一种基于连续地磁检测器的高速公路合流区车辆预警系统

摘要

本发明提出一种高速公路合流区车辆安全预警系统，包含车辆信息采集系统，信息分析系统，预警信息发布系统；结合连续设置的车辆地磁检测器实时采集到的行驶于匝道及主路最外侧车道且即将进入高速公路合流区车辆的驶入时间，车辆速度，车辆长度信息，针对每一辆即将汇入主路车流的车辆进行冲突判断及合理引导。可有效避免高速公路合流区因视距不足或大型车辆状态限制所引发的交通事故。

说明书

技术领域

本发明属于交通安全控制领域，具体涉及一种基于连续地磁检测器的高速公路合流区车辆预警系统，旨在通过对实时交通信息的处理，对合流区冲突状态进行预警并对匝道车辆进行控制以避免冲突的系统。

背景技术

随着近年来我国汽车保有量及高速公路客货运总量的不断增加，高速公路上交通事故的发生率也在逐年提高。高速公路匝道汇入的合流区位置是高速公路上发生冲突及交通事故的出现冲突及发生交通事故的高频区域，根据统计，我国在高速公路上发生的交通事故中超过30％发生于匝道入口合流区主路及匝道车辆产生的冲突。高速公路合流区产生大量交通冲突的原因在于匝道车辆无法获取主路车流间的可汇入空挡信息。同时，在一些高速公路内，由于地理，环境及道路线型等因素的影响，主路及匝道上即将驶入匝道入口合流区的车辆驾驶员只有当车辆十分接近匝道入口时才能观察到具有潜在冲突可能的合流车辆，尤其是当匝道车辆或主路最外侧车道存在大型客货车辆时，由于大型车辆超载，制动能力不足及自身车辆长度等因素的限制，在合流区由于车辆合流产生的冲突而发生交通事故的可能性更大。因此，在高速公路合流区增加具有实时监控能力的高速公路合流区预警系统，可以为匝道驾驶员提供安全汇入主路车流的信息，减少由于匝道车辆驾驶员对主路车流状态不了解引发的交通冲突，对改善高速公路行车安全具有重要意义。

现有的国内专利中，对于高速公路合流区预警系统的研究不够全面。大多数研究中均未考虑合流车辆的车身长度对车辆合流的影响，而实际情况下，高速公路上行驶的一些大型车辆汇入主线车流的困难度远高于小型车辆。同时，现有的部分研究中并未对主路车辆及匝道车辆的冲突状态进行判断，仅仅是将主路与匝道上车流信息提供给车辆驾驶员，仍需要驾驶员对合流情况进行判断。基于以上情况，在高速公路合流区增加基于连续设置的地磁检测器的车辆冲突预警系统，使用连续设置的地磁检测器获得更加精确的车辆速度及长度信息可以增加系统对于冲突状态的判断准确率，对提高高速公路合流区交通安全具有重要意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种高速公路合流区车辆安全预警系统，包含车辆信息采集系统，信息分析系统，预警信息发布系统。

车辆信息采集系统包括主路车辆信息检测器，由设置于高速公路合流区入口前主路最左侧车道距合流区入口距离为x₁距离处的连续两个距离为d的检测器构成，其距离x₁根据高速公路设计车速预设，采用地磁检测器，用于采集行驶于主路最左侧车道的车辆i通过检测器时间t_i，车辆速度v_i及车辆长度l_i；匝道车辆信息检测器，由设置于高速公路合流区前匝道距合流区入口距离为x₂处的连续两个距离为d的检测器构成，其距离根据匝道设计车速预设，采用地磁检测器，用于采集匝道车辆A通过检测器时间t_A，车辆速度v_A及车辆长度l_A；合流区车辆数量检测器设置于主路最外侧距合流区入口处距离为x₃处，且采用地磁检测器，用于与主路车辆信息检测器共同统计每一时刻位于主路合流区的车辆数量。

信息分析系统包括信息接收单元，用于接收主路车辆信息检测器，匝道车辆信息检测器，合流区车辆数量检测器采集到的车辆信息；信息存储单元，用于存储主路合流区内行驶的车辆的通过时间，车速，车辆长度信息，匝道车辆的通过时间，车速，车辆长度信息及任意时刻存在于高速公路合流区的车辆数量；信息处理单元，用于根据信息存储单元中存储的数据，分析合流区是否会发生主路车辆与匝道车辆的冲突，并根据算法计算匝道车辆的建议合流速度。

预警信息发布系统使用设置于匝道上并且距合流区入口处距离为x₄处的显示屏及指示灯，距离x₄需要通过驾驶员反应时间及车辆内驾驶员或乘客可接受减速所需距离确定，即需要保障车辆在接受预警信息后有足够的时间将速度降低至系统建议值。预警信息发布系统的作用是将信息分析系统处理得到的预警信息及引导信息显示给匝道车辆。

为了便于判断合流车辆的冲突状态，根据高速公路合流区的实际特征，选取车辆汇入的最可能位置作为匝道车辆汇入主线车流的位置，即潜在冲突点，将潜在冲突点距合流区入口的距离记为x_c。由于实际车辆汇入中可能选择其附近的点作为汇入点，同时在整个车身范围内任意一点产生冲突均有可能造成交通事故，因此选择以潜在冲突点为中心的一段区域作为判断是否发生冲突的冲突区，冲突区的长度为l_c：

l_c＝l_max+Δl

其中，l_max为主路车辆长度l_i与匝道车辆长度l_A中较大值，Δl为汇入车辆可能选择的汇入点据潜在冲突点的距离。

基于已经得到的冲突区位置及长度，本发明提出的一种高速公路合流区车辆安全预警系统具体实施过程如下：

步骤1：初始化系统，将信息存储单元中存储合流区主路车辆的数据清空，将冲突预警标志记为0。当主路车辆信息检测器检测到车辆通过检测器时，依次记录车辆编号i(i＝1,2,3,...,n)，结合车辆i通过连续两个地磁检测器的时间间隔Δt_i计算车辆i的行驶速度，即根据车辆i的速度得到车辆i的长度，即l_i＝v_iΔt_i′，其中Δt_i′为车辆通过主路车辆信息检测器的第一个地磁检测器的时间，并将检测器采集到的车辆信息存储有信息存储单元中，当合流区车辆数量检测器检测到该车通过时，则将信息存储单元中该车辆信息删除，并将其后车辆编号依次提前一位。

步骤2：当匝道车辆信息检测器检测到匝道车辆A通过检测器时，结合车辆A通过连续两个地磁检测器的时间间隔Δt_A计算车辆A的行驶速度，即根据车辆A的速度得到车辆A的长度，即l_A＝v_AΔt′_A，其中Δt′_A为车辆通过匝道车辆信息检测器的第一个地磁检测器的时间，最后将车辆A的车辆信息加入信息存储单元。同时考虑到车辆在未获取到预警信息时，车辆驾驶员倾向于保持原速度行驶，因此信息处理单元可以通过匀速直线运动计算无预警状态下的匝道车辆进入及驶出冲突区的时间t_A1，t_A2：

步骤3：在信息接收单元在得到匝道车辆检测器采集到的匝道车辆数据后，信息处理单元计算仍处于合流区域范围内主路车辆i驶入及驶出冲突区域的时间t_i1，t_i2：

步骤4：将步骤2中计算得到的匝道车辆A位于冲突区的时间(t_A1,t_A2)与步骤3中计算得到的处于主路车辆信息检测器和合流区车辆数量检测器之间的车辆驶入及驶出冲突区的时间(t_i1,t_i2)进行比较，若存在时间区间的重叠则表明匝道车辆A与主路车辆i存在冲突危险，将冲突预警标志记为1，并记录下产生时间区间重叠的主路车辆i，否则，将冲突预警标志记为0，并跳转至步骤10。

步骤5：当车辆预警标记为1时表明匝道车辆A与主路车辆i存在冲突，计算发生冲突的主路车辆i后，各车辆车头位置与前一车辆的车尾位置的时距h_ri：

步骤6：通过匝道车辆信息检测器获得的车辆通过匝道车辆A的车辆长度，将车辆A划分为大型车，中型车及小型车中的一类以获得车辆A顺利合流需要的前后车时距h_A。

步骤7：将步骤5求得的冲突车辆后各车与前车形成的空挡时长h_ri与匝道车辆汇入主路车流所需的空挡时长h_A进行比较，若满足条件h_A＜h_ri，则车辆A可以顺利合流，同时，可认为冲突区出现可穿越空挡的时间t_ri是前车离开冲突区的时间t_i2：

t_ri＝t_i2

步骤8：假设车辆以加速度a做匀减速运动的行驶时间为t，可得匝道车辆A减速行驶过程中行驶距离x_A1为：

其中，Δt为驾驶员收到信号至做出相应的减速操作前的反应时间及驾驶员进行减速操作至车辆开始减速的机器反应时间，v_A(t)表示匝道车辆A的车速随时间的变化关系。

则通过反应时间Δt可以得到车辆在反应时间内以匝道车辆接收到预警信息前的车速v_A做匀速率运动时的行驶距离x_A2为：

在匝道车辆A减速至满足汇入要求的车速后，可认为车辆将保持匀速率行驶至潜在冲突点，并汇入主线车流，则车辆在保持匀速率行驶状态时行驶距离x_A3为：

其中，v_A′表示匝道车辆A在经过时长为t的匀减速运动后所达到的保持的匀速率运动的速度值，即本系统建议匝道车辆采用的合流速度，则v_A′＝v_A-at。

由于匝道车辆A在经历上述三个阶段，即反应阶段，匀减速阶段，匀速率行驶阶段的行驶过程后，车辆应已经行驶至潜在冲突点并准备汇入主路车流中，因此，经过反应阶段，匀减速阶段，匀速率行驶阶段的行驶后车辆的行驶距离应满足与设置于匝道的显示屏与指示灯到潜在冲突点的距离相等的关系，即满足表达式：

x_A1+x_A2+x_A3＝x_c+x₄

通过联立以上各式可以解得车辆以匀减速运动状态行驶的时间t：

步骤9：通过计算得到的匝道车辆A以匀减速运动状态行驶的时间t，结合车辆加速度可以求得为避免可能发生的冲突中车辆以匀速率状态行驶时应保持的速度v_A′：

v_A′＝v_A-at

步骤10：信息处理单元读取冲突预警标志的状态，若冲突预警标志状态为0，则说明在冲突判断的过程中，通过算法判断匝道车辆A在通过匝道入口合流区时不会与主路上车辆发生冲突，即不对匝道车辆进行冲突预警，则信息处理单元将无冲突隐患，不对匝道车辆进行预警的信息通过冲突预警标志传递给预警信息发布系统，预警信息发布系统接收到状态为0的冲突预警标志后，在设置于匝道的显示屏上显示“无冲突危险，请保持当前车速”，同时指示灯显示为绿色；若信息处理单元读取的冲突预警标志状态为1，则说明冲突判断的过程中，通过算法判断匝道车辆A在通过匝道入口合流区时存在与主路车辆发生冲突的可能性，并读取计算得到的匝道车辆避免冲突建议车速v_A′，将冲突预警标志及建议车速v_A′共同传递给预警信息发布系统，预警信息发布系统接收到状态为1的冲突预警标志后，在设置于匝道的显示屏上显示“存在冲突危险，请减速行驶，建议车速：v_A′”，同时指示灯显示为红色。

本发明的优点在于：

(1)结合连续设置的车辆地磁检测器实时采集到的行驶于匝道及主路最外侧车道且即将进入高速公路合流区车辆的驶入时间，车辆速度，车辆长度信息，针对每一辆即将汇入主路车流的车辆进行冲突判断及合理引导，可有效避免高速公路合流区因视距不足或大型车辆状态限制所引发的交通事故。

(2)在进行高速公路合流区冲突判断的过程中，考虑主路及匝道上即将合流的车辆长度作为判断合流区可能发生车辆冲突的冲突区大小，有效地结合高速公路上交通事故高发的大型车辆的特点进行冲突状态的判断，可以取得较高的冲突判断准确率。

(3)在对车辆进行预警的同时，搜索主路车流中可供匝道车流汇入的空挡，可以给出匝道车辆安全汇入的建议速度，可帮助驾驶员了解合流情况，减少驾驶员对合流情况判断不足所导致的交通事故发生的可能性。

附图说明

图1为本发明高速公路合流区预警系统的结构框图

图2为本发明高速公路合流区预警系统的整体流程图

图3为本发明高速公路合流区预警系统的合流区及设施示意图

图中：

1-主路车辆信息检测器2-匝道车辆信息检测器3-合流区车辆数量检测器4-预警信息发布设施5-冲突区

具体实施方式

下面结合具体事例和附图对本发明作进一步说明。

本发明提出一种高速公路合流区车辆安全预警系统，包含车辆信息采集系统，信息分析系统，预警信息发布系统。具体实例中，高速公路合流区加速车道长度为200m。

车辆信息采集系统包括主路车辆信息检测器，由设置于高速公路合流区入口前主路最左侧车道距合流区入口距离为200m距离处的连续两个距离为1m的检测器构成，即x₁＝200m，d＝1m，采用地磁检测器，用于采集行驶于主路最左侧车道的车辆i通过检测器时间t_i，车辆速度v_i及车辆长度l_i；匝道车辆信息检测器，由设置于高速公路合流区前匝道距合流区入口距离为100m处的连续两个距离为1m的检测器构成，即x₂＝200m，d＝1m，采用地磁检测器，用于采集匝道车辆A通过检测器时间t_A，车辆速度v_A及车辆长度l_A；合流区车辆数量检测器设置于主路最外侧距合流区入口处距离为150m处，即x₃＝150m，且采用地磁检测器，

信息分析系统包括信息接收单元，用于接收主路车辆信息检测器，匝道车辆信息检测器，合流区车辆数量检测器采集到的车辆信息；信息存储单元，用于存储主路合流区内行驶的车辆的通过时间，车速，车辆长度信息，匝道车辆的通过时间，车速，车辆长度信息及任意时刻存在于高速公路合流区的车辆数量；信息处理单元，用于根据信息存储单元中存储的数据，分析合流区是否会发生主路车辆与匝道车辆的冲突，并根据算法计算匝道车辆的建议合流速度。

预警信息发布系统使用设置于匝道上并且距合流区入口处距离为150m处的显示屏及指示灯，即x₄＝150m，距离x₄需要通过驾驶员反应时间及车辆内驾驶员或乘客可接受减速所需距离确定，即需要保障车辆在接受预警信息后有足够的时间将速度降低至系统建议值。预警信息发布系统的作用是将信息分析系统处理得到的预警信息及引导信息显示给匝道车辆。

为了便于判断合流车辆的冲突状态，根据高速公路合流区的实际特征，选取车辆汇入的最可能位置作为匝道车辆汇入主线车流的位置，即潜在冲突点，本例中将潜在冲突点距合流区入口的距离设为160m，即x_c＝160m。由于实际车辆汇入中可能选择其附近的点作为汇入点，同时在整个车身范围内任意一点产生冲突均有可能造成交通事故，因此选择以潜在冲突点为中心的一段区域作为判断是否发生冲突的冲突区，冲突区的长度为l_c：

l_c＝l_max+Δl

其中，l_max为主路车辆长度l_i与匝道车辆长度l_A中较大值，Δl为汇入车辆可能选择的汇入点据潜在冲突点的距离。

基于已经得到的冲突区位置及长度，本发明提出的一种高速公路合流区车辆安全预警系统具体实施过程如下：

步骤1：初始化系统，将信息存储单元中存储合流区主路车辆的数据清空，将冲突预警标志记为0。当主路车辆信息检测器检测到车辆通过检测器时，依次记录车辆编号i(i＝1,2,3,...,n)，结合车辆i通过连续两个地磁检测器的时间间隔Δt_i计算车辆i的行驶速度，即根据车辆i的速度得到车辆i的长度，即l_i＝v_iΔt_i′，其中Δt_i′为车辆通过匝道车辆信息检测器的第一个地磁检测器的时间，并将检测器采集到的车辆信息存储有信息存储单元中，当合流区车辆数量检测器检测到该车通过时，则将信息存储单元中该车辆信息删除，并将其后车辆编号依次提前一位。

步骤2：当匝道车辆信息检测器检测到匝道车辆A通过检测器时，结合车辆A通过连续两个地磁检测器的时间间隔Δt_A计算车辆A的行驶速度，即根据车辆A的速度得到车辆A的长度，即l_A＝v_AΔt′_A，其中Δt′_A为车辆通过匝道车辆信息检测器的第一个地磁检测器的时间，最后将车辆A的车辆信息加入信息存储单元。同时考虑到车辆在未获取到预警信息时，车辆驾驶员倾向于保持原速度行驶，因此信息处理单元可以通过匀速直线运动计算无预警状态下的匝道车辆进入及驶出冲突区的时间t_A1，t_A2：

步骤3：在信息接收单元在得到匝道车辆检测器采集到的匝道车辆数据后，信息处理单元计算仍处于合流区域范围内主路车辆i驶入及驶出冲突区域的时间t_i1，t_i2：

步骤4：将步骤2中计算得到的匝道车辆A位于冲突区的时间(t_A1,t_A2)与步骤3中计算得到的处于主路车辆信息检测器和合流区车辆数量检测器之间的车辆驶入及驶出冲突区的时间(t_i1,t_i2)进行比较，若存在时间区间的重叠则表明匝道车辆A与主路车辆i存在冲突危险，将冲突预警标志记为1，并记录下产生时间区间重叠的主路车辆i，否则，将冲突预警标志记为0，并跳转至步骤10。

步骤5：当车辆预警标记为1时表明匝道车辆A与主路车辆i存在冲突，计算发生冲突的主路车辆i后，各车辆车头位置与前一车辆的车尾位置的时距h_ri：

步骤6：通过匝道车辆信息检测器获得的车辆通过匝道车辆A的车辆长度，将车辆A划分为大型车，中型车及小型车中的一类以获得车辆A顺利合流需要的前后车时距h_A，本例中大型车汇入所需时间采用8s，中型车汇入所需时间采用6s，小型车汇入所需时间采用4s。

步骤7：将步骤5求得的冲突车辆后各车与前车形成的空挡时长h_ri与匝道车辆汇入主路车流所需的空挡时长h_A进行比较，若满足条件h_A＜h_ri，则车辆A可以顺利合流，同时，可认为冲突区出现可穿越空挡的时间t_ri是前车离开冲突区的时间t_i2：

t_ri＝t_i2

步骤8：假设车辆以加速度a做匀减速运动的行驶时间为t，可得匝道车辆A减速行驶过程中行驶距离x_A1为：

其中，Δt为驾驶员收到信号至做出相应的减速操作前的反应时间及驾驶员进行减速操作至车辆开始减速的机器反应时间，v_A(t)表示匝道车辆A的车速随时间的变化关系。

则通过反应时间Δt可以得到车辆在反应时间内以匝道车辆接收到预警信息前的车速v_A做匀速率运动时的行驶距离x_A2为：

在匝道车辆A减速至满足汇入要求的车速后，可认为车辆将保持匀速率行驶至潜在冲突点，并汇入主线车流，则车辆在保持匀速率行驶状态时行驶距离x_A3为：

其中，v_A′表示匝道车辆A在经过时长为t的匀减速运动后所达到的保持的匀速率运动的速度值，及本系统建议匝道车辆的合流速度，则v_A′＝v_A-at。

由于匝道车辆A在经历上述三个阶段，即反应阶段，匀减速阶段，匀速率行驶阶段的行驶过程后，车辆应已经行驶至潜在冲突点并准备汇入主路车流中，因此，经过反应阶段，匀减速阶段，匀速率行驶阶段的行驶后车辆的行驶距离应满足与设置于匝道的显示屏与指示灯到潜在冲突点的距离相等的关系，即满足表达式：

x_A1+x_A2+x_A3＝x_c+x₄

通过联立以上各式可以解得车辆以匀减速运动状态行驶的时间t：

步骤9：通过计算得到的匝道车辆A以匀减速运动状态行驶的时间t，结合车辆加速度可以求得为避免可能发生的冲突中车辆以匀速率状态行驶时应保持的速度v_A′：

v_A′＝v_A-at

步骤10：信息处理单元读取冲突预警标志的状态，若冲突预警标志状态为0，则说明在冲突判断的过程中，通过算法判断匝道车辆A在通过匝道入口合流区时不会与主路上车辆发生冲突，即不对匝道车辆进行冲突预警，则信息处理单元将无冲突隐患，不对匝道车辆进行预警的信息通过冲突预警标志传递给预警信息发布系统，预警信息发布系统接收到状态为0的冲突预警标志后，在设置于匝道的显示屏上显示“无冲突危险，请保持当前车速”，同时指示灯显示为绿色；若信息处理单元读取的冲突预警标志状态为1，则说明冲突判断的过程中，通过算法判断匝道车辆A在通过匝道入口合流区时存在与主路车辆发生冲突的可能性，并读取计算得到的匝道车辆避免冲突建议车速v_A′，将冲突预警标志及建议车速v_A′共同传递给预警信息发布系统，预警信息发布系统接收到状态为1的冲突预警标志后，在设置于匝道的显示屏上显示“存在冲突危险，请减速行驶，建议车速：v_A′”，同时指示灯显示为红色。