本发明涉及高速公路管理与控制领域，旨在提供了一种高速公路应急车道智能管理与控制系统，减少应急车道非法占用，为应急车辆提供绿色通道。
背景技术：
高速公路应急车道是专门为工程救险、消防救援、医疗救护、民警执行紧急公务等提供服务的，其他社会车辆在紧急情况下需要使用应急车道时也可使用，然而，我国很多高速公路经常出现应急车道被普通车辆非法占用，尤其是在拥堵路段，为了节省行程时间，很多驾驶员冒险非法占用应急车道，严重妨碍了紧急救援车辆的通行，乱占应急车道，还容易引发交通事故，妨碍交警部门疏导交通。因此，需要研发一种高速公路应急车道智能管理与控制系统，减少非法占用、保障救援救助。
技术实现要素：
(一)解决的技术问题
本发明基于我国应急车道使用现状，提出了一种高速公路应急车道智能管理与控制系统。有效地防止应急车道非法占用，使应急车道的使用更加高效合理，为应急车辆提供绿色通道，且该系统设备简单易于安装。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：
一种高速公路应急车道智能管理与控制系统，包括交通管理部门负责的高速公路控制中心、设置在应急车道上的若干个拦截装置和智能求助服务系统，所述控制中心通过有线或无线传输将控制信号传输给目标路段的子控制系统，子控制系统利用有线或无线传输控制拦截装置的开合；所述智能求助服务系统包括全方位摄像头、防水触屏操作面板和操作面板保护箱；所述全方位摄像头和操作面板保护箱安装在高速公路应急车道入口处的拦截装置上，防水触屏操作面板密封镶嵌在操作面板保护箱上；所述全方位摄像头与防水触屏操作面板电连接；所述防水触屏操作面板包括电话查询模块、道路查询模块、通话呼叫模块；
所述电话查询模块，可以查询该条高速公路上所有服务区汽修部门电话，并显示距离该地具体公里数，求助人员可选择联系就近服务器汽修部门；
所述道路查询模块，可以查询从该地到目的地的道路行驶信息；
所述通话呼叫模块包括网络视频通话功能和语音通话功能；防水触屏操作面板上可显示公安、医护急救、火警和该区域路政的电话信息，上述部门各设有可视频电话，求助人员可选择网络视频通话功能与上述部门联系，同时启动全方位摄像头，将现场信息实时传送到上述部门，上述部门工作人员可根据现场实际情况做出有效的安排，并可指导求助人员对现场进行有效控制或进行及时有效的急救措施，争取时间；所述语音通话功能是在不开启全方位摄像头的情况下使用，求助人员之间通过语音通话功能与上述部门直接联系，说明具体需求。
优选的，所述拦截装置包括拦截杆件、立柱和旋转机构，所述旋转机构位于立柱顶端，包括牵引电磁铁、衔铁活动腔、衔铁、回位弹簧、链条、链轮和拦截杆件支撑架，所述牵引电磁铁固定安装在旋转机构的内壁上，所述衔铁活动腔一端设有开口，开口与牵引电磁铁位置对应，另一端设有与导链腔连通的通孔；衔铁活动腔内设有衔铁和回位弹簧，回位弹簧的一端与衔铁连接，另一端与牵引电磁铁连接；所述链条位于导链腔内，并与链轮啮合，链条的一端通过设置在衔铁上的固定钩固定，另一端与固定在导链腔内的拉伸弹簧固定连接；所述链轮通过转轴与旋转机构底端轴承连接，所述拦截杆件支撑架固定在转轴上，拦截杆件支撑架与立柱成90度角，立柱通过支撑底座垂直安装在地面上；所述拦截杆件安装在拦截杆件支撑架上；所述拦截装置设置在应急车道右侧的路肩外边缘处。
进一步说，所述拦截杆件上设有视线诱导标和警示信号灯，拦截杆件的靠近旋转机构的一端设有挡板，拦截杆件支撑架一端设有方形凹口，并设有与挡板对应的凹槽；所述拦截杆件可插入到拦截杆件支撑架的方形凹口内，固定轴穿过拦截杆件与方形凹口上下两臂固定连接，挡板与凹槽位置匹配，使拦截杆件只能向一个方向旋转；所述固定轴上套有扭转弹簧，可使拦截杆件受力旋转后复位；拦截杆件与拦截杆件支撑架之间有足够使拦截杆件活动的空间；拦截装置打开时，挡板面向行车方向。
进一步说，所述子控制系统设置在高速公路应急车道入口处的拦截装置上，并控制连接拦截装置上的旋转机构来实现拦截装置的开合。
优选的，所述控制中心的运作方法是：需要使用应急车道的社会车辆的驾驶员或乘客通过移动通讯设备向控制中心请求使用应急车道，经过控制中心确认后，社会车辆获取应急车道使用权，控制中心传输车辆信息给行驶路段的子控制中心，打开拦截装置，为该应急车辆服务。
进一步说，所述拦截装置有两种启动与结束方式：
方式一：控制中心通过有线或无线传输主动向路段的子控制系统发送启动信号后，子控制系统通过有线或无线传输将启动信号传送给该路段的每一个拦截装置，开启该路段所有拦截装置，根据路段长度和路段规定速度进行开启持续时间的自动设定，当装置开启后自动计时，在开启时间结束后关闭所有拦截装置；
方式二：在高速公路应急车道出入口处的拦截装置的立柱顶端安装有图像识别装置，用以识别紧急车辆的出入信息，高速公路应急车道出入口中间的拦截装置不安装图像识别装置；在入口处拦截装置上的图像识别装置识别到车辆牌照后，与数据库中的应急车辆牌照信息库进行对比，确认待识别车辆为应急车辆后，自控制系统将启动信号传输给该路段的每一个拦截杆件，开启该路段所有拦截杆件，并将车辆牌照信息传输到该路段出口处的图像识别装置上，待该车辆通过出口时，出口处的图像识别装置将其识别并关闭所有拦截杆件。
进一步说，所述拦截装置在道路上的布设间距为500-1000m，考虑普通车辆紧急停车，该间距的最小值由驾驶员反应距离和车辆制动距离确定；所述拦截装置靠立柱将拦截杆件支承在距离路面40-60cm的高度，立柱与地面垂直，设置在应急车道右侧的路肩外边缘处，拦截杆件与路面平行，关闭状态时与所服务的应急车道行车方向的轴线成45度角。
进一步说，所述拦截杆件上设置有与道路特征相符合的视线诱导标和警示信号灯，拦截杆件在关闭状态时，其在道路宽度方向上的最长投影长度为1/2-2/3的应急车道宽度，拦截杆件在靠近道路中央的端部呈锥形；拦截杆件可以通过旋转机构旋转45度，至与应急车道的行驶方向轴线成0度夹角。
进一步说，拦截杆件采用的材料为热塑性聚氨酯弹性体橡胶。使用该类材料有以下优点：
(1)通过改变tpu各反应组分的配比，可以得到不同硬度的产品，为了防止车辆意外撞击拦截装置引发安全事故，本装置采用硬度较低的tpu；
(2)耐寒性突出：tpu的玻璃态转变温度比较低，在零下35度仍保持良好的弹性、柔顺性和其他物理性能；
(3)加工性能好：tpu可采用常见的热塑性材料的加工方法进行加工，如注塑、挤出、压延。同时，tpu与某些高分子材料共同加工能够得到性能互补的聚合物合金；
(4)耐油、耐水、耐霉菌；
(5)再生利用性好，有利于节能环保；
拦截杆件在靠近道路的一端安装有碰撞传感器或压力传感器，碰撞传感器或压力传感器与子控制系统电连接，碰撞传感器包括机电结合式、电子式、水银开合式；压力传感器包括应变片压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、蓝宝石压力传感器、压电压力传感器。
(三)有益效果
本发明在实用性和安全性方面，能够有效减少应急车道的非法占用，为救援车辆提供安全、畅通、快捷的行车环境；在施工操作方面，仅需要在现有高速公路设施的基础上，添加此系统，设施简单易安装；适用性方面，适合有应急车道的所有高速公路，甚至可以推广到城市道路中的公交专用道和城市快速路上应急车道。此系统同时具备智能求助服务功能，可为求助人员提供及时有效的服务。
附图说明
构成本发明的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明拦截装置结构示意图。
图2为本发明拦截装置的旋转机构结构示意图。
图3为本发明导链腔内结构示意图。
图4为本发明拦截杆件和拦截杆件支撑架连接处结构示意图。
图5为本发明拦截杆件支撑架正面结构示意图。
图6为本发明拦截杆件正面结构示意图。
图7为本发明拦截装置处于关闭状态时布置图。
图8为本发明拦截装置处于打开状态时布置图。
图9为本发明拦截装置在应急车道上的分布示意图。
图10为当应急车辆进入路段a时拦截装置打开状态示意图。
图11为当应急车辆未从路段a出口驶出时，路段b拦截装置打开状态示意图。
图中，1.视线诱导标，2.图像识别装置，3.拦截杆件，4.立柱，5.支撑底座，6.旋转机构，61.牵引电磁铁，62.衔铁活动腔，63.衔铁，64.回位弹簧，65.链条，66.链轮，67.转轴，68.拦截装置支撑架，69.导链腔，610.拉伸弹簧，611.凹槽，7.警示信号灯，8.未安装图像识别装置的拦截装置，9.应急车道入口，10.应急车道出口，11.应急车道入口处的拦截装置，12.应急车道出口处的拦截装置，13.子控制系统，14.碰撞传感器，15.全方位摄像头，16.防水触屏操作面板，17.操作面板保护箱，18.挡板，19.固定轴，20.扭转弹簧，l为应急车道宽度。
具体实施方式
下面结合附图，以向右行驶车道为例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种高速公路应急车道智能管理与控制系统，其特征在于：该系统包括交通管理部门负责的高速公路控制中心、设置在应急车道上的若干个拦截装置和智能求助服务系统，所述控制中心通过有线或无线传输将控制信号传输给目标路段的子控制系统，子控制系统利用有线或无线传输控制拦截装置的开合；所述智能求助服务系统包括全方位摄像头15、防水触屏操作面板16和操作面板保护箱17；所述全方位摄像头15和操作面板保护箱17安装在高速公路应急车道入口处的拦截装置上，防水触屏操作面板16密封镶嵌在操作面板保护箱17上；所述全方位摄像头15与防水触屏操作面板16电连接；所述防水触屏操作面板16包括电话查询模块、道路查询模块、通话呼叫模块；
所述电话查询模块，可以查询该条高速公路上所有服务区汽修部门电话，并显示距离该地具体公里数，求助人员可选择联系就近服务器汽修部门；
所述道路查询模块，可以查询从该地到目的地的道路行驶信息；
所述通话呼叫模块包括网络视频通话功能和语音通话功能；防水触屏操作面板16上可显示公安、医护急救、火警和该区域路政的电话信息，上述部门各设有可视频电话，求助人员可选择网络视频通话功能与上述部门联系，同时启动全方位摄像头，将现场信息实时传送到上述部门，上述部门工作人员可根据现场实际情况做出有效的安排，并可指导求助人员对现场进行有效控制或进行及时有效的急救措施，争取时间；所述语音通话功能是在不开启全方位摄像头的情况下使用，求助人员之间通过语音通话功能与上述部门直接联系，说明具体需求。
如图1-6和图9所示，所述拦截装置包括拦截杆件3、立柱4和旋转机构6，所述旋转机构6位于立柱4顶端，包括牵引电磁铁61、衔铁活动腔62、衔铁63、回位弹簧64、链条65、链轮66和拦截杆件支撑架68，所述牵引电磁铁61固定安装在旋转机构6的内壁上，所述衔铁活动腔62一端设有开口，开口与牵引电磁铁61位置对应，另一端设有与导链腔69连通的通孔；衔铁活动腔62内设有衔铁63和回位弹簧64，回位弹簧64的一端与衔铁63连接，另一端与牵引电磁铁61连接；所述链条65位于导链腔69内，并与链轮66啮合，链条65的一端通过设置在衔铁63上的固定钩固定，另一端与固定在导链腔69内的拉伸弹簧610固定连接；所述链轮66通过转轴67与旋转机构6底端轴承连接，所述拦截杆件支撑架68固定在转轴67上，拦截杆件支撑架68与立柱4成90度角。拦截杆件3的靠近旋转机构6的一端设有挡板18，拦截杆件支撑架68一端设有方形凹口，并设有与挡板18对应的凹槽611；所述拦截杆件3可插入到拦截杆件支撑架68的方形凹口内，固定轴19穿过拦截杆件3与方形凹口上下两臂固定连接，挡板18与凹槽611位置匹配，使拦截杆件3只能向一个方向旋转；所述固定轴19上套有扭转弹簧20，可使拦截杆件3受力旋转后复位；拦截杆件3与拦截杆件支撑架68之间有足够使拦截杆件3活动的空间；拦截装置打开时，挡板18面向行车方向。拦截杆件3上设有视线诱导标1和警示信号灯7，在高速公路应急车道入口处的拦截装置11和应急车道出口处的拦截装置12的立柱4上部安装图像识别装置2，用以识别紧急车辆的出入信息，高速公路应急车道出入口中间的拦截装置的立柱4上不安装图像识别装置2，立柱4通过支撑底座5垂直安装在地面上，所述立柱4为圆柱形。所述拦截装置设置在应急车道右侧的路肩外边缘处。
拦截装置处于关闭状态时，牵引电磁铁61处于断电状态，当需要打开拦截装置时，控制系统发送信号，牵引电磁铁61通电获得磁性，强烈吸合位于衔铁活动腔62内的衔铁63，衔铁63向牵引电磁铁61方向移动，挤压位于衔铁63和牵引电磁铁61之间的回位弹簧64，衔铁63移动，拉动与衔铁63连接的位于导链腔69内的链条65，使得与链条65另一端连接的拉伸弹簧610处于拉伸状态，链条65带动链轮66转动，链轮66转动使转轴67和拦截杆件支撑架68同步转动，从而带动拦截杆件3转动。当需要关闭拦截装置时，只需断电即可。断电后，牵引电磁铁61失去磁性，回位弹簧64恢复形变，推动衔铁63和链条65回位，同时拉伸弹簧610恢复形变，拉动链条65在导链腔69内移动，通过链轮66带动转轴67和拦截杆件支撑架68旋转，从而使拦截杆件3恢复关闭状态。
如图10所示，拦截装置在高速公路应急车道安装有若干个，此图以2个未安装图像识别装置的拦截装置8为例，在道路上的布设间距为500-1000m，考虑普通车辆紧急停车，同时起到有效防止应急车道非法占用的目的，该间距应设置在1000m以内，最小值由驾驶员反应距离和车辆制动距离确定，保证驾驶员发现未安装图像识别装置的拦截装置8后能安全减速到停止，不致撞上未安装图像识别装置的拦截装置8。
(1)驾驶员反应距离
一般驾驶员反应时间为0.3～1s，以例以最高限速为120km/h计算，得最大驾驶员反应距离：
l1＝1s×120km/h＝33.33m
(2)车辆制动距离
以最高速度120km/h，道路最大纵坡9％，雨天道路最小附着系数0.3计算，根据制动距离计算公式：
得最大车辆制动距离：
(3)拦截装置8间隔最短距离：
l＝l1+l2＝269.97+33.33＝303.3m
假设汽车从两栏杆中央开始制动，取两倍最大停车距离，为607米，为方便施工，间距取整百，未安装图像识别装置的拦截装置8间距最短取700米。
若最高限速为100km/h时，按照上述计算公式，得：l＝l1+l2＝215.28m，取两倍最大停车距离，为430.56米，为方便施工，间距取整百，未安装图像识别装置的拦截装置8间距最短取500米。
若社会车辆超速达到150km/h时，按照上述计算公式，得：l＝l1+l2＝463.49m，取两倍最大停车距离，为926.98米，为方便施工，间距取整百，未安装图像识别装置的拦截装置8间距最短取1000米。
通过以上计算，限速为120km/h为最优速度，则未安装图像识别装置的拦截装置8间距最优长度为700米。
如图1和7所示，拦截杆件在道路宽度方向的最长投影长度设置为1/2，当有社会车辆需要在应急车道上临时停放时，有足够的制动空间，直接在拦截杆件3之间的空隙停放，无需通过控制中心进行任何操作；所述未安装图像识别装置的拦截装置8靠立柱4将拦截杆件3支承在距离路面50cm的高度，设置在应急车道右侧的路肩外边缘处，拦截杆件3与路面平行，与所服务的应急车道行车方向的轴线成45度角。当需要使用应急车道时，子控制系统控制未安装图像识别装置的拦截装置8的旋转机构动作，未安装图像识别装置的拦截装置8上的拦截杆件3通过旋转机构6旋转45度，至与应急车道的行驶方向轴线成0度夹角。让出应急车道可用面积，供应急车辆和需要的社会车辆通行。
当车辆对拦截杆件3造成碰撞时，拦截杆件3通过固定轴19绕拦截杆件支撑架68转动，挤压扭转弹簧20，安装在固定轴19上的扭转弹簧20起到缓冲作用。在碰撞时，拦截杆件支撑架68通过拦截杆件3的转动受到一定的转向力，带动转轴67旋转，转轴67与链轮66连接，转轴67带动链轮66旋转，使与链轮66啮合的链条65在导链腔69内动作，推动衔铁63挤压回位弹簧64进行一定的位移，同时导链腔69内的拉伸弹簧610产生一定的位移，起到一定的缓冲作用。同时，拦截杆件3在靠近道路中心的一端安装的碰撞传感器14将信号传送给子控制系统，子控制系统控制旋转机构6反向动作，将拦截杆件3打开。所以，当拦截杆件3造成碰撞时，能够通过上述三重保护模式，对拦截杆件3和碰撞车辆进行一定的保护。待事故处理完毕后，交通警察或驾驶员通过移动通讯设备向控制中心请求，控制中心向子控制系统发送信号关闭该碰撞的拦截杆件3。
如图1和9所示，拦截装置道路布设方法是：在一条道路的应急车道上，应急车道出入口处分别安装一个应急车道入口处的拦截装置11、应急车道出口处的拦截装置12，每隔700米设置一个未安装图像识别装置的拦截装置8；在高速公路应急车道入口处的拦截装置11上和应急车道出口处的拦截装置12上设置图像识别装置2，用以识别紧急车辆的出入信息；在每个应急车道入口9的入口处设置有子控制系统13，每个子控制系统13负责与控制中心之间的信息传输，并控制子控制系统13所在路段(该路段有且仅有一个入口、一个出口)所有拦截装置的开合。
为了尽可能实现智能化并提高系统运行效率，本系统采用了图像识别技术，在使用本系统之前，先将附近地区的应急车辆(公安警车、救护车、消防车等)的牌照信息录入信息库，每隔一段时间，要对牌照信息库进行更新。当应急车辆从应急车道入口9驶入，应急车道入口处的拦截装置11上的图像识别装置2识别成功后，如图10所示，路段a的所有拦截装置全部打开，应急车道可供应急车辆通行。同时，应急车道入口处的拦截装置11的图像识别装置2将牌照信息传输给该路段应急车道出口处的拦截装置12的图像识别装置2，待该应急车辆通过该路段应急车道出口10时，应急车道出口处的拦截装置12的图像识别装置2对其进行识别，确定该应急车辆通过后，关闭该路段所有拦截装置。若应急车队需要使用应急车道时，应急车道入口处拦截装置11的图像识别装置2连续识别成功，并连续将牌照信息传输给该路段应急车道出口处的拦截装置12的图像识别装置2，应急车道出口处的拦截装置12的图像识别装置2所存储的牌照信息不断更新，直至更新到车队的最后一辆车的牌照信息，待最后一辆车要通过该路段应急车道出口10时，应急车道出口处的拦截装置12的图像识别装置2对其进行识别，确定该最后一辆车通过后，关闭该路段所有拦截装置。
由于图像识别装置2无法识别需要使用应急车道的社会车辆，因此，本系统增加了控制中心直接打开拦截装置的打开方式：需要使用应急车道的社会车辆的驾驶员或乘客通过移动通讯设备向控制中心请求使用应急车道，经过控制中心确认后，社会车辆获取应急车道使用权，控制中心向路段子控制系统13传输打开拦截装置的信号，子控制系统13通过有线或无线传输将启动信号传送给该路段的每一个拦截装置，开启该路段所有拦截装置，根据路段长度和路段规定速度进行开启持续时间的自动设定，当装置开启后自动计时，在开启时间结束后关闭所有拦截装置，这样做可以在保证为车辆提供服务的前提下，尽快使应急车道处于受保护状态，防止应急车道被非法占用。本系统在使用时，以路段为单位，每一个路段有且仅有一个出口和一个入口，且出口和入口是相邻的，每个子控制系统13负责一个路段所有拦截装置的开合。
如图11所示，若应急车辆未从应急车道出口10驶出，而是继续沿应急车道行驶，则驶出路段a后，路段a上的所有拦截装置重新处于关闭状态。路段b应急车道入口处的拦截装置11的图像识别装置2识别到应急车辆，打开路段b上的所有拦截装置，至与应急车道的行驶方向轴线成0度夹角，直至车辆驶离路段b，路段b应急车道出口处的拦截装置12的图像识别装置2识别到进入车辆，关闭该路段的所有拦截装置。