CN108010349A - 一种匝道区智能换道系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种匝道区智能换道系统，该系统由设置在匝道区道路端和车辆端的多个模块组成，匝道区道路端包括路面指示模块、路侧的交通信息采集模块、交通控制系统中央计算机，车辆端包括车载信息接收模块、车载控制器、车载导航、传感器。车辆通过其“视觉系统”、“感知系统”与道路设施之间形成信息交互，识别路网中的换道信息（如地面标志，匝道出口标志等），向驾驶员发出指令信号，提醒驾驶员换道或保持车道行驶。

Description

一种匝道区智能换道系统

技术领域

本发明涉及交通工程领域，主要针对车辆在出口匝道区域的换道约束行为进行研究。

背景技术

近年来交通研究的热点转向了更加实际和精细化的道路结构，例如城市快速路下匝道系统。研究表明，下匝道系统是交通拥堵的多发地带，这是由于从下匝道离开的车辆向下匝道一侧的车道换道会引起直行车辆减速甚至停止行驶，从而在匝道口的上游区域形成交通拥堵。

但在以往的研究中，仅考虑了匝道的结构、长度、车辆出匝道速度等因素对交通流的影响，车辆在行驶过程中采用统一的直行、换道规则，对车辆换道位置并不敏感，因此转出车辆到达匝道口后停在直行车道等候换道的现象在日常的交通系统中时有发生。少量的这种交通行为却对高峰期的城市快速路影响很大，较小的系统扰动极易诱导匝道区交通拥堵。驾驶员主要依据交通指示标志、标线、智能信息板等获取下匝道位置，驾驶员在得知前方出现转出匝道后，采用一定方式择道行驶，并且距离匝口越近时，驾驶员的换道意识越强，对道路的选择、匝道口位置更敏感，换道目的也逐渐不再是追求更快的行驶速度，换道概率才会随着接近匝道口而增大。研究给定路网条件下所需的最小换道空间，通过合理的换道行为约束和引导，使出匝道和进主线的车辆能够有序的在换道区间实现换道，能够有效降低因不良换道行为诱发的交通拥堵及事故。

合理的换道约束方式可以控制驾驶员在行驶过程中的换道选择、换道位置和换道规则。有效提高路网通行能力，避免交通事故发生，提高行驶速度。针对城市快速路出匝道情况开展研究，可以帮助驾驶员准确认清匝道出口位置，在经过仿真研究得出的合理范围内完成换道行为，对匝道出口区域内通行能力影响最小，防止拥堵或车辆变道引起的交通事故发生。

在匝道区域，通过合理的换道行为约束方式，形成或明确推荐换道区域、必须换道区域或者禁止换道区域，约束和引导不同目的方向车辆的换道行为和换道意识，实现精细化车道管理水平。

发明内容

本发明的目的是为了设计一种合理、可行的智能换道系统以提升道路整体通行能力，该系统能适用于不同的交通情况、辅助交通安全设施的完善。本发明具体采用如下技术方案：

智能换道系统包括路面指示模块，其包括标志、地面标线、路面涂装，在距匝道出口a点的L1距离处设置可变信息板A，在匝道出口a和可变信息板A之间的地面标线为白实线，路面涂装为红色；可变信息板A显示前方L1距离内禁止换道，在匝道出口a和可变信息板A之间中央处设置禁止换道标志；在匝道出口a和可变信息板A连线的延长线上，距可变信息板A的L2距离内，地面标线为白色虚线，路面涂装为绿色，并在距可变信息板A的L2距离处设立可变信息板B，以及在可变信息板A和可变信息板B之间中央处设置鼓励换道标志；交通信息采集模块，其设置在道路两侧，用于采集行驶车辆的交通信息；交通控制系统中央计算机，其用于对所述交通信息采集模块采集的交通信息进行数据融合处理，并将处理结果发送到可变信息板和车辆；车载信息接收模块，其用于接收交通控制系统中央计算机发送的交通信息处理结果；车载控制器，用于根据交通信息处理结果控制车载导航的语音提示和屏幕信息显示。

优选地，可变信息板A和可变信息板B还显示出口预告信息、事故信息、路网信息、天气信息。

优选地，系统还包括VMS发布中央计算机、外场VMS设备、接收设备、特殊事件管理模块；交通控制系统中央计算机将交通信息处理结果还发送到VMS发布中央计算机、接收设备；接收设备具有广播、网络、车载导航等多种信息发布方式；外场VMS设备用于接收与发布交通信息处理结果；特殊事件管理模块，用于特殊天气的天气信息显示，特殊天气的天气信息包括预告信息、事故信息、路网信息，预告信息包括道路限速、道路易滑情况，事故信息包括道路事故、施工、路面灾害情况，路网信息包括道路拥堵状况。

优选地，交通信息采集模块还用于车辆信息检测、环境/气象信息检测、图像监视、视频检测、巡逻车信息采集等。

优选地，系统还包括多个传感器，所述多个传感器由CAN总线连接到车载信息接收模块，多个传感器分别设置在车辆后方的左侧、车辆的正左方、车辆后方的玻璃窗上；所述车载信息接收模块还用于接收所述多个传感器实时采集的道路信息，并将道路信息发送给所述车载控制器；所述车载控制器还用于根据道路信息控制车载导航的语音提示和屏幕信息显示。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出的系统可以引导车辆在通过出口匝道区域时更早的更换车道，使车辆更加顺利的通过，减少延误或者拥堵。同时基于该系统的设计，在日后的城市快速路匝道区域的交通工程约束设施设计中，能够考虑到这类约束设施的存在，并在本发明中提到的位置设立，诱导车辆在本方法中提到的区间尽早完成换道行为，减少车辆延误及道路拥堵，提高匝道区域的通行能力。

附图说明

图1是快速路匝道交织区交通流示意图。

图2是匝道区标志、标线或路面涂装设计图。

图3是VMS系统的控制结构图。

图4是可变信息板视认过程图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明，以对本发明内容作更详细的解释。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

在目标路段，从交通流分流开始，换道出现分流区域。分流区是指在道路一定长度内，行驶方向相同的若干股车流，在行至匝道口附近时，由于存在出匝道和不出匝道车辆，形成分流。如图1所示。

交通量较小的情况下，驾驶员的换道比较自由，随着交通量的增加，换道的困难程度开始增加，交通量对车辆换道行为有着直接的影响从设置换道约束开始至匝道入口段出现分流区域，当有多个车道时，甚至会出现车流交织，主线平均速度降低23.3％。换道冲突开始增加；通行能力降低，从整条路段来看，越靠近匝道口出匝道车辆换道行为越频繁，且换道具有强制性。

1、最佳换道空间L的确定

本发明在基于VISSIM仿真基础上，搭建路网模型，模拟出口匝道区域的交通流运行情况。针对不同道路，在VISSIM中输入不同的车道数、单车道流量、换道比例等相关参数。在出口匝道上游及下游设置交通流检测器及旅行时间检测器,以平均速度以及旅行时间作为评价参数。通过对VISSIM的输出数据进行分析得出不同换道比例下及不同单车道流量下的最佳换道空间L。针对出口匝道为例，在最大换道空间L内是鼓励换道区间，通过一定的方式鼓励驾驶员在此区域内根据行驶目的地提前实现换道，在此区间至出口匝道断面为禁止换道空间，若在区间内换道引起违反交通规则的驾驶行为，此区间确保各车道交通车辆顺畅快速通行，避免行车犹豫及随意换道干扰各方向车道通行。

本发明适用于各类城市快速路出口匝道区域，其最佳换道空间L可根据具体的交通调查数据，再通过上述方法可得知。因本发明具有普适性，所以本步骤中并没有确定具体的出口匝道区域，其最佳换道空间也以L代替。

本发明中针对车辆换道行为的约束方式设计共需要四种装置，其中分别为交通标志、交通标线、路面涂装、可变信息板。其中，交通标线为白色实线、白色虚线,路面涂装为绿色及红色，可变信息板为门架式。

2、交通标志、交通标线、路面涂装、可变信息板位置与内容设计

可变信息板是近年来智能交通系统提供交通信息服务和交通流诱导的重要方式，能直接向目标路段中的驾驶员发出道路上的实时交通信息，通过信息内容约束其换道行为，利用可变信息板设计模拟仿真中城市快速路匝道出口的车道约束布设方案。传统交通标线在变换车道时的给予驾驶员的心理引导效果较差，白实线、白虚线是路面最常见的划分车道的标识，因此在变更车道时，驾驶员在心理上对交通标线的敏感程度不高，且在无执法摄像头的情况下，会令驾驶员进一步忽视路面标线。交通标志在道路上的设置位置，一般处于驾驶员视野位置的正前方或正上方，且颜色鲜明，便于驾驶员识别，因此交通标志对驾驶员的心理引导效果较好。随着人机工程学在交通工程领域的运用，出现了各种各样的新型路面涂装，这些涂装标线的特征是通过特殊的几何形状设计、特殊的涂料颜色、特定的排列方式、特殊的表面构造等，在视觉、触觉、听觉上给驾驶员一种强烈的感观刺激或造成一种错觉，因此路面涂装在变更车道时给予驾驶员的心理引导更为强烈。而可变信息板则是根据实际道路交通情况，可以按不同的交通引导策略生成对应的诱导信息，将信息及时、准确的发布给道路使用者，提前发布前方道路交通状况，使驾驶员及时避开拥堵路段。可变信息板对驾驶员的心理引导效果较传统交通标志而言较好。

本发明设计的VMS(Variable Message Signs)可变信息交通标志系统的控制结构如图3所示。VMS系统组成包括交通信息采集模块、交通控制系统中央计算机、VMS发布中央计算机、外场VMS设备、接收设备；交通信息采集模块包括车辆信息检测、环境、气象信息检测、图像监视、视频检测、巡逻车采集信息等，用于采集行驶车辆和道路环境的交通信息。通过交通控制系统中央计算机，对所述交通信息采集模块采集的交通信息进行数据融合处理，并将处理结果发送到VMS发布中央计算机、广播、网络、车辆等接收设备；外场VMS设备用于接收与发布由VMS发布中央计算机发送的交通信息处理结果；其它信息发布方式，通过接收由交通控制系统中央计算机发送的交通信息处理结果，将交通信息处理结果在广播、网络、车载导航等方式上发布。特殊事件管理，通过对所述交通信息处理结果的发布，可用于特殊天气(雨、雪、雾)等天气信息的显示，道路限速、道路易滑等预告信息的显示、道路事故、施工、路面灾害等事故信息的显示，道路拥堵状况等路网信息的显示。主线、车道控制，通过所述交通信息处理结果的发布，可用于匝道区域换道建议的提示，引导驾驶员规范驾驶，提前变更车道的驾驶行为，完成对主线及车道的控制。

通过VMS约束车辆换道优势：(1)通过交通监控调度中心或数据服务器获取的交通路网信息，对该路段采取控制措施，可变信息板接收相应指令并发布，引导驾驶员选择对应路线，使交通流的合理分布；(2)可变信息板提供前方道路的交通状况信息，如出口预告、事故信息、路网信息、天气信息等，为驾驶员路线、车道选择提供有用信息。(3)信息内容灵活，能发布多种交通信息，并与实时交通数据进行交互，不断更新内容，时效性更强。

可变信息板结构类型选择：快速路最常采用的可变信息标志根据支撑方式不同有多种类型，如立柱式(单柱式、双柱式)、悬臂式(F型)和门架式。由于设计路段为城市快速路，需要发布的指示内容较多，立柱式可变信息标志的版面和信息发布量较小，通常只可显示4个汉字不满足要求，而悬臂式支撑方式无法横跨整条道路针对不同车道显示指示信息。因此，选用门架式作为匝道出口前VMS的支撑方式。

设计原理：如图4所示，正在行驶车辆在A处发现信息板，到B点可以看清信息板并开始读取信息板内容，直到C处阅读完毕，这一段距离设为认读距离R。对可变信息板内容判断并做出对应交通行为，行驶至D点采取行动，判断时间内的行驶距离，即从C点到D点的距离设为判断距离J。出对应交通行为的D点到路口的距离设为行动距离L，车辆在此距离内必须能顺利地完成根据信息板内容所采取的全部行动(如改换行驶车道、减速、变更方向等行动)。认读开始点B至信息板的距离称为视认距离S。信息板在驾驶员视野中的消失点E到信息板的距离称为消失距离M。视认距离S不能小于认读距离与消失距离之和，即

S>R+M

否则信息板的内容将不能保证被完全看清。

在距a点的L1距离内，地面标为白实线，路面涂装为红色，结合震荡标线，以及涂装文字，并在b处设立可变信息板显示前方L1距离内禁止换道，同时在路段a-b中央d处设置禁止换道标志。在距b点的L2距离内，地面标为白色虚线，路面涂装为绿色，并在c处设立可变信息板，以及在路段b-c中央e处设置鼓励换道标志，通过交通标志及可变信息板的双重刺激，鼓励驾驶员在前方L2距离内的出匝道车辆尽早换道。其中a与b距离为L1，b与c距离为L2，L＝L1+L2。其具体设计如图2所示。

信息设计要求：(1)最佳视认字段为4至6个汉字，一般不超过8个汉字。合理的信息，应分布2至3个字段，居中排列并用空格分开，方便驾驶员能在高速行驶中视认；显示信息多于8个汉字的情况下，应划分为两行并在格式编排上使上下行错开；(2)换道信息发布及时、准确(3)内容扩展性良好、兼容能力强(4)要求有一定安全性措施，确保系统安全。

可变信息板设计位置：根据仿真结果、VMS设置相关研究及规定，布设位置在模拟路段匝道出口前600m.700m处，获得最佳约束效果，高度基于龙门架布设高度，一般为5.7m。

3、车路智能交互设计

单一的约束手段(如仅标志、标线、涂装或可变信息板)很可能无法保证模拟路段换道约束的强度，需要结合现有的传统标志、标线与智能交通提示设备、VMS系统相结合，让道路使用者更加确切、高效的获得交通信息。

本发明通过车辆本身与交通信息系统的实时交互，利用车内电子辅助系统向驾驶员通过多种方式提示道路交通信息；本发明的系统包括路面指示模块、交通信息采集模块、交通控制系统中央计算机、车载信息接收模块、车载控制器；路面指示模块包括如上述所述的标志、标线、涂装或可变信息板等；交通信息采集模块，其设置在道路两侧，用于采集行驶车辆的交通信息；交通控制系统中央计算机，其用于对所述交通信息采集模块采集的交通信息进行数据融合处理，并将处理结果发送到可变信息板和车辆；车载信息接收模块，其用于接收交通控制系统中央计算机发送的交通信息处理结果；车载控制器，用于根据交通信息处理结果控制车载导航的语音提示和屏幕信息显示，车内导航系统接收信息，发出语音指令，并在导航界面屏幕上同步显示，系统还包括VMS发布中央计算机、外场VMS设备、接收设备、特殊事件管理模块；交通控制系统中央计算机将交通信息处理结果还发送到VMS发布中央计算机、接收设备；接收设备具有广播、网络、车载导航等多种信息发布方式；外场VMS设备用于接收与发布交通信息处理结果；特殊事件管理模块，用于特殊天气的天气信息显示，特殊天气的天气信息包括预告信息、事故信息、路网信息，预告信息包括道路限速、道路易滑情况，事故信息包括道路事故、施工、路面灾害情况，路网信息包括道路拥堵状况。

本发明的智能换道系统基于车辆本身与路网信息交互的智能化、自动化，通过系统的介入，结合系统设定的最佳换道空间L，在进入换道空间后，通过车载显示器视觉和语音提示引导和辅助驾驶员根据目的地路径进行换道。

系统所有车载传感器由CAN总线连接到计算机，并通过CAN总线向传感器发出指令。雷达传感器设置在实验车辆后方的左边，监测范围150m，进行远距检测。测量数据包含距离，方向和速度。两个CCD安装在车辆后方的玻璃窗上，构成立体视觉系统，完成40m左右的中距测量。另一雷达传感器安装在车辆的正左方，监测近距离的车辆。所有数据通过Kalman滤波进行数据融合，给出车辆分别沿x方向和y方向的位置速度和加速度。

本系统中，车辆通过其“视觉系统”、“感知系统”与道路设施之间形成信息交互，识别路网中的换道信息(如地面标志，匝道出口标志等)，向驾驶员发出指令信号，提醒驾驶员换道或保持车道行驶。在换道辅助、自适应巡航等智能车辆系统的帮助下，检测周边路网信息，通过控制处理装置完成换道提示。在车联网技术的支持下，车辆本身通过摄像镜头获取路段交通信息(如传统的标志标线等)。在通过网络通信与交通信息发布系统完成信息交互，通过多种手段获得换道方面信息的智能车辆向驾驶员发出提示。驾驶员本人可接受来自道路、传统交通标志标线、智能车辆及导航系统发出的多种换道要求或提示，完成换道行为。而多种信息提示的感知方式不同，能做到相互无干扰，换道约束强度相较普通标志、标线提示大幅提高。

Claims (5)

1.一种匝道区智能换道系统，其特征在于，包括

路面指示模块，其包括标志、地面标线、路面涂装、可变信息板；在距匝道出口a点的L1距离处设置可变信息板A，在匝道出口a和可变信息板A之间的地面标线为白实线，路面涂装为红色；可变信息板A显示前方L1距离内禁止换道，在匝道出口a和可变信息板A之间中央处设置禁止换道标志；在匝道出口a和可变信息板A连线的延长线上，距可变信息板A的L2距离内，地面标线为白色虚线，路面涂装为绿色，并在距可变信息板A的L2距离处设立可变信息板B，以及在可变信息板A和可变信息板B之间中央处设置鼓励换道标志；

交通信息采集模块，其设置在道路两侧，用于采集行驶车辆的交通信息；

交通控制系统中央计算机，其用于对所述交通信息采集模块采集的交通信息进行数据融合处理，并将处理结果发送到可变信息板和车辆；

车载信息接收模块，其用于接收交通控制系统中央计算机发送的交通信息处理结果；

车载控制器，用于根据交通信息处理结果控制车载导航的语音提示和屏幕信息显示。

2.如权利要求1所述的一种匝道区智能换道系统，其特征在于，

可变信息板A和可变信息板B还显示出口预告信息、事故信息、路网信息、天气信息。

3.如权利要求1所述的一种匝道区智能换道系统，其特征在于，

系统还包括VMS发布中央计算机、外场VMS设备、接收设备、特殊事件管理模块；交通控制系统中央计算机将交通信息处理结果还发送到VMS发布中央计算机、接收设备；接收设备具有广播、网络、车载导航等多种信息发布方式；外场VMS设备用于接收与发布交通信息处理结果；特殊事件管理模块，用于特殊天气的天气信息显示，特殊天气的天气信息包括预告信息、事故信息、路网信息，预告信息包括道路限速、道路易滑情况，事故信息包括道路事故、施工、路面灾害情况，路网信息包括道路拥堵状况。

4.如权利要求1所述的一种匝道区智能换道系统，其特征在于，

交通信息采集模块还用于车辆信息检测、环境/气象信息检测、图像监视、视频检测、巡逻车信息采集等。

5.如权利要求1所述的一种匝道区智能换道系统，其特征在于，

系统还包括多个传感器，所述多个传感器由CAN总线连接到车载信息接收模块，多个传感器分别设置在车辆后方的左侧、车辆的正左方、车辆后方的玻璃窗上；所述车载信息接收模块还用于接收所述多个传感器实时采集的道路信息，并将道路信息发送给所述车载控制器；所述车载控制器还用于根据道路信息控制车载导航的语音提示和屏幕信息显示。