CN107798916A - 车‑路‑人协同的高速公路行车安全智能预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车‑路‑人协同的高速公路行车安全智能预警系统及方法，系统由带LTE‑V直通模块和定位系统的反光衣、路侧LTE‑V通信设备、路侧视频监视系统、车载LTE‑V通信设备、车载毫米波雷达、车辆运动状态感知模块和车载安全预警模块组成。本发明可为高速公路上的行车安全提供保护措施和设备，可对检测到的危险源进行远距离预警和近距离驾驶行为干预，减少高速公路上行驶车辆与作业人员以及违规上路人员的碰撞概率。

Description

车-路-人协同的高速公路行车安全智能预警系统及方法

技术领域

本发明属于主动安全技术，涉及一种智能交通系统中的协同行车安全预警技术，特别涉及一种车-路-人协同的高速公路行车安全智能预警系统及方法。

背景技术

车辆在高速公路上行驶时，其速度一般都介于80km/h-120km/h之间，部分车辆还会出现超速或者严重超速行驶的现象。如果驾驶人出现疲劳驾驶、视距受限、分心、开小差等状况，将难以有效地发现前方高速公路上的作业人员以及违规翻越护栏或横穿中央隔离带的行人，极易造成严重的交通事故；另一方面，驾驶人即便能够发现上述潜在危险，但由于人眼感知范围有限，无法提前远距离感知并从容地减速，只能采取紧急制动或者避让措施，这样不仅降低了车辆行驶的舒适性，且增加了燃油消耗和污染排放，特殊情况下还易引起车辆侧滑，甚至侧翻等交通事故。因此，对高速公路上的作业人员、违规翻越护栏以及横穿中央隔离带的行人进行有效的远距离检测，及时对驾驶人进行安全预警并对驾驶行为进行引导，以确保高速公路上的作业人员、违规上路行人及行驶车辆的安全，实现安全和舒适驾驶。

目前针对行人主动防碰撞技术的研究，主要是基于车载和路侧视觉检测行人的手段，通过相关预警和主动安全控制方法，以达到减小行人和车辆碰撞事故发生概率的目的。由于该类方法尚没有结合远距离无线通信技术进行主动安全预警和驾驶行为引导，且在高速公路上视频监控和路侧通信设备布点稀疏，因而现有的技术很难提前并准确地远距离检测高速公路上的作业人员、违规翻越护栏以及横穿中央隔离带的行人，不能有效地避免该类人员伤亡等交通事故的发生。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种基于车-路-人协同的高速公路行车安全智能预警系统及方法，其考虑到目前高速公路上路侧通信设备和视频监控设备非全区域覆盖的问题，解决了高速公路上作业人员以及违规翻越护栏或横穿中央隔离带行人的主动安全防护问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于车-路-人协同的高速公路行车安全智能预警系统，包括反光衣、路侧设备、车载LTE-V通信模块、车辆运动状态感知模块、车载毫米波雷达和车载安全预警模块，其中车载LTE-V通信模块、车辆运动状态感知模块、车载毫米波雷达均与车载安全预警模块连接；

反光衣穿在高速公路作业人员身上，反光衣用于获取高速公路作业人员的位置信息和速度信息，并将信息传输给车载LTE-V通信模块，车载LTE-V通信模块将所述信息传输给车载安全预警模块；

路侧设备用于获取高速公路作业人员和违规上路行人的位置信息和速度信息，并将信息传输给车载LTE-V通信模块，车载LTE-V通信模块将所述信息传输给车载安全预警模块；

车辆运动状态感知模块用于获取车辆的位置信息和速度信息，以及车辆的运动状态和驾驶行为信息，并将信息传输给车载安全预警模块；

车载毫米波雷达用于获取行驶车辆前方设定范围内的高速公路作业人员或者违规上路行人的相对位置信息，并将上述信息发送给车载安全预警模块；

车载安全预警模块根据接收到的信息计算行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离S，当S小于设定值时，对驾驶行为进行预警。

具体地，所述安全预警模块包括基于视频的行人位置和速度估计模块、基于数据的行人位置和速度估计模块、车辆位置和速度估计模块、期望驾驶速度生成模块和预警模块；其中，

基于视频的行人位置和速度估计模块用于对具有视频帧格式的高速公路上作业人员或违规上路行人的位置信息和速度信息进行估计；

基于数据的行人位置和速度估计模块用于对具有数据帧格式的高速公路上作业人员或违规上路行人的位置信息和速度信息进行估计；

车辆位置和速度估计模块用于对车辆的位置信息和速度信息进行双速率估计；

期望驾驶速度生成模块用于计算期望驾驶速度；

预警模块根据高速公路上作业人员或违规上路行人的位置信息和速度信息的估计值、车辆的位置信息和速度信息的估计值对驾驶行为进行预警。

一种应用所述的基于车-路-人协同的高速公路行车安全智能预警系统进行高速公路行车安全智能预警的方法，包括以下步骤：

步骤一，获取穿戴反光衣的高速公路作业人员的位置信息和速度信息；针对对高速公路作业人员的位置信息和速度信息，采用融合算法对位置信息和速度信息进行滤波，得到滤波后的位置信息和速度信息；

步骤二，对高速公路作业人员或违规上路的行人进行视频采集，得到视频图像；对视频图像进行处理，得到违规上路行人或作业人员的位置信息和速度信息；

步骤三，获取行驶车辆前方设定范围内高速公路作业人员或者违规上路行人的相对位置信息；

步骤四，获取车辆的位置信息和速度信息，实时获取车辆的运动状态和驾驶行为信息，车辆的运动状态和驾驶行为信息包括车辆的行驶速度和制动行程；

步骤五，针对步骤一得到的高速公路作业人员的位置信息和速度信息、以及步骤二发送的高速公路上作业人员或违规上路行人的位置信息和速度信息，采用α-β滤波对位置信息和速度信息进行估计，得到估计后的高速公路作业人员或违规上路行人的位置信息和速度信息；针对步骤二中的视频图像进行处理，得到高速公路上作业人员或违规上路行人的位置信息和速度信息，采用α-β滤波对位置信息和速度信息进行估计，得到估计后的高速公路作业人员或违规上路行人的位置信息和速度信息；

步骤六，对步骤四中得到车辆的位置信息和速度信息进行双速率估计，得到估计后的车辆的位置信息；

步骤七，求行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离S，计算方法如下：

若米时，取

当米时，取其中S_radar为车载毫米波雷达获取的相对位置信息，k₁>0；其中，表示高速公路上作业人员或违规上路行人的位置信息，表示车辆的位置信息；

步骤八，行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离S小于1km时，计算期望行驶速度，利用动画和声音对驾驶行为进行预警。

具体地，所述步骤五中的采用α-β滤波对位置信息和速度信息进行估计，得到估计后的高速公路作业人员或违规上路行人的位置信息和速度信息；具体包括以下步骤：

步骤a，若某一时刻的位置信息为和速度信息为则将其作为初始位置和初始速度执行步骤b；否则，继续执行步骤a；

步骤b，将上一步的位置信息和速度信息代入下式，若上一步为第一步，则此处的位置信息和速度信息为初始位置和初始速度，计算一步预测位置

其中，ΔT为信息获取的时间间隔；

执行步骤c；

步骤c，若继续接收到位置信息和速度信息则按照下式进行状态更新：

完成后转步骤b)；

否则，若未能继续接收到位置信息和速度信息对时间计数器加1，若时间计数器的值达到10，且仍未继续接收到数据，则将时间计数器清零，并转步骤a)；若时间计数器的值未达到10，继续接收到位置信息和速度信息，则转步骤b)；

其中：分别为估计的位置信息和速度信息，α、β为常数，需满足0＜α＜1，0＜β≤2，4-2α-β＞0；

具体地，所述步骤六中的对步骤四中得到车辆的位置信息和速度信息进行双速率估计，得到估计后的车辆的位置信息，具体方法如下：

步骤a)，将车辆启动时车辆的位置信息和速度信息作为初始位置信息和初始速度信息完成后转步骤b)；

步骤b)，将初始位置信息和初始速度信息代入下式计算一步预测位置完成后转步骤c)；

其中，ΔT为信息获取的时间间隔；

步骤c)，当继续接收到位置信息和速度信息时，采用下式估计车辆的位置信息和速度信息：

否则，当未继续接收到卫星导航数据时，采用下式估计车辆的位置信息和速度信息：

其中：分别为卫星定位模块输出的位置信息和速度信息，为带OBD接口的车辆运动状态信息读取模块输出的速度信息，分别为估计的位置信息和速度信息；为一步预测的位置信息；α、β₁、β₂为常数，需满足0＜α＜1，β₁＞0，β₂＞0，β₁+β₂≤2，4-2α-(β₁+β₂)＞0。

具体地，所述步骤八中的行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离S小于1km时，计算期望行驶速度，利用动画和声音对驾驶行为进行预警；具体实现方法如下：

a)当行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离S在[700,1000]m之间时，首次采用语音播报“前方S米中央隔离带旁有行人，请按期望速度减速行驶”，完成后转b)；

b)当行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离在[400,700]m之间时，检测行驶车辆的实际速度和驾驶制动行程，若实际速度没有下降且没有采取驾驶制动行为，则用语音再次播报“前方S米中央隔离带旁有行人，请按期望速度减速行驶”，完成后转c)，否则直接转c)；

c)当行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离在[200,400]m之间时，检测行驶车辆的实际速度和制动行程，若行驶车辆的实际速度没有下降且没有采取驾驶制动行为，则启动最高频次N和最高音量V_max的蜂鸣，提醒驾驶人尽快减速，完成后转d)，否则判断实际速度与期望速度的偏差，若偏差值的绝对值大于10km/h，则启动动态频次和动态音量的蜂鸣，并在画面上采用红色闪烁的方式显示期望行驶速度，完成后转d)；

d)当行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离在[100,200]m之间时，检测行驶车辆的实际车速和制动行程，若行驶车辆的实际速度没有下降且没有采取制动行为，则启动最高频次N和最高音量V_max的蜂鸣，提醒驾驶人尽快减速，完成后转e)，否则判断实际速度与期望速度的差，若差值的绝对值大于5km/h，则启动动态频次和动态音量的蜂鸣，并在画面上采用红色闪烁的方式显示期望速度，持续3秒，完成后转e)；

e)当行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离在[S₀,100]m之间时，提示驾驶人连续鸣笛，判断前方作业人员或违规上路行人的运动轨迹是否有进入行车道的异常反应，进入行车道的异常反应指的是高速公路作业人员或违规上路行人的速度大于零且其方向指向道路，若不存在异常，则提示驾驶人将脚移动到脚踏上方，且以当前车速谨慎超越高速公路上作业人员或违规上路行人，超越后则根据前方的交通运行状态动态调整车辆的行驶速度；若存在异常，则转f)；

其中S₀为紧急制动的最短距离，要求在S₀处将车速降为高速公路上的最低限速v₀，若取最大减速度a_max，驾驶人发现危险至开始转换到制动踏板上需要的时间t₀，驾驶人开始踩下踏板到出现制动力所经过的时间t₁，制动力增长所需要的时间t₂，则：

其中L为车身长度；

f)开始紧急制动避免交通事故。

具体地，所述期望驾驶速度的计算方法如下：

记车辆在距离目标1km位置时的时刻为t_s，则对于任意时刻t，当t_s+t₀+t₁>t>t_s，期望速度为松开油门能够达到的速度；当t_s+t₀+t₁+t₂>＝t>t_s+t₀+t₁，将当前速度和当前距离分别记录为和S，期望速度当t>＝t_s+t₀+t₁+t₂，当检测到当前距离S时，期望速度为：

其中：ε>t₀+t₁+t₂,a_exp为期望加速度：

其中，v₀为高速公路上的最低限速，S₀为紧急制动的最短距离

具体地，所述启动动态频次和动态音量的蜂鸣，确定方法如下：

a)根据车辆行驶速度和车辆与高速公路作业人员或违规上路行人之间的距离S确定冲突预留时间其中S₀为紧急制动的最短距离；

b)根据车辆行驶速度和车辆的最大加速度a_max确定避险预留时间 其中k＝a_max/a_exp，a_exp为期望加速度；

c)确定冲突情况及蜂鸣的频次和音量

若T_c≤T_a|_k＝1,则将产生潜在冲突，需要引导驾驶人尽快采用最大减速度减速，以减轻冲突程度或避免冲突发生，则动态频次为最高频次N，动态音量为最高音量V_max；

若T_a|_k>1>T_c>T_a|_k＝1，可避免产生潜在冲突，但驾驶人的减速力度过小，需要诱导驾驶人加大减速力度，使驾驶速度与期望驾驶速度一致，则用动态频次为N_on和动态音量为V_on；

若T_c≥T_a|_k>1，可避免产生潜在冲突，可能是距离过远，也可能是当前减速行为可保证在规定的距离内达到高速路最低速，则停止蜂鸣干预；

其中，动态频次N_on和动态音量V_on的确定方法为：

其中，N为一个报警周期P可以包含的蜂鸣频次，即最高频次；P的单位为秒，[·]为取整运算，V_max为最高音量，V_min为最小音量，U(·)为单位阶跃函数。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明的为高速公路上的行车安全提供新的安全保护措施和设备，可对检测到的危险源进行远距离预警和近距离驾驶行为干预；通过语音和蜂鸣引导驾驶人按照环保安全舒适原则减速，减少高速公路上行驶车辆与作业人员或违规上路人员碰撞的发生概率；同时也可为在城市道路上的路政养护人员以及环卫工人提供安全保障，减少行驶车辆与路政养护人员及环卫工人碰撞的发生概率。

附图说明

图1为车-路-人协同的高速公路行车安全智能预警系统的结构框图；

图2为反光衣组成结构图；

图3为车-路-人协同的高速公路行车安全智能预警系统的画面预警布局图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明的方案作进一步详细地解释和说明。

具体实施方式

本发明的车-路-人协同的高速公路行车安全智能预警系统，包括反光衣，反光衣上设置有LTE-V直通模块、微处理器、卫星定位模块和纽扣电池，LTE-V直通模块、微处理器、卫星定位模块和纽扣电池通过防水包装设置在反光衣上，反光衣穿在高速公路作业人员身上；还包括路侧设备、车载LTE-V通信模块、车辆运动状态感知模块、车载毫米波雷达和车载安全预警模块，其中车载LTE-V通信模块、车辆运动状态感知模块、车载毫米波雷达均与车载安全预警模块连接，反光衣通过LTE-V直通模块与车载LTE-V通信模块实现通信。

路侧设备包括路侧LTE-V通信设备、路侧视频监视系统，路侧LTE-V通信设备与车载LTE-V通信模块实现通信。路侧设备安装在高速公路路侧，实现对高速公路上违规翻越护栏或横穿中央隔离带的行人或作业人员进行视频采集，根据路侧设备的配置及功能分两种情况获取违规上路行人以及作业人员的位置和速度信息。

车辆运动状态感知模块包括带OBD接口的车辆运动状态信息读取模块和卫星定位模块。

车载安全预警模块包括基于视频的行人位置和速度估计模块、基于数据的行人位置和速度估计模块、车辆位置和速度估计模块、期望驾驶速度生成模块、预警模块、动画显示模块、语音播报模块和蜂鸣干预模块。

可选地，所述LTE-V直通模块采用华为LTE-V直通模块或大唐电信的LTE-V直通模块；卫星定位模块采用支持北斗定位系统或GPS定位系统的u-blox模块；微处理器选择体积小功能强大的ARM、DSP、FPGA或者PC104工控机等，但需支持串口和DDR3接口。

本发明的车-路-人协同的高速公路行车安全智能预警方法，包括以下步骤：

步骤一，反光衣内的卫星定位模块获取穿戴反光衣的高速公路作业人员的位置信息和速度信息；反光衣内的微处理器对高速公路作业人员的位置信息和速度信息，并采用融合算法对位置信息和速度信息进行滤波，得到滤波后的位置信息和速度信息；反光衣内的LTE-V直通模块将自身ID、高速公路作业人员的位置信息和速度信息发送给1km内的车载LTE-V通信模块，车载LTE-V通信模块将接收到的信息传输给车载安全预警模块；

步骤二，路测设备中的路测视频监视系统对高速公路上违规上路的行人或作业人员进行视频采集，得到视频图像；

若路测视频监视系统不对获取的视频图像进行处理，则路测设备中的路侧LTE-V通信设备将自身的ID、路测视频监视系统的位置信息、路测视频监视系统的安装角及视频图像均发送给1km内的车载LTE-V通信模块；路侧LTE-V通信设备发送的信息具有视频帧格式；车载LTE-V通信模块将接收到的信息传输给车载安全预警模块；

视频帧编码格式

若路测视频监控系统对采集的视频图像进行处理，得到违规上路行人或作业人员的位置信息和速度信息，路测设备中的路侧LTE-V通信设备将自身的ID、路测视频监视系统的位置信息、路测视频监视系统的安装角及位置信息和速度信息发送给1km内的车载LTE-V通信模块；路侧LTE-V通信设备发送的信息具有数据帧格式；车载LTE-V通信模块将接收到的信息传输给车载安全预警模块；其中，对视频图像进行处理的方法如下：

对视频图像中的违规上路的行人或作业人员进行检测并获取其形心位置；依据路测视频监视系统的安装角，对形心位置进行坐标变换，获得世界坐标系下的位置信息；根据相邻两帧位置信息确定违规上路行人或作业人员的速度信息；将位置信息和速度信息根据数据帧的格式进行编码，得到具有数据帧格式的位置信息和速度信息。具体的编码方式如下：

数据帧编码格式

步骤三，车载毫米波雷达获取行驶车辆前方150米范围内高速公路作业人员或者违规上路行人的相对位置信息，并将上述信息发送给车载安全预警模块。

步骤四，车辆运动状态感知模块中的卫星定位模块获取车辆的位置信息和速度信息，通过带OBD接口的车辆运动状态信息读取模块实时获取车辆的运动状态和驾驶行为信息，车辆的运动状态和驾驶行为信息包括车辆的行驶速度和制动行程，并将上述信息发送给车载安全预警模块。

步骤五，车载安全预警模块针对接收到的步骤一和步骤二发送的高速公路上作业人员或违规上路行人的位置信息和速度信息，采用α-β滤波对位置信息和速度信息进行估计；具体方法如下：

若车载安全预警模块针对接收到的位置信息和速度信息具有数据帧格式，则基于数据的行人位置和速度估计模块采用以下方法进行位置信息和速度信息的估计：

步骤a，若某一时刻车载安全预警模块接收到位置信息和速度信息则将其作为初始位置和初始速度执行步骤b；否则，继续执行步骤a；

步骤b，将上一步的位置信息和速度信息代入下式，若上一步为第一步，则此处的位置信息和速度信息为初始位置和初始速度，计算一步预测位置

其中，ΔT为信息获取的时间间隔；

执行步骤c；

步骤c，若车载安全预警模块继续接收到位置信息和速度信息则按照下式进行状态更新：

完成后转步骤b)；

否则，若车载安全预警模块未能继续接收到位置信息和速度信息对时间计数器加1，若时间计数器的值达到10，且仍未继续接收到数据，则将时间计数器清零，并转步骤a)；若时间计数器的值未达到10，车载安全预警模块接收到位置信息和速度信息，则转步骤b)；

其中：分别为估计的位置信息和速度信息，α、β为常数，需满足0＜α＜1，0＜β≤2，4-2α-β＞0。本实施例中，α＝0.5，β＝1.5。

若车载安全预警模块针对接收到的位置信息和速度信息具有视频帧格式，则基于视频的行人位置和速度估计模块先对位置信息和速度信息进行图像处理，再采用上述方法进行位置信息和速度信息的估计。图像处理方法与步骤二中的图像处理方法相同，此处不再赘述。

步骤六，车载安全预警模块中的车辆位置和速度估计模块对步骤四中得到的卫星定位模块获取的车辆的位置信息x_v和速度信息v_v进行双速率估计；具体方法如下：

步骤a)，将车辆启动时卫星定位模块获得的位置信息和速度信息作为初始位置信息和初始速度信息完成后转步骤b)；

步骤b)，将初始位置信息和初始速度信息代入下式计算一步预测位置完成后转步骤c)；

步骤c)，当车载安全预警模块继续接收到卫星定位模块发送的位置信息和速度信息时，采用下式估计车辆的位置信息和速度信息：

否则，当未获得卫星导航数据时，采用下式估计车辆的位置信息和速度信息：

其中：分别为卫星定位模块输出的位置信息和速度信息，为带OBD接口的车辆运动状态信息读取模块输出的速度信息，分别为估计的位置信息和速度信息；为一步预测的位置信息；α、β₁、β₂为常数，需满足0＜α＜1，β₁＞0，β₂＞0，β₁+β₂≤2，4-2α-(β₁+β₂)＞0。本实施例中，α＝0.5、β₁＝0.75、β₂＝0.75。

步骤七，求行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离S，计算方法如下：

若米时，取

当米时，取其中S_radar为车载毫米波雷达获取的相对位置信息，k₁>0，本实施例中，k₁＝0.3。

步骤八，行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离小于1km时，车载安全预警模块中的安全预警模块，可通过车载显示屏显示出期望行驶速度，并通过动画显示模块、语音播报模块和蜂鸣干预模块利用动画和声音对驾驶行为进行预警。其中动画显示行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人在地图上的运动轨迹和趋势，并显示车辆的期望行驶速度；声音报警采用两种方式，分别为语音播报和蜂鸣。具体实现方法如下：

a)当行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离S在[700,1000]m之间时，首次采用语音播报“前方S米中央隔离带旁有行人，请按期望速度减速行驶”，完成后转b)；

b)当行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离在[400,700]m之间时，车载安全预警模块检测行驶车辆的实际速度和驾驶制动行程，若实际速度没有下降且没有采取驾驶制动行为，则用语音再次播报“前方S米中央隔离带旁有行人，请按期望速度减速行驶”，完成后转c)，否则直接转c)；

c)当行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离在[200,400]m之间时，车载安全预警模块检测行驶车辆的实际速度和制动行程，若行驶车辆的实际速度没有下降且没有采取驾驶制动行为，则启动最高频次N和最高音量V_max的蜂鸣(持续3秒)，提醒驾驶人尽快减速，完成后转d)，否则判断实际速度与期望速度的偏差，若偏差值的绝对值大于10km/h，则启动动态频次和最高音量的蜂鸣(持续3秒)，并在画面上采用红色闪烁的方式显示期望行驶速度，完成后转d)；

d)当行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离在[100,200]m之间时，车载安全预警模块检测行驶车辆的实际车速和制动行程，若行驶车辆的实际速度没有下降且没有采取制动行为，则启动最高频次N和最高音量V_max的蜂鸣(持续3秒)，提醒驾驶人尽快减速，完成后转e)，否则判断实际速度与期望速度的差，若差值的绝对值大于5km/h，则启动动态频次和动态音量的蜂鸣(持续3秒)，并在画面上采用红色闪烁的方式显示期望速度，持续3秒，完成后转e)；

e)当行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离在[S₀,100]m之间时，提示驾驶人连续鸣笛，安全预警模块判断前方作业人员或违规上路行人的运动轨迹是否有进入行车道的异常反应，进入行车道的异常反应指的是高速公路作业人员或违规上路行人的速度大于零且其方向指向道路，若不存在异常，则提示驾驶人将脚移动到脚踏上方(以便紧急制动)，且以当前车速谨慎超越高速公路上作业人员或违规上路行人，超越后则根据前方的交通运行状态动态调整车辆的行驶速度；若存在异常，则转f)；

其中S₀为紧急制动的最短距离，要求在S₀处将车速降为高速公路上的最低限速v₀(取60km/h)，若取最大减速度a_max，驾驶人发现危险至开始转换到制动踏板上需要的时间t₀，驾驶人开始踩下踏板到出现制动力所经过的时间t₁，制动力增长所需要的时间t₂，则：

其中L为车身长度。

本实施例中，取v₀＝60km/h，a_max＝7.5m/s²，t₀＝1.5s，t₁＝0.09s，t₂＝0.24s，对于轿车取L＝6m，则S₀＝54.9m。

f)开始紧急制动避免交通事故。

所述的车载安全预警模块显示的期望驾驶速度，其计算方法为：

记车辆在距离目标1km位置时的时刻为t_s，则对于任意时刻t，当t_s+t₀+t₁>t>t_s，期望速度为松开油门能够达到的速度；当t_s+t₀+t₁+t₂>＝t>t_s+t₀+t₁，将当前速度和当前距离分别记录为和S，期望速度当t>＝t_s+t₀+t₁+t₂，当检测到当前距离S时，期望速度为：

其中：ε>t₀+t₁+t₂,a_exp为期望加速度：

本实施例中，记车辆在距离目标1km位置时的时刻为t_s，则对于任意时刻t，当t_s+1.59>t>t_s，期望速度为松开油门能够达到的速度；当t_s+1.83>t>＝t_s+1.59，将当前速度和当前距离分别记录为和S，期望速度当t>＝t_s+1.83，根据当前距离S，期望速度为：

其中：ε＝2，a_exp：

所述的启动动态频次和动态音量的蜂鸣，其确定方法为：

a)根据车辆行驶速度和车辆与高速公路作业人员或违规上路行人之间的距离S确定冲突预留时间

b)根据车辆行驶速度和车辆的最大加速度a_max确定避险预留时间 其中k＝a_max/a_exp，车辆的最大加速度a_max根据车辆的品牌、载重量、道路覆材和天气状况决定；

c)确定冲突情况及蜂鸣的频次和音量

若T_c≤T_a|_k＝1,则将产生潜在冲突，需要引导驾驶人尽快采用最大减速度减速，以减轻冲突程度或避免冲突发生，则动态频次为最高频次N，动态音量为最高音量V_max；

若T_a|_k>1>T_c>T_a|_k＝1，可避免产生潜在冲突，但驾驶人的减速力度过小，需要诱导驾驶人加大减速力度，使驾驶速度与期望驾驶速度一致，则用动态频次为N_on和动态音量为V_on；

若T_c≥T_a|_k>1，可避免产生潜在冲突，可能是距离过远，也可能是当前减速行为可保证在规定的距离内达到高速路最低速，则停止蜂鸣干预；

其中，动态频次N_on和动态音量V_on的确定方法为：

其中，N为一个报警周期P可以包含的蜂鸣频次，即最高频次；P的单位为秒，[·]为取整运算，V_max为最高音量，V_min为最小音量，U(·)为单位阶跃函数。本实施例中，取P为1秒，N为50次，取V_max＝0.7，V_min＝0.3。

Claims (8)

1.基于车-路-人协同的高速公路行车安全智能预警系统，其特征在于，包括反光衣、路侧设备、车载LTE-V通信模块、车辆运动状态感知模块、车载毫米波雷达和车载安全预警模块，其中车载LTE-V通信模块、车辆运动状态感知模块、车载毫米波雷达均与车载安全预警模块连接；

反光衣穿在高速公路作业人员身上，反光衣用于获取高速公路作业人员的位置信息和速度信息，并将信息传输给车载LTE-V通信模块，车载LTE-V通信模块将所述信息传输给车载安全预警模块；

路侧设备用于获取高速公路作业人员和违规上路行人的位置信息和速度信息，并将信息传输给车载LTE-V通信模块，车载LTE-V通信模块将所述信息传输给车载安全预警模块；

车辆运动状态感知模块用于获取车辆的位置信息和速度信息，以及车辆的运动状态和驾驶行为信息，并将信息传输给车载安全预警模块；

车载毫米波雷达用于获取行驶车辆前方设定范围内的高速公路作业人员或者违规上路行人的相对位置信息，并将上述信息发送给车载安全预警模块；

车载安全预警模块根据接收到的信息计算行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离S，当S小于设定值时，对驾驶行为进行预警。

2.如权利要求1所述的基于车-路-人协同的高速公路行车安全智能预警系统，其特征在于，所述安全预警模块包括基于视频的行人位置和速度估计模块、基于数据的行人位置和速度估计模块、车辆位置和速度估计模块、期望驾驶速度生成模块和预警模块；其中，

基于视频的行人位置和速度估计模块用于对具有视频帧格式的高速公路上作业人员或违规上路行人的位置信息和速度信息进行估计；

基于数据的行人位置和速度估计模块用于对具有数据帧格式的高速公路上作业人员或违规上路行人的位置信息和速度信息进行估计；

车辆位置和速度估计模块用于对车辆的位置信息和速度信息进行双速率估计；

期望驾驶速度生成模块用于计算期望驾驶速度；

预警模块根据高速公路上作业人员或违规上路行人的位置信息和速度信息的估计值、车辆的位置信息和速度信息的估计值对驾驶行为进行预警。

3.一种应用权利要求1所述的基于车-路-人协同的高速公路行车安全智能预警系统进行高速公路行车安全智能预警的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，获取穿戴反光衣的高速公路作业人员的位置信息和速度信息；针对对高速公路作业人员的位置信息和速度信息，采用融合算法对位置信息和速度信息进行滤波，得到滤波后的位置信息和速度信息；

步骤二，对高速公路作业人员或违规上路的行人进行视频采集，得到视频图像；对视频图像进行处理，得到违规上路行人或作业人员的位置信息和速度信息；

步骤三，获取行驶车辆前方设定范围内高速公路作业人员或者违规上路行人的相对位置信息；

步骤四，获取车辆的位置信息和速度信息，实时获取车辆的运动状态和驾驶行为信息，车辆的运动状态和驾驶行为信息包括车辆的行驶速度和制动行程；

步骤五，针对步骤一得到的高速公路作业人员的位置信息和速度信息、以及步骤二发送的高速公路上作业人员或违规上路行人的位置信息和速度信息，采用α-β滤波对位置信息和速度信息进行估计，得到估计后的高速公路作业人员或违规上路行人的位置信息和速度信息；针对步骤二中的视频图像进行处理，得到高速公路上作业人员或违规上路行人的位置信息和速度信息，采用α-β滤波对位置信息和速度信息进行估计，得到估计后的高速公路作业人员或违规上路行人的位置信息和速度信息；

步骤六，对步骤四中得到车辆的位置信息和速度信息进行双速率估计，得到估计后的车辆的位置信息；

步骤七，求行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离S，计算方法如下：

若米时，取

当米时，取其中S_radar为步骤三获取的相对位置信息，k₁>0；其中，表示高速公路上作业人员或违规上路行人的位置信息，表示车辆的位置信息；

步骤八，行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离S小于1km时，计算期望行驶速度，利用动画和声音对驾驶行为进行预警。

4.如权利要求3所述的高速公路行车安全智能预警的方法，其特征在于，所述步骤五中的采用α-β滤波对位置信息和速度信息进行估计，得到估计后的高速公路作业人员或违规上路行人的位置信息和速度信息；具体包括以下步骤：

步骤a，若某一时刻的位置信息为和速度信息为则将其作为初始位置和初始速度执行步骤b；否则，继续执行步骤a；

步骤b，将上一步的位置信息和速度信息代入下式，若上一步为第一步，则此处的位置信息和速度信息为初始位置和初始速度，计算一步预测位置

其中，ΔT为信息获取的时间间隔；

执行步骤c；

步骤c，若继续接收到位置信息和速度信息则按照下式进行状态更新：

完成后转步骤b)；

否则，若未能继续接收到位置信息和速度信息对时间计数器加1，若时间计数器的值达到10，且仍未继续接收到数据，则将时间计数器清零，并转步骤a)；若时间计数器的值未达到10，继续接收到位置信息和速度信息，则转步骤b)；

其中：分别为估计的位置信息和速度信息，α、β为常数，需满足0＜α＜1，0＜β≤2，4-2α-β＞0。

5.如权利要求3所述的高速公路行车安全智能预警的方法，其特征在于，所述步骤六中的对步骤四中得到车辆的位置信息和速度信息进行双速率估计，得到估计后的车辆的位置信息，具体方法如下：

步骤a)，将车辆启动时车辆的位置信息和速度信息作为初始位置信息和初始速度信息完成后转步骤b)；

步骤b)，将初始位置信息和初始速度信息代入下式计算一步预测位置完成后转步骤c)；

其中，ΔT为信息获取的时间间隔；

步骤c)，当继续接收到位置信息和速度信息时，采用下式估计车辆的位置信息和速度信息：

否则，当未继续接收到卫星导航数据时，采用下式估计车辆的位置信息和速度信息：

其中：分别为卫星定位模块输出的位置信息和速度信息，为带OBD接口的车辆运动状态信息读取模块输出的速度信息，分别为估计的位置信息和速度信息；为一步预测的位置信息；α、β₁、β₂为常数，需满足0＜α＜1，β₁＞0，β₂＞0，β₁+β₂≤2，4-2α-(β₁+β₂)＞0。

6.如权利要求3所述的高速公路行车安全智能预警的方法，其特征在于，所述步骤八中的行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离S小于1km时，计算期望行驶速度，利用动画和声音对驾驶行为进行预警；具体实现方法如下：

a)当行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离S在[700,1000]m之间时，首次采用语音播报“前方S米中央隔离带旁有行人，请按期望速度减速行驶”，完成后转b)；

b)当行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离在[400,700]m之间时，检测行驶车辆的实际速度和驾驶制动行程，若实际速度没有下降且没有采取驾驶制动行为，则用语音再次播报“前方S米中央隔离带旁有行人，请按期望速度减速行驶”，完成后转c)，否则直接转c)；

c)当行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离在[200,400]m之间时，检测行驶车辆的实际速度和制动行程，若行驶车辆的实际速度没有下降且没有采取驾驶制动行为，则启动最高频次N和最高音量V_max的蜂鸣，提醒驾驶人尽快减速，完成后转d)，否则判断实际速度与期望速度的偏差，若偏差值的绝对值大于10km/h，则启动动态频次和动态音量的蜂鸣，并在画面上采用红色闪烁的方式显示期望行驶速度，完成后转d)；

d)当行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离在[100,200]m之间时，检测行驶车辆的实际车速和制动行程，若行驶车辆的实际速度没有下降且没有采取制动行为，则启动最高频次N和最高音量V_max的蜂鸣，提醒驾驶人尽快减速，完成后转e)，否则判断实际速度与期望速度的差，若差值的绝对值大于5km/h，则启动动态频次和动态音量的蜂鸣，并在画面上采用红色闪烁的方式显示期望速度，持续3秒，完成后转e)；

e)当行驶车辆与高速公路上作业人员或违规上路行人的距离在[S₀,100]m之间时，提示驾驶人连续鸣笛，判断前方作业人员或违规上路行人的运动轨迹是否有进入行车道的异常反应，进入行车道的异常反应指的是高速公路作业人员或违规上路行人的速度大于零且其方向指向道路，若不存在异常，则提示驾驶人将脚移动到脚踏上方，且以当前车速谨慎超越高速公路上作业人员或违规上路行人，超越后则根据前方的交通运行状态动态调整车辆的行驶速度；若存在异常，则转f)；

其中S₀为紧急制动的最短距离，要求在S₀处将车速降为高速公路上的最低限速v₀，若取最大减速度a_max，驾驶人发现危险至开始转换到制动踏板上需要的时间t₀，驾驶人开始踩下踏板到出现制动力所经过的时间t₁，制动力增长所需要的时间t₂，则：

其中L为车身长度；

f)开始紧急制动避免交通事故。

7.如权利要求6所述的高速公路行车安全智能预警的方法，其特征在于，所述期望驾驶速度的计算方法如下：

记车辆在距离目标1km位置时的时刻为t_s，则对于任意时刻t，当t_s+t₀+t₁>t>t_s，期望速度为松开油门能够达到的速度；当t_s+t₀+t₁+t₂>＝t>t_s+t₀+t₁，将当前速度和当前距离分别记录为和S，期望速度当t>＝t_s+t₀+t₁+t₂，当检测到当前距离S时，期望速度为：

其中：ε>t₀+t₁+t₂,a_exp为期望加速度：

其中，v₀为高速公路上的最低限速，S₀为紧急制动的最短距离。

8.如权利要求6所述的高速公路行车安全智能预警的方法，其特征在于，所述启动动态频次和动态音量的蜂鸣，确定方法如下：

a)根据车辆行驶速度和车辆与高速公路作业人员或违规上路行人之间的距离S确定冲突预留时间其中S₀为紧急制动的最短距离；

b)根据车辆行驶速度和车辆的最大加速度a_max确定避险预留时间 其中k＝a_max/a_exp，a_exp为期望加速度；

c)确定冲突情况及蜂鸣的频次和音量

若T_c≤T_a|_k＝1,则将产生潜在冲突，需要引导驾驶人尽快采用最大减速度减速，以减轻冲突程度或避免冲突发生，则动态频次为最高频次N，动态音量为最高音量V_max；

若T_a|_k>1>T_c>T_a|_k＝1，可避免产生潜在冲突，但驾驶人的减速力度过小，需要诱导驾驶人加大减速力度，使驾驶速度与期望驾驶速度一致，则用动态频次为N_on和动态音量为V_on；

若T_c≥T_a|_k>1，可避免产生潜在冲突，可能是距离过远，也可能是当前减速行为可保证在规定的距离内达到高速路最低速，则停止蜂鸣干预；

其中，动态频次N_on和动态音量V_on的确定方法为：

其中，N为一个报警周期P可以包含的蜂鸣频次，即最高频次；P的单位为秒，[·]为取整运算，V_max为最高音量，V_min为最小音量，U(·)为单位阶跃函数。