专利名称：高速公路安全行车系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高速公路上增加汽车行车安全的系统，它综合使用了 GPS (全球定位系统 Global Positioning System)、GPRS (通用分组无线业务 General Packet Radio Service)系统和GIS (地理信息系统GeographicInformation System)等技术手段。
背景技术：
现在高速公路管理部门，对路上的行车状况基本上不掌握不管理，只是在雾天雪天时加以简单管理——限时间隔放行或索性关闭整条高速公路。这样不禁大大影响交通， 而且雾的浓度是随时间地点而不断变化的，入口处能见度尚好时放行的车辆，在途中常忽遇浓雾，就往往造成连环追尾等特大事故。目前有些车装的“防撞雷达”，或是利用超声波，作用距离很短，只能作倒车提示； 或是利用可见光，进行动态图像分析，一到雾天就与人眼一样失去作用。还有真的把毫米波雷达装到汽车上，但要让本来用于探测数以千米计的“看远处”的雷达，来探测数十米近处的物体，技术上代价太高。最后，即使有办法探测近处的物体，但怎样把同向(同车道)行驶的汽车，与逆向(反向车道)的汽车或路边的其他物体区别开以减少误报的问题始终解决的不好，所以近年来“防撞雷达”虽时有报道，但从未有真正实用的商品出现。高速公路上各车车速的全程监测也是个没有解决的问题。现有的测速雷达只能在少数路段某些时候使用，监视作用很有限，且车主也已有很多反雷达措施对抗它。另一方面，美国的GPS(全球定位系统Global Positioning System)在民用领域对移动物体的定位精度现已可达15米左右，价格便宜；但因制式关系，它的精度对防撞而言还嫌不足，更重要的是它是单向通讯的，每辆车只收不发，无法让有关各方知道自己以的位置和速度，因此无法用来防撞，高速公路管理部门也无法掌握各车的信息。中国的北斗卫星定位系统虽可双向通讯，车载台可向管理系统通报自己的位置， 但定位精度误差较大(几十米)，且系统容量太有限(全国才约54万户)，造价太高，在公路防撞领域不具有实用性。再一方面，无线通讯的一个分支GPRS (通用分组无线业务GeneralPacket Radio Service)系统，技术成熟，费用低廉，组网覆盖全国。如果把它与GPS有机结合，组成高速公路专用的动态实时GIS(地理信息系统 Geographic Information System)，则可以有所突破，构建高速公路专用的汽车安全行车系统。通过中国专利信息中心和其它有关网站搜索，发现目前也已有把GPS与GPRS结合的车辆“救援”和“导航”系统出现，但定位和速度精度不足，无法增强高速公路的行车安全， 用途与本发明相距甚远。唯有一个《基于组合导航的高速公路全程监测装置》专利有点类似，但其未用差分修正技术，精度不足(民用GPS位置误差15米，从而推算出的速度误差可超过40Km/h)，用于超速告警，显然不具有实用性；另外，该专利还无法判断车辆是在哪条车道，无法通知它附近有关车辆与它的距离和方向，恶劣气候下实用性有限；最后，该专利
3规定发动机停车后该装置便不工作，这也不利于公路整体安全。还有三个专利《基于GPRS 通讯的米级精度实时差分GPS手持采集器》、((GPS手持机差分伴侣装置》和《实时差分大屏幕手持机》，确可以提高位置GPS精度，但只适用于静态地形测量，不能用于高速公路的车辆管理系统。因而，迄今为止，未发现任何高速公路安装使用了与本发明类似的行车安全系统。
发明内容
3. 1要解决的技术问题本发明的目的是，在高速公路上组建一个系统，它要有以下功能A.无论白天或夜间，甚至能见度不好的雾天雪天都能有效使用。B.每辆汽车可以知道且只知道离它一定距离内的其它“有关车辆”的位置。“有关车辆，，是指在附近同向车道上静止或运动中的汽车。C.要有效排除非“有关车辆”的位置信息干扰，比如高速公路旁的类似汽车的物体，比如逆向车道上近处的车辆等。D.系统能实时知道路上每一辆车的位置和车速，实现“全车、全程、全时”车速监测。从而能向每辆车通报其在本车道“提醒距离”内的所有车的距离和车速，并向驾驶者提醒采取初步措施(比如减速)。“提醒距离”是指一旦此距离内有“有关车辆”时，本车驾驶员须谨慎驾驶或减速。此距离与天气、路况、以及本车和“有关车辆”各自的速度都有关系， 从能见度良好、晴天、慢车的10米，到雾天、湿滑、快车的300米都有可能。E.当系统发现有车超速或太慢时，能向它发出告警，提示它应减速或加速。F.当系统感到在某车的“危险距离”内有别的车时，能向该车驾驶者通报那些有相碰危险的车的参数，让他采取紧急措施(比如刹车等)。“危险距离”是指一旦此距离内有 “有关车辆”时，本车驾驶员须立即采取措施以避免相撞。此距离也与天气、路况、以及本车和“有关车辆”各自的速度都有关系，通常小于“提醒距离”。G.当车辆在高速公路上因故停止时，能自动向系统发出信号，表明原因，以便向 “有关车辆”发出重要信息或求援信号。3. 2技术方案本发明将采用以下措施实现以上目标3.2.1在每条高速公路的两个端口即收费站建立高速公路专用基准站(差分台)。该基准站设有主机，配有全套GPS和GPRS软硬件。基准站采用差分GPS (DGPS)技术， 进行GPS观测，从而测出基准站自身精确坐标(可精准到cm级)。再把此精准值与实时观测值进行比较，从而得出一修正数，并利用GPRS对外发布。3. 2. 2收费站给每辆进入车辆派发一个特制的车载高速公路专用GPS，该装置除了有普通车载GPS所应有的全部功能外，将利用移动通讯公司现有发达的通讯网，与基准站进行双向GPRS通讯。从而具有以下功能a.汽车上的普通(低价)GPS接收机收到上述修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。利用此差分GPS技术，快速运动车辆定位精度可提高到5米左右，静止车辆定位精度可提高到1米左右。这就为避免碰撞创造了条件。
b.该装置不断实时向基准站报告本车位置，并不断接收基准站发来的其它“有关车辆”的位置信息及其它信息。c.该装置装有ID(Identificati0n)芯片，该芯片具有在全国范围内唯一的识别 ID码，在收费口向通过车辆分发和回收该装置时，用无线读卡器读出和登记此识别码，以使基准站可以识别该车并由此区分该装置是装在去车方向车道的车辆上还是来车方向车道的车辆上。d.该装置有声光显示功能，在接到基准站指令后能向驾驶员发出“提醒”、“超速”、 “太慢”或“告警”等声光、文字短信息、语音或图形信号。并显示且只显示“有关车辆”的方位(前或后)和距离，以便驾驶员采取适当措施。e.该装置还有基准站询问功能，在接到基准站“你现在情况如何”指令后能用语音向驾驶员发出“询问”信号。f.该装置有主动停车按钮，当驾驶员欲主动停车时先按下此钮，便会向基准站通过GPRS发送“我将临时停车”信息。g.该装置有运动传感器，当车辆出事故停止运动时，便会自动向基准站发送“我已停车”信息。此信号与上述主动停车信号的不同组合，使系统可判断该车是正常停车还是非正常停车。h.该装置有求助按钮，当驾驶员按下此钮，便会向基准站发送“我希望得到帮助” fn息ο3. 2. 3基准站利用成熟技术，在站内主机建立动态实时GIS(地理信息系统 Geographic Information System)，配合预先建立的本高速公路精确的电子地图(可精准到cm级)，把车载高速公路专用GPS通过GPRS传回的车辆数据建立一个在本高速公路区间内每辆车的实时位置和速度信息数据库。两端的两个基准站数据和计算都同步，车载高速公路专用GPS与哪个通讯都可以。基准站主机利用数据库可进行以下多种操作a.算出每辆车精确的位置和速度，由此算出每辆车的相位差分修正数据，发送给各车，以提高他们显示的位置和速度信息精度。b.发现超速车辆则向它发出“超速告警”信号，要求它减速。发现车速长时间低于下限的车辆则向它发出“太慢”信号，要求它加速。c.根据车速、天气和路面等条件，算出每辆车的“提醒距离”和“危险距离”，检查此距离内有无其它同向(同车道)“有关车辆”，如有，则向该车发出“提醒”或“报警”信号， 并同时发上此距离内的“有关车辆”的速度和位置信息。d.根据每辆车的速度以及发回的应答信息，决定是否要向该车询问情况或派人救援。3. 2. 4每辆车驶离收费站时，收回车载高速公路专用GPS，以便双向循环使用。3. 3有益效果由于采用上述设计，因此带来一系列好处第一、可以向使用者合理收费，商业上可行。此技术之所以普通车用GPS不能采用，是由于基准站十分昂贵，没有公司可以无偿地大面积地为所有GPS用户提供这种服务， 因为它没法向普通GPS用户收费，商业上不可行。而高速公路收费站则很容易向通行的车辆加收此服务的费用。
第二、中国已建立遍布城乡的移动通讯网，高速公路管理部门无需再建自己的 GPRS通讯网，大大减少此系统的初始投资。第三、由于车载专用GPS同基准站之间的信息传送量很小，故使用GPRS的带宽和速率足够，无需用GSM或3G等昂贵的无线通讯手段。可“永远在线”而费用又十分低廉，由于无需拨号上网，故通讯的建立几乎没有时延，确保了车位和车速的的精度。第四、对使用该系统的驾驶员而言，无需购买专用设备造成长期闲置，使用费也相对低廉，可以无阻力接受此系统服务。第五、由于在全国范围内ID识别码是唯一的，确保了高速公路上的上下行车不会混淆。第六、GPS和GPRS信号受风雪雨雾等天气影响很小，确保了在恶劣天气时系统的可靠性和准确度。第六、大量的复杂计算都在基准站内的主机上进行，车载专用GPS可以做的很简单很便宜，便于推广普及。第七、可大大提高现有民用车载GPS定位精度。第八、凡进入本车所用车道的车辆都有专用GPS，确保同一车道上所有的车辆信息都能与基准站通讯，实现平时尤其是恶劣天气下安全行车和交通通畅。第九、本车所用车道旁的与车辆类似的物体，由于未装专用GPS，不会像所有主动型雷达那样给本车发送伪信息；而逆向车道上其他车的信息，由于有识别码，基准站也不会将其信息发送给本车道的车辆，确保了不会误报警。第十、由于实时监控了车辆速度，于是可减少平时路上事故发生。第十一、可大大提高雾天等恶劣气候下高速公路的通过能力并大大减少事故发生。第十二、管理部门可及时发现事故的地点、事故车辆数和受阻车辆数，以便及时组织有针对性的救援和疏导。
附图1是一段完整的高速公路安全系统结构示意图。附图2是车载高速公路专用GPS的结构框图。附图3是高速公路GPS基准站的结构框图。图中，1.基准站及其收发信号2.收费站(出入口) 3.卫星及其发送的单向信号 4. B车道及行车方向5.在A车道上行驶的车辆 6. A车道及行车方向7.在B车道上行驶的车辆8.提醒信号灯(黄色)9.主动停车按钮10.求助按钮11.回复按钮 12. GPRS模块 13.卫星通讯模块 14.电子控制单元E⑶ 15. ID芯片 16.显示屏 17. GPRS天线18.卫星通讯天线19.运动传感器20.警告信号灯(红色)21.系统主机图中特粗实线表示导线、信号线。图中虚线围住的部分表示普通GPS通常含有的部件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。5. 1 结构5. 1. 1 基准站在每条高速公路的两个端口即收费站各建一个本公路专用基准站(1)。每个基准站⑴都建有一个GPRS天线(17)和一个GPS卫星通讯天线(18)。天线(17、18)分别通过 GPRS模块(1 和卫星通讯模块(1 接入系统主机00)。两个基准站(1)的主机00)在系统中地位对等，除装有外购的通用GPS、GPRS软件外，还装有特有的能把GPS、GPRS连接接起来，建立和运行GIS的系统软件，把本高速公路上专用GPS组成一个广域网。5. 1.2车载高速公路专用GPS见图2。图中虚线框内基本是是一个成熟的民用GPS的硬件，它主要由显示屏 (16)、电子控制单元ECU (Electronic Control Unit) (14)、卫星信号接收单元(13)、卫星通讯天线(18)构成。在此基础上加上GPRS模块(12)、ID芯片(15)、GPRS天线(17)、运动传感器(19)、及外壳上的红色警告信号灯00)、黄色的提醒信号灯(8)、主动停车按钮(9)、求助按钮(10)和回复按钮(11)。以上的GPRS模块(12)电路上一端接GPRS天线(17)，另一端接电子控制单元E⑶(14)。而ID芯片(15)、运动传感器(19)、信号灯(20)、(8)、按钮(9)、 按钮(10)和按钮(11)都直接与ECU(14)相连。以上硬件都装在一个外壳内，只是ECU(14) 内的终端软件是特有的，它能够把普通民用GPS与另加上的其它零部件有机地整合成一个专用装置并与基准站(1)通讯，组成一个广域网。车载高速公路专用GPS的安装方式与普通民用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)技术，精确测定基准站(1)的空间坐标，(精度可达到cm级)然后进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并通过GPRS模块(12)、GPRS天线(17)向本路段所有车载高速公路专用GPS 发布此修正数。5. 2. 2本路段上车载高速公路专用GPS通过GPRS天线(17) ,GPRS模块(12)收到修正数后，ECU (14)将据此修正自身的来自卫星的GPS数据，从而大大提高提高本车位置的精度并在屏幕(16)上显示。同时通过GPRS模块(12)、GPRS天线(17)向基准站(1)发回精确的车位数据，误差不超过5米。民用GPS能显示的其它信息和功能，如地图、方位、预报等，车载高速公路专用GPS 同样都具有。5. 2. 3基准站(1)收到本路段汽车的精确位置后，就可以算出该车的速度。如此， 基准站(1)配合预先建立的本高速公路精确的电子地图，就可以建立本路段(双向)所有车辆动态实时位置和速度的地理信息系统GIS数据库。根据天气和路面等条件，算出此时本路段的最高安全速度，比如晴天120Km/h，某种雾天20Km/h等。发现超速车辆则向它发出“超速告警”信号，要求它减速。发现车速长时间低于下限的车辆则向它发出“太慢”信号，要求它加速。发现静止的车辆便要考虑是否出了事故。根据车速、天气和路面等条件，算出每辆车的“提醒距离”和“危险距离”，检查此距离内有无其它同向(同车道)车辆，如有，则向该车发出“提醒”或“报警”信号，并同时发上此距离内的“有关车辆”的速度和位置信息。根据每辆车的速度以及发回的应答信息，决定是否要向该车询问情况或派人救援。5. 2. 4车载高速公路专用GPS收到基准站⑴发来的“提醒”或“报警”信号后， 一方面在屏幕(16)上显示有关车辆的位置速度信息，一方面点亮相应的指示灯并用语言告知驾驶人员。当驾驶人员按动主动停车按钮(9)、求助按钮(10)或回复按钮(11)时，GPRS模块 (12)、GPRS天线(17)同样将把相应信号发回给基准站(1)。5. 2. 5基准站(1)收到驾驶人员的按钮信号后，主机上将会有相关反应，管理人员将可以采取相应措施。
权利要求
1.一种高速公路安全行车系统，其特征是高速公路两端入口都建有基准站，每辆进入高速公路的汽车都装有车载高速公路专用GPS(全球定位系统GlobalPositioning System)，它们通过GPRS (通用分组无线业务General PacketRadio Service)联成一个系统。
2.根据权利要求1所述的高速公路安全行车系统，其特征是每个基准站除了建有一个标准的GPS系统以外，还建有一个GPRS天线，该天线通过GPRS通讯模块接入基准站内的系统主机，使主机能与车载高速公路专用GPS进行通讯。
3.根据权利要求1所述的高速公路安全行车系统，其特征是基准站系统主机除装有外购的通用GPS、GPRS软件外，还安装了特有的能把GPS、GPRS连接接起来，建立和运行高速公路专用的实时GIS (地理信息系统GeographicInformation System)的系统软件，该软件能实时监测本高速公路上所有车辆的位置和速度信息，同时把这些信息以及差分GPS校正信号等发给车载高速公路专用GPS。
4.根据权利要求1所述的高速公路安全行车系统，其特征是高速公路专用GPS内除了一个通用的民用GPS的硬件外，还加上在全国范围内有唯一识别码的ID芯片、运动传感器、GPRS模块、GPRS天线及红色警告信号灯、黄色提醒信号灯、主动停车按钮、求助按钮和回复按钮；其中GPRS模块电路上一端接GPRS天线，另一端接电子控制单元E⑶；而ID芯片、 运动传感器、两个信号灯、三个按钮都直接与ECU相连。
5.根据权利要求1所述的高速公路安全行车系统，其特征是车载高速公路专用GPS 的ECU (电子控制单元Electronic Control Unit)内装有特有的能把GPS、GPRS连接接起来并利用差分GPS校正信号提高本车速度和位置精度的终端软件。
6.根据权利要求1所述的高速公路安全行车系统，其特征是车载高速公路专用GPS 可以显示本车“提醒距离”和“危险距离”内的有关车辆信息，显示基准站给它的提醒或告警信息。
全文摘要
本发明是涉及一种高速公路上增加汽车行车安全的系统。它综合使用了GPS、GPRS系统和GIS等技术，精确实时测定整条高速公路上每辆车的位置和速度，并让每辆车也实时了解自身和周围有关车辆的信息，必要时可采取适当措施。此系统不仅可以大大减少高速公路事故，同时也可大大提高恶劣天气时高速公路的通过能力。
文档编号G08G1/0965GK102194330SQ20101015820
公开日2011年9月21日 申请日期2010年3月15日 优先权日2010年3月15日
发明者王永瑞, 邢刚, 黄学战 申请人:邢刚