CN205177162U - 一种高速公路路侧预警装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及交通安全技术领域，具体涉及一种高速公路路侧预警装置。本实用新型提出了一种预防高速公路车辆追尾、超速的高速公路路侧预警装置，该路侧预警装置主要由检测单元、通信单元、主控单元、预警单元、存储单元、电源单元等功能单元组成，主要实现对高速公路运行车辆速度检测、交通流运行参数提取、车辆运行安全状态评估与预警、高速公路道路运行状态监测等，防止高速公路车辆追尾、超速的同时，为高速公路管理者进行高速公路运行状态监控提供数据支撑。

Description

一种高速公路路侧预警装置

技术领域

本实用新型涉及交通安全技术领域，具体涉及一种高速公路路侧预警装置。

技术背景

近年来，随着我国高速公路里程的不断增加，一方面满足了人们日益增长的城市、城际交通出行需求，使人们的出行更加便捷、高效、快速、舒适，带动了社会经济的快速发展；另一方面，由于高速公路车辆运行速度普遍较高，高速、超速行驶所导致的车辆追尾、碰撞等交通事故屡见不鲜，特别是在雾、雨、雪、沙尘暴、黄昏等诸多不利天气条件下，车辆在高速公路发生追尾、碰撞等交通事故频繁发生，给高速公路出行者的生命财产安全造成严重的伤害和巨大损失。

目前，在预防高速公路车辆追尾、碰撞方面，主要依靠在车辆上安装汽车智能防撞、防追尾辅助驾驶系统，当汽车之间的间距小于相应的动态安全距离时，该系统自动报警，并采取制动、辅助驾驶措施，或提醒驾驶员采取转向措施等。然而，在车上安装汽车智能防撞、防追尾辅助驾驶系统成本昂贵，在高速公路运行车辆上应用普及率不高，不能有效降低因高速公路车辆超速、高速行驶所造成的交通安全事故。

发明内容

为有效预防高速公路车辆高速行驶所造成的交通追尾事故以及驾驶员超速驾驶行为，本实用新型提出了一种预防高速公路车辆追尾、超速的高速公路路侧预警装置，该路侧预警装置主要由检测单元、通信单元、主控单元、预警单元、存储单元、电源单元等功能单元组成，如图1、图2所示，主要实现对高速公路运行车辆速度检测、交通流运行参数提取、车辆运行安全状态评估与预警、高速公路道路运行状态监测等，防止高速公路车辆追尾、超速的同时，为高速公路管理者进行高速公路运行状态监控提供数据支撑。

本实用新型的技术解决方案主要在高速公路交通事故易发区、高速公路道路线型渐变段等位置安装路侧预警装置，通过路侧预警装置的检测单元获取高速公路车辆的运行速度信息；通过通信单元或检测单元获取高速公路区间路段的道路环境信息、限速信息等；通过主控单元进行车辆运行安全状态评估、高速公路交通流运行参数统计分析、高速公路道路运行状态监测、不利天气条件下高速公路区段限速值计算等；通过预警单元对高速公路超速、高速车辆根据预警信息进行语音告警和LED不同灯色显示进行安全警示；通过存储单元存储路侧预警装置各功能单元采集、获取、分析形成的高速公路车辆运行状态信息、道路环境信息、交通流运行参数信息、高速公路运行状态信息以及各功能单元软硬件运行日志信息等；通过电源单元为路侧预警装置提供太阳能电源。本实用新型提出的一种高速公路路侧预警装置，其特征主要包括：

1)检测单元

检测单元嵌有半导体激光模块，用于发射905nm波长的双光束短距离阵列脉冲激光，并接收激光脉冲反射波，通过记录发射波和反射波的时间差，计算得到运动车辆与路侧预警装置的距离；通过记录车辆通过两激光光束的时间差，计算得到运动车辆的位移变化及运行速度。

另外，检测单元还留有温度、湿度、能见度等道路环境传感器的嵌入接口，在需要的情况下，通过温度、湿度、能见度等道路环境传感器获取路侧预警装置所在高速公路区段的道路环境数据。

2)通信单元

通信单元嵌有WIFI通信模块，通过WIFI通信模块与周围的路侧预警装置建立通信连接，进行路侧预警装置之间的信息共享、信息查询和信息提取。

另外，检测单元还留有GPRS通信模块嵌入接口，在需要的情况下，通过GPRS通信模块与高速公路管控中心建立通信连接，进行路侧预警装置检测交通流信息、道路环境信息、高速公路运行状态信息、高速公路区段可变限速信息以及设备运行日志等信息的上传，或接收高速公路管控中心监测的路侧预警装置所在高速公路区段的道路环境数据、可变限速信息、查询信息等。

3)主控单元

主控单元嵌有PLC控制器和母板总线，主控单元与各功能单元通过母板总线进行信息通信，获取检测单元、通信单元、存储单元中的车辆运行信息、道路环境信息、限速信息等；PLC控制器根据获取的道路、交通、环境等信息对车辆的运行状态、交通流运行参数、道路的运行状态等进行评估、统计、分析和监测，并对超速车辆、潜在追尾车辆发送不同的预警信息。

4)预警单元

预警单元嵌有语音播报器和小型LED显示板，预警单元根据主控单元发送过来的预警信息，通过语音播报器播报不同的语音预警信息，通过小型LED显示板显示不同的灯色信号，提示运行车辆所处的安全状态。

5)存储单元

存储单元嵌有可插拔MicroSD卡存储模块和嵌入式小型数据库，用于存储从路侧预警装置各功能单元形成的车辆运行状态信息、道路环境信息、交通流运行参数信息、高速公路道路运行状态监测信息以及路侧预警装置软硬件运行日志信息等。

6)电源单元

电源单元嵌有微型变压器和微型电压调整器，主要用于为路侧预警装置提供直流稳压电源，保障路侧预警装置内部线路的可靠性。

另外，电源单元还留有太阳能电池组件模块嵌入接口，其中太阳能电池组件模块由小型蓄电池、充电控制器、太阳能电池组件等组成，在需要的情况下，通过太阳能电池组件模块为相邻区域的所有路侧预警装置供应电源，以解决高速公路远离居住区，电源接入困难的问题。

附图说明

图1：路侧预警装置功能单元组成图；

图2：路侧预警装置外观结构示意图；

图3：路侧预警装置检测单元安装及工作原理示意图。

具体实施方式

本实用新型所述的一种高速公路路侧预警装置安装在高速公路交通事故易发区、高速公路道路线型渐变段的道路路侧位置，主要由检测单元、通信单元、主控单元、预警单元、存储单元、电源单元等组成，如图1、图2所示，主要实现对高速公路运行车辆速度检测、交通流运行参数提取、车辆运行安全状态评估与预警、高速公路道路运行状态监测等，防止高速公路车辆追尾、超速的同时，为高速公路管理者进行高速公路运行状态监控提供数据支撑。

本实用新型提出的一种高速公路路侧预警装置，其工作的具体流程为：

1)检测单元

检测单元中的半导体激光模块以一定的斜角面向高速公路，以一定的频率向行驶过来的车辆发射双光束脉冲激光，半导体激光模块右侧光束定义为光束1，左侧光束定义为光束2，如图3所示，用于检测车辆的运行速度，以路侧预警装置安装在车辆运行前方的高速公路左侧为例，具体工作步骤如下：

Step1：半导体激光模块以一定的频率向高速公路发射905nm波长的双光束短距离阵列窄脉冲激光，当半导体激光模块接收到光束1的脉冲激光反射波时，记录接收到脉冲激光反射波的时间T₁，并计算车辆距离路侧预警装置的距离：

$L_1=\frac{C_{air}\·t_{TR1}}{2}$

其中：L₁为光束1测量角度下路侧预警装置与运行车辆的距离；t_TR1为光束1的脉冲激光从路侧预警装置半导体激光模块到运行车辆的往返传播时间；C_air为脉冲激光在空气中的传播速度，与天气条件有关。

Step2：当半导体激光模块接收到光束2的脉冲激光反射波时，记录接收到脉冲激光反射波的时间T₂，并计算此时车辆距离路侧预警装置的距离：

$L_2=\frac{C_{air}\·t_{TR2}}{2}$

其中：L₂为光束2测量角度下路侧预警装置与运行车辆的距离；t_TR2为光束2的脉冲激光从路侧预警装置半导体激光模块到运行车辆的往返传播时间。

Step3：根据半导体激光模块接收到光束1和光束2脉冲激光反射波的时间差以及光束1和光束2脉冲激光发射波夹角，计算检测车辆的运行速度：

$V=\frac{W}{|T_2-T_1|}$

$W=\sqrt{{\left(L_1\right)}^2+{\left(L_2\right)}^2-2L_1\·L_2\·cos\mathrm{\θ}}$

其中：V为检测车辆的运行速度；W为检测车辆从接触光束1到接触光束2时间内的车辆位移；θ为光束1和光束2激光发射波夹角。

Step4：以光束1为基准，记录半导体激光模块接收到光束1最后一束反射波的时间T₃。

Step5：检测单元将光束1和光束2的反射波接收时间T₁、T₂及其对应的与检测车辆的距离L₁、L₂，检测车辆的运行速度V，检测车辆通过光束1的时间T₃等车辆信息通过主控单元的母板总线传送给主控单元的PLC控制器。

Step6：当检测单元嵌有温度、湿度、能见度等道路环境传感器时，检测单元以一定的时间间隔读取温度、湿度、能见度等道路环境数据，并通过主控单元的母板总线传送给主控单元的PLC控制器。

2)通信单元

路侧预警装置通过通信单元中的WIFI通信模块实现与周围的路侧预警装置建立通信连接，进行路侧预警装置之间的信息共享、信息查询和信息提取；通过通信单元中的GPRS通信模块实现与高速公路管控中心建立双向通信连接，进行路侧预警装置检测交通流信息、道路环境信息、高速公路运行状态信息、高速公路区段可变限速信息以及设备运行日志等信息的上传，同时，也接收高速公路管控中心监测的路侧预警装置所在高速公路区段的道路环境数据、可变限速信息、查询信息等。以路侧预警装置通信单元同时嵌有WIFI通信模块和GPRS通信模块为例，具体工作步骤如下：

Step1：当路侧预警装置中的检测单元没有嵌入温度、湿度、能见度等道路环境传感器时，通信单元中的GPRS通信模块以一定的时间间隔向高速公路管控中心请求路侧预警装置所在区域的温度、湿度、能见度等道路环境数据以及高速公路路段车辆可变限速数据，并通过主控单元的母板总线传送给主控单元的PLC控制器。

Step2：当路侧预警装置中的检测单元嵌有温度、湿度、能见度等道路环境传感器时，通信单元通过主控单元的母板总线获取检测单元采集的温度、湿度、能见度等道路环境数据；

Step3：当通信单元获取到温度、湿度、能见度等道路环境数据时，路侧预警装置中通信单元通过WIFI通信模块与相邻的路侧预警装置建立通信连接，将温度、湿度、能见度等道路环境数据以及高速公路路段车辆可变限速数据传送到各个相邻的路侧预警装置，通知各路侧预警装置更新当前天气条件下的C_air、路面附着系数、车辆限速值等。

Step4：路侧预警装置通信单元中的WIFI通信模块以一定的时间间隔提取相邻路侧预警装置存储单元中高速公路运行车辆速度检测数据、交通流运行参数数据、车辆运行安全状态数据以及高速公路道路运行状态监测数据等，由通信单元中的GPRS通信模块上传给高速公路管控中心。

3)主控单元

主控单元通过母板总线与路侧预警装置的各功能单元进行信息交互，根据母板总线获取到的车辆运行状态数据、道路环境数据等，PLC控制器对高速公路车辆的运行状态、交通流运行参数、道路的运行状态等进行评估、统计、分析和监测，并对超速车辆、潜在追尾车辆发送不同等级的预警信息。具体工作步骤如下：

Step1：当主控单元接收到检测单元发送过来的车辆信息时，PLC控制器开始分析车辆是否超速、车辆行驶车道、车辆长度、车辆运动趋势等。

Step1.1：PLC控制器根据检测单元光束1和光束2测量角度下计算得到的路侧预警装置与检测车辆的距离L₁、L₂，分析车辆的行驶位置。如果路侧预警装置安装在车辆前进方向的左侧，则：

(1)当且则检测车辆行驶在左侧第1车道上；

(2)当且 则检测车辆行驶在左侧第2车道上；

(3)以此类推，当且则检测车辆行驶在左侧第n车道上；

(4)当且则检测车辆行驶在应急车道上。

如果路侧预警装置安装在车辆前进方向的右侧，则：

(1)当且则检测车辆行驶在应急车道上；

(2)当且则检测车辆行驶在右侧第1车道上；

(3)当且 则检测车辆行驶在右侧第2车道上；

(4)以此类推，当且则检测车辆行驶在右侧第n车道上。

其中：H为半导体激光模块激光发射点与邻近的高速公路行车道的垂直距离；W_lane为高速公路车道宽度；n为高速公路行车道数；为光束2与高速公路垂直线的夹角。

Step1.2：如果检测车辆行驶在应急车道上，则PLC控制器向预警单元发送车辆占用应急车道预警信息。

Step1.3：PLC控制器根据检测车辆进入光束1和离开光束1的时间差T₃-T₁，估算车辆的长度：

L_en＝V·(T₃-T₁)

O_time＝T₃-T₁

其中：L_en为检测车辆的长度；O_time为检测车辆占用时间。

PLC控制器根据检测车辆的长度L_en与车辆分类标准进行对比，确定车辆的类型V_type。

Step1.4：PLC控制器根据检测车辆的速度V和车辆类型V_type，与当前高速公路区段的车辆限速速度进行比较，确定车辆是否超速，如果车辆超速，则PLC控制器向预警单元发送车辆超速预警信息。

Step1.5：PLC控制器根据检测单元光束1和光束2测量角度下计算得到的路侧预警装置与检测车辆的距离L₁、L₂，分析车辆的运行趋势。如果路侧预警装置安装在车辆前进方向的左侧，则：

(1)当且 则检测车辆准备向左侧换道；如果检测车辆处于左侧第1车道上，则PLC控制器向预警单元发送车辆即将碰撞护栏预警信息；

(2)当且 则检测车辆准备向右侧换道；如果检测车辆处于左侧第n车道上，则PLC控制器向预警单元发送占用应急车道预警信息；如果检测车辆处于应急车道上，则PLC控制器向预警单元发送车辆即将碰撞护栏预警信息。

如果路侧预警装置安装在车辆前进方向的右侧，则：

(1)且 则检测车辆准备向右侧换道；如果检测车辆处于右侧第1车道上，则PLC控制器向预警单元发送占用应急车道预警信息；如果检测车辆处于应急车道上，则PLC控制器向预警单元发送即将碰撞护栏预警信息；

(2)且 则检测车辆准备向左侧换道；如果检测车辆处于右侧第n车道上，则PLC控制器向预警单元发送即将碰撞护栏预警信息。

其中：φ为车辆换道临界转角。

Step1.6：PLC控制器通过母板总线将检测车辆的速度、位置、长度、车型、占用时间、运动趋势等信息传送到存储单元。

Step2：PLC控制器根据检测车辆的速度、位置、运动趋势等信息，分析车辆与前车之间是否存在追尾安全隐患。

Step2.1：PLC控制器从存储单元中获取当前检测车辆目的车道上上一辆车通过路侧预警装置的速度V_last和时间T_last，估计当前检测车辆与前车的距离：

VH_dis＝V_last·(T_last-T₁)

VH_time＝T_last-T₁

其中：VH_dis为高速公路车辆的车头间距；VH_time为高速公路车辆的车头时距。

Step2.2：PLC控制器估计当前检测车辆是否存在追尾危险：

(1)当则当前检测车辆存在追尾危险，PLC控制器向预警单元发送追尾危险预警信息；

(2)如果V>V_last：当 ${\mathrm{VH}}_{dis}>V\·\mathrm{\τ}+d_0+\frac{V^2-{V_{last}}^2}{254\·{\mathrm{\δ}}_{road}}$ 且 $\frac{{\mathrm{VH}}_{dis}}{V-V_{last}}\≤\mathrm{\μ},$ 则当前检测车辆存在追尾危险，PLC控制器向预警单元发送追尾危险预警信息；当 且则当前检测车辆存在潜在追尾危险，PLC控制器向预警单元发送潜在追尾危险预警信息；

(3)当 $V\&CenterDot;\mathrm{\&tau;}+d_0+\frac{V^2-{V_{last}}^2}{254\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;}}_{road}}<{\mathrm{VH}}_{dis}<V\&CenterDot;\mathrm{\&tau;}+d_0$ 且V≤V_last，则当前检测车辆存在潜在追尾危险，PLC控制器向预警单元发送潜在追尾危险预警信息。

其中：τ为驾驶员反应时间；d₀为车辆停车安全距离；δ_road为高速公路道路路面附着系数；μ为车辆超速控制时间。

Step2.3：PLC控制器将检测车辆的运行安全状态通过母板总线传送到存储单元。

Step3：PLC控制器以一定的时间间隔对检测单元检测到的车辆信息进行统计分析，形成流量、平均速度、平均车头时距、平均车头间距、时间占有率、空间占有率等信息。

Step3.1：PLC控制器从存储单元提取一定时间间隔内的车辆信息，并按车辆类型、车辆行驶车道统计通过的车辆数，并将不同类型的车辆转换成标准车进行统计，得到单位时间内的流量信息，包括各车道流量和截面流量。

Step3.2：PLC控制器分别按车辆行驶车道计算车辆平均速度、平均车头时间、平均车头间距，同时计算通过路侧预警装置所在道路截面的车辆平均速度、平均车头时间、平均车头间距。

Step3.3：PLC控制器根据检测车辆的占有时间、检测车辆的长度，分别按车辆行驶车道位置计算各车道的时间占有率、空间占有率以及路侧预警装置所在截面的时间占有率和空间占有率。

Step3.4：PLC控制器将统计形成的路侧预警装置所在高速公路路段的交通流运行参数信息通过母板总线传送到存储单元。

Step4：PLC控制器根据统计分析形成的高速公路交通流运行参数信息，对高速公路道路运行状态进行监测。

Step4.1：PLC控制器将高速公路道路运行状态用-1，0，1进行表示，分别代表高速公路运行畅通、轻微拥挤、拥挤三种状态。

Step4.2：将高速公路交通流运行参数中的流量、平均速度、时间占有率为输入向量X。

Step4.3：PLC控制器通过构建支持向量机SVM分类超平面空间，对单位时间统计分析形成的流量、平均速度、时间占有率输入到SVM的分类线方程组中，通过SVM的优化分类函数，对当前的高速公路道路运行状态进行分类。

Step4.4：PLC控制器将分类结果通过母板总线传送到存储单元。

Step5：当PLC控制器接收到检测单元或通信单元传送过来的温度、湿度、能见度等道路环境数据，根据当前的道路环境，对脉冲激光在空气中的传播速度C_air、高速公路道路路面附着系数δ_road以及路侧预警装置所在高速公路区段限速值进行修正和更新。

Step5.1：PLC控制器根据当前的道路环境数据，对脉冲激光在空气中的传播速度C_air进行修正，修正公式为：

C_air＝C·f(w)

其中：C为光在真空中的传播速度，为3×10⁸m/s；f(w)为光在温度、湿度、能见度条件w下的传播速度修正函数。

Step5.2：PLC控制器根据当前的道路环境数据，对高速公路道路路面附着系数进行修正，修正公式为：

δ_road＝δ·R(w)

其中：δ为正常天气条件下高速公路道路路面附着系数；R(w)为道路路面在温度、湿度、能见度条件w下的附着系数修正函数。

Step5.3：PLC控制器根据当前的道路环境数据，对高速公路车辆限速速度进行估计：

V_i,limit＝V_i,up·sp(w)

其中：V_i,up为正常天气条件下第i类车辆的最高限速值；sp(w)为限速速度在温度、湿度、能见度条件w下速度修改函数；V_i,limit为在温度、湿度、能见度条件w下第i类车辆的限速值。

Step5.4：PLC控制器将修正的脉冲激光在空气中的传播速度C_air、高速公路道路路面附着系数δ_road以及路侧预警装置所在高速公路区段限速值通过母板总线传送给存储单元。

Step6：主控单元PLC控制以一定的时间间隔侦测路侧预警装置各单元的硬件设备、软件系统的运行状态，并将侦测结果通过母板总线传送给存储单元。

4)预警单元

预警单元根据主控单元PLC控制器发送过来的车辆预警信息，通过嵌入在预警单元的语音播报器和小型LED显示板，对车辆的运行安全状态进行语音预警和小型LED显示板不同灯色信号警示，具体工作步骤如下：

Step1：当预警单元接收到PLC控制器发送过来的车辆占用应急车道预警信息时，预警单元通过语音播报器播报“请勿占有应急车道！”，并通过小型LED显示板进行黄灯灯色信号闪烁。

Step2：当预警单元接收到PLC控制器发送过来的车辆超速预警信息时，预警单元通过语音播报器播报“您已超速！”，并通过小型LED显示板进行红灯灯色信号闪烁。

Step3：当预警单元接收到PLC控制器发送过来的车辆即将碰撞护栏预警信息时，预警单元通过语音播报器播报“危险！请按车道行驶！”，并通过小型LED显示板进行黄灯灯色信号闪烁。

Step4：当预警单元接收到PLC控制器发送过来的追尾危险预警信息时，预警单元通过语音播报器播报“危险！请减速！”，并通过小型LED显示板进行红灯灯色信号闪烁。

Step5：当预警单元接收到PLC控制器发送过来的潜在追尾危险预警信息时，预警单元通过语音播报器播报“请保持车距！”，并通过小型LED显示板进行黄灯灯色信号闪烁。

Step6：在其他情况下，预警单元通过语音播报器播报高速公路区段限速信息，并通过小型LED显示板常绿灯色显示。

5)存储单元

存储单元通过嵌入在其中的小型数据库和可插拔MicroSD卡存储模块，记录和存储从路侧预警装置各功能单元采集、生成的车辆运行状态信息、道路环境信息、高速公路交通流运行参数信息、高速公路道路运行状态监测信息以及路侧预警装置各功能单元软、硬件的运行日志信息等。具体包括：

(1)车辆运行状态信息：车辆检测时间、速度、位置、长度、车型、运动趋势、安全状态等。

(2)道路环境信息：检测时间、温度、湿度、能见度、C_air、δ_road等。

(3)高速公路交通流运行参数信息：检测时间、车型流量、标准车流量、平均速度、平均车头时距、平均车头间距、时间占有率、空间占有率等。

(4)高速公路道路运行状态监测信息：包括检测时间、高速公路道路运行状态、高速公路车型限速信息等。

(5)软硬件设备的运行日志：包括操作日志、运行日志、查询日志等。

6)电源单元

电源单元为保障路侧预警装置内部线路的可靠性，通过嵌入在其中的微型变压器和微型电压调整器提供直流稳压电源。在电源接入困难的情况下，通过电源单元的太阳能电池组件模块，将太阳能通过小型蓄电池、充电控制器、太阳能电池组件等组成转化成直流电源，为相邻区域的所有路侧预警装置供应电源。

Claims (1)

1.一种高速公路路侧预警装置，其特征在于：由检测单元、通信单元、主控单元、预警单元、存储单元、电源单元组成，其中(1)检测单元嵌有半导体激光模块，还留有道路环境传感器的嵌入接口；(2)通信单元嵌有WIFI通信模块，还留有GPRS通信模块嵌入接口；(3)主控单元嵌有PLC控制器和母板总线；(4)预警单元嵌有语音播报器和小型LED显示板；(5)存储单元嵌有可插拔MicroSD卡存储模块和嵌入式小型数据库；(6)电源单元嵌有微型变压器和微型电压调整器，还留有太阳能电池组件模块嵌入接口。