用于监视交通和道路积水状况的装置、系统及方法

用于监视交通和道路积水状况的装置、系统及方法
【专利摘要】本发明涉及监视交通和道路积水状况的装置、系统及方法。通过无线传感器网络同时监视交通流和道路洪水。该装置和系统包含监视交通流、洪水状况、或两者的超声测距仪。可以从交通状况中计算路由信息，以便计算出避免不可通行或由于交通状况而缓行的道路的路线。
【专利说明】用于监视交通和道路积水状况的装置、系统及方法
[0001]优先权要求
[0002]本申请要求2011年7月19日提交的美国临时专利申请第61/509，439号的优先权，特此通过引用全文并入。
【技术领域】
[0003]本发明涉及通过无线传感器网络监视道路，尤其涉及用于交通流和道路洪水综合超声监视的装置、系统及方法。该系统可以包括监视交通流、洪水状况、或两者的超声测距仪和/或远程红外温度传感器。
【背景技术】
[0004]当前交通监视或洪水监视系统是专用的，只用于一种应用。并且，至今还没有实时城市洪水监视系统。现有洪水监视系统只测量河流或湖泊中的水位，而现有交通监视系统只测量交通。这种城市洪水监视的缺乏使城市设施在感测像骤发洪水那样的发洪水状况以及对此作出反应方面存在缺陷。与洪水和交通信息两者有关的信息将有益于应急响应。这样的信息将导致应急人员的更快响应时间以及非应急人员从发洪水区的更迅速撤离。
[0005]传统基于传感器网络的系统存在几方面缺点，首先，它们只能监视由周围河流引起的洪水(例如，不能使用传统系统监视骤发洪水)。另外，虽然这些基于传感器网络的系统可以预测河流开始淹没周围城区的时间，但它们不能跟踪洪水本身的演变。基于卫星的洪水监测系统也存在一些缺陷。它们不具备实时能力，它们是基于图像的，以及它们只能在云散之后，即在洪水开始之后的几个小时或更长时间之后评估洪水的蔓延。

【发明内容】

[0006]与专用(S卩，只能用于一种应用)的标准交通监视或洪水监视系统不同，本发明的实施例使两种物理现象能够同时得到感测:交通和洪水。因此，本发明给予部署感测基础设施的代理商以额外的经济激励(通过更好的信息和管理降低洪水损害的成本)。
[0007]另外，本发明的实施例将监视和预报洪水期间道路上积水的高度，使地方政府能够评估标准车辆不可在哪些道路上行驶，救援车辆可涉水驶过哪些道路。它们还能够实时地为应急服务生成可用道路和可接近区域的地图，这是洪水，尤其，骤发洪水事件期间的关键信息。
[0008]所提及的缺点并非详尽无遗，而是在往往损害监视道路上的交通和积水状况的先前已知技术的有效性的许多缺点之中；但是，这里提到的那些缺点足以证明出现在本领域中的那些方法不是令人满意的，非常需要在本公开中所述和要求保护的技术。
[0009]从前面的讨论中应当显而易见，需要监视道路上的状况的装置、系统及方法。
[0010]本发明的实施例涉及监视交通流、积水/洪水状况或两者的超声测距仪的系统。本发明的一个实施例在于两个部分:
[0011]I)由无线传感器板组成的无线传感器网络，该无线传感器板与要监视的道路上、指向地面和处在城市环境中的超声换能器和/或远程红外温度传感器连接。每个传感器板与它的邻居一起处理测量数据，以估计局部交通状况以及局部洪水状况。局部交通状况对应于跨过道路路段的局部密度、流量和速度状况。局部洪水状况对应于地面上的积水的估计高度。
[0012]2)处理传感器节点转发的局部交通和洪水状况数据的后端服务器系统。使用交通流模型和始发地目的地模型估计全局交通状况，以创建当前和未来交通流状况的地图。使用当前状况、气象数据和下水道模型预报全局洪水状况。
[0013]一个一般性实施例是监视交通和道路积水状况的装置，该装置包含:配置成无线发送和接收信息的通信模块；超声换能器和/或远程红外温度传感器；配置成从该超声换能器和/或远程红外温度传感器接收交通信息的交通监视模块；以及配置成从该超声换能器接收道路积水信息的道路积水监视模块。在一个特定实施例中，该交通监视模块被进一步配置成从接收的交通信息中确定交通状况，该积水监视模块被进一步配置成从接收的道路积水信息中确定积水的存在与否。确定的交通状况可以是交通繁忙、交通适度、交通不繁忙和无交通流。确定的交通状况可以是估计车流和/或估计车速。该道路积水监视模块还可以配置成确定降雨的存在与否和/或配置成确定积水的深度。在本发明的一个实施例中，接收的交通信息包含选自由如下组成的群体的信息:汽车的数量、过往汽车之间的时间、和过往汽车的速度。微控制器可以包含该交通监视模块和该道路积水监视模块。
[0014]另一个一般性实施例是监视交通和道路积水状况的系统,该系统包含:超声传感器，其包含无线通信设备和超声换能器，其中该超声换能器被配置成监视交通和道路积水状况；以及中央计算机，其被配置成从该超声传感器接收道路状况信息。该系统可以进一步包含配置成与相邻超声传感器通信的多个超声传感器。一个实施例可以进一步包含CPU(中央处理单元)，其被配置成确定该超声传感器处的交通状况和道路积水状况。该超声传感器可以包含该CPU和/或该中央计算机可以包含该CPU。在本发明的另一个实施例中，该中央计算机被配置成从接收的道路状况信息中确定该多个超声传感器每一个处的道路状况。该中央计算机还可以配置成从接收的道路状况信息中绘制该多个超声传感器每一个处的交通状况的地图。确定的道路状况可以指示道路是否可通行。在本发明的一个实施例中，该中央计算机被配置成进一步接收包含开始地点和终止地点的地点路由信息，以及确定避开不可通行道路的从开始地点到终止地点的路线。
[0015]另一个一般性实施例是包含计算机可读介质的计算机程序产品，该计算机可读介质含有可执行成进行监视交通和道路积水状况的操作的计算机可用程序代码，该计算机程序产品的操作包含:接收包含道路地点、交通状况信息和积水状况信息的多个道路状况信息；确定该道路地点是否不可通行；确定该地点处的交通状况；以及按地点绘制该多个道路信息的地图。该计算机程序产品可以进一步包含接收包含开始地点和终止地点的路由信息和确定避开不可通行道路的从开始地点到终止地点的路线，以及也可以绘制该路线的地图。确定的交通状况可以是交通繁忙、交通适度、交通不繁忙或无交通流。确定的路线也可以避开交通繁忙的道路地点。
[0016]术语“耦合”被定义成连接，但未必直接地，也未必机械地。
[0017]术语“一个”和“一种”被定义成一个(种)或多个(种)，除非本公开另有明确要求。
[0018]术语“基本上”以及它的变体如本领域的普通技术人员所理解，被定义成所规定的大部分但未必是全部，在一个非限制性实施例中，“基本上”指的是在所规定的10%内，优选的是在5%内，更优选的是在1%内，以及最优选的是在0.5%内的范围。
[0019]术语“包含”(以及包含的任何形式)、“含有”(以及含有的任何形式)、“包括”(以及包括的任何形式)和“内含”(以及内含的任何形式)都是开放式连系动词。其结果是，“包含”、“含有”、“包括”和“内含”一个或多个步骤或元件的方法或设备拥有那一个或多个步骤或元件，但不局限于只拥有那一个或多个步骤或元件。同样，“包含”、“含有”、“包括”和“内含”一种或多种特征的方法的步骤或设备的元件拥有那一种或多种特征，但不局限于只拥有那一种或多种特征。更进一步，以某种方式配置的设备或结构以至少那种方式配置，但也可以以未列出的方式配置。
[0020]如本文所使用，“交通状况”指的是道路上交通的程度。例如，可以是交通繁忙、交通适度、交通不繁忙或无交通流。要明白的是，像汽车的密度或汽车的速度那样的交通信息将对应于取决于道路的类型的不同交通状况。例如，像闹市区那样的城市环境中的高汽车密度可能对应于交通不繁忙或适度，而高速公路上的高汽车密度将对应于交通繁忙。
[0021]参照如下结合附图对特定实施例的详细描述，其它特征和相关优点将变得显而易见。
【专利附图】

【附图说明】
[0022]如下附图形成本说明书的一部分，并包括进来以便进一步展示可以结合本文给出的特定实施例的详细描述，参照这些附图的一个或多个得到更好理解的本文所述的系统和方法的某些方面。
[0023]图1例示了使超声传感器沿着街道分布的代表街道的网格的一个实施例。
[0024]图2例示了由无线通信超声传感器装置形成的自组网络。
[0025]图3例示了遇到洪水的街道的网格以及分布式超声波传感器和/或远程红外温度传感器。
[0026]图4例示了存在交通繁忙的区域的街道的网格和分布式超声传感器。
[0027]图5例示了遇到洪水、交通繁忙和火灾的街道的网格，并且还例示了分布式超声传感器。
[0028]图6例示了安装在街道上面的超声传感器的一个实施例。
[0029]图7例示了安装在发洪水街道上面的超声传感器的一个实施例。
[0030]图8是超声传感器的不意图。
【具体实施方式】
[0031]下面参照例示在附图中和详述在如下描述中的非限制性实施例更全面地说明各种特征和有利细节。省略对众所周知的起始材料、处理技术、组件和装置的描述，以免不必要地掩盖本发明的细节。然而，应当明白，详细的描述和特定的例子虽然指示本发明的实施例，但仅仅为了例示，而不是为了限制而给出。本领域的普通技术人员将从本公开中明显地看出在基本发明构思的精神和/或范围内的各种替换、修改、添加和/或重排。
[0032]描述在本说明书中的某些单元被标记为模块，以便更具体地强调它们的实现独立性。一种模块是与较大系统交互的自含硬件或软件组件([a]self_contained hardwareor software component that interacts with a larger system.Alan Freedman, “TheComputer Glossary” 268 (8th ed.1998))。一种模块包含一种或几种机器可执行的指令。例如，一种模块可以实现成包含定制VLSI (超大规模集成电路)电路或门阵列、像逻辑芯片那样的现成半导体、晶体管、或其他分立组件的硬件电路。一种模块也可以实现在诸如现场可编程门阵列、可编程门阵列逻辑、可编程逻辑器件等的可编程硬件设备中。
[0033]模块也可以包括当被处理机或设备执行时，将存储在数据存储设备上的数据从第一状态转变成第二状态的软件定义单元或指令。可执行代码的所标识模块可以，例如，包含可以组织成对象、过程或函数的计算机指令的一个或多个物理或逻辑块。不过，所标识模块的可执行程序在物理上无需处在一起，而是可以包含存储在不同地点、当在逻辑上链接在一起时，包含该模块、和当被处理器执行时，实现所述数据转变的不同指令。
[0034]的确，可执行代码的模块可以是单条指令，或多条指令，甚至可以分布在几个不同代码段上，在不同程序之间，和跨过几个存储器件。类似地，在本文中可以在模块内标识和例示，以及可以以任何适当方式具体化和在任何适当类型的数据结构内组织操作数据。该操作数据可以被收集成单个数据集，或可以分布在包括不同存储设备的不同地点上。
[0035]在如下描述中，将提供诸如编程的例子、逻辑模块、用户选择、网络交易、数据库查询、数据库结构、硬件模块、硬件电路、硬件芯片等的许多特定细节，以便使人们透彻理解当前实施例。但是，相关领域的普通技术人员要识别到，本发明可以不用这些特定细节的一个或多个细节，或利用其它方法、组件、材料等来实施。在其它情况下，不详细示出或描述众所周知的结构、材料、或操作，以免掩盖本发明的一些方面。
[0036]图1例示了监视洪水和交通的系统的一个实施例。在这个实施例中，示出了显示从北通到南的A-D街道和从东通到西的第1- 5街道的道路图。该系统包括安装在街道或十字路口上的分布式传感器100。传感器100测量像每分钟(或每小时)通过的汽车的数量和/或从传感器100下面通过的汽车的速度那样的交通数据。传感器100还测量在道路上是否存在积水。如果存在积水，则传感器100还可以测量水位。传感器100能够测量水位和交通之一或两者。
[0037]图2例示了作为数据获取过程的一部分在传感器100之间交换数据的无线(网状)传感器网络的一个实施例。每个传感器100可以与形成自组网络204的附近传感器100通信。传感器100然后将收集的数据传送给像后端服务器系统那样的中央数据收集站202。中央数据收集站202然后可以处理传感器100转发的局部交通和洪水状况。可以使用交通流模型和始发地目的地模型估计全局交通状况，以创建当前和未来交通流状况的地图。使用当前状况、气象数据和下水道模型预报全局洪水状况。可以使用模拟洪水的任何算法。这些算法包括可以包括变量(网格细化、模型降阶等)的基于有限元方法的流体动力学模型。为了预报洪水，可以将像如下那样的标准估计方法用于分布式参数系统:总体卡尔曼滤波(ensemble Kalman filtering)、粒子滤波(particle filtering)。可以将标准估计方法与另外的洪水模拟算法结合。
[0038]图3例示了将洪水330显示成带阴影椭圆形的街道网格。传感器302和304检测积水的存在与否和/或洪水的水位，并通过自组网络将数据发送给中央数据收集站202。图4例示了将交通繁忙400的区域显示成带阴影长方形的街道网格。交通繁忙400通过传感器402、404和406检测，并发回到中央数据收集站202。传感器100可以通过检测从传感器100下面通过的汽车的速度，或像通过计数每分钟的汽车数量那样，检测从传感器100下面通过的汽车的速率收集交通数据。局部交通状况可以对应于跨过道路的局部密度、流量和速度状况。
[0039]图5显示了存在洪水300和交通繁忙400两者的区域的街道网格。调度救护车500以便响应远达七个街区的火灾502。在这个实施例中，传感器302和304检测洪水水位并将数据传回到中央数据收集站202。传感器402、404和406检测交通繁忙的区域并将数据发回到数据收集站202。所有其它传感器100收集示出没有洪水和交通的不繁忙程度的数据，并将数据发回到数据收集站202。在数据收集站202上分析接收的数据，以确定应急车辆是否可通过发洪水的区域以及交通繁忙或适度的区域所在的地方。也可以在传感器级别上分析该数据。数据收集站202然后可以响应，例如，应急车辆500，或应急调度操作人员对路由信息的询问。数据收集站202或访问数据收集站202上的数据的服务器然后可以计算应急车辆500到达应急现场502的路线。计算的路线将避开存在不可通行洪水300和交通繁忙400的街道。例如，这样的路线将使应急车辆500向北驶到第5街道，向西驶到A街道，向北驶到第I街道，然后在第I街道上向东驶到应急现场502。
[0040]图6是部署了两个传感器的例子的例示。每个传感器100被部署在道路的上面，并且可以部署在道路602中的每条车道的上面。传感器100被安装在，例如，道路上面的杆子600上。传感器100也可以安装在像高空横杆、灯具悬臂或标志龙门架那样的其它结构上，或安装在位于道路旁边的建筑物上。传感器100可能需要校准。图7是部署了两个传感器100的例子的例示，其中传感器100被部署在发洪水道路602的上面。可以是超声传感器和/或远程红外温度传感器的传感器100可以检测发洪水道路602上积水的水位。
[0041]作为一个例子，图8是单独传感器的示意图。该传感器包含电源、无线发射器、微控制器，超声声纳和远程红外温度传感器。该超声传感器可以通过测量从传感器下面通过的汽车的速度和/或密度来测量交通。该超声传感器也可以测量传感器下面的道路上积水的存在与否或水位。进一步，该传感器还可以测量像小雨、中雨或大雨那样的降雨水平。在一个实施例中，可以通过估计声音的局部速度C、和通过x=cT给出的传感器与水面(或当路面干燥时，地面)之间的距离X来计算水位，其中T是发出与接收到回波之间的持续时间的一半。超声传感器与地面之间的空气层中声音的速度可以使用从远程红外温度传感器或从空气层的热模型中获得的局部和远程温度测量值来估计。空气层的热模型(是局部风力状况的函数)可以通过在单独传感器之间交换温度测量值并将这些当前温度与以前获得的温度相比较来估计。像一致性算法那样的算法可以用于这些过程。声音的速度可以使用局部温度来估计，该局部温度可以从局部气象状况或从包含在传感器设备中的温度传感器中推断。超声传感器可以通过生成超声波来测量降雨，超声波从小水滴反射回来，产生可以被传感器中的检测器或换能器测量的回波。通过处理这些回波，能够重构雨水水位。在一个实施例中，通过读取超声传感器的模拟包络输出，使用最小二乘法来“跟踪”水滴的落下。通过跟踪水滴的落下，可以估计它们的最终速度，因此，它们的速度(相关的)。如果η是单位时间检测的小滴的数量，V是小滴体积(只是V的函数)，以及S是超声波束的横截面图，则雨水速率r是,例如，r=nV/So
[0042]可以无需过度实验地按照本公开构想和执行本文公开和要求保护的所有方法。虽然针对优选实施例描述了本发明的装置和方法，但对于本领域的普通技术人员来说，显而易见，可以不偏离本发明的构思、精神和范围地对这些方法、步骤或本文所述的方法的步骤的顺序加以改变。另外，在取得相同或相似结果的情况下，可以对公开的装置加以修改，并且可以省略一些组件或用一些组件替换本文所述的一些组件。对于本领域的普通技术人员来说显而易见的所有这样的类似替换和修改都被认为在如所述权利要求书所限定的本发明的精神、范围和构思之内。
【权利要求】
1.一种方法，包含: 接收包含道路地点的道路状况信息； 确定该道路地点是否不可通行； 确定该地点处的交通状况；以及 按地点绘制该多个道路信息的地图。
2.如权利要求1所述的方法，其中该道路状况信息进一步包含交通状况信息和积水状况信息。
3.如权利要求1所述的方法，其中该道路状况信息进一步包含积水状况信息。
4.如权利要求1所述的方法，其中该道路状况信息进一步包含交通状况信息和积水状况信息。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包含接收包含开始地点和终止地点的路由信息以及确定避开不可通行道路的从开始地点到终止地点的路线。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包含绘制该路线的地图。
7.如权利要求1所述的方法，其中确定的交通状况是交通繁忙、交通适度、交通不繁忙或无交通流。
8.如权利要求1所述的方法，其中确定的交通状况是估计车流和/或估计车速。`
9.如权利要求7所述的方法，其中确定的路线还避开交通繁忙的道路地点。
10.如权利要求8所述的方法，其中确定的路线是最快路线。
11.一种监视交通和道路积水状况的装置，该装置包含: 配置成无线发送和接收信息的通信模块； 传感器； 配置成从该传感器接收交通信息的交通监视模块；以及 配置成从该传感器接收道路积水信息的道路积水监视模块。
12.如权利要求11所述的装置，其中该传感器是超声换能器。
13.如权利要求11所述的装置，其中该传感器是远程红外温度传感器。
14.如权利要求11所述的装置，其中该传感器包含超声换能器和远程红外温度传感器。
15.如权利要求11- 14之一所述的装置，其中该交通监视模块被进一步配置成从接收的交通信息中确定交通状况。
16.如权利要求15所述的装置，其中确定的交通状况是交通繁忙、交通适度、交通不繁忙和无交通流。
17.如权利要求15所述的方法，其中确定的交通状况是估计车流和/或估计车速。
18.如权利要求11- 14之一所述的装置，其中该积水监视模块被进一步配置成从接收的道路积水信息中确定积水的存在与否。
19.如权利要求11- 14之一所述的装置，其中该道路积水监视模块被配置成确定降雨的存在与否。
20.如权利要求11- 14之一所述的装置，其中该道路积水监视模块被配置成确定积水的深度。
21.如权利要求11- 14之一所述的装置，其中接收的交通信息包含选自由如下组成的群体的信息:汽车的数量、过往汽车之间的时间、和过往汽车的速度。
22.如权利要求11- 14之一所述的装置，其中微控制器包含该交通监视模块和该道路积水监视模块。
23.—种监视交通和道路积水状况的系统，该系统包含: 超声传感器，其包含无线通信设备和超声换能器，其中该超声换能器被配置成监视交通和道路积水状况；以及 中央计算机，其被配置成从该超声传感器接收道路状况信息。
24.如权利要求23所述的系统，进一步包含配置成与相邻超声传感器通信的多个超声传感器。
25.如权利要求23所述的系统，进一步包含CPU，其被配置成确定该超声传感器处的交通状况和道路积水状况。
26.如权利要求25所述的系统，其中该超声传感器包含该CPU。
27.如权利要求25所述的系统，其中该中央计算机包含该CPU。
28.如权利要求23所述的系统，其中该中央计算机被配置成从接收的道路状况信息中确定该多个超声传感器每一个处的交通状况。
29.如权利要求28所述的系统，其中该中央计算机被配置成从接收的道路状况信息中绘制该多个超声传感器每一个处的道路状况的地图。
30.如权利要求 28所述的系统，其中确定的道路状况指示道路是否可通行。
31.如权利要求30所述的系统，其中该中央计算机被配置成进一步接收包含开始地点和终止地点的地点路由信息、以及确定避开不可通行道路的从开始地点到终止地点的路线。
32.一种包含计算机可读介质的计算机程序产品，该计算机可读介质含有可执行成进行监视交通和道路积水状况的操作的计算机可用程序代码，该计算机程序产品的操作包含: 接收包含道路地点、交通状况信息和积水状况信息的多个道路状况信息； 确定该道路地点是否不可通行； 确定该地点处的交通状况；以及 按地点绘制该多个道路信息的地图。
33.如权利要求32所述的计算机程序产品，进一步包含接收包含开始地点和终止地点的路由信息以及确定避开不可通行道路地点的从开始地点到终止地点的路线。
34.如权利要求32所述的计算机程序产品，进一步包含绘制该路线的地图。
35.如权利要求32所述的计算机程序产品，其中确定的交通状况是交通繁忙、交通适度、交通不繁忙或无交通流。
36.如权利要求33所述的计算机程序产品，其中确定的路线还避开交通繁忙的道路地点。
【文档编号】G08G1/01GK103875028SQ201280042966
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2012年7月18日 优先权日:2011年7月19日
【发明者】C.克劳德尔 申请人:阿卜杜拉国王科技大学