CN113628460B - 一种基于边缘计算的高速公路车辆实时管控方法 - Google Patents

一种基于边缘计算的高速公路车辆实时管控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于边缘计算的高速公路车辆实时管控方法。为了克服现有技术高速公路事故或拥堵后诱导信息发布途径不完善，交通疏通效率低下问题；本发明包括以下步骤：S1：构建高速公路车辆实时管控***，在高速公路上间隔额定距离设置一组管控单元；S2：管控单元实时监测高速公路不同断面区域的车辆行驶速度，判断不同断面区域的道路交通状态，通过边缘计算获得建议车速；S3：每组管控单元在高速公路上方分别对应发布不同车道的建议车速。通过实时监控不同断面区域计算建议车速，在高速公路上方的不同车道显示建议车速，与车辆通信指引变速与变道，完善诱导信息发布途径。

Description

一种基于边缘计算的高速公路车辆实时管控方法
技术领域
本发明涉及一种高速公路车辆管控领域，尤其涉及一种基于边缘计算的高速公路车辆实时管控方法。
背景技术
当前，高速公路对道路交通拥堵、事故等交通事件的信息感知主要依靠人员观看监控发现，人员发现事件后，上报交警或高速公路管理相关部门，造成信息滞后，通过高速公路管理相关部门采取措施，疏导交通，易造成二次事故等不利影响；同时由于当前高速公路信息提示不及时、诱导信息发布途径不完善等情况，路况、车速等信息不能实时准确的发送给后续车辆，影响驾驶员出行体验及提高事故风险。
例如，一种在中国专利文献上公开的“一种公路交通事故防控物联网及方法”，其公告号CN102291420A，包括管理中心处理模块、车辆出入口处理模块、车载无线传感处理模块，后者包括车距、车速、异常停车计算与处理模块、碰撞感知与处理模块、语音与显示提醒模块、彼此互传信息模块等。该方案在车辆发生碰撞后警告后车，告知管理人员；交通疏导手段不健全，诱导信息发布途径不完善，疏通效率低下。
发明内容
本发明主要解决现有技术高速公路事故或拥堵后诱导信息发布途径不完善，交通疏通效率低下问题；提供一种基于边缘计算的高速公路车辆实时管控方法，完善诱导信息发布途径，满足高速公路用户出行需求、提高事件处置效率、实现高速公路基本服务智慧化、数字化，提升高速公路安全、效率及服务水平。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种基于边缘计算的高速公路车辆实时管控方法，包括以下步骤：
S1：构建高速公路车辆实时管控***，在高速公路上间隔额定距离设置一组管控单元，各管控单元之间通过光纤通信连接；
S2：管控单元实时监测高速公路不同断面区域的车辆行驶速度，判断不同断面区域的道路交通状态，通过边缘计算获得建议车速；
S3：每组管控单元在高速公路上方分别对应发布不同车道的建议车速，与对应区域的车辆通信，指引变速与变道。
通过实时监控不同断面区域计算建议车速，在高速公路上方的不同车道显示建议车速，完善诱导信息发布途径，满足高速公路用户出行需求、提高事件处置效率、实现高速公路基本服务智慧化、数字化，提升高速公路安全、效率及服务水平。
作为优选，所述的管控单元包括：
路侧感知模块，包括视频和雷达，实时监测高速公路不同断面区域的车辆行驶速度和车辆的区间密度；
路侧服务器，接收路侧感知模块实时监测到的信息，判断道路交通状态，通过边缘计算获得不同道路的建议车速；相邻的管控单元的路侧服务器通过光纤通信连接；
门架标识模块，通过门架在高速公路不同道路上方设置车道级LED标志，显示路侧服务器计算的建议车速；
预警灯模块，沿高速公路两侧设置，接收路侧服务器的控制指令，实现不同位置同频闪烁；车载通信模块，与通信区域内的车辆无线通信，传输当前区域交通运行状态以及行驶建议。
通过路侧感知模块实时监测路况信息，路侧服务器根据路况信息计算建议车速以及判断当前区域的交通运行状态，通过门架标识模块显示不停道路的建议车速，通过预警灯模块告知车辆进行交通事件提醒；通过车载通信模块告知区域内的车辆当前的交通状态，通知驾驶员进行变更车道、建议车速驾驶行为调整等。完善诱导信息发布途径。
作为优选，所述的步骤S2具体包括以下步骤：
S21：根据车辆行驶方向获取断面区域；断面区域包括单车道的断面区域和两相邻车道的断面区域；
S22：根据不同断面区域的车速判断道路交通状态；道路交通状态包括拥堵缓行、车道级事故和顺畅通行；
S23：通过边缘计算获得建议车速；
Figure BDA0003167260840000021
其中，VW为车道级建议车速；
V1为在两相邻车道断面区域的行驶速度；
V2为在单车道断面区域的行驶速度；
K1为在两相邻车道断面区域的区间密度；
K2为在单车道断面区域的区间密度；
V1为在两相邻车道断面区域的断面流量；
V2为在单车道断面区域的断面流量。
计算不同车道的建议车速，在车道级LED标志上分别显示，提醒来车控制车速，完善引导机制信息发布途径，提高高速交通的管控效率。
作为优选，在所有车道车辆行驶速度不为0的情况下判断道路交通状态；
当车辆行驶速度V1-V2≥20km/h，且各条车道速度差均满足V1-V2≥20km/h时，判定V2对应的单车道断面发生拥堵缓行；
当某条车道上车辆的行驶速度Vi＝0km/h，且其他车道的车辆行驶速度V1-V2≥20km/h时，判定该车道发生车道级事故；
其他情况判定为顺畅通行；
当每小时通过高速公路单向上断面区域的车辆数N≤750pcu/h时，通过车道级LED标志对后车实时行驶速度显示建议车速。
根据不同断面区域的信息判断道路交通状态。
作为优选，当道路交通状态判定为车道级事故时，确定车道级事故发生地对应的管控单元；
所述管控单元向车辆行驶方向的逆方向的管控单元通过光纤发布建议车速；
Figure BDA0003167260840000031
s.t.Vmin≤Vwi≤Vmax
其中，Vmin为高速公路该车道的最低限速；
Vmax为高速公路该车道的最高限速；
Vw为车道级事故发生地对应的管控单元计算的该车道的建议车速；
VL为建议增速；
Vwi为车道级事故发生地沿车辆行驶方向的逆方向的第i个管控单元处该车道的建议车速。
在发生车道级事故时，根据来车方向不同的距离计算不同的建议车速，离事故发生地越近，建议车速越慢，通过建议车速的变化来提醒来车，实行软调控，提高高速公路管控效率。
作为优选，所述的管控单元监测到不同断面的信息时记录时间戳t1；
发布建议车速时查询当前时间t2；
根据当前时间t2进行时间戳验证；当t2-t1≤1s时，发布建议车速，否则通知相关人员告警。
时间戳验证，保证告警信息及时有效，避免时间上的滞后带来的影响。
作为优选，路侧感知模块以初始频率f1采样上传给路侧服务器监测得到的不同断面区域的信息；
设置频率的最大值fmax与最小值fmin，初始频率f1＝fmin；
将频率的最大值fmax与最小值fmin之间设定n个调频级别；
根据当前车道的车辆行驶速度实时调整采样上传的频率f′；
Figure BDA0003167260840000041
Figure BDA0003167260840000042
s.t.fmin≤f′≤fmax
其中，VN为车道的行驶速度；
Vw为车道的建议车速；
e为额定车速差；
[]为取整运算；
ε为一个调频级别的频率间隔。
根据车速调整采样频率，当车速与建议车速相差越大，说明存在不良道路交通状态的可能越大，需要提高信息采集频率，既能避免错失重要数据，又能减少无用数据的采集。
本发明的有益效果是：
1.通过实时监控不同断面区域计算建议车速，在高速公路上方的不同车道显示建议车速，与车辆通信指引变速与变道，完善诱导信息发布途径，满足高速公路用户出行需求、提高事件处置效率、实现高速公路基本服务智慧化、数字化，提升高速公路安全、效率及服务水平。
2.在发生车道级事故时，根据来车方向不同的距离计算不同的建议车速，离事故发生地越近，建议车速越慢，通过建议车速的变化来提醒来车，实行软调控，提高高速公路管控效率。
3.时间戳验证，保证告警信息及时有效，避免时间上的滞后带来的影响。
4.根据车速调整采样频率，既能避免错失重要数据，又能减少无用数据的采集，提高效率。
附图说明
图1是本发明的高速公路车辆实时管控方法流程图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本实施例的一种基于边缘计算的高速公路车辆实时管控方法，如图1所示，包括以下步骤：S1：构建高速公路车辆实时管控***，在高速公路上间隔额定距离设置一组管控单元，各管控单元之间通过光纤通信连接；。
管控单元包括：
路侧感知模块包括视频和雷达，实时监测高速公路不同断面区域的车辆行驶速度和车辆的区间密度。路侧感知模块通过视频及雷达等设备对高速公路上车辆断面交通量、平均速度等信息进行实时监测，同时对交通事故、车辆停车、抛洒物、人员进入等交通突发事件进行感知。
路侧感知***采集断面交通量、速度等信息每隔500ms以内上传一次数据，且准确率达到95％；采集交通突发事件信息准确率达到90％，检测事件后报警时间小于等于300ms，共享的交通突发事件信息定时自动传输与更新。
路侧服务器接收路侧感知模块实时监测到的信息，判断道路交通状态，通过边缘计算获得不同道路的建议车速；相邻的管控单元的路侧服务器通过光纤通信连接。路侧服务器负责接收路侧感知模块实时监测信息，利用各车道平均速度及路况的实时更新，确定车辆建议速度的管控策略，向门架控制器、路侧通信单元及预警灯控制器实时发送指令信息。
门架标识模块，包括门架控制器和车道级LED标志，通过门架在高速公路不同道路上方设置车道级LED标志，显示路侧服务器计算的建议车速。
预警灯模块，包括红蓝预警灯和预警灯控制器，沿高速公路两侧设置，接收路侧服务器的控制指令，实现不同位置同频闪烁。红蓝预警灯布设方案应为220米/组，红蓝预警灯数量宜3个/组。
车载通信模块，包括路侧通信单元和车载通信单元，与通信区域内的车辆无线通信，传输当前区域交通运行状态以及行驶建议。车载通信单元(OBU)接收路侧通信单元交通事件、建议车速等信息时，最短距离不得小于300米，接收信息成功率不会低于90％。
路侧通信单元与车载通信单元通过专用短程通信(C-V2X技术)进行信息共享，实现车辆识别、信息发布等功能；路侧服务器与路侧感知模块采用光缆通信，以便传输大量的雷达、视频信息；路侧服务器与门架控制器、预警灯控制器及路侧通信单元采用有线/无线网络传输。
路侧服务器进行感知信息上传、控制指令下发时，数据资源传输需遵循同一标准，实现路侧感知***、路侧服务器、门架控制器、预警灯控制器及路侧通信单元实现高效数据共享。
车道级LED标志通过有线网络传输接收门架控制器控制指令，显示车辆建议行驶车速；车载通信单元接收路侧通信单元传输的交通运行状态信息，并通知驾驶员进行变更车道、建议车速等驾驶行为调整；红蓝预警灯通过有线网络传输接收预警灯控制器控制指令，实现不同位置同频闪烁，对交通事件进行提醒。
通过路侧感知模块实时监测路况信息，路侧服务器根据路况信息计算建议车速以及判断当前区域的交通运行状态，通过门架标识模块显示不停道路的建议车速，通过预警灯模块告知车辆进行交通事件提醒；通过车载通信模块告知区域内的车辆当前的交通状态，通知驾驶员进行变更车道、建议车速驾驶行为调整等。完善诱导信息发布途径。
信息传输过程中，建议车道行驶速度自路侧感知***采集到信息发布端不得超过1s，安全预警信息自路侧感知***采集到信息发布端不得超过500ms。
路侧感知模块以初始频率f1采样上传给路侧服务器监测得到的不同断面区域的信息。
设置频率的最大值fmax与最小值fmin，初始频率f1＝fmin；
将频率的最大值fmax与最小值fmin之间设定n个调频级别；
根据当前车道的车辆行驶速度实时调整采样上传的频率f′；
Figure BDA0003167260840000061
Figure BDA0003167260840000062
s.t.fmin≤f′≤fmax
其中，VN为车道的行驶速度；
Vw为车道的建议车速；
e为额定车速差；
[]为取整运算；
ε为一个调频级别的频率间隔。
根据车速调整采样频率，当车速与建议车速相差越大，说明存在不良道路交通状态的可能越大，需要提高信息采集频率，既能避免错失重要数据，又能减少无用数据的采集。
S2：管控单元实时监测高速公路不同断面区域的车辆行驶速度，判断不同断面区域的道路交通状态，通过边缘计算获得建议车速。
S21：根据车辆行驶方向获取断面区域；断面区域包括单车道的断面区域和两相邻车道的断面区域。
S22：根据不同断面区域的车速判断道路交通状态；道路交通状态包括拥堵缓行、车道级事故和顺畅通行。
在所有车道车辆行驶速度不为0的情况下判断道路交通状态。
当车辆行驶速度V1-V2≥20km/h，且各条车道速度差均满足V1-V2≥20km/h时，判定V2对应的单车道断面发生拥堵缓行。
当某条车道上车辆的行驶速度Vi＝0km/h，且其他车道的车辆行驶速度V1-V2≥20km/h时，判定该车道发生车道级事故。
其他情况判定为顺畅通行。
当每小时通过高速公路单向上断面区域的车辆数N≤750pcu/h时，通过车道级LED标志对后车实时行驶速度显示建议车速。
S23：通过边缘计算获得建议车速；
Figure BDA0003167260840000071
其中，Vw为车道级建议车速；
V1为在两相邻车道断面区域的行驶速度；
V2为在单车道断面区域的行驶速度；
K1为在两相邻车道断面区域的区间密度；
K2为在单车道断面区域的区间密度；
V1为在两相邻车道断面区域的断面流量；
V2为在单车道断面区域的断面流量。
S3：每组管控单元在高速公路上方分别对应发布不同车道的建议车速。
当道路交通状态判定为车道级事故时，确定车道级事故发生地对应的管控单元；
管控单元向车辆行驶方向的逆方向的管控单元通过光纤发布建议车速；
Figure BDA0003167260840000072
s.t.Vmin≤Vwi≤Vmax
其中，Vmin为高速公路该车道的最低限速；
Vmax为高速公路该车道的最高限速；
Vw为车道级事故发生地对应的管控单元计算的该车道的建议车速；
VL为建议增速；
Vwi为车道级事故发生地沿车辆行驶方向的逆方向的第i个管控单元处该车道的建议车速。
管控单元监测到不同断面的信息时记录时间戳t1；
发布建议车速时查询当前时间t2；
根据当前时间t2进行时间戳验证；当t2-t1≤1s时，发布建议车速，否则通知相关人员告警。
时间戳验证，保证告警信息及时有效，避免时间上的滞后带来的影响。
在发生车道级事故时，根据来车方向不同的距离计算不同的建议车速，离事故发生地越近，建议车速越慢，通过建议车速的变化来提醒来车，实行软调控，提高高速公路管控效率。
本实施例的方案通过实时监控不同断面区域计算建议车速，在高速公路上方的不同车道显示建议车速，与车辆通信指引变速与变道，完善诱导信息发布途径，满足高速公路用户出行需求、提高事件处置效率、实现高速公路基本服务智慧化、数字化，提升高速公路安全、效率及服务水平。
应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于边缘计算的高速公路车辆实时管控方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：构建高速公路车辆实时管控***，在高速公路上间隔额定距离设置一组管控单元，各管控单元之间通过光纤通信连接；
S2：管控单元实时监测高速公路不同断面区域的车辆行驶速度，判断不同断面区域的道路交通状态，通过边缘计算获得建议车速；
路侧感知模块以初始频率
Figure DEST_PATH_IMAGE002
采样上传给路侧服务器监测得到的不同断面区域的信息；
设置频率的最大值
Figure DEST_PATH_IMAGE004
与最小值
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，初始频率
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；
将频率的最大值
Figure 723126DEST_PATH_IMAGE004
与最小值
Figure 171425DEST_PATH_IMAGE006
之间设定n个调频级别；
根据当前车道的车辆行驶速度实时调整采样上传的频率
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
Figure DEST_PATH_IMAGE014
Figure DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为车道的行驶速度；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为车道的建议车速；
e为额定车速差；
[]为取整运算；
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为一个调频级别的频率间隔；
S3：每组管控单元在高速公路上方分别对应发布不同车道的建议车速，与对应区域的车辆通信，指引变速与变道。
2.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的高速公路车辆实时管控方法，其特征在于，所述的管控单元包括：
路侧感知模块，包括视频和雷达，实时监测高速公路不同断面区域的车辆行驶速度和车辆的区间密度；
路侧服务器，接收路侧感知模块实时监测到的信息，判断道路交通状态，通过边缘计算获得不同道路的建议车速；相邻的管控单元的路侧服务器通过光纤通信连接；
门架标识模块，通过门架在高速公路不同道路上方设置车道级LED标志，显示路侧服务器计算的建议车速；
预警灯模块，沿高速公路两侧设置，接收路侧服务器的控制指令，实现不同位置同频闪烁；
车载通信模块，与通信区域内的车辆无线通信，传输当前区域交通运行状态以及行驶建议。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于边缘计算的高速公路车辆实时管控方法，其特征在于，所述的步骤S2具体包括以下步骤：
S21：根据车辆行驶方向获取断面区域；断面区域包括单车道的断面区域和两相邻车道的断面区域；
S22：根据不同断面区域的车速判断道路交通状态；道路交通状态包括拥堵缓行、车道级事故和顺畅通行；
S23：通过边缘计算获得建议车速；
Figure DEST_PATH_IMAGE024
其中，
Figure 184118DEST_PATH_IMAGE020
为车道级建议车速；
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为在两相邻车道断面区域的行驶速度；
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为在单车道断面区域的行驶速度；
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为在两相邻车道断面区域的区间密度；
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为在单车道断面区域的区间密度；
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为在两相邻车道断面区域的断面流量；
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为在单车道断面区域的断面流量。
4.根据权利要求3所述的一种基于边缘计算的高速公路车辆实时管控方法，其特征在于，在所有车道车辆行驶速度不为0的情况下判断道路交通状态；
当车辆行驶速度
Figure DEST_PATH_IMAGE038
，且各条车道速度差均满足
Figure 61550DEST_PATH_IMAGE038
时，判定
Figure 672660DEST_PATH_IMAGE028
对应的单车道断面发生拥堵缓行；
当某条车道上车辆的行驶速度
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，且其他车道的车辆行驶速度
Figure 291860DEST_PATH_IMAGE038
时，判定该车道发生车道级事故；
其他情况判定为顺畅通行；
当每小时通过高速公路单向上断面区域的车辆数N≤750pcu/h时，通过车道级LED标志对后车实时行驶速度显示建议车速。
5.根据权利要求3所述的一种基于边缘计算的高速公路车辆实时管控方法，其特征在于，当道路交通状态判定为车道级事故时，确定车道级事故发生地对应的管控单元；
所述管控单元向车辆行驶方向的逆方向的管控单元通过光纤发布建议车速；
Figure DEST_PATH_IMAGE042
Figure DEST_PATH_IMAGE044
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为高速公路该车道的最低限速；
Figure DEST_PATH_IMAGE048
为高速公路该车道的最高限速；
Figure 840785DEST_PATH_IMAGE020
为车道级事故发生地对应的管控单元计算的该车道的建议车速；
Figure DEST_PATH_IMAGE050
为建议增速；
Figure DEST_PATH_IMAGE052
为车道级事故发生地沿车辆行驶方向的逆方向的第i个管控单元处该车道的建议车速。
6.根据权利要求5所述的一种基于边缘计算的高速公路车辆实时管控方法，其特征在于，所述的管控单元监测到不同断面的信息时记录时间戳
Figure DEST_PATH_IMAGE054
；
发布建议车速时查询当前时间
Figure DEST_PATH_IMAGE056
；
根据当前时间
Figure 256329DEST_PATH_IMAGE056
进行时间戳验证；当
Figure DEST_PATH_IMAGE058
时，发布建议车速，否则通知相关人员告警。
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