基于北斗卫星导航系统的团雾监测及预警系统的制作方法

本发明涉及一种用于对团雾进行监测及预警的系统，该系统基于北斗卫星导航系统，属于团雾监测技术领域。

背景技术：

团雾作为雾天天气的一种，对高速公路交通安全有一定的影响。通过对近年高速公路事故的统计分析，团雾所引发的交通事故所占比例在不断上升，且事故严重程度高，造成伤亡人数多。

交通网络错综复杂，而公路网络承载了大多数的交通运输任务，为交通命脉。然而与此同时，高速公路的交通安全形势依旧严峻，特别是因团雾等特殊气象原因而造成的交通事故成为提升高速公路安全水平的最大阻碍和威胁。有关统计数据表明，发生在高速公路上的交通事故中约有1/4的事故是由于不良的天气状况所导致，而雾天，尤其是团雾成为最为严重的天气因素。因此，加深对团雾危害的认知，分析团雾对公路交通安全影响，建立本地团雾监测及预警系统，对预防高速公路团雾交通事故的发生具有重要意义。

中国专利文献cn103413442a公开了一种基于通视距离监测的高速公路团雾预警系统及预警方法，包括高速公路团雾预警检测装置和服务器，所述高速公路团雾预警检测装置包括激光发射模块、激光接收模块、控制模块和数据传输模块，所述激光发射模块与激光接收模块相对设置于高速公路两侧，所述高速公路团雾预警检测装置通过数据传输模块与服务器通讯；所述预警方法包括通过激光接收模块接收光强数据计算通视距离的步骤，对比通视距离与雾天行车安全预警阈值的步骤，服务器发布预警信息的步骤。该方法虽然可以实现对高速公路狭长带状空间内的团雾监测，获得当前通视距离并发出相应预警，但是并不能对团雾的真伪进行自动识别，不能有效解决团雾对高速公路交通运输造成的危害。

若想有效降低团雾对高速公路运输的危害，仅依靠现有的高速公路运营管理系统还远远不够，必须借助自动监控手段、大数据分析、智能交通技术来攻克团雾难题。

技术实现要素：

本发明针对现有团雾监测及预警技术存在的不足,提供一种有效降低团雾对高速公路交通运输的危害、有效实现高速公路交通安全的基于北斗卫星导航系统的团雾监测及预警系统，

本发明的基于北斗卫星导航系统的团雾监测及预警系统，采用以下技术方案：

该系统，包括北斗子系统、高速公路交通管理平台、本地数据存储子系统、人工复检子系统、预警子系统、自我调整子系统、地面监测模块、信息传输模块、接收模块和车辆诱导模块；

北斗子系统：包括定位、导航、短报文通信、授时四种功能；定位功能用于确定团雾精确位置和范围；导航功能用于团雾环境下车辆的安全引导；短报文通信功能用于发布团雾预警信息；授时功能用于协调同步整个系统的时间。北斗子系统的短报文来自高速公路交通管理平台，由接收模块接收。

本地数据存储子系统：用于接收整理分析地面监测模块发送的疑似团雾监测数据，与数据库中原有的团雾参数进行比对，并进行逻辑判断，然后通过信息传输模块推送至人工复检子系统。逻辑判断的具体过程是：当相对湿度大于90％，温度在0-15℃之间，风速小于2m/s时容易发生团雾，对检测到的温度、湿度、风速、能见度进行综合分析是否为团雾。

人工复检子系统：用于人工核实由本地数据存储子系统收集整理分析并推送的团雾判断数据；若证实为团雾则通过信息传输模块推送至高速公路交通管理平台；若证实为误判断则通过信息传输模块启动自我调整子系统。进行核实的方式包括但不限于专家审核、交警实地考察、远程摄像取证等。

高速公路交通管理平台：通过信息传输模块向预警广播子系统和北斗系统发布信息，并通过信息传输模块控制车辆诱导模块启动，对高速公路上行驶车辆进行引导和调度。发布信息包括路况管理调度、信息发布屏的信息投放、交通执法工作人员的协调和调度。

预警广播子系统：向接收模块发送相应的预警信息；

自我调整子系统：包括诊断分析、阀值调整重置、系统整体优化微调、信息归档综合分析功能；诊断分析功能用于寻找导致误判的环节并进行原因分析；阀值调整重置功能用于更改调整甚至重置判断是否为团雾环境及浓度分级的参数值；系统整体优化协调用于参数调整后对系统整体的微调使其与参数相互适应，提高下次预警的准确性与时效性；信息归档综合功能用于对误判信息的收集分析，对需要更改的参数进行评估，提高下一次预警的准确性；

地面监测模块：用于车流量以及车速监测、团雾检测和浓度分级，并将检测数据通过信息传输模块传输至本地数据存储子系统。该模块包括小型地面气象监测站、能见度测量仪、摄像探头以及车辆传感器。

信息传输模块：分为地面光纤信息传输网络和卫星信息传输网络两种，用于相关子系统之间以及子系统与模块之间的信息传输。如用于预警广播子系统团雾监测信息传输和预警信息传输。

接收模块：分为车载模块、道路交通信息发布平台和移动终端，用于接收预警广播子系统和北斗子系统发出的预警广播语音信息或文本信息；所述预警广播语音信息或文本信息包括团雾形成时间、预计消散时间、路段位置和范围、浓度等级、限制车辆行驶速度。

车辆诱导模块：接受高速公路交通管理平台的信息，通过设置在公路两侧的雾区诱导灯带对团雾范围内的车辆诱导。

上述系统通过总结团雾的特征与发生规律、团雾天气下高速公路发生交通事故的特点，结合北斗卫星导航系统的相关功能而设计，提升了高速公路团雾区行车安全水平，为高速公路团雾区的安全设计提供依据。

本发明有效降低了因团雾造成的交通危害，解决了团雾对高速公路交通运输造成的危害，保障了团雾天气下高速公路的交通安全性和通畅性，提高了高速公路运行的科学管理水平和运营效益，具有广泛应用前景，系统具有稳定、精确、时效与可靠性，为雾区行驶车辆的安全性增添保障。

附图说明

图1是本发明基于北斗卫星导航系统的团雾监测及预警系统的结构原理示意图。

具体实施方式

本发明基于北斗卫星导航系统的团雾监测及预警系统的提出是基于以下团雾对高速公路交通安全影响分析和北斗卫星导航系统特征分析。

一.团雾对高速公路交通安全影响分析

团雾的产生是由于局部地区暖空气遇到冷空气液化形成的大量微小水滴构成的，多发生于凌晨至上午时段，影响范围为1-5km，高度为几米到几十米，持续时间一般为4小时左右。团雾具有低能见度性、突发性、流动性、影响范围不确定性、时变性和区域性等特征。

1.团雾特性

(1)低能见度性。团雾能见度从外围向核心递减，从驶入团雾区至驶出团雾区，驾驶人员的视野范围成u形变化，且团雾的能见度会由于环境的影响，可在短时间内出现较大波动。

(2)突发性。雾是由浮游在近地层中的小水滴或冰晶组成的水汽凝结物。当空气中有凝结核时，饱和空气中如有水汽继续增加或气温持续冷却，便会发生凝结。这样的成雾条件更容易在局部环境出现，也往往很难预测把控。只要条件满足，团雾便可在数小时甚至更短时间内形成。

(3)流动性。团雾为小范围出现的不良天气，微小水滴在空中漂浮会受到风力的影响，在有风的地区，团雾会随风流动。

(4)影响范围不确定性。团雾的影响范围并非固定，近地层大气只要满足雾气形成条件团雾就可以出现。且团雾范围几十米到几千米不等的特点导致的直接结果就是让团雾更容易因为气流运动或者风吹而整体飘移。

(5)时变性。据季节统计可发现，我国全年的冬半年团雾的发生频率较高，夏季除6月有较高的出现频率外其他月份的发生频率相对较低。按照全天统计，团雾导致高速公路交通事故的发生时间多为当天17时至次日8时，尤其在凌晨和傍晚两个时段形成的团雾占比重最大。

(6)区域性。沿海地区的团雾是由于暖空气层移动时遇到冷空气层产生的，为平流雾，其影响范围较广；内陆地区团雾是夜间地面辐射的冷却作用使近地面的暖气层遇冷形成，为辐射雾，其影响范围相对于平流雾较小。

2.团雾天气下高速公路交通事故特征分析

(1)发生概率大。高速公路昼夜交通量大，在车辆高速行驶中，稍有疏忽就会导致事故发生。驾驶人员在行车过程中，约80％的信息需通过视觉获得，而车辆一旦驶入团雾，能见度立即降低，视觉的信息接收也受到严重阻碍，周围潜在危险因素也随即增多，致使交通事故发生概率大大增加。根据相关统计，团雾天气下交通事故发生概率约是正常情况下的几十倍。

(2)危害程度重。高速公路车流量大、车速快，一旦前车突然减速或因事故而紧急制动，后方车辆未能及时发现并采取措施便会出现多车连环相撞等重大交通事故。而团雾的出现让连环追尾事故的产生更为频繁，事故涉及车辆多，人员伤亡大，财产损失等后果严重，事故处理难度更大。据不完全统计，在雾天高速公路上发生的交通事故中，总财产损失在10万元以上的将近75％，严重程度是正常情况下的9到10倍。

(3)回避余地小。在高速公路驾驶过程中，前后车辆间距应大于或等于某个安全距离才能保持驾车相对安全。而在雾天，尤其是团雾环境下，不同驾驶人员思维观念和驾驶行为上的差异会在低速驾驶中集中体现。现将其分为三种：a一般型：集中表现为因谨慎驾驶或恐惧心理放慢车速切低于高速公路驾驶限定速度下限；b保守型：表现为继续按照限定速度行车；c激进型：表现为因想快速通过团误区而频繁进行加速、变道、超车等行为，造成车间距忽大忽小，交通流紊乱，且在团雾环境下视觉受阻，反应时间滞后的情况下，一旦发生紧急状况回避余地更小，极易引发交通事故。

(4)身心压力大。对于初次进入团雾环境的驾驶人员而言，如果不了解雾段的特点，会在生理和心理上产生很大压力，导致驾驶行为出现波动。即使驾驶人员谨慎驾驶，警惕前方车辆，但同会因忽略或无法阻止后方车辆导致追尾事故。驾驶人员精神高度紧张也会造成注意力分散和疲劳，同样会引发交通事故。

3.团雾对高速公路交通影响分析

(1)能见度降低。雾为水汽以凝结核为核心凝结的液体，具有消光的特性，即光线的吸收、反射、折射等性能，从而缩减能见度。这很大程度上削弱了驾驶人员通过视觉获取交通信息的能力，同时导致获取路况信息的迟滞。一旦提高车速，势必会造成视野变窄且模糊化，导致反应时间和制动距离的增加，加大了危险性；若降低车速，车前安全相对得到保障，后方跟进车辆又将成为新的危险因素。

(2)地面附着系数变小。团雾的出现让周围的气温变低、湿度更大，这些雾气液滴凝聚附着在高速公路路面，使路面形成一层湿滑的水膜。此外，水墨会吸附并结合车辆排出尾气中的烟尘、油污等物质，增强路面的湿滑程度，降低路面附着系数。尤其在冬季，低温会致使水膜凝结形成薄冰，大幅降低路面和轮胎间的摩擦系数，加大车辆打滑和偏移的风险。若驾驶人员对此人事部充分或没有引起足够的重视，仍按照良好天气下的路况驾驶，一旦遇到紧急情况，追尾事故难免发生。

(3)驾驶员身心负荷重。视觉为行车过程中的感知外界信息的重要途径。相关研究表明，团雾对驾驶人员速度感知力具有双向性，过低的可视距离距离会激发驾驶人员“追踪目标”的潜意识，对当前车速做出低估判断，致使提高车速；而过高的可视距离则会依法“谨慎行驶”的心理，对当前车速做出高估判断，致使降低车速。此外，雾天会加重驾驶人员因视野受阻而产生的紧张感，在生理和心理上给驾驶人员带来较大负荷，长时间的高负荷会导致疲劳，降低行车的安全性。

二.北斗卫星导航系统特征分析

北斗卫星导航系统是我国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空面段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经具备全球导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。

北斗卫星导航系统的短报文通信具有双向报文通信功能，在国内及周边区域用户可以一次传送1000个汉字以内的短报文信息，全球范围内也可达到一次传送达40个汉字的信息。在道路交通、远洋航行中有着重要应用价值。

基于北斗卫星导航系统的道路交通管理有利于减缓交通阻塞，提升道路交通管理水平。通过在车辆上安装卫星导航接收机和数据发射机，车辆的位置信息就能在几秒钟内自动转发到中心站。这些位置信息可用于道路交通管理。

基于对上述团雾的分析和对北斗系统相关运用的探索，本发明的基于北斗导航系统的团雾监测及预警系统如图1所示，由中心系统和4个模块组成，其中中心系统由6个子系统组成。4个模块为地面监测模块、信息传输模块、接收模块和车辆诱导模块。

北斗子系统与地面监测模块通过信息传输模块连接，北斗子系统和地面监测模块均通过信息传输模块与本地数据存储子系统连接，本地数据存储子系统通过信息传输模块与人工复检子系统连接，人工复检子系统通过信息传输模块分别与高速公路交通管理平台和自我调整子系统连接，高速公路交通管理平台通过信息传输模块分别与车辆诱导模块和本地数据存储子系统连接，自我调整子系统通过信息传输模块与本地数据存储子系统连接，预警子系统通过信息传输模块与接收模块连接。

一.中心系统

包括北斗子系统、高速公路交通管理平台、本地数据存储子系统、人工复检子系统、预警子系统和自我调整子系统。

1.北斗子系统：包括定位、导航、短报文通信、授时四种功能；定位功能用于确定团雾精确位置和范围；导航功能用于团雾环境下车辆的安全引导；短报文通信功能用于发布团雾预警信息；授时功能用于协调同步整个系统的时间，确保预警的精确性和时效性。北斗子系统的短报文来自高速公路交通管理平台，由接收模块接收。

2.本地数据存储子系统：用于接收整理分析地面监测模块发送的疑似团雾监测数据，与数据库中原有的团雾参数进行比对，并进行逻辑判断是否为团雾，然后推送至人工复检系统。逻辑判断的具体过程是：当相对湿度大于90％，温度在0-15℃之间，风速小于2m/s时容易发生团雾，对检测到的温度、湿度、风速、能见度等数值进行综合分析是否为团雾，然后通过信息传输模块推送至人工复检子系统；北斗子系统与本地数据存储子系统之间也发生通信，带有地理位置信息的团雾浓度等级、能见度值、车辆限速值以及对驾驶员的警示信息如下表所示：

3.人工复检子系统：人工核实由本地数据存储子系统收集整理分析并推送的团雾判断数据。若证实为团雾则推送至高速公路交通管理平台和预警系统；若证实为误判断则启动自我调整子系统。

进行核实的方式包括但不限于专家审核、交警实地考察、远程摄像取证等。

4.高速公路交通管理平台：为本地高速公路综合管理调度平台，包含路况管理调度、信息发布屏的信息投放、交通执法工作人员的协调、调度等功能。主要用于相关信息发布，对高速公路上行驶车辆进行引导和调度等方面。

5.预警广播子系统：向接收模块发送相应的预警信息。

6.自我调整子系统：该子系统为整个系统准确性与可靠性的保障系统，包含诊断分析、阀值调整重置、系统整体优化微调、信息归档综合分析等功能，针对同一次发生的团雾采用器测法与目测法并多点多次检测，对检测数据进行对比分析，发现不足，改进提高，经过多次校改便能提高器测法的准确程度。诊断分析功能用于寻找导致误判的环节并进行原因分析；阀值调整重置功能用于更改调整甚至重置判断是否为团雾环境及浓度分级的参数值；系统整体优化协调用于参数调整后对系统整体的微调使其与参数相互适应，提高下次预警的准确性与时效性；信息归档综合功能用于对误判信息的收集分析，对需要更改的参数进行评估，提高下一次预警的准确性。

二.模块部分：包括地面监测模块、信息传输模块、接收模块和车辆诱导模块。

1.地面监测模块：包括可测量温度、湿度、雨雾、冰雪等恶劣天气参数的小型地面气象监测站、能见度测量仪(双向激光)、监测高清摄像探头以及车辆传感器。该模块用于车流量以及车速监测、团雾检测和浓度分级。团雾检测和浓度分级为现有技术，有目测法和器测法，器测法主要是能见度的检测，采用能见度仪进行检测。

2.信息传输模块：分为地面光纤信息传输网络和卫星信息传输网络两种，卫星信息传输网络作为备用网络，紧急情况(如光纤网络断路、未覆盖等)下使用。该模块用于预警广播子系统团雾监测信息传输和预警信息传输。

3.接收模块：分为车载模块、道路交通信息发布平台和移动终端三种，车载模块包括但不限于车载接收机及车载收音机等，移动终端包括但不限于智能手机等，交通信息发布平台包括但不限于高速公路侧信息发布屏等。该模块用于接收预警广播子系统发出的预警广播语音信息或文本信息，也接收北斗子系统的短报文信息。信息应包含团雾形成时间、预计消散时间、路段位置和范围、浓度等级、限制车辆行驶速度等重要内容。

4.车辆诱导模块：由太阳能雾区诱导灯控制器和双向诱导灯带组成，太阳能雾区诱导灯控制器及诱导灯带均为现有技术。每条灯带由71盏诱导灯组成，每条诱导灯带的中间装有太阳能雾区诱导灯控制器，给诱导灯供电并对诱导灯进行控制，实现对所有诱导灯的开关及同步频闪。灯带可根据雾区大小自由组合拼接，应用于团雾范围内的车辆诱导工作。