一种高速公路路侧预警装置

摘要

本发明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。本发明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。

主权项

一种高速公路路侧预警装置，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，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。其特征在于：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：L₁为光束1测量角度下路侧预警装置与运行车辆的距离；L₂为光束2测量角度下路侧预警装置与运行车辆的距离；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；θ为光束1和光束2激光发射波夹角；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；T₁为检测车辆进入光束1时，半导体激光模块首次接收到光束1的脉冲激光反射波的时间；T₃为检测车辆离开光束1时，半导体激光模块最后接收到光束1的脉冲激光反射波的时间；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：当且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δ_road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。