CN101783081B - 高速公路防追尾预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速公路防追尾预警系统，涉及交通安全设施技术领域。本发明包括布置在出、入口处的控制终端(K)；在高速公路全程双向车道的N个监测点设置有监测子网，监测子网与控制终端(K)间通过GSM/GPRS无线通信模块(W)实现远程无线通信；监测子网主要由多个超声探头、多机通信接口电路和声光警示牌(P)组成。本发明费用低廉、施工方便；能精确、可靠地监测计算行驶车辆的车速、车道、及前后车距，并能根据能见度的变化，调整安全车距及车速的示警阈值，预警追尾、超速、低速及前方道路的交通堵塞等；提高道路通畅率，确保行车安全；适用于高速公路的防追尾预警。

Description

高速公路防追尾预警系统

技术领域

本发明涉及交通安全设施技术领域，尤其涉及一种高速公路防追尾预警系统。 

背景技术

随着高速公路的快速发展，汽车拥有量的急剧增多，高速公路的行车事故愈加频繁，尤其是违规驾驶及大雾、雨雪天气所引发的追尾乃至连环追尾的事故屡见报道。为此，业界对高速公路行车安全的监测问题提出了许多特色各异的解决方案，但归纳起来，大致可分为二类，即车载式预警方案与路测式预警方案：车载式预警方案主要依托车载微波雷达或红外激光测距技术监测两车距离，如果两车车距小于安全距离，数据处理模块就会发出减速指令；从而实现防追尾预警的目的。国际上如戴姆勒-克莱斯勒公司，沃尔沃公司等先后推出了各自研发的汽车防撞器，这类汽车防撞器存在的主要问题是价格昂贵，当然也有一些相关的技术瓶颈；如强背景噪声条件下信号处理的可靠性、弯道路况障碍物识别以及防止超车操作误警等。国内车载式自动防撞技术方面的研究，主要集中在长春一汽、东风汽车、交通部科学研究所、以及清华大学等大型汽车企业和科研院所开展，但只是探索性的研究，尚无可以使用的产品。而路测预警方案基本停留在书写车距保持警示牌以及在道路上方安装测速雷达、摄象机等设备监测车速，亦无专门针对汽车防尾追的设施装备面市。但近年来、路测预警模式的研究开始受到业界的关注，经检索发现；经检索发现；申请号为02113003.5，申请日为2002.05.14的中国专利公开了“一种防止高速公路追尾撞车的预警系统及其预警方法”，该系统包括中央处理装置CP和由微波探测器、路终端和告警指示灯组成的检测线DL；检测线DL等间距地安装在高速公路全程双向车道的内侧并通过数据传输线路LI与中央处理装置CP连接，每个检测线分别与其前后检测线连接，检测线 DL中的路终端分别与微波探测器和告警指示灯连接。该预警方法是；微波探测器感知通过的车辆，路终端对微波探测器接受的信号及检测线传送的信息进行处理并发出交通信息。该预警方案存在的主要问题是； 

1)如果该方案采用的微波探测器能够测量车辆距路边的距离(路边距)，意味着该探测器即为小型微波雷达，若全线装备该探测器，投资成本太大，难以付诸工程实施。若该探测器不具有测量路边距的功能，意味着该方案无法可靠辨识通行车辆所在的车道，其直接后果将导致难以分辨超车和尾追。 

2)该方案在高速公路全线双向间隔100米设置微波探测器，感知通过的车辆，并结合各检测线间的信息通信(即每个检测线接收前方二个和后方一个检测线的信息码组)、粗判前后车辆的大致位置和相对距离是否在100米，200米或300米之内，从而决定是否发出防追尾预警信号。显见，该方案无法准确监测前后两车的相对距离，防追尾的虚、误警的概率将导致该方案不具备可操作性。 

申请号为03113328.2、申请日为2003.4.29的另一发明专利申请公开了又一种路测预警方案；即“高速公路安全即时预警方法及系统”。该系统利用公用电话网组成预警网络，由于采用人工信号开关替代传感器等监测装置，无法实现对车辆追尾的监测及预警，所以该系统仅适用事故发生后，提示后续车辆防止发生连续追尾，但无法在事前预警追尾事故的发生、从而杜绝追尾事故。 

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种高速公路防追尾预警系统。 

本发明的目的是这样实现的： 

针对上述问题，本发明是利用超声检测、微处理器及信息处理技术、RS-485总线，近、远程无线通信等相关技术。 

本发明提供的技术方案是： 

标准双向四车道(双车道≥7.5米)是高速公路车道布置的主要模式，本发明的高速公路防追尾预警系统尤其适于双向四车道的监控布置。 

根据所监测高速公路的地形、地势、车流讯息及常年霜雾、雨雪的气象资料等，在高速公路双向四车道布置N个(包括全程)监测点。 

双向四车道监测子网包括布置在出、入口处的控制终端，控制终端由终端计算机及分别和终端计算机连接的能见度仪、GSM/GPRS远程通信模块和监测显示屏组成； 

在高速公路全程双向车道的N个监测点设置有监测子网，监测子网与控制终端间通过6SM/GPRS无线通信模块实现远程无线通信； 

监测子网主要由多个超声探头、多机通信接口电路和声光警示牌P组成； 

超声探头包括结构相同的第一、二、三、四超声探头； 

第一超声探头和第二超声探头布置在机动车行驶方向车道右边内侧，用以监测第二车道行驶车辆； 

第三超声探头和第四超声探头布置在路中央分隔带双向机动车行驶方向车道左边内侧，用以监测第一车道行驶车辆； 

声光警示牌布置在第一、二超声探头同侧路边前方，通过对行驶车辆的车道、车速、前后车距与车流量的监测计算，及时预警追尾、超速、滞速及前方道路的交通堵塞等，并以声光报警方式提醒司机谨慎驾驶。 

本发明具有下列优点和积极效果： 

①该系统费用低廉、施工方便； 

②能精确、可靠地监测计算行驶车辆的车速、车道、及前后车距，并能根据能见度的变化，调整安全车距及车速的示警阈值，预警追尾、超速、低速及前方道路的交通堵塞等，及时以声光报警方式提醒司机谨慎驾驶、从而杜绝高速公路追尾及连环追尾、超速、低速及违规停车等事故的发生； 

③提高道路通畅率，确保行车安全。 

④适用于高速公路的防追尾预警。 

附图说明

图1是双向四车道中的单向监测子网的布置图； 

图2是双向四车道监测子网的电路结构方框图； 

图3是超声探头电路原理图； 

图4是声光警示牌电路原理图； 

图5是双向四车道共用监测子网的布置图； 

图6是双向八车道监测子网的布置图； 

图7是双向八车道共用监测子网电路结构方框图。 

其中： 

1、2……16-第一、二……十六超声探头； 

P-声光警示牌； 

W-GSM/GPRS无线通信模块； 

K-控制终端。 

英译汉： 

GSM-Global System for Mobile Communications，全球移动通信系统； 

GPRS-General Packet Radio Service，通用分组无线业务； 

CAN-Controller Area Network，控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明： 

一、实施例一，双向四车道监测子网 

1、总体 

标准双向四车道(双车道≥7.5米)是高速公路车道布置的主要模式，本发明的高速公路防追尾预警系统尤其适于双向四车道的监控布置。 

根据所监测高速公路的地形、地势、车流讯息及常年霜雾、雨雪的气象资料等，在高速公路双向四车道布置N个(包括全程)监测点。 

如图1、2，双向四车道监测子网包括布置在出、入口处的控制终端K，控制终端K由终端计算机及分别和终端计算机连接的能见度仪、GSM/GPRS远程通信模块和监测显示屏组成； 

在高速公路全程双向车道的N个监测点设置有监测子网，监测子网与控制终端K间通过GSM/GPRS无线通信模块W实现远程无线通信； 

监测子网主要由多个超声探头、多机通信接口电路和声光警示牌P组成；超声探头包括结构相同的第一、二、三、四超声探头1、2、3、4； 

第一超声探头1和第二超声探头2布置在机动车行驶方向车道右边内侧，用以监测第二车道行驶车辆； 

第三超声探头3和第四超声探头4布置在路中央分隔带双向机动车行驶方向车道左边内侧，用以监测第一车道行驶车辆； 

声光警示牌P布置在第一、二超声探头1、2同侧路边前方，通过对行驶车辆的车道、车速、前后车距与车流量的监测计算，及时预警追尾、超速、滞速及前方道路的交通堵塞等，并以声光报警方式提醒司机谨慎驾驶。 

2、功能块 

1)超声探头 

如图2、3，每个超声探头主要包括超声波换能器1A、信号调理电路1B、从微处理器1C和串口通信电平转换电路1D； 

超声波换能器1A、信号调理电路1B和从微处理器1C依次连接，从微处理器1C和串口通信电平转换电路1D连接，串口通信电平转换电路1D接入总线。 

第一、二超声探头1、2的从微处理器1C及声光警示牌P的主微处理器PA由RS-485接口连接成主从多机通信电路； 

第三、四超声探头3、4的从微处理器1C间采用RS-232标准连接； 

第二、四超声探头2、4的从微处理器1C间采用近程无线通信模块J实现近程无线通信； 

超声换能器1A是一种集发送和接收为一体的超声波换能器，为常用部件。 

信号调理电路1B由前后连接的超声波发射芯片1B1(选用TL851)、超声波接收芯片1B2(选用TL852)以及相关外围电路构成。 

从微处理器1C选AT89C52； 

串口通信电平转换电路1D选用MAX232或MAX485。 

另外，超声探头或选用激光探测器，或选用红外探测器，或选用多普勒探测器替代，均设置在车道两边；超声探头或选用环形地磁线圈，应设置在车道地下。 

2)声光警示牌P 

声光警示牌P由前后连接的主微处理器PA和声光警示电路PB组成； 

主微处理器PA的串口1与GSM/GPRS无线通信模块W经内嵌的MAX232相连接，实现远程报警信息的无线发送功能； 

声光警示电路PB由串-并联移位寄存器芯片PB1、达林顿管阵列芯片PB2、译码器芯片PB3、语音芯片PB4、音频功放芯片PB5、显示屏幕PB6和扬声器PB7组成； 

主微处理器PA、串-并联移位寄存器芯片PB1、达林顿管阵列芯片PB2和显示屏幕PB6前后依次连接，实现显示屏幕PB6的列驱动功能； 

主微处理器PA、译码器芯片PB3和显示屏幕PB6前后依次连接，实现显示屏幕PB6的行扫描驱动功能； 

主微处理器PA、语音芯片PB4、音频功放芯片PB5和扬声器PB7前后依次连接，实现大功率语音报警功能。 

3、工作过程 

当前车通过第一超声探头1时，启动第一超声探头1微处理器1C的定时器1，同时将回波点数、测距(路边距)信息传送至第二超声探头2，并启动第二超声探头2微处理器1C的定时器1，当前车通过第二超声探头2时，将所测的回波点数、路边距信息与第一超声探头1得到的相关信息比较复验(确认行驶车辆的车道及车辆特征辩识)。同时，关闭第二超声探头2微处理器1C定时器1，通过第二超声探头2的定时器1所测时间值、可计算出该车的速度。当后车通过第一超声探头1时，关闭第一超声探头1微处理器1C的定时器1，并将前后车通过第一超声探头1的时间值传送至第二超声探头2的微处理器1C，由于第一、二超声探头1、2距离为定值，结合前后车各自的测算速度，可准确计算出前后车通过监测点区域时的相对车间距离。并通过路边距的测量判断前后车辆是否行驶在同一车道，若同一车道前后车辆的车距小于安全车距阈值，且后车速度不低于前车速度时，声光警示牌P向后车发出防追尾减速声光警示，并告之待减速车辆车后信息。 

第三、四超声探头3、4监测高速公路双向机动车行驶方向快速车道的通行车辆，超声探头监测方法同上。当快车道上前后车距小于安全车距阈值，且后车速度不低于前车速度时，第四超声探头4通过CC1100近程无线通信模块J向第二超声探头2发出预警信息及数据，声光警示牌P即时向快车道的后车发出防追尾减速声光警示。当快车道行驶车辆加快车速施行超车操作时，第二、四超声探头2、4将配合辩识超车或追尾车态。 

同理，在不同的能见度环境中，超声探头亦可根据不同的安全车速阈值和相关单位时间相邻监测点车流量统计辨识，监测行驶车辆是否超速、滞速或停车，并实时由警示牌声光提示预警。 

4、双向四车道共用监测子网 

如图5，针对同一路段的双向监测子网，超声探头包括结构相同的第一、二……八超声探头1、2……8； 

第五、六、七、八超声探头5、6、7、8与第一、二、三、四超声探头1、2、3、4对称设置； 

在中央分隔带设置一个GSM/GPRS无线通信模块W，替代两个分别与第一、二声光警示牌9、10连接的GSM/GPRS无线通信模块W，则构建成一种双向二车道共用型监测子网； 

第四超声探头4和第八超声探头8分别与GSM/GPRS无线通信模块W连接。 

由于GSM/GPRS无线通信模块W价格较贵，替代后使监测子网性能价格比极大提高。 

二、实施例二，双向八车道监测子网 

对于双向多车道的高速公路(如双向八车道、十二车道等)，可根据本发明的基本设施及模式，改变超声探头安装位置完成监测。 

以标准双向四车道(2×7.5米)高速公路为例，具体实施如下； 

如图6，在车道右侧路边和中间分隔带之间架设监测架，监测架是一种长方体，长×宽×高＝8.2×1.2×6米；在监测架上方内下侧各车道中心线前后相距1米位置布设超声探头。 

第一、二超声探头1、2监测慢车道，第三、四超声探头3、4监测第3车道，第五、六超声探头5、6监测第2车道，第七、八超声探头7、8监测快车道，声光警示牌布置在第一、二超声探头1、2同侧路边前方距第二超声探头2约5米至20米处。 

由于超声探头安装在各车道中心线上方，车道辨识的要求得以淡化，超声测距的主要功能是校核行驶车辆的车身特征。由于多车道的高速公路往往车流量大，因此，对监测点内数据信息流传输要求较高。综上因素，本发明处理各车道车辆行驶方向的前后第一、二超声探头1、2采用并行通信方式。第二、四、六、 八超声探头2、4、6、8的串口与声光警示牌P的主微处理器PA的串口0由RS-485接口连接成主从多机通信电路，声光警示牌P的主微处理器PA的串口1与6SM/GPRS模块相连实现远程通信，其监测预警方法及步骤如实施例一同。 

为了节省监测架的建设费用及6SM/GPRS远程无线通信网络的硬件开销，亦可利用双向高速公路上方跨越的立交桥或铁路桥布置双向车道的共用型监测子网，其通信方式可采用并行+RS-485多机主从方式，亦可考虑采用CAN总线方式完成监测据数据流传输及通信，如图7所示：各超声探头通过232接口与CAN控制器相连，CAN控制器再与CAN总线收发器连接成通信节点，实现数据的接收和发送任务。由于CAN总线为多主方式工作，并采用非破坏总线仲裁技术。当多个微处理器同时向总线发送信息出现冲突时，优先级较低的微处理器会主动地退出发送，而优先级高的数据最多可在134μS内得到传输，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，以确保监测点内部数据通信的可靠性。 

为了节省探测器(探头)的数量，可利用本实施例中无车道辨识要求的方案特点，在监测架上方内下侧各车道中心线用一个带微处理器的多普勒探测器替代两个超声探头实现车速、前后车间距的监测计算任务。 

另外，利用本发明提出的前后车距测量方法，实施例一和实施例二所采用的超声探头如用红外(激光)探测器、环形地磁线圈等替代，均可达到同样的防追尾监测目的。 

Claims (5)

1.一种高速公路双向四车道防追尾预警系统，包括布置在出、入口处的控制终端(K)，控制终端(K)由终端计算机及分别和终端计算机连接的能见度仪、GSM/GPRS远程通信模块和监测显示屏组成；

其特征在于：

在高速公路全程双向车道的N个监测点设置有监测子网，监测子网与控制终端(K)间通过GSM/GPRS无线通信模块(W)实现远程无线通信；

监测子网主要由多个超声探头、多机通信接口电路和声光警示牌(P)组成；

超声探头包括结构相同的第一、二、三、四超声探头(1、2、3、4)；

第一超声探头(1)和第二超声探头(2)布置在机动车行驶方向车道右边内侧，用以监测第二车道行驶车辆；

第三超声探头(3)和第四超声探头(4)布置在路中央分隔带双向机动车行驶方向车道左边内侧，用以监测第一车道行驶车辆；

声光警示牌(P)布置在第一、二超声探头(1、2)同侧路边前方，通过对行驶车辆的车道、车速、前后车距与车流量的监测计算，及时预警追尾、超速、滞速及前方道路的交通堵塞，并以声光报警方式提醒司机谨慎驾驶；

GSM—球移动通信系统；

GPRS—通用分组无线业务。

2.按权利要求1所述的高速公路双向四车道防追尾预警系统，其特征在于：

超声探头主要包括超声波换能器(1A)、信号调理电路(1B)和从微处理器(1C)；

信号调理电路(1B)分别与超声波换能器(1A)和从微处理器(1C)的I/O口相连；

第一、二超声探头(1、2)的从微处理器(1C)及声光警示牌(P)的主微处理器(PA)由RS-485接口连接成主从多机通信电路；

第三、四超声探头(3、4)的从微处理器(1C)间采用RS-232标准连接； 第二、四超声探头(2、4)的从微处理器(1C)间采用近程无线通信模块(J)实现近程无线通信。

3.根据权利要求1所述的高速公路双向四车道防追尾预警系统，其特征在于：

声光警示牌(P)由前后连接的主微处理器(PA)和声光警示电路(PB)组成；

主微处理器(PA)的串口1与GSM/GPRS无线通信模块(W)经内嵌的MAX232相连接，实现远程报警信息的无线发送功能；

声光警示电路(PB)由串-并联移位寄存器芯片(PB1)、达林顿管阵列芯片(PB2)、译码器芯片(PB3)、语音芯片(PB4)、音频功放芯片(PB5)、显示屏幕(PB6)和扬声器(PB7)组成；

主微处理器(PA)、串-并联移位寄存器芯片(PB1)、达林顿管阵列芯片(PB2)和显示屏幕(PB6)前后依次连接，实现显示屏幕(PB6)的列驱动功能；

主微处理器(PA)、译码器芯片(PB3)和显示屏幕(PB6)前后依次连接，实现显示屏幕(PB6)的行扫描驱动功能；

主微处理器(PA)、语音芯片(PB4)、音频功放芯片(PB5)和扬声器(PB7)前后依次连接，实现大功率语音报警功能。

4.根据权利要求1所述的高速公路双向四车道防追尾预警系统，其特征在于：

针对同一路段的双向监测子网，超声探头包括结构相同的第一、二……八超声探头(1、2……8)；

第五、六、七、八超声探头(5、6、7、8)与第一、二、三、四超声探头(1、2、3、4)对称设置；

则在中央分隔带设置一个GSM/GPRS无线通信模块(W)，替代两个分别与第一、二声光警示牌(9、10)连接的GSM/GPRS无线通信模块(W)，则构建成一种双向四车道共用型监测子网；

第四超声探头(4)和第八超声探头(8)分别与GSM/GPRS无线通信模块(W)连接。

5.根据权利要求1所述的高速公路双向四车道防追尾预警系统，其特征在 于：

超声探头或选用激光探测器，或选用红外探测器，或选用多普勒探测器替代。 

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