一种基于空地协同的高速公路应急处置仿真系统及辅助决策方法与流程

本发明涉及高速公路交通应急管理领域，具体是一种基于空地协同的高速公路应急处置仿真装置及辅助决策方法。

背景技术

高速公路是道路运输网的重要组成部分。在高速公路的运营中，由于车辆行驶速度快、载重车辆比重较高，一旦发生紧急事件，往往会造成比城市道路更严重的交通事故，导致部分车道关闭，道路通行能力受限，出现小范围的拥堵；如果应急处置不及时，还很可能造成二次事故发生，并将会导致拥堵上溯至上游路段，局部路段甚至全线路段关闭，出现大范围的区域性拥堵。

在采取应急处置策略时，现有方法多是出于应急处置响应速度的考虑。然而，“快”并不意味着“好”。而且应急处置策略一旦实施，无论效果如何，均会造成不可逆的影响，增加策略实施的风险，这造成了应急处置策略的容错度较低。另外，即使在较为科学、完备的高速公路应急处置策略下，也只能是把握基本的处置策略方向，对策略的具体实施也会缺少一定的灵活性、精确性。例如，已定策略会给出某些参数的参考值，但不能根据现场的具体情况确定所需的参数值。

仿真技术是利用计算机手段模拟现实研究对象运行过程和运行现象的一门技术学科，以达到降低实验成本或模拟难以在现实中进行的实验的目的，这为应对和处置复杂的交通系统问题提供了很好的解决思路和途径。利用仿真技术手段，可以模拟应急处置策略实施带来的影响，尽量规避应急处置策略效果不佳所带来的损失和风险。此外，随着无人机近年来的快速发展，其轻便、灵活的特点被广泛应用于监控巡查、应急救援等多种场景之中，可以适应多种复杂、恶劣的工作环境，同时基于无人机拍摄视频的交通信息提取技术也得到了广泛应用，因而利用无人机迅速获取紧急事件现场信息具有巨大优势。

技术实现要素：

本发明针对现有应急处置策略难以同时做到又“快”又“好”的问题，即现有方法在提高高速公路应急处置速度时，往往难以保证处置策略的容错性、灵活性和精确性的问题，提出了一种基于空地协同的高速公路应急处置仿真装置及辅助决策方法。

为了解决该技术问题，本专利提供的技术方案包括：

一种基于空地协同的高速公路应急处置仿真系统，其特征在于，所述系统包括：无人机组，所述无人机组包括至少一架无人机，所述无人机包括通信模块和图像采集模块，通过图像采集模块采集高速公路图像信息并通过所述通信模块传送给无人机地基组件；无人机地基组件包括图像数据接收模块、无人机控制模块、无线通信模块；无线通信模块用于无人机地基组件和无人机组间的通信，且支持与使用不同通信传输协议的无人机进行通信。图像数据接收模块用于接收无人机组在紧急事件区域回传的视频数据；无人机控制模块用于对无人机组的飞行控制。工控机工控机，所述上加载有交通信息提取模块、高速公路应急处置仿真模块、应急处置策略仿真评价模块；交通信息提取模块是从无人机组回传视频数据中提取高速公路安全态势信息的数据处理模块，所述高速公路应急态势信息包括交通状态参数信息和紧急事件信息；高速公路应急处置仿真模块为高速公路安全态势建立模型，并在仿真环境下实现高速公路应急处置策略的实施。在仿真开始时，交通信息提取模块从无人机组回传的视频数据中提取真实道路态势信息，并生成交通信息文件，高速公路应急处置仿真模块接收来自于所述交通信息提取模块的交通信息，并依此建立仿真模型；然后评估和分析当前的高速公路安全态势，选择相应的高速公路应急处置策略，并对实施该应急处置策略的过程进行仿真；应急处置策略仿真评价模块在仿真结束后，计算车辆平均延误、平均排队长度等评价指标。

优选地，当提取信息有限时，仿真模块向无人机地基组件中的无人机控制模块反馈信息，无人机控制模再通过无线通信方式控制无人机摄取更多的图像数据。

优选地，交通状态参数信息指交通流量、交通密度、排队长度等交通状态参数，紧急事件信息包括紧急事件发生的时间、地点、类型等信息。

以及一种基于空地协同的高速公路应急处置仿真辅助决策方法，其特征在于，所述方法采用如上述任一项所述的系统执行，所述方法包括：步骤1：应急指挥车驶至紧急事件发生区域附近，将无人机组从高速公路应急指挥车中放出，飞至紧急事件发生区域收集图像数据，并启动工控机中的交通信息提取模块、高速公路应急处置仿真模块，准备开始仿真；步骤2：交通信息提取模块从无人机组回传的视频数据中提取交通流量、交通密度、排队长度等交通状态参数信息，以及紧急事件发生的时间、地点、类型、程度等信息，并将这些信息记入交通信息文件中；步骤3：高速公路应急处置仿真软件通过api接口插件请求加载交通信息文件，并据此建立高速公路安全态势仿真模型；若交通信息文件中的信息有限，不足以建立仿真模型，则向无人机控制模块反馈，控制无人机组获取更多视频数据，并返回步骤2；步骤4：高速公路应急处置仿真软件分析当前仿真模型的安全态势，并根据发生紧急事件的类型和程度实施相应的应急处置策略；步骤5：应急处置策略仿真评价系统在仿真结束后，计算车辆平均延误、平均排队长度等评价指标，对仿真环境下高速公路应急处置策略实施效果进行评价并根据评价结果选择调整策略或采用策略的决策。

本发明的优点在于：

(1)本发明装置作为一套应急指挥车车载装备，可以在高速公路紧急事件发生后迅速抵达附近地点，具有很高的灵活性、机动性；

(2)本发明装置及方法充分发挥了无人性应用手段灵活、适用场景丰富、数据采集视野开阔的优势，在高速公路紧急事件发生时能够及时用于现场信息搜集，保证了应急处置的响应速度；

(3)本发明装置及方法通过无人机在空基实时采集视频数据，和应急指挥车车载设备在地基实时提取信息，建立二者之间的信息实时交互通道，保证了仿真模型建立的客观性，从而在一定程度上提高了仿真结果的准确性；

(4)本发明方法应用应急处置策略仿真的方式，提前预演了策略的实施过程，并对其实施效果进行评价，以辅助现场指挥人员作出更优决策，达到提高决策精度的目的，同时降低了应急处置策略不佳带来的风险。

附图说明

图1为本发明的高速公路应急处置仿真装置结构图；

图2为本发明的高速公路应急处置仿真装置的一个场景示例图；

图3为本发明的高速公路应急处置辅助决策方法流程图。

图中：

1-工控机；2-无人机地基组件；3-无人机组；11-交通信息提取模块；12-高速公路应急处置仿真模块；13-应急处置策略仿真评价系统；21-图像处理接收模块；22-无人机控制模块；23-无线通信模块；31-无人机(wi-fi协议)；32-无人机(lightbridge协议)；33-无人机(3g/4g协议)。

具体实施方式

下面将结合附图和实例对本发明作进一步的详细说说明。

如图1所示，为本发明的基于空地协同的高速公路应急处置仿真装置结构图，该检测装置布设于高速公路应急处置指挥车上，用于对高速公路应急处置的现场决策与指挥，包括工控机1、无人机地基组件2以及无人机组3。

工控机1上加载有交通信息提取软件11、高速公路应急处置仿真软件12、应急处置策略仿真评价系统13。无人机地基组件2包括图像数据接收模块21、无人机控制模块22、无线通信模块23。无人机组3内至少包括一架高速公路巡查无人机，可由使用不同通信传输协议的第一无人机31、第二无人机32以及第三无人机33组成。

交通信息提取模块11是从无人机组回传视频数据中提取高速公路安全态势信息的数据处理模块。高速公路应急态势信息包括交通状态参数信息和紧急事件信息，具体地，交通状态参数信息指交通流量、交通密度、排队长度等交通状态参数，紧急事件信息包括紧急事件发生的时间、地点、类型等信息。交通信息提取模块11的数据结果存储于一个固定的交通信息文件中。

高速公路应急处置仿真软件12为高速公路安全态势建立模型，并在仿真环境下实现高速公路应急处置策略的实施。在仿真开始时，交通信息提取模块11从无人机组3回传的视频数据中提取真实道路态势信息，并生成交通信息文件，高速公路应急处置仿真软件12通过软件所提供的api接口插件请求加载上述信息文件，并依此建立仿真模型。当提取信息有限时，仿真软件12通过usb连接向无人机地基组件2中的无人机控制模块22反馈信息，无人机控制模22再通过无线通信方式控制无人机摄取更多的图像数据。在仿真过程中，高速公路应急处置仿真软件12通过评估和分析当前的高速公路安全态势，选择相应的高速公路应急处置策略，并对实施该应急处置策略的过程进行仿真。

应急处置策略仿真评价系统13是在仿真结束后，计算车辆平均延误、平均排队长度等评价指标，对仿真环境下高速公路应急处置策略实施效果进行评价。

无人机地基组件2包括图像数据接收模块21、无人机控制模块22、无线通信模块23。图像数据接收模块21用于接收无人机组在紧急事件区域回传的视频数据。无人机控制模块22用于对无人机组的飞行控制。无线通信模23块用于无人机地基组件2和无人机组3间的通信，且支持与使用不同通信传输协议的无人机进行通信，例如使用wi-fi协议的无人机31、使用lightbridge协议的无人机32以及使用3g/4g协议的无人机33等。

如图2所示，为本发明的基于空地协同的高速公路应急处置仿真装置的一个场景示例图。通过无线通信的方式无人机组3在高速公路紧急事件发生地点采集的视频数据回传到应急处置指挥车中的无人机地基组件2，无人机地基组件2利用usb连接工控机1，实现实时信息交互，以实现实时高速公路安全态势和应急处置策略的仿真。

如图3所示，为本发明的基于空地协同的高速公路应急辅助决策方法流程图，包括如下步骤：

步骤1：高速公路应急指挥车驶至紧急事件发生区域附近，将无人机组3从应急指挥车中放出，飞至紧急事件发生区域收集图像数据，并启动工控机1中的交通信息提取软件11、高速公路应急处置仿真软件12，准备开始仿真；

步骤2：交通信息提取软件11从无人机组3回传的视频数据中提取交通流量、交通密度、排队长度等交通状态参数信息，以及紧急事件发生的时间、地点、类型、程度等信息，并将这些信息记入交通信息文件中；

步骤3：高速公路应急处置仿真软件12通过api接口插件请求加载交通信息文件，并据此建立高速公路安全态势仿真模型。若交通信息文件中的信息有限，不足以建立仿真模型，则向无人机控制模块22反馈，控制无人机组3获取更多视频数据，并返回步骤2；

步骤4：高速公路应急处置仿真软件12分析当前仿真模型的安全态势，并根据发生紧急事件的类型和程度实施相应的应急处置策略；

步骤5：应急处置策略仿真评价系统13在仿真结束后，计算车辆平均延误、平均排队长度等评价指标，对仿真环境下高速公路应急处置策略实施效果进行评价。现场指挥人员根据评价结果选择调整策略或采用策略的决策。