一种高速公路冰雪天气下可变限速控制系统及方法与流程

本发明涉及交通安全
技术领域：
，具体涉及一种高速公路冰雪天气下可变限速控制系统及方法。
背景技术：
：随着我国快速道路通车里程数和机动车保有量迅速增长，道路交通安全领域的相关问题越来越受到重视。正常天气状况下，有一套限速控制系统。而下雪天气条件下情况复杂，正常天气状况下的限速控制系统不适用于下雪天条件的情况。冰雪天气会对高速公路的通行效率造成严重影响。高速公路在冰雪天气下常常采用封路或通告限速的方法，封路会使相应路段丧失通行功能，而通告限速常常存在信息发布滞后，驾驶员获取信息不便等缺点。此外，通告限速采用固定限速值，无法及时根据冰雪天气对路况的影响进行调整，从而降低通行效益。因此研究冰雪天气下高速公路速度的控制方法，对提高公路通行效率与安全性具有重要意义。目前我国保障快速道路下雪天气下交通安全的主要手段是车速限制，如何科学、合理的确定快速道路各种情况下的限速值是解决问题的关键。现阶段针对冰雪天气下高速公路管理方法，主要为封路或通告限速，封路会使相应路段丧失通行功能，而通告限速常常存在信息发布滞后，驾驶员获取信息不便等缺点。此外，通告限速采用固定限速值，无法及时根据冰雪天气对路况的影响进行调整，在天气情况更加恶劣时保持固定限速会降低高速公路通行安全性，在天气情况转好时保持固定限速会降低通行效益。可变限速作为一种新的方法，被越来越广泛的应用于高速公路的交通控制中。现有可变限速技术主要应用于高速公路瓶颈区优化上，包括道路施工区占道施工期间的限速控制、交通事故应急处理限速控制等。在可变限速应用于特殊天气高速公路控制的研究中，已有包括雾天、雨天条件下的限速控制方法，而对冰雪天气条件下可变限速的研究则较为缺乏。技术实现要素：为了解决上述的技术问题，本发明提供一种高速公路冰雪天气下可变限速控制系统及方法，其目的在于，根据冰雪天气对道路的影响实时动态改变高速公路的限速值，与固定限速相比更加灵活。本发明提供一种高速公路冰雪天气下可变限速控制系统，包括道面检测单元、道面状态判别单元、限速控制单元和信息发布单元；所述道面检测单元采集道面冰雪状态信息；所述道面状态判别单元采用模糊逻辑控制对道面状态进行判别；所述限速控制单元用于限速值的生成、校核与更新；所述信息发布单元用于实时显示限速值。本发明进一步保护一种上述系统用于高速公路冰雪天气下可变限速控制的方法，包括顺序执行限速点位置选定步骤，路况判别步骤，限速值确定步骤及限速值校核步骤四个步骤。作为本发明进一步的改进，所述限速点位置选定步骤的具体方法如下：s1.根据道路线性进行选定，两限速点间应保证一定距离的路段为直线或圆曲线，当有缓和曲线或其他类型曲线时，应与邻近圆曲线组合，以便于安全限速；s2.根据历史数据及经验进行选定，此项应依据高速管理部门的经验，在事故多发与路况恶劣路段之前单独设置限速点；s3.两限速点之间应保持最小距离，以保证车辆行驶稳定性。作为本发明进一步的改进，所述路况判别步骤的具体方法如下：依靠道面检测器检测冰雪天气下道路相关参数，通过模糊逻辑控制方法，得出冰雪天气对路面影响的程度，从而生成路况判别结果及对应附着系数；其中附着系数被应用于可变限速值的生成上，模糊逻辑路况判别方法为：s1.确定输入变量，所述输入变量包括冰层平均厚度与雪层平均厚度；s2.通过语言定义变量对输入及输出变量进行模糊化处理。可选的，所述模糊输入变量中，冰层厚度，记为变量x，可用语言表述为{xn,xl,xm,xh}，xn表示无冰，xl表示冰层厚度较小，xm表示冰层厚度中等，xh表示冰层厚度较高；雪层厚度，记为变量y，可用语言表述为{yn,yl,ym,yh}，yn表示无雪，yl表示雪层厚度较小，ym表示雪层厚度中等，yh表示雪层厚度较高。所述模糊输出变量中，路况状态，记为变量z，可用语言表述为{zj,zb,zy,zs,zw},zj表示结冰路面，zb表示冰雪混合路面，zy表示压实雪路面，zs表示松雪路面，zw表示无雪路面；s3.根据专家经验设置模糊规则库，将模糊输入变量通过规则库进行模糊处理。模糊规则库可由高速管理部门根据冰雪天气对路面影响的实际条件进行调整，可选的，预设定模糊规则库为下表：表1模糊规则库s4.通过反模糊化计算，得到模糊输出变量。作为本发明进一步的改进，步骤s4所述反模糊化计算的计算方法选自重心法、面积评分法、最大隶属度函数最大取值法、最大隶属度函数最小取值法和平均最大隶属度法中的一种或多种组合。作为本发明进一步的改进，所述限速值确定步骤的具体方法如下：依据路况判别结果对应的附着系数与道路线形条件，附着系数由路况判别结果得到，道路线形条件由限速点位置决定，包括道路线性为直线和道路线形为圆曲线两种情况，在直线和圆曲线限速值计算时，分别用到纵向附着系数与横向附着系数，它们均由附着系数求得，其关系为：式中，u为附着系数，可选的，取uh＝0.6u，取uv＝0.8u。作为本发明进一步的改进，所述道路线性为直线时的具体步骤如下：限速值以保证车辆在发现前方障碍物或车辆后可以安全制动为准，安全距离为：l＝lr+ld+ls(2)式中，l为安全距离，m，lr为驾驶员反应距离，m，ld为车辆制动距离，m，ls为预留安全距离，m；预留安全距离一般设置为5-10m。lr＝vs*tr/3.6(3)式中，vs为安全停车速度，km/h，tr为反应时间，s；式中，g为重力加速度，取9.8m/s2。uv为纵向附着系数；由式(1)(2)(3)可得安全停车速度为则限速值为安全停车速度与速度余量之差，即vl＝vs-va(6)式中，va为速度余量，直线形时设置为10km/h。作为本发明进一步的改进，所述道路线性为圆曲线时的具体步骤如下：限速值以保证车辆稳定通过圆曲线路段为准，车辆在圆曲线路段保持不发生侧滑的临界状态时，有式中，vc为临界车辆稳定速度km/h，r为圆曲线半径,m，uh为横向附着系数，i为超高，则限速值：vl＝kvc(9)由于车辆圆曲线行驶时，临界稳定速度与舒适稳定速度差值较大，因此可根据大样本下临界稳定速度与舒适稳定速度的比值设置k值，可选的，设置k＝0.50。作为本发明进一步的改进，所述限速值校核步骤的具体方法如下：限速值的变化幅度与变化频率均实时更新，更新频率应根据冰雪天气影响保持在一定范围内，限速值生成后，需要进行校核后才能进行显示，限速值更新规则为：式中，vt为当前时段限速值，vt+1为下一时段更新限速值，vu为限速值增加阈值，vd为限速值减小阈值。作为本发明进一步的改进，所述限速值更新频率为1h/次。本发明具有如下有益效果：1.本发明所述方法可以根据冰雪天气对道路的影响实时动态改变高速公路的限速值，与固定限速相比更加灵活。将可变限速应用于冰雪天气高速公路管理上来，克服了传统固定限速无法随路况变化而实时改变限速信息的缺点。2.工程实施成本较低，检测器的布设不需要对路基路面进行改动，本方法主要依靠冰雪天气特征数据，降低了高速公路管理部门的管理难度，较少了人力成本。3.在受到冰雪天气影响的路段，提高了高速公路车辆通行的安全性和通行效率。4.限速值计算考虑到驾驶员制动特性和道路线形特征等因素，引入临界稳定速度与舒适稳定速度的关系，使限速值计算更加合理有效，驾驶员不必通过其他方式查询限速信息，获取实时限速信息更加快捷方便。5.冰雪天气路况判别采用模糊控制方法，控制规则可根据高速公路管理部门对实地道路的管理经验进行动态调整，具有较强的鲁棒性和适应性。附图说明图1是本发明所述的冰雪天气可变限速各个控制模块示意图；图2是本发明所述的冰雪天气可变限速各设备布设的示意图；图3是本发明所述的冰雪天气可变限速控制流程的示意图；图4是本发明所述的冰雪天气可变限速控制案例路段的示意图；图5是本发明所述的冰雪天气可变限速控制路况判别模块中模糊控制器的示意图；图6是本发明所述的冰雪天气可变限速控制中模糊控制器的冰层厚度x输入变量模糊化过程及隶属度函数示意图；图7是本发明所述的冰雪天气可变限速控制中模糊控制器的雪层厚度y输入变量模糊化过程及隶属度函数示意图；图8是本发明所述的冰雪天气可变限速控制中模糊控制器的路况状态z输出变量模糊化过程及隶属度函数示意图；其中，1.道面检测单元；2.道面状态判别单元；3.限速控制单元；4.信息发布单元。具体实施方式下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例只是本发明的部分具有代表性的实施例，而不是全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例都属于本发明的保护范围。如图1，本发明一种高速公路冰雪天气下可变限速控制系统，包括道面检测单元1、道面状态判别单元2、限速控制单元3和信息发布单元4；所述道面检测单元采集道面冰雪状态信息；所述道面状态判别单元采用模糊逻辑控制对道面状态进行判别；所述限速控制单元用于限速值的生成、校核与更新；所述信息发布单元用于实时显示限速值。一种用于高速公路冰雪天气下可变限速控制的方法，包括顺序执行：限速点位置选定步骤：s1.根据道路线性进行选定，两限速点间应保证一定距离的路段为直线或圆曲线，当有缓和曲线或其他类型曲线时，应与邻近圆曲线组合，以便于安全限速；s2.根据历史数据及经验进行选定，此项应依据高速管理部门的经验，在事故多发与路况恶劣路段之前单独设置限速点；s3.两限速点之间应保持最小距离，以保证车辆行驶稳定路况判别步骤：依靠道面检测器检测冰雪天气下道路相关参数，通过模糊逻辑控制方法，得出冰雪天气对路面影响的程度，从而生成路况判别结果及对应附着系数；其中附着系数被应用于可变限速值的生成上，模糊逻辑路况判别方法为：s1.确定输入变量，所述输入变量包括冰层平均厚度与雪层平均厚度；s2.通过语言定义变量对输入及输出变量进行模糊化处理。可选的，所述模糊输入变量中，冰层厚度，记为变量x，可用语言表述为{xn,xl,xm,xh}，xn表示无冰，xl表示冰层厚度较小，xm表示冰层厚度中等，xh表示冰层厚度较高；雪层厚度，记为变量y，可用语言表述为{yn,yl,ym,yh}，yn表示无雪，yl表示雪层厚度较小，ym表示雪层厚度中等，yh表示雪层厚度较高。所述模糊输出变量中，路况状态，记为变量z，可用语言表述为{zj,zb,zy,zs,zw},zj表示结冰路面，zb表示冰雪混合路面，zy表示压实雪路面，zs表示松雪路面，zw表示无雪路面；s3.根据专家经验设置模糊规则库，将模糊输入变量通过规则库进行模糊处理。模糊规则库可由高速管理部门根据冰雪天气对路面影响的实际条件进行调整，可选的，预设定模糊规则库为下表：表1模糊规则库s4.通过反模糊化计算，得到模糊输出变量，所述反模糊化计算的计算方法选自重心法、面积评分法、最大隶属度函数最大取值法、最大隶属度函数最小取值法和平均最大隶属度法中的一种或多种组合。限速值确定步骤：依据路况判别结果对应的附着系数与道路线形条件，附着系数由路况判别结果得到，道路线形条件由限速点位置决定，包括道路线性为直线和道路线形为圆曲线两种情况，在直线和圆曲线限速值计算时，分别用到纵向附着系数与横向附着系数，它们均由附着系数求得，其关系为：式中，u为附着系数，可选的，取uh＝0.6u，取uv＝0.8u。道路线性为直线时的具体步骤如下：限速值以保证车辆在发现前方障碍物或车辆后可以安全制动为准，安全距离为：l＝lr+ld+ls(2)式中，l为安全距离，m，lr为驾驶员反应距离，m，ld为车辆制动距离，m，ls为预留安全距离，m；预留安全距离一般设置为5-10m。lr＝vs*tr/3.6(3)式中，vs为安全停车速度，km/h，tr为反应时间，s；式中，g为重力加速度，取9.8m/s2。uv为纵向附着系数；由式(1)(2)(3)可得安全停车速度为则限速值为安全停车速度与速度余量之差，即vl＝vs-va(6)式中，va为速度余量，直线形时设置为10km/h。道路线性为圆曲线时的具体步骤如下：限速值以保证车辆稳定通过圆曲线路段为准，车辆在圆曲线路段保持不发生侧滑的临界状态时，有式中，vc为临界车辆稳定速度km/h，r为圆曲线半径,m，uh为横向附着系数，i为超高，则限速值：vl＝kvc(9)由于车辆圆曲线行驶时，临界稳定速度与舒适稳定速度差值较大，因此可根据大样本下临界稳定速度与舒适稳定速度的比值设置k值，可选的，设置k＝0.50限速值校核步骤：限速值的变化幅度与变化频率均实时更新，更新频率应根据冰雪天气影响保持在一定范围内，限速值更新频率可设定为1h/次，限速值生成后，需要进行校核后才能进行显示，限速值更新规则为：式中，vt为当前时段限速值，vt+1为下一时段更新限速值，vu为限速值增加阈值，vd为限速值减小阈值。本发明适用于冰雪天气下高速公路交通限速控制，各控制部分如图1所示。包括检测模块、主控模块和显示模块。检测模块由道面检测器构成，通过红外遥感与光谱分析技术得到路面冰层与雪层的平均厚度。主控模块包括路况处理单元与限速处理单元，路况处理单元用以接收道面检测器采集到的路况数据，通过模糊控制器输出路况数据，同时根据路况判别结果输出实时道路附着系数；限速处理单元用以根据道路附着系数与道路线形参数进行限速值的生成与更新。显示模块由led速度显示牌组成，用以驾驶员接收限速实时限速信息。设备布设如图2所示，1为检测模块，2为主控模块，3为显示模块。各模块间可通过无线技术进行信号通信。图3为可变限速控制流程示意图。以吉林省某高速公路一段长度约为25km的路段为例，在直线(曲线段曲率半径>1400m时可近似认为直线)段与圆曲线段相邻区段设置限速点，同时为保证车辆行驶稳定性，限速点间距一般大于等于5km。据此设置限速点如图4所示，限速段a与限速段d为直线限速段，限速段b与限速段c圆曲线部分的曲率半径分别为800m和600m，超高均为0.03。以下将根据限定案例对冰雪天气下可变限速控制方法进行详细介绍：第一步：道面检测器检测路面平均冰层厚度与平均雪层厚度，并将此数据输入主控模块。可选的，现存usregalsentry302遥感道面状态检测器，其检测冰厚度为0.00-2.00mm，雪厚度为0.00-10.00mm，测量精度为±0.01mm。第二步：路况处理单元接收道面检测数据，将道面检测数据进行模糊化，模糊化过程依靠专家决策进行。所述模糊输入变量中，冰层厚度(记为变量x)可用语言表述为{xn,xl,xm,xh}，xn表示无冰，对应冰层厚度0mm为隶属度函数极值点；xl表示冰层厚度较小，对应冰层厚度0.40mm为隶属度函数极值点；xm表示冰层厚度中等，对应冰层厚度1.00mm为隶属度函数极值点；，xh表示冰层厚度较高对应冰层厚度>1.80mm为隶属度函数极值区域.所述模糊输入变量中，雪层厚度(记为变量y)可用语言表述为{yn,yl,ym,yh}，yn表示无雪，对应雪层厚度0mm为隶属度函数极值点；yl表示雪层厚度较小，对应雪层厚度2.00mm为隶属度函数极值点；ym表示雪层厚度中等，对应雪层厚度6.00mm为隶属度函数极值点；yh表示雪层厚度较高，对应雪层厚度>9.00为隶属度函数极值区域。所述模糊输出变量中，路况状态(记为变量z)可用语言表述为{zj,zb,zy,zs,zw},zj表示结冰路面，对应附着系数0.10为隶属度函数极值点；zb表示冰雪混合路面，对应附着系数0.15为隶属度函数极值点；zy表示压实雪路面，对应附着系数0.20为隶属度函数极值点；zs表示松雪路面，对应附着系数0.30为隶属度函数极值点；zw表示无雪路面，对应附着系数>0.05为隶属度函数极值区域。通过预实验选择判别效果较好的隶属度函数与函数参数。本例中隶属度函数采用z型，guass型和s型函数，其中z型函数形式为变量xn、yn隶属函数为z型函数。函数参数为：xn中a＝0，b＝0.20；yn中a＝0，b＝1.00。其中gauss型函数形式为变量xl、xm、yl、ym、zj、zb、zy、zs的隶属函数为gauss型函数。函数参数为：xl中c＝0.40，σ＝0.10；xm中c＝1.00，σ＝0.10；yl中c＝2.0，σ＝0.50；ym中c＝6.0，σ＝0.80；zj中c＝0.08，σ＝0.01；zb中c＝0.12，σ＝0.01；zy中c＝0.20，σ＝0.02；zs中c＝0.30，σ＝0.03；其中s型函数形式为变量xh、yh、zw的隶属函数为s型函数。函数参数为：xh中a＝1.40，b＝1.80；yh中a＝7.50，b＝9.50；zw中a＝0.30，b＝0.30模糊控制器原理如图5所示，模糊输入变量冰层厚度隶属函数如图6所示。模糊输入变量雪层厚度隶属函数如图7所示。模糊输出变量附着系数隶属函数如图8所示。模糊规则库如下表所示表2第三步：根据路况判别结果输出的附着系数，并根据道路线形条件计算限速值。假定案例中模糊控制器对路况的实时判别结果为：表3限速段1限速段2限速段3限速段4时段1zszszszs时段2zyzyzyzy时段3zyzjzjzy时段4zjzjzjzj根据路面状态与附着系数的关系：表4路面状态变量符号附着系数参考范围本案例附着系数参考值结冰路面zj0.06-0.120.10冰雪混合路面zb0.12-0.170.15压实雪路面zy0.17-0.250.20松雪路面zs0.25-0.350.30无雪路面zw0.35-0.600.50由案例道路线形条件，限速段a与限速段d为直线限速段，采用纵向附着系数uv＝0.8u；限速段b与限速段c为曲线限速段，采用横向附着系数uh＝0.6u。表5直线部分限速值计算公式为vl＝vs-va取tr＝2.0s,ls＝5m,l＝200m,va＝10km/h。曲线部分限速值计算公式为vl＝kvc取k＝0.50。计算得各时段可变限速值为表6限速段1限速段2限速段3限速段4时段183736383时段268615368时段368474168时段457474157第四步：将第三步求得的限速值进行校核，由于相邻时段限速值之差均小于阈值，因此处理结果与上表相同。特别的，限速值一般取10的倍数，故led显示限速值为表7限速值更新频率应由高速公路管理部门根据实际情况确定，本案例时段长度为1h。综上可知，本发明建立了冰雪天气下高速公路可变限速方法，综合考虑了道面状态预测与道路线形特征等因素，一方面增加了冰雪天气下高速公路的通行效率，另一方面保证了冰雪天气下车辆行驶的安全性。因此，本发明可以为高速公路在冰雪天气条件下的限速控制提供理论参考和技术支持，具有较好的应用前景。与现有技术相比，本发明将可变限速应用于冰雪天气高速公路管理上来，克服了传统固定限速无法随路况变化而实时改变限速信息的缺点。相对于传统可变限速方法主要依靠实施流量数据，本方法主要依靠冰雪天气特征数据，所采用的检测器无须对路面进行改动，工程实施成本较低。限速值计算考虑到驾驶员制动特性和道路线形特征等因素，引入临界稳定速度与舒适稳定速度的关系，使限速值计算更加合理有效。冰雪天气路况判别采用模糊控制方法，控制规则可根据高速公路管理部门对实地道路的管理经验进行动态调整，具有较强的鲁棒性和适应性。本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。当前第1页12