基于路域氣象站的高速公路限速信息獲取方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種基于路域氣象站的高速公路限速信息系統，包括沿公路設置的若干氣象站、與氣象站配合使用的顯示屏和控制系統；每一氣象站包括一雨量計和一能見度儀，雨量計監測該處雨量信息，能見度儀監測該處能見度信息；控制系統包括第一速度測算子系統、第二速度測算子系統、比較子系統，第一速度測算子系統基于雨量信息獲取第一實時車速最大值，第二速度測算子系統基于能見度信息獲取第二實時車速最大值，比較子系統對第一實時車速最大值和第二實時車速最大值進行比較，輸出其中較小值；每兩個顯示屏為一組顯示比較模塊輸出的速度信息，所述每一組顯示屏分別設置于相對的高速公路上且分別位于相應雨量計的下游路段。
【專利說明】
基于路域氣象站的高速公路限速信息獲取方法及系統
技術領域
[0001] 本發明設及一種交通預警技術，特別是一種基于路域氣象站的高速公路限速信息 獲取方法及系統。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著經濟的飛速發展我國高速公路里程也不斷延伸，高速公路方便快捷 安全楊通的綜合效益不斷顯現。但由于高速公路車速快、流量大及其自身全封閉的特點，因 此高速公路一旦遇到低能見度的特殊天氣，特別是具有突發性和隨機性的團霧狀況時就極 易發生交通事故。由大霧、雨雪、沙塵暴等天氣因素致使高速公路上能見度降低已成為目前 高速公路上交通事故的主要誘發因素，并且造成了社會經濟和人民生命財產的巨大損失。 因此，設計和開發高速公路預警系統已成為交通行業亟待解決的問題。現有的高速公路預 警技術往往只能基于某一特殊環境對車輛速度進行限制，例如團霧或降雨，并未有出現一 個可W兼顧對團霧和降雨進行測量并通過計算限制車輛速度的系統。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于提供一種基于雨量計的高速公路預警系統，通過該方法及系 統，可W同時對能見度和降雨量進行測量，獲取相應氣候環境下高速公路允許的車輛最大 行駛速度并顯示。
[0004] -種基于路域氣象站的高速公路限速信息系統，包括沿公路設置的若干氣象站、 與氣象站配合使用的顯示屏和控制系統。所述每一氣象站包括一雨量計和一能見度儀，所 述雨量計監測該處雨量信息，所述能見度儀監測該處能見度信息;所述控制系統包括第一 速度測算子系統、第二速度測算子系統、比較子系統，所述第一速度測算子系統基于雨量信 息獲取第一實時車速最大值，所述第二速度測算子系統基于能見度信息獲取第二實時車速 最大值，所述比較子系統對第一實時車速最大值和第二實時車速最大值進行比較，輸出其 中較小值;所述每兩個顯示屏為一組顯示比較模塊輸出的速度信息，所述每一組顯示屏分 別設置于相對的高速公路上且分別位于相應雨量計的下游路段。
[0005] 采用上述系統，所述第一速度測算子系統包括訓練模塊和速度獲取模塊，所述訓 練模炔基于不同的雨量信息、雨量計所位于的路面結構、不同輪胎結構訓練獲取雨量信息 與車速間的關系，所述速度獲取模塊根據實時雨量信息調用雨量信息與車速間的關系獲得 第一實時車速最大值。
[0006] 采用上述系統，所述訓練模塊通過包括水膜厚度子模塊、附著系數子模塊、第一剎 車距離子模塊、第一安全速度獲取子模塊在內的子模塊獲取獲取雨量信息與車速間的關 系；水膜厚度子模炔基于道路參數和雨量獲取水膜厚度，附著系數子模炔基于水膜厚度獲 取車輛輪胎與地面的附著系數，第一剎車距離子模炔基于附著系數獲取安全剎車距離，第 一安全速度獲取子模塊調用附著系數和安全剎車距離獲取車輛安全行駛速度。
[0007] 采用上述系統，所述第二速度測算子系統通過包括第二剎車距離子模塊、第二安 全速度獲取子模塊在內的子模塊獲取能見度與車速間的關系;第二剎車距離子模炔基于停 車視距模型獲取安全剎車距離，第二安全速度獲取子模炔基于安全剎車距離獲取第二實時 車速最大值。
[0008] 作為本發明的一種改進，所述控制系統還包括反應時間子模塊，用于存儲駕駛員 反應時間和車輛反應時間，供獲取安全剎車距離時調用。
[0009] -種基于路域氣象站的高速公路限速信息獲取方法，包括W下步驟：
[0010] 基于雨量信息獲取第一實時車速最大值，基于能見度信息獲取第二實時車速最大 值；
[0011] 對第一實時車速最大值和第二實時車速最大值進行比較，取較小值輸出并顯示。
[0012] 采用上述方法，所述第一實時車速最大值基于雨量與速度的關系獲得，所述雨量 與速度的關系通過訓練方式獲取，訓練包括:通過雨量獲取水膜厚度，通過水膜厚度、路面 結構、輪胎結構訓練獲得車輛輪胎與地面的附著系數，通過附著系數和車輛行駛速度訓練 獲得剎車距離，通過剎車距離、附著系數獲取雨量與速度之間的關系。
[0013] 采用上述方法，所述第二實時車速最大值通過W下步驟獲取：
[0014] 基于停車視距模型Li(to)+L2(t)-L3(to+t) < Lj獲取剎車距離，
[0015] 基于剎車距離獲取第二實時車速最大值；
[0016]其中^為制動反應距離，L2為制動距離，L3為前方車輛在后車制動并停止前行駛的 距離，Lj為能見度距離，to為制動反應時間，t為制動時間。
[0017] 本發明與現有技術相比，具有W下優點：（1)同時對高速公路上易發生事故誘因的 能見度和降雨量進行測量獲取相應的速度后進行比對得出在雙重氣候影響下的最精確允 許的速度最大值；（2)基于訓練方式獲取降雨量下的車速時，可W考量影響車速的多種因 素，獲取的數值更為準確；（3)增加駕駛員在面對突發狀況時的反應時間及車輛反應時間， 獲取的數值更為準確。
[0018] 下面結合說明書附圖對本發明做進一步描述。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發明的結構原理框圖。
[0020] 圖2為本發明第一速度測算子系統原理結構框圖。
[0021 ]圖3為本發明第二速度測算子系統原理結構框圖。
[0022] 圖4為停車視距原理圖。
[0023] 圖5為本發明應用場景示意圖。
[0024] 圖6為本發明的方法流程示意圖。
【具體實施方式】
[0025] 本發明基于交通運輸部建設科技項目《武陵山區公路建設與運營安全保障技術研 究》(2014318785090)進行設計。
[0026] 結合圖1，一種基于路域氣象站的高速公路限速信息系統，包括沿公路設置的若干 氣象站、與氣象站配合使用的顯示屏和控制系統。所述每一氣象站包括一雨量計和一能見 度儀，所述雨量計監測該處雨量信息，所述能見度儀監測該處能見度信息。所述控制系統包 括第一速度測算子系統、第二速度測算子系統、比較子系統，所述第一速度測算子系統基于 雨量信息獲取第一實時車速最大值，所述第二速度測算子系統基于能見度信息獲取第二實 時車速最大值，所述比較子系統對第一實時車速最大值和第二實時車速最大值進行比較， 輸出其中較小值。所述每兩個顯示屏為一組顯示比較模塊輸出的速度信息，所述每一組顯 示屏分別設置于相對的高速公路上且分別位于相應雨量計的下游路段。
[0027] 所述第一速度測算子系統包括訓練模塊和速度獲取模塊，所述訓練模炔基于不同 的雨量信息、雨量計所位于的路面結構、不同輪胎結構訓練獲取雨量信息與車速間的關系， 所述速度獲取模塊根據實時雨量信息調用雨量信息與車速間的關系獲得第一實時車速最 大值。第一速度測算子系統基于如下原理設計：雨量決定水膜厚度，水膜厚度決定附著系 數，附著系數決定摩擦力，摩擦力決定制動距離，制動距離限制車輛行駛速度。多雨地區高 速公路上每2-3公里安裝一臺雨量計，如果雨量計測到下雨了，就由計算模塊計算應限速多 少，然后上游的L邸屏實時顯示限速。
[0028] 結合圖2,基于上述原理，所述訓練模塊，對W下子模塊獲取的數據進行訓練獲取 雨量信息與車速間的關系：水膜厚度子模塊、附著系數子模塊、剎車距離子模塊、安全速度 獲取子模塊、取整子模塊。圖中箭頭為信號走向。水膜厚度子模炔基于道路參數和雨量獲取 水膜厚度，附著系數子模炔基于水膜厚度獲取車輛輪胎與地面的附著系數，剎車距離子模 炔基于附著系數獲取安全剎車距離，安全速度獲取子模塊調用附著系數并和安全剎車距離 獲取車輛安全行駛速度。
[0029] 所述水膜厚度子模塊通過雨量計對一定區域排水長度L、降雨強度I、坡度N等獲取 水膜厚度d，即d = fa，I，N)，其中L為排水長度，I為降雨強度，N為坡度。
[0030] 所述附著系數子模塊通過水膜厚度d、輪胎的結構、胎面花紋、滑動率，W及行駛速 度來獲取摩擦系數。由于每一車輛的輪胎結構和胎面花紋均不相同，而行駛速度為待求變 量，因此采用訓練的方式，對現有市場上的輪胎結構和適合的目標速度進行輸入獲取一系 列的附著系數，通過訓練獲取不同水膜厚度下的附著系數，然后對于不同水膜厚度的一系 列附著系數中取最小值作為該水膜厚度下的標準值。
[0031] 所述剎車距離子模塊存根據附著系數μ、行駛速度V獲取剎車距離，即s = f(y，v)。
[0032] 所述安全速度獲取子模塊根據附著系數μ和安全剎車距離S水膜厚度d相對于降雨 量間的關系，獲取雨量信息下速度的模型，v = f(I)。
[0033] 結合圖3,所述第二速度測算子系統通過包括第二剎車距離子模塊、第二安全速度 獲取子模塊在內的子模塊獲取能見度與車速間的關系;第二剎車距離子模炔基于停車視距 模型獲取安全剎車距離，第二安全速度獲取子模炔基于安全剎車距離獲取第二實時車速最 大值。
[0034] 本發明采用WICX205AL為核屯、的CO)攝像機作為能見度儀，其像素為方形構造，采 用了HAD技術，感光度高，暗電流低;分辨率為1392 X 1040,有效像素數1.45M。忍片工作頻 率為14.318MHz，支持全像素讀出和高帖速讀出兩種讀出方式，前者的輸出速度為每秒7.5 帖，后者可W達到每秒30帖的速度。同時，ICX20_SAL也支持電子快口功能。
[0035] 結合圖4,車輛安全行駛不發生追尾事故的條件是^(to)+L2(t)-L3(toW)<Lj式 中：
[0036] 。為制動反應距離，
[0037] L2為制動距離，
[0038] L3為前方車輛在后車制動并停止前行駛的距離，
[0039] U為能見度距離，
[0040] to為制動反應時間，
[0041 ] t為制動時間；
[0042] 當前車出現交通事故或拋錯、故障等停車時，L3取值為0;前后兩車的安全停車距 離L安一般取5m，運樣安全不追尾條件變為b (to) +L2 (t) +接< Lj。
[0043] 在本系統中，為便于信息發布，可W給出推薦限速值，如下表：
[0044] 表1低能見度下限速推薦值 「nruf。
'[0046]本系統還包括AD轉換器，對降雨量信息和能見度信息的模擬信號轉換為數字信 號。
[0047] 本系統還包括信息發布控制器，用于控制顯示頻顯示速度信息。
[0048] 本系統還包括zigbee無線射頻模塊，用于雨量信息在雨量計和控制系統間的傳 輸，能見度信息在能見度儀和第二剎車距離子模塊之間傳輸，W及速度信息在控制系統和 信息發布控制器之間的傳輸。ZigBee技術作為一種新興的雙向無線通信手段，具有功耗低、 時延短、網絡容量大、可靠性高及成本低等特點，非常適合于高速公路上的信息傳輸。由于 TI公司技術實力雄厚，提供的開發工具、技術文檔、參考設計和應用知識等資料更為完整， 有利于平臺的搭建，因此將選用TI公司的ZigBee單忍片解決方案。運其中又W最新的 化ipcon公司的CC2430忍片表現最為出眾。該模塊分為發送和接收兩部分，發送部分安裝在 攝像頭處，用于實時發送經由圖像處理模塊得到的限速信息;接收部分集成在信息發布模 塊，將接收到的限速標志信息傳遞給LE郵良速顯示標志或口架式可變信息標志牌。
[0049] 結合圖5,假設在高速公路上B至化路段局部有雨且部分路段能見度較低，如圖所 示，預警系統工作過程如下：當C處雨量監測裝置，監測C處有雨，根據雨量大小，獲取雨量前 提下的速度值為80km/h，同時獲取基于能見度下的速度值90km/h，經過比較，雨量下的速度 值更小，向雙向車道上游可變信息標志牌發送限速80km/h的限速信息，即bl處、d2處可變信 息標志牌顯示限速80km/h;與C處相鄰的雨量監測裝置B、D監測雨量信息，經過計算B處由降 雨量獲得的速度值依然為80km/h，而基于能見度獲得的速度值為70km/h，向al、c2發送限速 信息70km/h;經過計算D處由降雨量獲得的速度值依然為70km/h，而基于能見度獲得的速度 值為80kmA，向C1、e2發送限速信息70kmA;與W上同理A、E、F處也進行監測。
[0050] 本系統可W與測速系統、排水系統配套使用。例如當根據雨量獲取車輛安全行駛 速度后，通過數據之間的傳輸設定測速系統的抓拍速度闊值;又例如，當雨量達到一定程度 時，切換排水系統的功率，將公路積水迅速排除，使車輛與地面的附著系數達到一個理想范 圍。
[0051] 同時本系統還可W對不同種類的車輛進行分別訓練，分別獲取其在相同雨量情形 下不同的安全車速。
[0052] 結合圖6,一種基于路域氣象站的高速公路限速信息獲取方法，包括W下步驟：
[0053] 步驟1，獲取降雨量信息，基于雨量信息獲取第一實時車速最大值；
[0054] 步驟2,獲取能見度信息，基于能見度信息獲取第二實時車速最大值；
[0055] 步驟3,對第一實時車速最大值和第二實時車速最大值進行比較，取較小值輸出并 顯示。
[0056] 具體的，在步驟1中所述第一實時車速最大值基于雨量與速度的關系獲得，所述雨 量與速度的關系通過訓練方式獲取，訓練包括W下步驟：
[0057] 步驟1.1，通過雨量獲取水膜厚度；
[005引步驟1.2,通過水膜厚度、路面結構、輪胎結構訓練獲得車輛輪胎與地面的附著系 數；
[0059] 步驟1.3,通過附著系數和車輛行駛速度訓練獲得剎車距離；
[0060] 步驟1.4,通過剎車距離、附著系數獲取雨量與速度之間的關系。
[0061 ]步驟2中通過停車視距模型來獲取車速，具體包括：
[0062] 步驟2.1，基于停車視距模型^(切)+1^2(*)-1^3(切4)<^獲取剎車距離，其中^為 制動反應距離，L2為制動距離，L3為前方車輛在后車制動并停止前行駛的距離，Lj為能見度 距離，to為制動反應時間，t為制動時間；
[0063] 步驟2.2,基于剎車距離獲取第二實時車速最大值。
【主權項】
1. 一種基于路域氣象站的高速公路限速信息系統，其特征在于，包括沿公路設置的若 干氣象站、與氣象站配合使用的顯示屏和控制系統； 所述每一氣象站包括一雨量計和一能見度儀， 所述雨量計監測該處雨量信息， 所述能見度儀監測該處能見度信息； 所述控制系統包括第一速度測算子系統、第二速度測算子系統、比較子系統， 所述第一速度測算子系統基于雨量信息獲取第一實時車速最大值， 所述第二速度測算子系統基于能見度信息獲取第二實時車速最大值， 所述比較子系統對第一實時車速最大值和第二實時車速最大值進行比較，輸出其中較 小值； 所述每兩個顯示屏為一組顯示比較模塊輸出的速度信息，所述每一組顯示屏分別設置 于相對的高速公路上且分別位于相應雨量計的下游路段。2. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述第一速度測算子系統包括訓練模塊和 速度獲取模塊， 所述訓練模炔基于不同的雨量信息、雨量計所位于的路面結構、不同輪胎結構訓練獲 取雨量信息與車速間的關系， 所述速度獲取模塊根據實時雨量信息調用雨量信息與車速間的關系獲得第一實時車 速最大值。3. 根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述訓練模塊通過以下子模塊獲取獲取雨 量信息與車速間的關系： 水膜厚度子模塊，基于道路參數和雨量獲取水膜厚度， 附著系數子模塊，基于水膜厚度獲取車輛輪胎與地面的附著系數， 第一剎車距離子模塊，基于附著系數獲取安全剎車距離， 第一安全速度獲取子模塊，調用附著系數和安全剎車距離獲取車輛安全行駛速度。4. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述第二速度測算子系統通過以下子模塊 獲取能見度與車速間的關系： 第二剎車距離子模塊，基于停車視距模型獲取安全剎車距離， 第二安全速度獲取子模塊，基于安全剎車距離獲取第二實時車速最大值； 所述停車視距模型為 Li(to)+L2(t)_L3(to+t) < Lj 其中，Li為制動反應距離，L2為制動距離，L3為前方車輛在后車制動并停止前行駛的距 離，Lj為能見度距離，to為制動反應時間，t為制動時間。5. 根據權利要求3或4所述的系統，其特征在于，所述控制系統還包括反應時間子模塊， 用于存儲駕駛員反應時間和車輛反應時間，供獲取安全剎車距離時調用。6. 根據權利要求3或4所述的系統，其特征在于，所述控制系統中設置一取整子模塊，對 傳輸至顯示屏前的速度信息向下取至最接近的5的倍數。7. 基于上述任意一項系統的高速公路限速信息獲取方法，其特征在于，包括： 基于雨量信息獲取第一實時車速最大值，基于能見度信息獲取第二實時車速最大值； 對第一實時車速最大值和第二實時車速最大值進行比較，取較小值輸出并顯示。8. 根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一實時車速最大值基于雨量與速度 的關系獲得，所述雨量與速度的關系通過訓練方式獲取，訓練包括： 通過雨量獲取水膜厚度， 通過水膜厚度、路面結構、輪胎結構訓練獲得車輛輪胎與地面的附著系數， 通過附著系數和車輛行駛速度訓練獲得剎車距離， 通過剎車距離、附著系數獲取雨量與速度之間的關系。9. 根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二實時車速最大值通過以下步驟獲 取： 基于停車視距模型1^(如)+1^(〇-1^(如+〇<1^獲取剎車距離， 基于剎車距離獲取第二實時車速最大值； 其中L1為制動反應距離，L 2為制動距離，L 3為前方車輛在后車制動并停止前行駛的距 離，Lj為能見度距離，to為制動反應時間，t為制動時間。
【文檔編號】G08G1/09GK105825692SQ201610373284
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月31日
【發明人】張萌, 倪懷洲, 蘭天雨, 劉彥烽, 朱寶林, 李霖, 柴智, 田苗苗, 王瞳, 江睿南, 程寅, 惠嘉, 雷謙榮, 郭朝陽, 李亞非, 陳明
【申請人】山東交通學院, 交通運輸部科學研究院, 交科院公路工程科技(北京)有限公司