一种高速公路养护作业区预警防控安全系统及其布设方法

本发明专利涉及智能交通系统，特指一种高速公路养护作业区预警防控安全系统及其布设方法。

背景技术：

1、高速公路作为综合交通运输体系的重要组成部分，随着高速公路运营里程的增加，公路养护工作量也随之上升，养护期间的安全问题也愈发凸显，养护作业区交通环境和车辆组成复杂，施工作业通常占用一条或数条车道，使得车辆被迫减速、变道，道路冲突点增多，追尾、侧向碰撞等安全事故隐患增加，因此保证道路养护期间作业区的通行安全，提高养护作业区的交通运行安全及效率是实现新时期高速公路营运管理所必须解决的关键问题。

2、目前，为提升高速公路交通运行安全，主要有两种途径，包括限速装置和预警系统，针对高速公路施工养护作业区的预警防控多是采用警示区提前布置标志标线，或者固定限速值起到安全防控作用，但未考虑到实时的交通运行状态和天气状况，难以起到有效真实的预警和提示作用，导致限速难以起到实际效果。

3、中国专利申请号202321368965.7公布了一种雷达激光预警系统，包括：云台、雷达模块、灯光模块和控制单元。通过控制单元根据车速信息控制灯光模块做出相应模式的灯光照射在车辆行驶的道路上，提示司机降低车辆的行驶速度，从而降低由于超速而导致的事故发生。但是该系统没有监控设备和数据储存模块，系统无法记录和分析车辆行驶过程中的详细数据，也无法提供实时监控和反馈。因此，系统的功能和实用性受到了一定的限制，特别是在需要对车辆行驶情况进行全面监测和事故数据分析的场景下。

技术实现思路

1、为了弥补现有技术问题的不足，本发明的目的是提供一种高速公路养护作业区预警防控安全系统及其布设方法，综合多维信息采集和数据分析以及可变限速控制处理和多维信息发布多个模块以实现养护作业区的预警防控，提升交通安全。

2、为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

3、一种高速公路养护作业区预警防控安全系统，包括设置在高速公路的两侧的视频监控设备，其特征在于，所述的视频监控设备，用于对高速公路养护作业区附近的车辆进行拍摄和记录，生成视频数据；

4、还包括雷达设备，间隔设置在高速公路中央隔离带上，用于对高速公路养护作业区附近的车辆进行检测和识别，生成点云数据；

5、还包括后台计算机的视频数据处理模块、点云数据处理模块、数据存储传输模块、中央处理器，视频数据处理模块，通过无线网传输接收视频数据，对视频数据进行分析和处理，提取车辆的类型、位置、速度、方向信息；

6、点云数据处理模块，通过无线网传输接收点云数据，对点云数据进行分析和处理，提取车辆的轮廓、形状、尺寸信息；

7、数据储存传输模块，用于存储所述视频数据处理模块和点云数据处理模块生成的数据，进行数据备份；

8、中央处理器，用于接收所述数据储存传输模块发送的信息，进行综合分析和判断，生成预警信号和控制指令，发送给可变限速控制模块和信息发布模块，对养护作业区设定限速序列，同时提醒驾驶员。

9、进一步的，所述雷达设备为激光雷达，朝向高速高速公路来车方向车道。

10、进一步的，所述视频监控设备为高清摄像机，朝向高速高速公路来车方向车道。

11、进一步的，所述视频数据处理模块和点云数据处理模块采用yolov5、deep sort算法和点云数据处理框架，对交通流信息进行识别和提取，具体采用yolov5进行目标检测，对高速公路上的机动车目标及施工人员目标进行区分识别，并区分车辆类型；进一步使用deep sort算法对多个车辆目标实施追踪，绘制目标轨迹，测量速度。

12、进一步的，所述中央处理器配有外接操作设备和显示屏，通过内置算法能够对视频数据信息和点云数据信息进行综合分析和判断，同时根据养护作业区的实时情况，动态生成预警信号和控制指令。

13、进一步的，所述内置算法在hdbscan算法上改进，构成改进的hdbscan算法，用于雷达点云数据的预处理，进行车辆和行人的点聚类，所述内置算法：采用bp神经网络对背景进行过滤，随后使用改进的hdbscan算法聚类，利用随机森林算法根据施工人员和通行车辆的不同特征分类识别，最后基于卷积多匹配点速度估计算法，融合视频图像数据处理结果对识别到的行驶车辆进行车速估计和速度差估计，

14、所述改进的hdbscan算法两个改进点：首先，为抑制过分分割问题增加了合并簇距离参数dmc，其含义为如果两个簇之间的距离小于该距离则将两个簇合并；其次，对于远距离过分合并问题增加了第二阶段的经典dbscan算法优化过程，对生成簇进行二次dbscan聚类以避免错误的合并问题。

15、本系统将bp神经网络和改进的hdbscan算法对目标进行聚类，再结合随机森林算法使用，能精准有效的对目标进行识别和分类。

16、进一步的，所述可变限速控制模块包括测速装置及可变限速标志，测速装置将实测速度信息反馈给中央处理器，中央处理器根据实时交通流信息，给出限速值，中央处理器发布速度信号给可变限速标志显示限速信息。

17、进一步的，所述信息发布模块包括可变信息板、灯光警示装置、语音提示装置及交通广播，中央处理器根据实时交通流信息，给出限速值，并连接至养护作业区上游的警告区可变情报板，结合灯光警示装置、语音提示装置及交通广播发布方式预警。

18、此外，信息发布模块还包括驾驶员的移动通信终端（手机），交通广播可通过车载信息系统收听交通广播获悉。

19、所述的中央处理器作为后台处理系统，内置多个算法模块，包括数据调度系统，通过调取上述数据处理模块的结果，将多维数据输入到改进的bp神经网络可变限速控制算法种，输出相应的可变限速序列，该算法通过遗传算法进行参数调优，能有效估计不同交通流状况下的最优限速值。

20、所述高速公路养护作业区预警防控安全系统布设方法，包括如下步骤：

21、s1、在高速公路中央隔离带上间隔设置雷达设备，雷达设备间距500~1000米；

22、s2、需要养护时，按照公路养护安全作业规程，将高速公路养护作业区上游由远及近依次为警告区、过渡区、缓冲区，养护作业区由近及远划分为过渡区、终止区；

23、s3、高速公路两侧原有视频监控设备之间临时增设视频监控设备，保证警告区、过渡区、缓冲区、养护作业区、过渡区、终止区段视频监控设备距离小于500米；

24、s4、高速公路两侧警告区临时增设若干间隔分布的可变限速标志，可变限速标志中预存有120m/h~20km/h范围的限速值，可变限标志由警告区起始点至结束点显示限速值逐渐降低，警告区中部还临时增设有可变信息板，可变信息板中预存“前方道路拥挤，限速值xx”、“前方道路拥挤，限速xx并注意保持车距”的警示信息，在养护作业区上游的过渡区、缓冲区设置灯光警示装置、语音提示装置；在养护作业区围挡增加诱导灯光；

25、s5、在警告区对应的中央隔离带上临时增设若干个间隔分布的测速屏，测速屏间距100~500米；

26、s6、雷达设备、视频设备设置无线网络连接视频数据处理模块、点云数据处理模块，视频数据处理模块、点云数据处理模块传输到数据储存传输模块备份，数据存储传输模块将信息传送至后台中央处理器，中央处理器生成预警信号和控制指令，发送给可变限速控制模块和信息发布模块。

27、本发明与现有技术相比，本发明的有益效果：

28、1、本发明采用雷达设备和视频监控设备采集高速公养护作业区上下游及作业区见的交通流信息和车辆情况，通过视频图像处理和点云数据处理模块精确地实现目标分类和轨迹跟踪，并统计计算出路段密度、车速及交通量和大车率等信息，以更全面真实地反映了当前的交通流运行状况；

29、2、本发明全面真实地反映了当前的交通流运行状况，同时中央处理器在接收到这些信息后，将bp神经网络和hdbscan算法对目标进行聚类，再通过随机森林算法进行分类，能精准有效的对目标进行识别和分类，基于遗传算法优化的改进bp神经网络（通过遗传算法确定bp神经网络的最佳参数选择）模型实时估计当前养护区的最佳限速序列值，保证车辆高效安全的通过养护作业区；

30、3、本发明同时将交通流状况和限速信息及时通过可变信息板等多个渠道，以便驾驶员提前获知当前的道路状况并采取限速，起到预警作用。