專利名稱：高速公路安全行車系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高速公路上增加汽車行車安全的系統，它綜合使用了 GPS (全球定位系統 Global Positioning System)、GPRS (通用分組無線業務 General Packet Radio Service)系統和GIS (地理信息系統GeographicInformation System)等技術手段。
背景技術：
現在高速公路管理部門，對路上的行車狀況基本上不掌握不管理，只是在霧天雪天時加以簡單管理——限時間隔放行或索性關閉整條高速公路。這樣不禁大大影響交通， 而且霧的濃度是隨時間地點而不斷變化的，入口處能見度尚好時放行的車輛，在途中常忽遇濃霧，就往往造成連環追尾等特大事故。目前有些車裝的“防撞雷達”，或是利用超聲波，作用距離很短，只能作倒車提示； 或是利用可見光，進行動態圖像分析，一到霧天就與人眼一樣失去作用。還有真的把毫米波雷達裝到汽車上，但要讓本來用于探測數以千米計的“看遠處”的雷達，來探測數十米近處的物體，技術上代價太高。最后，即使有辦法探測近處的物體，但怎樣把同向(同車道)行駛的汽車，與逆向(反向車道)的汽車或路邊的其他物體區別開以減少誤報的問題始終解決的不好，所以近年來“防撞雷達”雖時有報道，但從未有真正實用的商品出現。高速公路上各車車速的全程監測也是個沒有解決的問題。現有的測速雷達只能在少數路段某些時候使用，監視作用很有限，且車主也已有很多反雷達措施對抗它。另一方面，美國的GPS(全球定位系統Global Positioning System)在民用領域對移動物體的定位精度現已可達15米左右，價格便宜；但因制式關系，它的精度對防撞而言還嫌不足，更重要的是它是單向通訊的，每輛車只收不發，無法讓有關各方知道自己以的位置和速度，因此無法用來防撞，高速公路管理部門也無法掌握各車的信息。中國的北斗衛星定位系統雖可雙向通訊，車載臺可向管理系統通報自己的位置， 但定位精度誤差較大(幾十米)，且系統容量太有限(全國才約54萬戶)，造價太高，在公路防撞領域不具有實用性。再一方面，無線通訊的一個分支GPRS (通用分組無線業務GeneralPacket Radio Service)系統，技術成熟，費用低廉，組網覆蓋全國。如果把它與GPS有機結合，組成高速公路專用的動態實時GIS(地理信息系統 Geographic Information System)，則可以有所突破，構建高速公路專用的汽車安全行車系統。通過中國專利信息中心和其它有關網站搜索，發現目前也已有把GPS與GPRS結合的車輛“救援”和“導航”系統出現，但定位和速度精度不足，無法增強高速公路的行車安全， 用途與本發明相距甚遠。唯有一個《基于組合導航的高速公路全程監測裝置》專利有點類似，但其未用差分修正技術，精度不足(民用GPS位置誤差15米，從而推算出的速度誤差可超過40Km/h)，用于超速告警，顯然不具有實用性；另外，該專利還無法判斷車輛是在哪條車道，無法通知它附近有關車輛與它的距離和方向，惡劣氣候下實用性有限；最后，該專利
3規定發動機停車后該裝置便不工作，這也不利于公路整體安全。還有三個專利《基于GPRS 通訊的米級精度實時差分GPS手持采集器》、((GPS手持機差分伴侶裝置》和《實時差分大屏幕手持機》，確可以提高位置GPS精度，但只適用于靜態地形測量，不能用于高速公路的車輛管理系統。因而，迄今為止，未發現任何高速公路安裝使用了與本發明類似的行車安全系統。
發明內容
3. 1要解決的技術問題本發明的目的是，在高速公路上組建一個系統，它要有以下功能A.無論白天或夜間，甚至能見度不好的霧天雪天都能有效使用。B.每輛汽車可以知道且只知道離它一定距離內的其它“有關車輛”的位置。“有關車輛，，是指在附近同向車道上靜止或運動中的汽車。C.要有效排除非“有關車輛”的位置信息干擾，比如高速公路旁的類似汽車的物體，比如逆向車道上近處的車輛等。D.系統能實時知道路上每一輛車的位置和車速，實現“全車、全程、全時”車速監測。從而能向每輛車通報其在本車道“提醒距離”內的所有車的距離和車速，并向駕駛者提醒采取初步措施(比如減速)。“提醒距離”是指一旦此距離內有“有關車輛”時，本車駕駛員須謹慎駕駛或減速。此距離與天氣、路況、以及本車和“有關車輛”各自的速度都有關系， 從能見度良好、晴天、慢車的10米，到霧天、濕滑、快車的300米都有可能。E.當系統發現有車超速或太慢時，能向它發出告警，提示它應減速或加速。F.當系統感到在某車的“危險距離”內有別的車時，能向該車駕駛者通報那些有相碰危險的車的參數，讓他采取緊急措施(比如剎車等)。“危險距離”是指一旦此距離內有 “有關車輛”時，本車駕駛員須立即采取措施以避免相撞。此距離也與天氣、路況、以及本車和“有關車輛”各自的速度都有關系，通常小于“提醒距離”。G.當車輛在高速公路上因故停止時，能自動向系統發出信號，表明原因，以便向 “有關車輛”發出重要信息或求援信號。3. 2技術方案本發明將采用以下措施實現以上目標3.2.1在每條高速公路的兩個端口即收費站建立高速公路專用基準站(差分臺)。該基準站設有主機，配有全套GPS和GPRS軟硬件。基準站采用差分GPS (DGPS)技術， 進行GPS觀測，從而測出基準站自身精確坐標(可精準到cm級)。再把此精準值與實時觀測值進行比較，從而得出一修正數，并利用GPRS對外發布。3. 2. 2收費站給每輛進入車輛派發一個特制的車載高速公路專用GPS，該裝置除了有普通車載GPS所應有的全部功能外，將利用移動通訊公司現有發達的通訊網，與基準站進行雙向GPRS通訊。從而具有以下功能a.汽車上的普通(低價)GPS接收機收到上述修正數后，與自身的觀測值進行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準確的位置。利用此差分GPS技術，快速運動車輛定位精度可提高到5米左右，靜止車輛定位精度可提高到1米左右。這就為避免碰撞創造了條件。
b.該裝置不斷實時向基準站報告本車位置，并不斷接收基準站發來的其它“有關車輛”的位置信息及其它信息。c.該裝置裝有ID(Identificati0n)芯片，該芯片具有在全國范圍內唯一的識別 ID碼，在收費口向通過車輛分發和回收該裝置時，用無線讀卡器讀出和登記此識別碼，以使基準站可以識別該車并由此區分該裝置是裝在去車方向車道的車輛上還是來車方向車道的車輛上。d.該裝置有聲光顯示功能，在接到基準站指令后能向駕駛員發出“提醒”、“超速”、 “太慢”或“告警”等聲光、文字短信息、語音或圖形信號。并顯示且只顯示“有關車輛”的方位(前或后)和距離，以便駕駛員采取適當措施。e.該裝置還有基準站詢問功能，在接到基準站“你現在情況如何”指令后能用語音向駕駛員發出“詢問”信號。f.該裝置有主動停車按鈕，當駕駛員欲主動停車時先按下此鈕，便會向基準站通過GPRS發送“我將臨時停車”信息。g.該裝置有運動傳感器，當車輛出事故停止運動時，便會自動向基準站發送“我已停車”信息。此信號與上述主動停車信號的不同組合，使系統可判斷該車是正常停車還是非正常停車。h.該裝置有求助按鈕，當駕駛員按下此鈕，便會向基準站發送“我希望得到幫助” fn息ο3. 2. 3基準站利用成熟技術，在站內主機建立動態實時GIS(地理信息系統 Geographic Information System)，配合預先建立的本高速公路精確的電子地圖(可精準到cm級)，把車載高速公路專用GPS通過GPRS傳回的車輛數據建立一個在本高速公路區間內每輛車的實時位置和速度信息數據庫。兩端的兩個基準站數據和計算都同步，車載高速公路專用GPS與哪個通訊都可以。基準站主機利用數據庫可進行以下多種操作a.算出每輛車精確的位置和速度，由此算出每輛車的相位差分修正數據，發送給各車，以提高他們顯示的位置和速度信息精度。b.發現超速車輛則向它發出“超速告警”信號，要求它減速。發現車速長時間低于下限的車輛則向它發出“太慢”信號，要求它加速。c.根據車速、天氣和路面等條件，算出每輛車的“提醒距離”和“危險距離”，檢查此距離內有無其它同向(同車道)“有關車輛”，如有，則向該車發出“提醒”或“報警”信號， 并同時發上此距離內的“有關車輛”的速度和位置信息。d.根據每輛車的速度以及發回的應答信息，決定是否要向該車詢問情況或派人救援。3. 2. 4每輛車駛離收費站時，收回車載高速公路專用GPS，以便雙向循環使用。3. 3有益效果由于采用上述設計，因此帶來一系列好處第一、可以向使用者合理收費，商業上可行。此技術之所以普通車用GPS不能采用，是由于基準站十分昂貴，沒有公司可以無償地大面積地為所有GPS用戶提供這種服務， 因為它沒法向普通GPS用戶收費，商業上不可行。而高速公路收費站則很容易向通行的車輛加收此服務的費用。
第二、中國已建立遍布城鄉的移動通訊網，高速公路管理部門無需再建自己的 GPRS通訊網，大大減少此系統的初始投資。第三、由于車載專用GPS同基準站之間的信息傳送量很小，故使用GPRS的帶寬和速率足夠，無需用GSM或3G等昂貴的無線通訊手段。可“永遠在線”而費用又十分低廉，由于無需撥號上網，故通訊的建立幾乎沒有時延，確保了車位和車速的的精度。第四、對使用該系統的駕駛員而言，無需購買專用設備造成長期閑置，使用費也相對低廉，可以無阻力接受此系統服務。第五、由于在全國范圍內ID識別碼是唯一的，確保了高速公路上的上下行車不會混淆。第六、GPS和GPRS信號受風雪雨霧等天氣影響很小，確保了在惡劣天氣時系統的可靠性和準確度。第六、大量的復雜計算都在基準站內的主機上進行，車載專用GPS可以做的很簡單很便宜，便于推廣普及。第七、可大大提高現有民用車載GPS定位精度。第八、凡進入本車所用車道的車輛都有專用GPS，確保同一車道上所有的車輛信息都能與基準站通訊，實現平時尤其是惡劣天氣下安全行車和交通通暢。第九、本車所用車道旁的與車輛類似的物體，由于未裝專用GPS，不會像所有主動型雷達那樣給本車發送偽信息；而逆向車道上其他車的信息，由于有識別碼，基準站也不會將其信息發送給本車道的車輛，確保了不會誤報警。第十、由于實時監控了車輛速度，于是可減少平時路上事故發生。第十一、可大大提高霧天等惡劣氣候下高速公路的通過能力并大大減少事故發生。第十二、管理部門可及時發現事故的地點、事故車輛數和受阻車輛數，以便及時組織有針對性的救援和疏導。
附圖1是一段完整的高速公路安全系統結構示意圖。附圖2是車載高速公路專用GPS的結構框圖。附圖3是高速公路GPS基準站的結構框圖。圖中，1.基準站及其收發信號2.收費站(出入口) 3.衛星及其發送的單向信號 4. B車道及行車方向5.在A車道上行駛的車輛 6. A車道及行車方向7.在B車道上行駛的車輛8.提醒信號燈(黃色)9.主動停車按鈕10.求助按鈕11.回復按鈕 12. GPRS模塊 13.衛星通訊模塊 14.電子控制單元E⑶ 15. ID芯片 16.顯示屏 17. GPRS天線18.衛星通訊天線19.運動傳感器20.警告信號燈(紅色)21.系統主機圖中特粗實線表示導線、信號線。圖中虛線圍住的部分表示普通GPS通常含有的部件。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。5. 1 結構5. 1. 1 基準站在每條高速公路的兩個端口即收費站各建一個本公路專用基準站(1)。每個基準站⑴都建有一個GPRS天線(17)和一個GPS衛星通訊天線(18)。天線(17、18)分別通過 GPRS模塊(1 和衛星通訊模塊(1 接入系統主機00)。兩個基準站(1)的主機00)在系統中地位對等，除裝有外購的通用GPS、GPRS軟件外，還裝有特有的能把GPS、GPRS連接接起來，建立和運行GIS的系統軟件，把本高速公路上專用GPS組成一個廣域網。5. 1.2車載高速公路專用GPS見圖2。圖中虛線框內基本是是一個成熟的民用GPS的硬件，它主要由顯示屏 (16)、電子控制單元ECU (Electronic Control Unit) (14)、衛星信號接收單元(13)、衛星通訊天線(18)構成。在此基礎上加上GPRS模塊(12)、ID芯片(15)、GPRS天線(17)、運動傳感器(19)、及外殼上的紅色警告信號燈00)、黃色的提醒信號燈(8)、主動停車按鈕(9)、求助按鈕(10)和回復按鈕(11)。以上的GPRS模塊(12)電路上一端接GPRS天線(17)，另一端接電子控制單元E⑶(14)。而ID芯片(15)、運動傳感器(19)、信號燈(20)、(8)、按鈕(9)、 按鈕(10)和按鈕(11)都直接與ECU(14)相連。以上硬件都裝在一個外殼內，只是ECU(14) 內的終端軟件是特有的，它能夠把普通民用GPS與另加上的其它零部件有機地整合成一個專用裝置并與基準站(1)通訊，組成一個廣域網。車載高速公路專用GPS的安裝方式與普通民用GPS相同。5. 2 工作工作原理如下5. 2. 1首先，利用采用差分GPS(DGPS)技術，精確測定基準站(1)的空間坐標，(精度可達到cm級)然后進行GPS觀測，利用已知的基準站精確坐標，與觀測值進行比較，從而得出一修正數，并通過GPRS模塊(12)、GPRS天線(17)向本路段所有車載高速公路專用GPS 發布此修正數。5. 2. 2本路段上車載高速公路專用GPS通過GPRS天線(17) ,GPRS模塊(12)收到修正數后，ECU (14)將據此修正自身的來自衛星的GPS數據，從而大大提高提高本車位置的精度并在屏幕(16)上顯示。同時通過GPRS模塊(12)、GPRS天線(17)向基準站(1)發回精確的車位數據，誤差不超過5米。民用GPS能顯示的其它信息和功能，如地圖、方位、預報等，車載高速公路專用GPS 同樣都具有。5. 2. 3基準站(1)收到本路段汽車的精確位置后，就可以算出該車的速度。如此， 基準站(1)配合預先建立的本高速公路精確的電子地圖，就可以建立本路段(雙向)所有車輛動態實時位置和速度的地理信息系統GIS數據庫。根據天氣和路面等條件，算出此時本路段的最高安全速度，比如晴天120Km/h，某種霧天20Km/h等。發現超速車輛則向它發出“超速告警”信號，要求它減速。發現車速長時間低于下限的車輛則向它發出“太慢”信號，要求它加速。發現靜止的車輛便要考慮是否出了事故。根據車速、天氣和路面等條件，算出每輛車的“提醒距離”和“危險距離”，檢查此距離內有無其它同向(同車道)車輛，如有，則向該車發出“提醒”或“報警”信號，并同時發上此距離內的“有關車輛”的速度和位置信息。根據每輛車的速度以及發回的應答信息，決定是否要向該車詢問情況或派人救援。5. 2. 4車載高速公路專用GPS收到基準站⑴發來的“提醒”或“報警”信號后， 一方面在屏幕(16)上顯示有關車輛的位置速度信息，一方面點亮相應的指示燈并用語言告知駕駛人員。當駕駛人員按動主動停車按鈕(9)、求助按鈕(10)或回復按鈕(11)時，GPRS模塊 (12)、GPRS天線(17)同樣將把相應信號發回給基準站(1)。5. 2. 5基準站(1)收到駕駛人員的按鈕信號后，主機上將會有相關反應，管理人員將可以采取相應措施。
權利要求
1.一種高速公路安全行車系統，其特征是高速公路兩端入口都建有基準站，每輛進入高速公路的汽車都裝有車載高速公路專用GPS(全球定位系統GlobalPositioning System)，它們通過GPRS (通用分組無線業務General PacketRadio Service)聯成一個系統。
2.根據權利要求1所述的高速公路安全行車系統，其特征是每個基準站除了建有一個標準的GPS系統以外，還建有一個GPRS天線，該天線通過GPRS通訊模塊接入基準站內的系統主機，使主機能與車載高速公路專用GPS進行通訊。
3.根據權利要求1所述的高速公路安全行車系統，其特征是基準站系統主機除裝有外購的通用GPS、GPRS軟件外，還安裝了特有的能把GPS、GPRS連接接起來，建立和運行高速公路專用的實時GIS (地理信息系統GeographicInformation System)的系統軟件，該軟件能實時監測本高速公路上所有車輛的位置和速度信息，同時把這些信息以及差分GPS校正信號等發給車載高速公路專用GPS。
4.根據權利要求1所述的高速公路安全行車系統，其特征是高速公路專用GPS內除了一個通用的民用GPS的硬件外，還加上在全國范圍內有唯一識別碼的ID芯片、運動傳感器、GPRS模塊、GPRS天線及紅色警告信號燈、黃色提醒信號燈、主動停車按鈕、求助按鈕和回復按鈕；其中GPRS模塊電路上一端接GPRS天線，另一端接電子控制單元E⑶；而ID芯片、 運動傳感器、兩個信號燈、三個按鈕都直接與ECU相連。
5.根據權利要求1所述的高速公路安全行車系統，其特征是車載高速公路專用GPS 的ECU (電子控制單元Electronic Control Unit)內裝有特有的能把GPS、GPRS連接接起來并利用差分GPS校正信號提高本車速度和位置精度的終端軟件。
6.根據權利要求1所述的高速公路安全行車系統，其特征是車載高速公路專用GPS 可以顯示本車“提醒距離”和“危險距離”內的有關車輛信息，顯示基準站給它的提醒或告警信息。
全文摘要
本發明是涉及一種高速公路上增加汽車行車安全的系統。它綜合使用了GPS、GPRS系統和GIS等技術，精確實時測定整條高速公路上每輛車的位置和速度，并讓每輛車也實時了解自身和周圍有關車輛的信息，必要時可采取適當措施。此系統不僅可以大大減少高速公路事故，同時也可大大提高惡劣天氣時高速公路的通過能力。
文檔編號G08G1/0965GK102194330SQ20101015820
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月15日 優先權日2010年3月15日
發明者王永瑞, 邢剛, 黃學戰 申請人:邢剛