CN109389845B - 一种多因素一体化高速公路动态车速管控系统 - Google Patents

一种多因素一体化高速公路动态车速管控系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多因素一体化高速公路动态车速管控系统，属于高速公路交通安全管控技术领域。它包括高速公路信息采集模块，获取高速公路各分路段的交通流信息、气象环境信息、道路结构信息等，并进行预处理；高速公路中心监控模块，对高速公路各分路段运行状态进行全面监控，并统筹全局；高速公路限速决策模块，综合考虑各种影响因素，实时决策高速公路各分路段各车型限速值；高速公路信息发布模块，动态发布各分段限速信息及高速公路诱导信息、警示信息等；高速公路协调管控模块，分别与高速公路匝道信号控制系统、高速公路超速抓拍系统进行互联互通，约束高速公路进出口流量，及时处理超速车辆，最终形成一体化闭环控制。

Description

一种多因素一体化高速公路动态车速管控系统
技术领域
本发明属于高速公路交通安全管控技术领域，尤其是一种多因素一体化高速公路动态车速管控系统。
背景技术
截至2016年末，我国高速公路总里程达到13万公里，位居世界第一，预计我国高速公路总通车里程将在“十三五”规划期末达到16万公里；截至2016年末，江苏省高速公路总里程已达5000公里，路网密度居全国第一，已经达到中等发达国家水平。相较于高速公路里程规模的发展速度，我国高速公路的管控与服务系统建设明显落后，高速公路交通问题日益凸显，交通事故频发，其中超速、复杂气象因素是导致道路交通事故发生的主要原因。因此，如何对高速公路速度进行有效管控，成为高速公路管理重点关注的问题，具有重大现实意义。
目前，高速公路车速管控的方法有很多，也都取得一定的效果。但是，侧重指标不尽相同，缺乏全面综合考虑各种影响因素，包括气象环境、道路条件、交通路况、调度信息等，没有按车型对车辆行驶车速进行细化管控，也未形成闭环控制。
发明内容
为解决现有技术存在高速公路车速管控缺乏全面综合考虑各种影响因素，未按车型对车辆行驶车速进行细化管控，也未形成闭环控制的缺陷，本发明提供一种多因素一体化高速公路动态车速管控系统，以提升高速公路通行效率以及提高高速公路交通安全指数为目的。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种多因素一体化高速公路动态车速管控系统，它包括：
高速公路信息采集模块，与高速公路中心监控模块相连；高速公路信息采集模块采集高速公路各分路段的交通事件信息、气象环境信息、道路结构信息、交通流信息以及指挥调度信息，并进行预处理；
高速公路限速决策模块，与高速公路中心监控模块相连；高速公路限速决策模块综合考虑各种影响因素，实时决策高速公路各分路段各车型限速值；
高速公路中心监控模块，与高速公路协调管控模块相连；高速公路中心监控模块全面监控高速公路各分路段运行状态，并负责统筹全局与任务调度
高速公路协调管控模块，分别与高速公路匝道信号控制系统和高速公路超速抓拍系统进行互联互通；高速公路协调管控模块约束高速公路进出口流量，及时处理超速车辆，最终形成一体化闭环控制；
高速公路信息发布模块，与高速公路协调管控模块相连；高速公路信息发布模块动态发布各分路段限速信息，高速公路诱导信息，安全警示信息以及超速车辆信息。
进一步地，高速公路信息采集模块采集的气象环境信息包括雾浓度信息、雨雪量信息、风速信息以及结冰信息；
高速公路信息采集模块采集的道路结构信息包括道路坡度信息以及路面摩擦度信息；
高速公路信息采集模块采集的交通流信息包括宏观参数和微观参数，其中，宏观参数包括流量、密度和速度，微观参数包括车牌号码和过车时间。
进一步地，高速公路限速决策模块的具体算法流程如下：
(1)将各分路段定义为一个具有统一属性模型的智能体，每个智能体将与相邻智能体进行信息交互，并逐步演化，最终实现高速公路交通状态优化目标；
(2)每个智能体将在时间窗口内综合考虑气象环境信息和道路结构信息，通过决策模型Vmod1，按车型生成三个限速值
Figure BDA0001367752540000031
分别表示货车限速值、客车限速值和汽车限速值；每个智能体将依据路段交通流信息和交通事件信息，通过决策模型Vmod2，按车型生成三个限速值
Figure BDA0001367752540000032
分别表示货车限速值、客车限速值和汽车限速值；每个智能体将依据指挥调度信息，按车型获取三个限速值
Figure BDA0001367752540000033
默认为正常限速值；
(3)最终依据设计的判断逻辑，按车型获取三个理想限速值。
进一步地，一体化闭环控制是通过高速公路协调管控模块将检测得到的各分路段交通流信息中的宏观参数传输给高速公路匝道信号控制系统，高速公路匝道信号控制系统根据各分路段交通流信息中的宏观参数，调整信号控制策略以及约束高速公路进出口流量；同时通过高速公路协调管控模块将检测得到的各分路段交通流信息中的微观参数与高速公路超速抓拍系统实现共享，高速公路超速抓拍系统对超速车辆进行处理，并将超速车辆信息进行反馈。
进一步地，高速公路信息发布模块发布的各分路段限速信息包括小汽车限速值、客车限速值以及货车限速值。
有益效果：
本发明综合考虑了影响高速公路交通正常运行的诸多复杂因素，对高速公路进行了子路段划分，并将每个分路段定义为一个具有交互规则的智能体，通过对智能体的交互规则进行建模，按车型对各分路段实施动态车速管控，并对高速公路动态车速闭环控制思想进行了系统性阐述。
附图说明
图1是本发明多因素一体化高速公路动态车速管控系统框架图；
图2是本发明高速公路一个分路段示意图；
图3是本发明高速公路限速决策模块流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明一种多因素一体化高速公路动态车速管控系统，如图1所示，主要由五大核心模块组成：高速公路信息采集模块1、高速公路中心监控模块3、高速公路限速决策模块2、高速公路信息发布模块5和高速公路协调管控模块4，高速公路信息采集模块1、高速公路限速决策模块2以及高速公路协调管控模块4均与高速公路中心监控模块3相连，高速公路信息发布模块5与高速公路协调管控模块4相连。其中，高速公路信息采集模块1，采集高速公路各分路段的交通事件信息、气象环境信息、道路结构信息、交通流信息以及指挥调度信息等，并进行预处理；高速公路中心监控模块3，全面监控高速公路各分路段运行状态进行，并负责统筹全局与任务调度；高速公路限速决策模块2，综合考虑各种影响因素，实时决策高速公路各分路段各车型限速值；高速公路协调管控模块4分别与高速公路匝道信号控制系统6、高速公路超速抓拍系统7进行互联互通，约束高速公路进出口流量、及时处理超速车辆，最终形成一体化闭环控制；高速公路信息发布模块5动态发布各分路段限速信息、高速公路诱导信息以及安全警示信息等。
高速公路信息采集模块1主要由五个核心部分组成：交通事件信息、气象信息、道路结构信息、交通流信息以及指挥调度信息。其中，气象信息采集主要包含雾能见度检测、雨雪量检测、风速检测以及结冰检测；道路结构信息采集主要包含道路坡度检测以及路面摩擦度检测；交通流信息采集主要包含流量、密度、速度等宏观参数及车牌号码、过车时间等微观参数。
一体化闭环控制，即高速公路协调管控模块4将检测得到的分路段交通信息传输给高速公路匝道信号控制系统6，高速公路匝道信号控制系统6根据分路段交通密度等信息，调整信号控制策略，约束高速公路进出口流量；将检测得到的车牌号、过车时间、窗口限速值、视频图像等信息与高速公路超速抓拍系统7实现共享，高速公路超速抓拍系统7对超速车辆进行处理，并将超速车辆信息进行反馈。
高速公路信息发布模块5发布各分段限速信息、高速公路诱导信息、安全警示信息、超速车辆信息。其中，各分段限速信息包含小汽车限速值、客车限速值、货车限速值。
本发明一种多因素一体化高速公路动态车速管控系统，具体步骤如下：
(1)如图2所示，将高速公路每隔5公里设置一个分路段，每分路段里每隔1公里设置一个子单元路段。
(2)如图2所示，每个子单元路段设置一个视频检测器、风速仪、能见度仪(涉及雾、雨雪、尘土、雾霾、烟雾等因素)、结冰传感器、雨量仪。其中，视频检测器检测过车车牌数据、过车车头时距、记录过车时间以及规定窗口内的时间占有率，通过相邻视频检测器的同一车牌号，可以获得该车辆的子单元路段的行驶时间，所有车辆平均值计算得到该子单元路段的平均行驶时间。风速仪用来检测风速，以获得风速影响因子参数。雨量仪用于检测路面的积水情况。结冰传感器用于检测路面的结冰情况。
(3)如图2所示，在每个分路段设置三个LED可变限速标志及一个交通信息发布诱导屏，最左侧车道放置汽车可变限速标志，中间车道放置客车可变限速标志、最右侧车道放置货车可变限速标志。交通信息发布诱导屏用来发布高速公路诱导信息、安全警示信息、超速车辆信息。
(4)将各分路段定义为一个智能体。智能体具有统一的属性模型，每个智能体将与相邻智能体进行信息交互，并逐步演化，最终实现高速公路交通状态优化目标；
(5)每个智能体将在当前时间窗口内综合考虑气象、道路结构等环境信息，通过决策模型Vmod1，按车型对每个分路段m生成三个限速值
Figure BDA0001367752540000071
分别表示货车限速值、客车限速值、汽车限速值。
Figure BDA0001367752540000072
其中，S为安全制动距离，ST表示临界安全制动距离，其为摩擦系数u的函数，Sv为高速公路的能见度，Sh为分路段的平均车间距，其值为各子单元路段的平均车速与平均车头时距的乘积的均值
Figure BDA0001367752540000073
当能见度小于临界安全制动距离时，之所以不使用平均车间距参数，是因为需要避免低能见度下视频检测精度的不稳定与低精确性。安全制动距离与速度的关系如下式所示，当知道安全制动距离S后就可以反推限速值了。
S＝S0+S1+S2
Figure BDA0001367752540000074
其中，S0,S1,S2分别为最小安全距离、反应时间内车辆行驶距离、车辆刹车到停止的行驶距离，tr为驾驶员反应时间，这里取常量1.2s，g为高速公路坡度，
Figure BDA0001367752540000075
为分路段的限速值。临界安全制动距离ST分为四个等级，分别为420m、203m、150m、120m，其取时速为120km/h，下坡度为5％，摩擦系数分别在0.2(结冰)、0.4(雪)、0.6(积水)、0.8(干燥)时的安全制动距离值。
当知道S值后，通过反函数计算，求出m分路段限速值，作为汽车的限速值，客车限速值为汽车限速值的0.85倍，货车限速值为汽车限速值的0.75倍。其中，w为风速影响因子，当风速为13m/s以下时为1，在13-17m/s时为0.8，在17—21m/s时为0.65，在21m/s以上时为0.5。
Figure BDA0001367752540000081
(6)每个智能体将依据各分路段交通流指标和交通事件信息，通过决策模型Vmod2，按车型生成三个限速值
Figure BDA0001367752540000082
分别表示货车限速值、客车限速值、汽车限速值。
每个智能体的属性模型包括如下：
Figure BDA0001367752540000083
其中，
Figure BDA0001367752540000084
分别为第m分路段的第i视频检测器在规定时间窗口内检测到得的时间占有率、过车流量、动态时间占有率参数；
Figure BDA0001367752540000085
为第m分路段获得的动态时间占有率参数；
Figure BDA0001367752540000086
分别为第m分路段的第i个子单元路段的平均车速、第m分路段的平均车速，
各普通智能体的限速值：
Figure BDA0001367752540000091
Figure BDA0001367752540000092
Figure BDA0001367752540000093
Figure BDA0001367752540000094
其中，
Figure BDA0001367752540000095
为全路段平均速度；
Figure BDA0001367752540000096
分别为逼近全局平均状态与逼近邻近智能体的状态的变化量；
Figure BDA0001367752540000097
的变化量临界最大值为20km/h。
Figure BDA0001367752540000098
(7)每个智能体将依据指挥调度信息，按车型获取三个限速值
Figure BDA0001367752540000099
默认为正常限速值；
(8)最终依据设计的判断逻辑，按车型获取三个理想限速值，如图3所示，具体判断逻辑流程如下：
(a)检测获取能见度Sv、风速、结冰、雨量、车牌号、平均车头时距；
(b)依据积水、结冰程度确定摩擦系数，查询对应配置的临界安全制动距离ST；
(c)依据风力程度确定风速影响因子w；
(d)若Sv＜ST，安全制动距离＝能见度S＝Sv；否则基于车牌匹配的平均行驶时间与平均车头时距计算平均车头间距Sh，安全制动距离＝平均车头间距S＝Sh；
(e)依据公式(2)与公式(3)求出限速值
Figure BDA00013677525400000910
(f)根据车牌匹配计算各子单元路段的平均行驶时间及规定时间窗口内车流量；
(g)依据公式(4)计算各分路段平均行驶时间与动态时间占有率；
(h)依据公式(5)计算各分路段的限速值变化量；
(i)若
Figure BDA0001367752540000101
求出限速值
Figure BDA0001367752540000102
否则求出限速值
Figure BDA0001367752540000103
(j)依据指挥调度，设定各分路段限速值
Figure BDA0001367752540000104
(k)若存在行政干预，则限速值
Figure BDA0001367752540000105
否则获取较小的限速值
Figure BDA0001367752540000106
对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种多因素一体化高速公路动态车速管控系统，其特征在于，它包括：
高速公路信息采集模块(1)，与高速公路中心监控模块(3)相连；高速公路信息采集模块(1)采集高速公路各分路段的交通事件信息、气象环境信息、道路结构信息、交通流信息以及指挥调度信息，并进行预处理；
高速公路限速决策模块(2)，与高速公路中心监控模块(3)相连；高速公路限速决策模块(2)综合考虑各种影响因素，实时决策高速公路各分路段各车型限速值；
高速公路中心监控模块(3)，与高速公路协调管控模块(4)相连；高速公路中心监控模块(3)全面监控高速公路各分路段运行状态，并负责统筹全局与任务调度；
高速公路协调管控模块(4)，分别与高速公路匝道信号控制系统(6)和高速公路超速抓拍系统(7)进行互联互通；高速公路协调管控模块(4)约束高速公路进出口流量，及时处理超速车辆，最终形成一体化闭环控制；
高速公路信息发布模块(5)，与高速公路协调管控模块(4)相连；高速公路信息发布模块(5)动态发布各分路段限速信息，高速公路诱导信息，安全警示信息以及超速车辆信息，
所述高速公路限速决策模块(2)的具体算法流程如下：
(1)将各分路段定义为一个具有统一属性模型的智能体，每个智能体将与相邻智能体进行信息交互，并逐步演化，最终实现高速公路交通状态优化目标；
(2)每个智能体将在时间窗口内综合考虑气象环境信息和道路结构信息，通过决策模型Vmod1，按车型生成三个限速值
Figure FDA0003100492690000021
分别表示货车限速值、客车限速值和汽车限速值，具体地，
Figure FDA0003100492690000022
其中，S为安全制动距离，ST表示临界安全制动距离，其为摩擦系数u的函数，Sv为高速公路的能见度，Sh为分路段的平均车间距，安全制动距离与速度的关系如下式所示，通过安全制动距离S反推限速值，
S＝S0+S1+S2
Figure FDA0003100492690000023
其中，S0,S1,S2分别为最小安全距离、反应时间内车辆行驶距离、车辆刹车到停止的行驶距离，tr为驾驶员反应时间，g为高速公路坡度，
Figure FDA0003100492690000024
为分路段的限速值，
Figure FDA0003100492690000025
其中，w为风速影响因子；
每个智能体将依据路段交通流信息和交通事件信息，通过决策模型Vmod2，按车型生成三个限速值
Figure FDA0003100492690000026
分别表示货车限速值、客车限速值和汽车限速值，
每个智能体的属性模型包括如下：
Figure FDA0003100492690000031
其中，
Figure FDA0003100492690000032
分别为第m分路段的第i视频检测器在规定时间窗口内检测到得的时间占有率、过车流量、动态时间占有率参数；
Figure FDA0003100492690000033
为第m分路段获得的动态时间占有率参数；
Figure FDA0003100492690000034
分别为第m分路段的第i个子单元路段的平均车速、第m分路段的平均车速，
各普通智能体的限速值：
Figure FDA0003100492690000035
Figure FDA0003100492690000036
Figure FDA0003100492690000037
Figure FDA0003100492690000038
其中，
Figure FDA0003100492690000039
为全路段平均速度；
Figure FDA00031004926900000310
分别为逼近全局平均状态与逼近邻近智能体的状态的变化量；
Figure FDA00031004926900000311
的变化量临界最大值为20km/h，
Figure FDA00031004926900000312
每个智能体将依据指挥调度信息，按车型获取三个限速值
Figure FDA00031004926900000313
默认为正常限速值；
(3)最终依据设计的判断逻辑，按车型获取三个理想限速值。
2.根据权利要求1所述的多因素一体化高速公路动态车速管控系统，其特征在于，所述高速公路信息采集模块(1)采集的气象环境信息包括雾浓度信息、雨雪量信息、风速信息以及结冰信息；
所述高速公路信息采集模块(1)采集的道路结构信息包括道路坡度信息以及路面摩擦度信息；
所述高速公路信息采集模块(1)采集的交通流信息包括宏观参数和微观参数，其中，宏观参数包括流量、密度和速度，微观参数包括车牌号码和过车时间。
3.根据权利要求1所述的多因素一体化高速公路动态车速管控系统，其特征在于，所述一体化闭环控制是通过高速公路协调管控模块(4)将检测得到的各分路段交通流信息中的宏观参数传输给高速公路匝道信号控制系统(6)，高速公路匝道信号控制系统(6)根据各分路段交通流信息中的宏观参数，调整信号控制策略以及约束高速公路进出口流量；同时通过高速公路协调管控模块(4)将检测得到的各分路段交通流信息中的微观参数与高速公路超速抓拍系统(7)实现共享，高速公路超速抓拍系统(7)对超速车辆进行处理，并将超速车辆信息进行反馈。
4.根据权利要求1所述的多因素一体化高速公路动态车速管控系统，其特征在于，所述高速公路信息发布模块(5)发布的各分路段限速信息包括小汽车限速值、客车限速值以及货车限速值。
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