CN118368790A - 一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统及方法，它属于公共场所照明技术领域。本发明解决了现有动态道路照明方案未考虑交叉口相交道路交通流对夜间事故率的影响，以及照明装置的可泛化性差的问题。本发明通过考虑交叉口相交道路的交通流，计算不同交通流状态下的公路交叉口动态照明方案，这样不仅可以显著提高公路交叉口照明系统的节能效果，而且可以降低公路交叉口夜间交通事故率，进而提高公路夜间行车安全性。同时本发明的照明系统的成本低且能耗较小，因此照明系统的泛化性更强。本发明可以应用于公共场所照明技术领域。

Description

一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统及方法

技术领域

本发明属于公共场所照明技术领域，具体涉及一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统及方法。

背景技术

近年来动态道路照明技术日益成熟，并已开始逐渐应用于城市道路照明以及公路隧道照明等场景。动态道路照明系统能够根据道路交通流的状态对照明水平进行自适应调整，使得智能化水平和节能效果都得到了显著提升。然而目前国内外针对动态道路照明方案的研究仍然存在如下问题，使其难以在公路交叉口进行推广应用。

一方面，现有动态道路照明方案仅考虑了隧道或直行路段内交通流状态的影响，而在公路交叉口，不同方向的交通流会在交叉口区域产生大量的交通冲突点，在这种情况下，须同时考虑相交道路上不同类型道路使用者的交通流状态对交通安全的影响，并根据相交道路的交通流状态设计照明方案，从而保障交叉口的夜间行车安全。

另一方面，由于堆叠了多种智能终端硬件，使得照明设备的能耗较大，需要可靠稳定的电力供应，而在低等级公路交叉口通常缺乏电力供应设施，从而让动态照明系统的安装和维护变得非常困难。此外，由于没有结合应用场景制定相对应的照明方案，导致照明系统成本极高，但应用效果较差，偏远地区难以承担安装动态照明系统所需的经济成本和运营成本。

综上所述，现有动态道路照明方案未考虑交叉口相交道路交通流对夜间事故率的影响，且照明装置的成本极高、能耗较大导致照明装置的可泛化性差，因此，建立一种考虑交通流的公路交叉口动态照明方案对于改善公路交叉口夜间行车安全性，提高在公路交叉口推广照明装置的可行性具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为解决现有动态道路照明方案未考虑交叉口相交道路交通流对夜间事故率的影响，以及照明装置的可泛化性差的问题，而提出了一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统及方法。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：

基于本发明的一个方面，一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统，所述系统包括分别设置于公路交叉口的每个进口车道的灯具支架；

每个灯具支架均包括两根立柱和一根横梁，两根立柱对称固定于进口车道两侧的地面上，且两根立柱的另一端共同支撑横梁；

灯具支架的横梁上设置有照明灯具、摄像头、太阳能电池模组和控制单元；

所述太阳能电池模组用于将太阳能转化为电能，并为照明灯具、摄像头和控制单元供电；

且摄像头的信号输出端与控制单元的信号输入端连接，控制单元的信号输出端与照明灯具的信号输入端连接。

进一步地，所述照明灯具位于横梁的中间位置。

进一步地，所述公路交叉口中相邻进口车道的灯具支架共用一根立柱。

基于本发明的另一个方面，一种考虑交通流的公路交叉口动态照明方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、将公路交叉口的进口车道个数记为N，在每个进口车道上均设置有一条与车辆行进方向垂直的车辆检测线，且车辆检测线与公路交叉口几何中心点之间的垂直距离为L米，并初始化进口车道个数i＝1；

步骤二、利用摄像头对第i个进口车道上车辆通行的视频数据进行采集，摄像头将采集的视频数据传输给控制单元，控制单元再采用图像处理技术识别并跟踪车辆检测线内的全部车辆，根据识别和跟踪结果计算车辆检测线内每个车辆的速度，将第i个进口车道的车辆检测线内的第j辆车的速度记为v_ij；

步骤三、从第i个进口车道的车辆检测线内全部车辆的速度中选取出最大的速度V_i＝max(v_ij)，将选取出的速度作为第i个进口车道的车速；

步骤四、将公路交叉口处，与第i个进口车道的交通流存在交通冲突点的进口车道作为第i个进口车道的冲突进口车道，将第i个进口车道所对应的冲突进口车道总数记为M；

并初始化冲突进口车道个数k＝1；

步骤五、计算第k个冲突进口车道与第i个进口车道的交通流之间的交通冲突概率P₁ ^ik；

步骤六、计算第i个进口车道的车辆在第k个冲突进口车道的交通流的冲突下，发生碰撞的概率P₂ ^ik；

步骤七、判断是否满足k＝M；

若不满足，则令k＝k+1，返回执行步骤五；

若满足，则执行步骤八；

步骤八、根据和计算第i个进口车道的最优照度k＝1,2,…,M；

步骤九、判断是否满足i＝N；

若不满足，则令i＝i+1，返回执行步骤二；

若满足，则执行步骤十；

步骤十、根据i＝1,2,…,N计算公路交叉口的最优照度E_m，控制单元再根据计算出的最优照度E_m生成数字信号并发送给照明灯具，照明灯具根据接收到的数字信号来调整照明亮度。

进一步地，所述交通冲突概率P₁ ^ik为：

式中，t_c是第i个进口车道上车辆在穿越第k个冲突进口车道交通流时的平均最小车头时距；d_k是第k个冲突进口车道中的道路停车线与冲突点之间的距离；d_i是第i个进口车道中的道路停车线与冲突点之间的距离；V_k是第k个冲突进口车道的车速；是第i个进口车道的交通流的车头时距；是第k个冲突进口车道的交通流的车头时距；为的概率密度函数；为的概率密度函数。

进一步地，所述发生碰撞的概率为：

式中，X是驾驶人在夜间对周围移动目标的视认距离；E是公路交叉口照明系统的照度；D是车辆完全制动后，车辆的质心与冲突点之间的距离临界值；S是第i个进口车道上车辆的安全制动距离。

进一步地，所述安全制动距离S为：

式中，t₁是制动器自由行程时间；t₂是制动减速度线性增长时间；a_b是安全制动减速度。

进一步地，所述步骤八的具体过程为：

步骤八一、根据P₁ ^ik和计算满足的第i个进口车道的最小照度E_ik，P_acp是允许的最大事故率；

步骤八二、将E_ik与照明标准规定中的最低照度E_min进行对比；

若E_ik＞E_min，则最小照度E_ik不变；

若E_ik≤E_min，令最小照度E_ik＝E_min；

同理，分别得到第i个进口车道对于每个冲突进口车道的最小照度；

步骤八三、根据E_ik，k＝1,2,…,M计算最优照度

进一步地，所述步骤八三的具体过程为：

更进一步地，所述根据i＝1,2,…,N计算公路交叉口的最优照度E_m，具体为：

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统及方法，能够在缺少历史事故数据的情况下，计算不同交通流状态下的公路交叉口动态照明方案，为制定分时段、分区域的照明管理策略提供理论支撑，不仅可以显著提高公路交叉口照明系统的节能效果，而且通过考虑交叉口相交道路交通流，可以降低公路交叉口夜间交通事故率，进而提高公路夜间行车安全性。

同时本发明的照明系统的成本低且能耗较小，因此照明系统的泛化性强。

附图说明

图1是本发明的一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统的结构示意图；

图2是本发明的一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统中各部分协同工作的框架图；

图3是本发明的一种考虑交通流的公路交叉口动态照明方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式。本实施方式所述的一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统，所述系统包括分别设置于公路交叉口的每个进口车道的灯具支架2；

每个灯具支架2均包括两根立柱和一根横梁，两根立柱对称固定于进口车道两侧的地面上，且两根立柱的另一端共同支撑横梁；

灯具支架2的横梁上设置有照明灯具1、摄像头3、太阳能电池模组4和控制单元5；

所述太阳能电池模组4用于将太阳能转化为电能，并为照明灯具1、摄像头3和控制单元5供电；

且摄像头3的信号输出端与控制单元5的信号输入端连接，控制单元5的信号输出端与照明灯具1的信号输入端连接。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述照明灯具1位于横梁的中间位置。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述公路交叉口中相邻进口车道的灯具支架2共用一根立柱。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

例如对于十字交叉口来说，北进口车道和西进口车道为相邻的进口车道，西进口车道和南进口车道为相邻的进口车道，南进口车道和东进口车道为相邻的进口车道，北进口车道和东进口车道为相邻的进口车道。

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式。本实施方式所述的一种考虑交通流的公路交叉口动态照明方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、将公路交叉口的进口车道个数记为N，在每个进口车道上均设置有一条与车辆行进方向垂直的车辆检测线，且车辆检测线与公路交叉口几何中心点之间的垂直距离为L米(本发明中L取为100)，并初始化进口车道个数i＝1；

步骤二、利用摄像头3对第i个进口车道上车辆通行的视频数据进行采集，摄像头3将采集的视频数据传输给控制单元5，控制单元5再采用图像处理技术识别并跟踪车辆检测线内(即车辆检测线与交叉口之间)的全部车辆，根据识别和跟踪结果计算车辆检测线内每个车辆的速度，将第i个进口车道的车辆检测线内的第j辆车的速度记为v_ij；

步骤三、从第i个进口车道的车辆检测线内全部车辆的速度中选取出最大的速度V_i＝max(v_ij)，将选取出的速度作为第i个进口车道的车速；

步骤四、将公路交叉口处，与第i个进口车道的交通流存在交通冲突点的进口车道作为第i个进口车道的冲突进口车道，将第i个进口车道所对应的冲突进口车道总数记为M；

并初始化冲突进口车道个数k＝1；

步骤五、计算第k个冲突进口车道与第i个进口车道的交通流之间的交通冲突概率P₁ ^ik；

步骤六、计算第i个进口车道的车辆在第k个冲突进口车道的交通流的冲突下，发生碰撞的概率

步骤七、判断是否满足k＝M；

若不满足，则令k＝k+1，返回执行步骤五；

若满足，则执行步骤八；

步骤八、根据P₁ ^ik和计算第i个进口车道的最优照度k＝1,2,…,M；

步骤九、判断是否满足i＝N；

若不满足，则令i＝i+1，返回执行步骤二；

若满足，则执行步骤十；

步骤十、根据i＝1,2,…,N计算公路交叉口的最优照度E_m，控制单元5再根据计算出的最优照度E_m生成数字信号并发送给照明灯具1，照明灯具1根据接收到的数字信号来调整照明亮度。

采用本发明方法可以根据车辆检测线与公路交叉口之间的车辆情况，来动态调整照明亮度。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是，所述交通冲突概率P₁ ^ik为：

式中，t_c是第i个进口车道上车辆在穿越第k个冲突进口车道交通流时的平均最小车头时距(此处为驾驶人可接受的平均最小车头时距，本发明中取为7s)；d_k是第k个冲突进口车道中的道路停车线与冲突点之间的距离；d_i是第i个进口车道中的道路停车线与冲突点之间的距离；d_i和d_k可通过测量交叉口的上述位置获得；V_k是第k个冲突进口车道的车速；是第i个进口车道的交通流的车头时距；是第k个冲突进口车道的交通流的车头时距；为的概率密度函数；为的概率密度函数。

其它步骤及参数与具体实施方式四相同。

和可通过对不同时段内第i个进口车道和第k个冲突进口车道的车头时距和进行交通调查，并利用核密度估计法获得。本实施方式可以准确计算公路交叉口区域内来自不同进口车道交通流的交通冲突概率，进而为求解不同交通流状态下公路交叉口的最优动态照明方案提供输入参数，以获得最优的动态照明方案。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是，所述发生碰撞的概率为：

式中，X是驾驶人在夜间对周围移动目标的视认距离；E是公路交叉口照明系统的照度；D是车辆完全制动后，车辆的质心与冲突点之间的距离临界值(本发明中取为5米)；S是第i个进口车道上车辆的安全制动距离。

其它步骤及参数与具体实施方式四或五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是，所述安全制动距离S为：

式中，t₁是制动器自由行程时间(本发明中取为0.03s)；t₂是制动减速度线性增长时间(本发明中取为0.3s)；a_b是安全制动减速度(本发明中取为4.5m/s²)。

其它步骤及参数与具体实施方式四至六之一相同。

本实施方式可以准确计算车辆的安全制动距离，进而为求解不同交通流状态下公路交叉口的最优动态照明方案提供输入参数，以获得最优的动态照明方案。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同的是，所述步骤八的具体过程为：

步骤八一、根据P₁ ^ik和计算满足的第i个进口车道的最小照度E_ik，P_acp是允许的最大事故率；本发明中P_acp的取值为0.99；

步骤八二、将E_ik与照明标准规定中的最低照度E_min进行对比(本发明中E_min的取值为20lx)；

若E_ik＞E_min，则最小照度E_ik不变；

若E_ik≤E_min，令最小照度E_ik＝E_min；

同理，分别得到第i个进口车道对于每个冲突进口车道的最小照度；

步骤八三、根据E_ik，k＝1,2,…,M计算最优照度

其它步骤及参数与具体实施方式四至七之一相同。

本实施方式可以求解不同交通流状态下公路交叉口的最优动态照明方案。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八之一不同的是，所述步骤八三的具体过程为：

即是从对于每个冲突进口车道的最小照度中，选取出最大的照度作为最优照度的。

其它步骤及参数与具体实施方式四至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四至九之一不同的是，所述根据i＝1,2,…,N计算公路交叉口的最优照度E_m，具体为：

即从全部进口车道的最优照度中选取出最大值，将选取出的最大值作为公路交叉口的最优照度。

其它步骤及参数与具体实施方式四至九之一相同。

实验部分

选择一条照明时段为19:00至次日6:00的十字形公路交叉口，对本发明提出的一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统及方法进行效果验证。该公路交叉口的各进口车道交通流的车头时距符合对数正态分布。在原始照明方案中，车辆到达交叉口时照明装置的照度自动提升至36lx。将照明时间分为19:00-21:00，21:00-23:00和23:00-6:00(次日)三个时段。在三个时段内照明装置的输入车速V在30km/h-70km/h范围内，计算本发明提出的公路交叉口照明装置的最优照度E_m如表1所示。

表1三个时段内不同输入车速下的E_m

根据原始方案照度值和表1中的最优照度值，分别计算不同时段和输入车速下的照明系统节能率ESR如表2所示。根据表2中数据，分别计算在30km/h-70km/h范围内三个时段对应的平均节能率AESR和照明系统的日平均节能率DAESR，其中，DAESR为当日全部时段的AESR的加权平均值，且权重为各时段内照明时间与全天总照明时间的比值。计算结果为优化后的照明方案在三个时段内的AESR分别是35.38％，35.57％和36.97％，DAESR为36.43％，上述指标表明本发明提出的一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统及方法能够有效降低公路交叉口照明系统的电力消耗。

表2三个时段对应的不同车速下ESR

本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统，其特征在于，所述系统包括分别设置于公路交叉口的每个进口车道的灯具支架(2)；

每个灯具支架(2)均包括两根立柱和一根横梁，两根立柱对称固定于进口车道两侧的地面上，且两根立柱的另一端共同支撑横梁；

灯具支架(2)的横梁上设置有照明灯具(1)、摄像头(3)、太阳能电池模组(4)和控制单元(5)；

所述太阳能电池模组(4)用于将太阳能转化为电能，并为照明灯具(1)、摄像头(3)和控制单元(5)供电；

且摄像头(3)的信号输出端与控制单元(5)的信号输入端连接，控制单元(5)的信号输出端与照明灯具(1)的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统，其特征在于，所述照明灯具(1)位于横梁的中间位置。

3.根据权利要求2所述的一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统，其特征在于，所述公路交叉口中相邻进口车道的灯具支架(2)共用一根立柱。

4.基于权利要求1所述的一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统的动态照明方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、将公路交叉口的进口车道个数记为N，在每个进口车道上均设置有一条与车辆行进方向垂直的车辆检测线，且车辆检测线与公路交叉口几何中心点之间的垂直距离为L米，并初始化进口车道个数i＝1；

步骤二、利用摄像头(3)对第i个进口车道上车辆通行的视频数据进行采集，摄像头(3)将采集的视频数据传输给控制单元(5)，控制单元(5)再采用图像处理技术识别并跟踪车辆检测线内的全部车辆，根据识别和跟踪结果计算车辆检测线内每个车辆的速度，将第i个进口车道的车辆检测线内的第j辆车的速度记为v_ij；

步骤三、从第i个进口车道的车辆检测线内全部车辆的速度中选取出最大的速度V_i＝max(v_ij)，将选取出的速度作为第i个进口车道的车速；

步骤四、将公路交叉口处，与第i个进口车道的交通流存在交通冲突点的进口车道作为第i个进口车道的冲突进口车道，将第i个进口车道所对应的冲突进口车道总数记为M；

并初始化冲突进口车道个数k＝1；

步骤五、计算第k个冲突进口车道与第i个进口车道的交通流之间的交通冲突概率P₁ ^ik；

步骤六、计算第i个进口车道的车辆在第k个冲突进口车道的交通流的冲突下，发生碰撞的概率

步骤七、判断是否满足k＝M；

若不满足，则令k＝k+1，返回执行步骤五；

若满足，则执行步骤八；

步骤八、根据和计算第i个进口车道的最优照度k＝1,2,…,M；

步骤九、判断是否满足i＝N；

若不满足，则令i＝i+1，返回执行步骤二；

若满足，则执行步骤十；

步骤十、根据i＝1,2,…,N计算公路交叉口的最优照度E_m，控制单元(5)再根据计算出的最优照度E_m生成数字信号并发送给照明灯具(1)，照明灯具(1)根据接收到的数字信号来调整照明亮度。

5.根据权利要求4所述的一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统的动态照明方法，其特征在于，所述交通冲突概率为：

式中，t_c是第i个进口车道上车辆在穿越第k个冲突进口车道交通流时的平均最小车头时距；d_k是第k个冲突进口车道中的道路停车线与冲突点之间的距离；d_i是第i个进口车道中的道路停车线与冲突点之间的距离；V_k是第k个冲突进口车道的车速；是第i个进口车道的交通流的车头时距；是第k个冲突进口车道的交通流的车头时距；为的概率密度函数；为的概率密度函数。

6.根据权利要求4所述的一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统的动态照明方法，其特征在于，所述发生碰撞的概率为：

式中，X是驾驶人在夜间对周围移动目标的视认距离；E是公路交叉口照明系统的照度；D是车辆完全制动后，车辆的质心与冲突点之间的距离临界值；S是第i个进口车道上车辆的安全制动距离。

7.根据权利要求6所述的一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统的动态照明方法，其特征在于，所述安全制动距离S为：

式中，t₁是制动器自由行程时间；t₂是制动减速度线性增长时间；a_b是安全制动减速度。

8.根据权利要求4所述的一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统的动态照明方法，其特征在于，所述步骤八的具体过程为：

步骤八一、根据P₁ ^ik和计算满足的第i个进口车道的最小照度E_ik，P_acp是允许的最大事故率；

步骤八二、将E_ik与照明标准规定中的最低照度E_min进行对比；

若E_ik＞E_min，则最小照度E_ik不变；

若E_ik≤E_min，令最小照度E_ik＝E_min；

同理，分别得到第i个进口车道对于每个冲突进口车道的最小照度；

步骤八三、根据E_ik，k＝1,2,…,M计算最优照度

9.根据权利要求8所述的一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统的动态照明方法，其特征在于，所述步骤八三的具体过程为：

10.根据权利要求9所述的一种考虑交通流的公路交叉口动态照明系统的动态照明方法，其特征在于，所述根据i＝1,2,…,N计算公路交叉口的最优照度E_m，具体为：