，如图2所示，由于匝道上的车辆B可能在合流区始端提早驶入主路，也可能行驶到合流区末端都未能找到安全的可插入间隙，综合考虑这两种极端情况，因此取加速车道的长度x为合流区的冲突区域；

首先，计算主路车辆A到达合流冲突区域起点的时间T₁；

由交通调查可知，主路车辆由于受到合流区交通状态的影响，在进入长度为x的合流区过程中近似为匀减速运动，假设主路车辆A在t₁时间内达到车辆的速度为v_At，根据图2可知，在T₁时间内主路车辆A行驶的距离x_A为：

解方程得到车辆A到达合流冲突区域起点的时间T₁为：

其次，计算匝道车辆B到达合流区冲突区域起点的时间T₂；

匝道车辆B由匝道进入合流区，先要经理一段近似直线的匀加速运动，时长为T₃，然后变为匀速运动，到达合流区冲突区域起点，由匀加速运动变为匀速运动的反应时间与匝道车辆驾驶员驾驶车辆意识到发生危险而采取一些措施所需的平均时间相同，即反应时间为Δt；因此，匝道车辆B到达合流区冲突区域起点的时间T₂表示为：T₂＝T₃+Δt；

假设匝道车辆B在t₂时间内达到车辆的速度为v_Bt，根据图2可知，在T₂时间内匝道车辆B行驶的距离S_B为：

为了确保人员和车辆安全，附加一定的安全距离余量d₀，使得驾驶员在接收到预警信息后有足够的反应时间，因此，匝道车辆B距离合流区起点的距离x_B表示为：

x_B＝S_B+d₀；(4)

式中：

d₀＝v_BΔt；(5)

由式(3)、式(4)和式(5)得出：

解方程得出匝道车辆B到达合流冲突区域七点的时间T₂：

最后，得出匝道合流区冲突识别模型如下：

在本实施方式中，车辆在匝道上行驶时，Δt代表匝道车辆驾驶员驾驶车辆意识到发生危险而采取一些措施所需的平均时间，当驾驶员意识到有发生危险的可能，而要采取一些措施没动作之前的时间，这带有不确定性，与每个人自身的情况息息相关，没有共性，只能在一定范围之内，取反应最为灵敏的年纪且身体状况最好的驾驶员的反应时间为为最小值，取年龄大且身体状况不好的驾驶员的反应时间为最大值，这范围在0.8到1.3s之间，取值的原则是最好不要太小，如果那样的话，会使得驾驶人员非常惊慌失措，可能会带来不必要的危险，在合流区冲突识别模型中Δt的取值为1.2s。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的城市快速路匝道合流区安全预警系统进一步限定，在本实施方式中，所述信息采集系统1包括速度检测器1-1、加速度检测器1-2和车载GPS1-3；

速度检测器1-1，用于采集匝道车辆的速度v_B与主干道车辆的速度v_A；

加速度检测器1-2，用于采集匝道车辆的加速度a_B与主干道车辆的加速度a_A；

车载GPS1-3，用于采集匝道车辆距合流冲突区域起点的距离x_B与主路车辆距合流冲突区域起点的距离x_A。

在本实施方式中，速度检测器1-1采用环形磁感线圈并且埋设在匝道合流区；加速度检测器1-2采用MMA7660加速度传感器；加速度检测器1-2和车载GPS1-3均设置在驾驶车辆的内部。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的城市快速路匝道合流区安全预警系统进一步限定，在本实施方式中，所述车载预警系统3包括蜂鸣器报警单元3-1、指示灯报警单元3-2和语音报警单元3-3；

蜂鸣器报警单元3-1，用于根据信息处理系统2输出的预警信息蜂鸣振动；

指示灯报警单元3-2，用于根据信息处理系统2输出的预警信息进行指示报警

语音报警单元3-3，用于根据信息处理系统2输出的预警信息进行语音播报。

在本实施方式中，由于驾驶员的信息来源来自视觉、听觉和触觉；因此，为了让驾驶员能更好的接收到预警信息，本实施方式设置了蜂鸣器报警单元3-1、指示灯报警单元3-2和语音报警单元3-3进行预警；蜂鸣器报警单元3-1采用蜂鸣器实现，指示灯报警单元3-2采用LED板来实现，语音报警单元3-3采用车载语音提示器实现；根据匝道合流区冲突划分的三个等级本实施方式设置了不同的预警信号规则；具体的预警信号规则见表2。

表2 匝道合流区冲突划分的三个等级的预警信号规则表

具体实施方式六：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的城市快速路匝道合流区安全预警系统进一步限定，在本实施方式中，所述信息采集系统1还包括一号电源1-4、一号处理器1-5、一号无线发射单元1-6、一号发射天线1-7和一号RS-485接口1-8；

车载GPS1-3的车辆位置信号输出端与一号处理器1-5的车辆位置信号输入端相连；

加速度检测器1-2的加速度信号输出端与一号处理器1-5的加速度信号输入端相连；

一号电源1-4的电源输出端同时与加速度检测器1-2的电源输入端、车载GPS1-3的电源输入端、一号处理器1-5的电源输入端和一号RS-485接口1-8的电源输入端相连；

一号处理器1-5的发射信号输出端通过一号RS-485接口1-8与一号无线发射单元1-6的发射信号输入端相连；

一号无线发射单元1-6通过一号发射天线1-7将发射信号发射。

在本实施方式中，一号处理器1-5为单片机，其型号为MSP430F149；一号无线发射单元1-6为SX-1278嵌入式无线电单元。

具体实施方式七：结合图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六所述的城市快速路匝道合流区安全预警系统进一步限定，在本实施方式中，所述信息处理系统2还包括二号电源2-4、一号无线接收单元2-5、一号接收天线2-6、二号RS-485接口2-7、三号RS-485接口2-8、二号无线发射单元2-9和二号发射天线2-10；

二号电源2-4的电源输出端同时与信息采集单元2-1的电源输入端、合流区冲突识别算法单元2-2的电源输入端、主控单元2-3的电源输入端、二号RS-485接口2-7的电源输入端和三号RS-485接口2-8的电源输入端相连；

一号无线接收单元2-5通过一号接收天线2-6接收一号无线发射单元1-6发射的发射信号；

信息采集单元2-1的采集信号输入端通过二号RS-485接口2-7与一号无线接收单元2-5的采集信号输出端相连；

主控单元2-3的控制信号输出端通过三号RS-485接口2-8与二号无线发射单元2-9的控制信号输入端相连；

二号无线发射单元2-9通过二号发射天线2-10将发射信号发射。

在本实施方式中，一号接收天线2-6与一号发射天线1-7选用5.8GHz DSRC的短程通信技术手段；一号无线接收单元2-5与二号无线发射单元2-9均为SX-1278嵌入式无线电单元。

具体实施方式八：结合图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式七所述的城市快速路匝道合流区安全预警系统进一步限定，在本实施方式中，车载预警系统3还包括三号电源3-4、二号处理器3-5、二号无线接收单元3-6、二号接收天线3-7和四号RS-485接口3-8；

三号电源3-4的电源的输出端同时与蜂鸣器报警单元3-1的电源输入端、指示灯报警单元3-2的电源输入端、语音报警单元3-3的电源输入端、二号处理器3-5的电源输入端和四号RS-485接口3-8的电源输入端相连；

二号无线接收单元3-6通过二号接收天线3-7接收二号无线发射单元2-9发射的发射信号；

二号处理器3-5的预警信号输入端通过四号RS-485接口3-8与二号无线接收单元3-6的预警信号输出端相连；

蜂鸣器报警单元3-1的蜂鸣信号输入端与二号处理器3-5的蜂鸣信号输出端相连，指示灯报警单元3-2的指示灯信号输入端与二号处理器3-5的指示灯信号输出端相连，语音报警单元3-3的语音信号输入端与二号处理器3-5的语音信号输出端相连。

在本实施方式中，二号处理器3-5为单片机，其型号为MSP430F149；二号无线接收单元3-6为SX-1278嵌入式无线电单元。车路之间的通信机制采用车路协同技术中的Ad-Hoc自组网方式实现端对端的通信。

Claims

1.城市快速路匝道合流区安全预警系统，其特征在于，该预警系统包括信息采集系统(1)、信息处理系统(2)和车载预警系统(3)；

信息采集系统(1)，用于采集城市快速路匝道合流区的车辆信息；

信息处理系统(2)，用于根据城市快速路匝道合流区的车辆信息得出PET值，将该PET值与预先设定好的PET阈值进行比较，当PET值小于PET阈值时，发出预警信号；

车载预警系统(3)，用于根据预警信号发出预警。

2.根据权利要求1所述的城市快速路匝道合流区安全预警系统，其特征在于，所述信息处理系统(2)包括信息采集单元(2-1)、合流区冲突识别算法单元(2-2)和主控单元(2-3)；

信息采集单元(2-1)，用于接收城市快速路匝道合流区的车辆信息；

合流区冲突识别算法单元(2-2)，用于根据城市快速路匝道合流区的车辆信息得出PET值；

主控单元(2-3)，用于根据PET值与预先设定好的PET阈值进行比较，当PET值小于PET阈值时，主控单元(2-3)发出预警信号。

3.根据权利要求2所述的城市快速路匝道合流区安全预警系统，其特征在于，合流区冲突识别算法单元(2-2)是通过合流区冲突识别模型得出PET值的；

所述合流区冲突识别模型为：

<mrow> <mi>P</mi> <mi>E</mi> <mi>T</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>v</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>+</mo> <msqrt> <mrow> <mn>4</mn> <msubsup> <mi>v</mi> <mi>B</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <mn>8</mn> <msub> <mi>a</mi> <mi>B</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>v</mi> <mi>B</mi> </msub> <mi>&Delta;</mi> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msqrt> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>a</mi> <mi>B</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>v</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>+</mo> <msqrt> <mrow> <mn>4</mn> <msubsup> <mi>v</mi> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <mn>8</mn> <msub> <mi>a</mi> <mi>A</mi> </msub> <msub> <mi>x</mi> <mi>A</mi> </msub> </mrow> </msqrt> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>a</mi> <mi>A</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mi>&Delta;</mi> <mi>t</mi> <mo>;</mo> </mrow>

4.根据权利要求3所述的城市快速路匝道合流区安全预警系统，其特征在于，所述信息采集系统(1)包括速度检测器(1-1)、加速度检测器(1-2)和车载GPS(1-3)；

速度检测器(1-1)，用于采集匝道车辆的速度v_B与主干道车辆的速度v_A；

加速度检测器(1-2)，用于采集匝道车辆的加速度a_B与主干道车辆的加速度a_A；

车载GPS(1-3)，用于采集匝道车辆距合流冲突区域起点的距离x_B与主路车辆距合流冲突区域起点的距离x_A。

5.根据权利要求4所述的城市快速路匝道合流区安全预警系统，其特征在于，所述车载预警系统(3)包括蜂鸣器报警单元(3-1)、指示灯报警单元(3-2)和语音报警单元(3-3)；

蜂鸣器报警单元(3-1)，用于根据信息处理系统(2)输出的预警信息蜂鸣振动；

指示灯报警单元(3-2)，用于根据信息处理系统(2)输出的预警信息进行指示报警；

语音报警单元(3-3)，用于根据信息处理系统(2)输出的预警信息进行语音播报。

6.根据权利要求4所述的城市快速路匝道合流区安全预警系统，其特征在于，所述信息采集系统(1)还包括一号电源(1-4)、一号处理器(1-5)、一号无线发射单元(1-6)、一号发射天线(1-7)和一号RS-485接口(1-8)；

车载GPS(1-3)的车辆位置信号输出端与一号处理器(1-5)的车辆位置信号输入端相连；

加速度检测器(1-2)的加速度信号输出端与一号处理器(1-5)的加速度信号输入端相连；

一号电源(1-4)的电源输出端同时与加速度检测器(1-2)的电源输入端、车载GPS(1-3)的电源输入端、一号处理器(1-5)的电源输入端和一号RS-485接口(1-8)的电源输入端相连；

一号处理器(1-5)的发射信号输出端通过一号RS-485接口(1-8)与一号无线发射单元(1-6)的发射信号输入端相连；

一号无线发射单元(1-6)通过一号发射天线(1-7)将发射信号发射。

7.根据权利要求6所述的城市快速路匝道合流区安全预警系统，其特征在于，所述信息处理系统(2)还包括二号电源(2-4)、一号无线接收单元(2-5)、一号接收天线(2-6)、二号RS-485接口(2-7)、三号RS-485接口(2-8)、二号无线发射单元(2-9)和二号发射天线(2-10)；

二号电源(2-4)的电源输出端同时与信息采集单元(2-1)的电源输入端、合流区冲突识别算法单元(2-2)的电源输入端、主控单元(2-3)的电源输入端、二号RS-485接口(2-7)的电源输入端和三号RS-485接口(2-8)的电源输入端相连；

一号无线接收单元(2-5)通过一号接收天线(2-6)接收一号无线发射单元(1-6)发射的发射信号；

信息采集单元(2-1)的采集信号输入端通过二号RS-485接口(2-7)与一号无线接收单元(2-5)的采集信号输出端相连；

主控单元(2-3)的控制信号输出端通过三号RS-485接口(2-8)与二号无线发射单元(2-9)的控制信号输入端相连；

二号无线发射单元(2-9)通过二号发射天线(2-10)将发射信号发射。

8.根据权利要求7所述的城市快速路匝道合流区安全预警系统，其特征在于，车载预警系统(3)还包括三号电源(3-4)、二号处理器(3-5)、二号无线接收单元(3-6)、二号接收天线(3-7)和四号RS-485接口(3-8)；

三号电源(3-4)的电源的输出端同时与蜂鸣器报警单元(3-1)的电源输入端、指示灯报警单元(3-2)的电源输入端、语音报警单元(3-3)的电源输入端、二号处理器(3-5)的电源输入端和四号RS-485接口(3-8)的电源输入端相连；

二号无线接收单元(3-6)通过二号接收天线(3-7)接收二号无线发射单元(2-9)发射的发射信号；

二号处理器(3-5)的预警信号输入端通过四号RS-485接口(3-8)与二号无线接收单元(3-6)的预警信号输出端相连；

蜂鸣器报警单元(3-1)的蜂鸣信号输入端与二号处理器(3-5)的蜂鸣信号输出端相连，指示灯报警单元(3-2)的指示灯信号输入端与二号处理器(3-5)的指示灯信号输出端相连，语音报警单元(3-3)的语音信号输入端与二号处理器(3-5)的语音信号输出端相连。