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一种山区高速公路降雨环境预警系统及方法

阅读：442发布：2022-06-03

专利汇可以提供一种山区高速公路降雨环境预警系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种山区高速公路降雨环境预警系统，它由通信系统连接的下述功能系统构成：信息监测采集系统；信息处理系统，决策支持系统，信息发布系统和评价系统，本发明将气象信息监测采集传感器、路面状况信息监测采集传感器、交通流检测传感器集成一体，布置在山区高速公路典型断面位置，有效克服了目前公路气象监测站与路域环境差异性、突发性及区域性不相适应的缺陷。实时采集气象信息、路面状况信息以及交通流信息数据，为信息处理系统提供数据支持。决策支持系统根据信息处理系统的分析结果，兼顾安全、通行水平和经济性指标，综合确定相对最优的安全管理对策，并通过信息发布系统传输至现场发布，最终实现降雨环境下路面的安全高效运营。，下面是一种山区高速公路降雨环境预警系统及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种山区高速公路降雨环境预警系统，其特征在于：它由通信系统连接的下述功能系统构成：
信息监测采集系统：用于采集高速公路上最不利线形路段与最不利气象路段的气象信息、路面信息与交通状态信息；其包括气象监测采集系统、路面状况监测采集系统以及交通信息检测采集系统；
信息处理系统，用于将信息监测采集系统采集的气象信息、路面信息和交通状态信息通过计算机处理系统对数据进行分析，提取安全相关信息，为决策支持系统、交通组织与管理提供所需数据；
决策支持系统，用于形成降雨路面安全管理对策及对降雨路面安全管理对策进行分析与评价；收到信息处理系统形成的安全相关信息后与降雨路面安全管理对策内的各参数进行比对找出该实时路况下的降雨路面安全管理对策，并将降雨路面安全管理对策发送至信息发布系统；所述降雨路面安全管理对策进行分析与评价是从交通流影响、用户损失及经济性角度评价分析降雨路面安全管理对策的可行性与优劣性；
信息发布系统，其作用是及时准确发布决策支持系统形成的积雪路面预警信息和决策信息，确保预警方案和决策的及时准确实施，发布方式包括可变情报板、无线电通讯和广播电视；
评价系统，其作用是定期进行道路安全性评价，对整套系统的运行效果进行反馈，以使系统不断改进和完善。
2.根据权利要求1所述的山区高速公路降雨环境预警系统，其特征在于：所述气象监测采集系统包括能见度传感器；路面状态监测系统包括遥感式路面状态传感器；交通信息监测采集系统包括流量监测站、地下感应线圈；所述能见度传感器用于监测降雨过程中大气能见度；所述遥感式路面状态传感器用于采集降雨状态下的路面特征值，包括路表温度、水膜厚度；所述交通信息监测采集系统用于监测交通流量、车辆运行速度。
3.根据权利要求1或2所述的山区高速公路降雨环境预警系统，其特征在于：所述信息监测采集系统、信息发布系统设置在公路最不利线形路段与日常养护中发现的易积水路段，所述的公路最不利线形路段为小半径曲线段、桥梁桥身段、隧道进出口段。
4.根据权利要求3所述的山区高速公路降雨环境预警系统，其特征在于：所述信息处理系统是将信息监测采集系统采集的气象、路面和交通状态信息，通过计算机处理系统对数据进行计算分析，得出交通组织与管理及决策支持系统所需的安全相关信息，所述安全相关信息包括路面摩擦系数、能见度、交通组成、交通流量、车辆运行速度。
5.根据权利要求4所述的山区高速公路降雨环境预警系统，其特征在于：所述降雨环境路面摩擦系数受路面潮湿度及积水深度的影响；构建潮湿积水路面预警分级标准所需的潮湿积水路面摩擦系数计算模型如式（1）所示，潮湿路面摩擦系数计算模型为对数模型，滑水路面摩擦系数计算模型为多元线性模型；
（1）
式中， ——潮湿（部分滑水）路面摩擦系数； a、c——与路面类型相关的参数； v——车辆运行速度(km/h) ；h——水膜厚度(mm)；t——轮胎花纹深度(mm)；
所述的潮湿积水路面的预警分级标准按积水厚度及车辆动力学特性划分为：完全滑水路面hw≥3.4mm、部分滑水路面1.5mm≤hw<3.4mm、潮湿路面(hw<1.5mm)，预警信号按照预警标准按完全滑水路面、部分滑水路面、潮湿路面对应地分为三级，颜色依次为红色、橙色、黄色。
6.根据权利要求1所述的山区高速公路降雨环境预警系统，其特征在于：所述的决策支持系统中的降雨路面安全管理对策根据车辆行驶动力学稳定标准，利用ADAMS/car仿真软件对不同线形、不同摩擦系数、不同驾驶行为耦合作用下的行车特性进行分析与仿真，确定不同工况下的车辆安全运行标准，包括不同摩擦系数下平曲线段安全运行速度标准、直线段车辆变道过程的安全运行速度及加速度、隧道进出口段摩擦系数突变状态下的车辆安全运行加速度。
7.根据权利要求6所述的山区高速公路降雨环境预警系统，其特征在于：所述的决策支持系统还包括对策评价阶段，对策评价从交通流影响、用户损失及经济性角度评价分析对策的可行性与优劣性；其中，交通流影响指的是根据运行标准确定相应的安全容许通行能力Qs，与路段交通流量Qf对比；
其中，Qs=Ks×Vs，Ks表示交通密度（辆/公里），Vs表示安全运行车速，Qs表示积雪路面安全容许通行能力；
若QsQf，则在入口进行限制车速和车距的常规化管理；用户损失指的是延误时间及物资费用；经济性指的是交通事故造成的损失与预防事故发生投入资金的比较分析。
8.根据权利要求6或7所述的山区高速公路降雨环境预警系统，其特征在于：降雨路面安全管理对策包括道路交通管制措施和道路工程措施，所述的路交通管制措施为设置警告标志、限速、车型限制、车距控制、匝道控制、交通诱导和关闭等措施。
9.根据权利要求6所述的山区高速公路降雨环境预警系统，其特征在于：所述的决策支持系统还具备自我学习智能模块，用于收集安全行驶车辆的驾驶数据并进行总结，完善不同车辆的降雨路面安全管理对策。

说明书全文

一种山区高速公路降雨环境预警系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及山区高速公路路面状况预警技术领域，特别是涉及一种山区高速公路降雨环境预警系统及方法。

背景技术

[0002] 随着全球气候条件的变化，突发性恶劣天气频繁出现，致使天气条件对交通运输的影响越来越广泛。恶劣的天气条件，包括强降雨天气，给公路交通运输、安全带来巨大损失和隐患。及时准确获取路域环境内的气象信息、路面信息、交通信息，确定有效的管控措施至关重要。

[0003] 目前，气象部门的监测站点虽然建设较完备，但与交通服务的需求不适应，与路域环境下的恶劣天气监测有着本质区别，体现在以下几方面：

[0004] (1)数据交互差异：普通气象站无须实时上传气象资料，而交通气象则必须达到实时交互的要求。

[0005] (2)空间范围错位：道路是线形基础设施，而气象站点是面域覆盖设施，气象站点的设置过于稀疏，无法满足精细化交通气象服务的需求。

[0006] (3)代表性欠缺：普通气象站点的布设环境需要考虑地面观测标准，往往都远离交通干线，因此，气象站点的监测信息往往不能代表道路上的实际气象环境，尤其是对于具有“局域小气候”的山区高速公路，利用现有气象观测站点进行交通气象预测更难以实现。

[0007] (4)观测属性差异：气象站点采集的主要是大气属性信息，而交通气象信息关注大气、路面乃至路基的属性信息，单纯的依靠气象检测站，无法获得全部信息。

[0008] 考虑到高速公路气象的差异性、突发性及区域性，需要建设专用的交通气象监测站点，形成“路域降雨环境与路面状况”监测系统，实现对不同气象环境参数、路面状况参数、交通流数据的实时监测并实时上传，并形成完整的山区高速公路降雨环境预警系统及方法。

发明内容

[0009] 本发明的目的在于解决目前山区高速公路路域范围内降雨信息、路面状况信息、交通信息的不匹配性、无代表性问题，为山区高速公路提供有效的监测方案并构建相应的配套系统，同时提供一种山区高速公路降雨环境预警方法，指导高速公路有关部门的科学有效管理。

[0010] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0011] 一种山区高速公路降雨环境预警系统，其特征在于：它由通信系统连接的下述功能系统构成：

[0012] 信息监测采集系统：用于采集高速公路上最不利线形路段与最不利气象路段的气象信息、路面信息与交通状态信息；其包括气象监测采集系统、路面状况监测采集系统以及交通信息检测采集系统；

[0013] 信息处理系统，用于将信息监测采集系统采集的气象信息、路面信息和交通状态信息通过计算机处理系统对数据进行分析，提取安全相关信息，为决策支持系统、交通组织与管理提供所需数据；

[0014] 决策支持系统，用于形成降雨路面安全管理对策及对降雨路面安全管理对策进行分析与评价；收到信息处理系统形成的安全相关信息后与降雨路面安全管理对策内的各参数进行比对找出该实时路况下的降雨路面安全管理对策，并将降雨路面安全管理对策发送至信息发布系统；所述降雨路面安全管理对策进行分析与评价是从交通流影响、用户损失及经济性角度评价分析降雨路面安全管理对策的可行性与优劣性。

[0015] 信息发布系统，其作用是及时准确发布决策支持系统形成的积雪路面预警信息和决策信息，确保预警方案和决策的及时准确实施，发布方式包括可变情报板、无线电通讯和广播电视；

[0016] 评价系统，其作用是定期进行道路安全性评价，对整套系统的运行效果进行反馈，以使系统不断改进和完善。

[0017] 前述的山区高速公路降雨环境预警系统是，所述气象监测采集系统包括能见度传感器；路面状态监测系统包括遥感式路面状态传感器；交通信息监测采集系统包括流量监测站、地下感应线圈；所述能见度传感器用于监测降雨过程中大气能见度；所述遥感式路面状态传感器用于采集降雨状态下的路面特征值，包括路表温度、水膜厚度；所述交通信息监测采集系统用于监测交通流量、车辆运行速度。

[0018] 前述的山区高速公路降雨环境预警系统是，所述信息监测采集系统、信息发布系统设置在公路最不利线形路段与日常养护中发现的易积水路段，所述的公路最不利线形路段为小半径曲线段、桥梁桥身段、隧道进出口段。

[0019] 前述的山区高速公路降雨环境预警系统是，所述信息处理系统是将信息监测采集系统采集的气象、路面和交通状态信息，通过计算机处理系统对数据进行计算分析，得出交通组织与管理及决策支持系统所需的安全相关信息，所述安全相关信息包括路面摩擦系数、能见度、交通组成、交通流量、车辆运行速度。

[0020] 前述的山区高速公路降雨环境预警系统是，所述降雨环境路面摩擦系数受路面潮湿度及积水深度的影响；构建潮湿积水路面预警分级标准所需的潮湿积水路面摩擦系数计算模型如式(1)所示，潮湿路面摩擦系数计算模型为对数模型，滑水路面摩擦系数计算模型为多元线性模型；

[0021]

[0022] 式中，μ——潮湿(部分滑水)路面摩擦系数；a、c——与路面类型相关的参数；v——车辆运行速度(km/h)；h——水膜厚度(mm)；t——轮胎花纹深度(mm)；

[0023] 所述的潮湿积水路面的预警分级标准按积水厚度及车辆动力学特性划分为：完全滑水路面hw≥3.4mm、部分滑水路面1.5mm≤hw<3.4mm、潮湿路面 (hw<1.5mm)，预警信号按照预警标准按完全滑水路面、部分滑水路面、潮湿路面对应地分为三级，颜色依次为红色、橙色、黄色。

[0024] 前述的山区高速公路降雨环境预警系统是，所述的决策支持系统中的降雨路面安全管理对策根据车辆行驶动力学稳定标准，利用ADAMS/car仿真软件对不同线形、不同摩擦系数、不同驾驶行为耦合作用下的行车特性进行分析与仿真，确定不同工况下的车辆安全运行标准，包括不同摩擦系数下平曲线段安全运行速度标准、直线段车辆变道过程的安全运行速度及加速度、隧道进出口段摩擦系数突变状态下的车辆安全运行加速度。

[0025] 前述的山区高速公路降雨环境预警系统是，所述的决策支持系统还包括对策评价阶段，对策评价从交通流影响、用户损失及经济性角度评价分析对策的可行性与优劣性；其中，交通流影响指的是根据运行标准确定相应的安全容许通行能力Qs，与路段交通流量Qf对比。其中，Qs＝Ks×Vs，Ks表示交通密度(辆/ 公里)，Vs表示安全运行车速，Qs表示积雪路面安全容许通行能力。若Qs费用；经济性指的是交通事故造成的损失与预防事故发生投入资金的比较分析。

[0026] 前述的山区高速公路降雨环境预警系统是，降雨路面安全管理对策包括道路交通管制措施和道路工程措施，所述的路交通管制措施为设置警告标志、限速、车型限制、车距控制、匝道控制、交通诱导和关闭等措施。

[0027] 前述的山区高速公路降雨环境预警系统是，所述的决策支持系统还具备自我学习智能模块，用于收集安全行驶车辆的驾驶数据并进行总结，完善不同车辆的降雨路面安全管理对策。

[0028] 有益效果

[0029] 本发明将气象信息监测采集传感器、路面状况信息监测采集传感器、交通流检测传感器集成一体，布置在山区高速公路典型断面位置，有效克服了目前公路气象监测站与路域环境差异性、突发性及区域性不相适应的缺陷。实时采集气象信息、路面状况信息以及交通流信息数据，为信息处理系统提供数据支持。决策支持系统根据信息处理系统的分析结果，兼顾安全、通行水平和经济性指标，综合确定相对最优的安全管理对策，并通过信息发布系统传输至现场发布，最终实现降雨环境下路面的安全高效运营。

[0030] 本发明对比已有技术具有下列有效效果：

[0031] (1)从信息监测层面分析，本发明针对高速公路路域环境的差异性、突发性及区域性，在山区高速公路排水不良路段布置气象传感器、遥感式路面状况传感器和交通信息传感器，实时采集、存储、传输气象数据、路面状况数据、交通流数据，保证数据采集的全面性、代表性、有效性。

[0032] (2)从系统特点层面分析：本发明所述的山区高速公路降雨环境预警系统，是一种包含静态监测传感设备的系统。因现场监测设备布设于硬路肩以外，其维修、更换设备方便，且对高速公路交通流无干扰。该系统功能全面，受干扰因素较少，准确性高，可实现对降雨天气及路面的实时监测与预警。

[0033] (3)从预警方法层面分析，本发明基于车辆行驶动力学稳定性分析，利用 ADAMS/car仿真软件对不同线形、不同摩擦系数、不同驾驶行为耦合作用下的行车特性进行分析与仿真，确定不同工况下的车辆安全运行标准，包括车辆安全运行速度、车辆安全运行加减速度。该方法可以根据实时采集的数据快速、准确地确定安全运行标准，直观有效的向驾驶员发布预警信息。

[0034] (4)从市场效益层面分析，随着山区高速公路总里程的增加，该系统在未来能够有效降低交通事故发生率，更大限度地发挥高速公路的社会经济效益。

具体实施方式

[0035] 本发明是一种山区高速公路降雨环境预警系统及方法，预警系统由信息监测采集系统、信息处理系统、决策支持系统、信息发布系统、评价系统组成，。

[0036] 所述信息监测采集系统包括气象信息采集、路面状况信息采集以及交通信息采集，气象信息采集设备包括能见度传感器；路面状态信息采集设备包括遥感式路面状态传感器；交通信息监测设备包括流量监测站、地下感应线圈。其中，能见度传感器用于监测降雨过程中大气能见度；遥感式路面状态传感器用于采集降雨状态下的路面特征值，包括路表温度、水膜厚度等。交通信息监测采集系统用于监测交通流量、车辆运行速度。

[0037] 信息处理系统，用于将信息监测采集系统采集的气象信息、路面信息和交通状态信息通过计算机处理系统对数据进行分析，提取安全相关信息，为决策支持系统、交通组织与管理提供所需数据；

[0038] 决策支持系统，用于形成降雨路面安全管理对策及对降雨路面安全管理对策进行分析与评价；收到信息处理系统形成的安全相关信息后与降雨路面安全管理对策内的各参数进行比对找出该实时路况下的降雨路面安全管理对策，并将降雨路面安全管理对策发送至信息发布系统；所述降雨路面安全管理对策进行分析与评价是从交通流影响、用户损失及经济性角度评价分析降雨路面安全管理对策的可行性与优劣性。

[0039] 所述降雨环境路面摩擦系数受路面潮湿度及积水深度的影响；构建潮湿积水路面预警分级标准所需的潮湿积水路面摩擦系数计算模型如式(1)所示，潮湿路面摩擦系数计算模型为对数模型，滑水路面摩擦系数计算模型为多元线性模型；

[0040]

[0041] 式中，μ——潮湿(部分滑水)路面摩擦系数；a、c——与路面类型相关的参数；v——车辆运行速度(km/h)；h——水膜厚度(mm)；t——轮胎花纹深度(mm)；

[0042] 所述的潮湿积水路面的预警分级标准按积水厚度及车辆动力学特性划分为：完全滑水路面hw≥3.4mm、部分滑水路面1.5mm≤hw<3.4mm、潮湿路面 (hw<1.5mm)，预警信号按照预警标准按完全滑水路面、部分滑水路面、潮湿路面对应地分为三级，颜色依次为红色、橙色、黄色。

[0043] 信息处理系统对数据分析分析完毕后，则需要决策支持根据分析结果确定合理的管控措施所述决策支持系统包括寻求对策阶段、策略评价阶段、实施与反馈决策阶段。其是保障降雨环境下交通流的安全、有效运行的关键部分。决策的制定是依据降雨环境下路面安全行车控制标准的研究成果确定。决策分析模型兼顾安全、通行能力和经济等指标，综合考虑制定相对最优的安全管理对策；所述的决策支持系统还具备自我学习智能模块，用于收集安全行驶车辆的驾驶数据并进行总结，完善不同车辆的降雨路面安全管理对策。

[0044] 所述寻求对策阶段，指的是寻求车辆安全运行标准以及管控方案。根据车辆行驶动力学稳定标准，利用ADAMS/car仿真软件对不同线形、不同摩擦系数、不同驾驶行为耦合作用下的行车特性进行分析与仿真，确定不同工况下的车辆安全运行标准，包括不同摩擦系数下平曲线段安全运行速度标准、直线段车辆变道过程的安全运行速度及加速度、隧道进出口处摩擦系数突变状态下的车辆安全运行加速度，具体标准详见表1、表2和表3。

[0045] 寻求对策阶段完毕后，需要进行对策的评价阶段。因山区高速公路降雨环境预警系统的管理对策更多采用交通管控措施中的限速、控制车距方法，故本发明主要从对交通流影响、用户损失及经济性角度评价分析对策的可行性与优劣性。其中，交通流影响指的是根据运行标准确定相应的安全容许通行能力Qs，与路段交通流量Qf对比。其中，Qs＝Ks×Vs，Ks表示交通密度(辆/公里)，Vs表示安全运行车速，Qs表示降雨环境下路面安全容许通行能力。若Qs＜Qf，则路段出现拥堵，则需在入口限制车速和车距之外，还要在周围路网发布延迟信息和通知车辆绕道行驶。若Qs＞Qf，则在入口进行限制车速和车距的常规化管理；用户损失指的是延误时间及物资费用；经济性指的是交通事故造成的损失与预防事故发生投入资金的比较分析。

[0046] 对策评价阶段完毕后，需要进行实施决策阶段。具体管控对策详见表4。

[0047] 将预警信息和安全管理对策发送到高速公路监控中心，监控中心将对策发布于现场，即所述的信息发布系统，包括可变情报板、无线电通讯、广播电视，其作用是及时准确发布降水环境下预警信息和决策信息，确保预警方案和决策的及时准确实施。

[0048] 所述的评价系统，其作用是定期进行道路安全性评价，对系统的运行效果进行反馈，以使系统不断改进和完善。

[0049] 表1平曲线路段车辆安全运行速度

[0050]

[0051] 表2变速换道下车辆安全运行标准

[0052]

[0053] 表3隧道出口车辆安全运行标准

[0054]

[0055] 表4降雨环境管控措施

[0056]

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