本发明提供了一种高速公路主线车速控制系统，其包括在高速公路主线路段设置的多通道交通环境综合检测器、分车道LED可变限速标志和交通诱导控制系统；所述多通道交通环境综合检测器包括集成通信模块及与之连接的雨量计、雾雪透光计、风速仪和交通流量检测器，集成通信模块通过统一通信接口将数据输出给交通诱导控制系统；交通诱导控制系统结合各分车道限速约束条件，优化给出各分车道的动态限速值或关闭车道运行指令，输出给各分车道LED可变限速标志。本发明的优点是：在综合考虑雨、雪雾、风和交通流拥挤情况基础上，优化给出分车道动态限速值或禁止通行指令，保障复杂交通条件下高速公路主线的行车安全。
1.高速公路主线车速控制系统，其特征是，包括在高速公路主线路段设置的：多通道交通环境综合检测器、分车道LED可变限速标志和交通诱导控制系统，所述多通道交通环境综合检测器、分车道LED可变限速标志分别与交通诱导控制系统连接；所述多通道交通环境综合检测器包括集成通信模块及与之连接的雨量计、雾雪透光计、风速仪和交通流量检测器，雨量计、雾雪透光计、风速仪、交通流量检测器分别检测高速公路主线同一路段的降雨、雾雪、风速强度和交通流量，并输出给所述集成通信模块，集成通信模块通过统一通信接口将数据输出给交通诱导控制系统；交通诱导控制系统结合各分车道限速约束条件，优化给出各分车道的动态限速值或关闭车道运行指令，输出给各分车道LED可变限速标志；分车道LED可变限速标志按车道设置，进行分车道限速值或禁止通行标志显示；
所述分车道动态限速值由交通诱导控制系统通过下述方法优化得到：
（1）交通诱导控制系统将输入的降雨、雾雪、风速强度和交通拥挤情况都分成大、较大、中、较小、小五个等级，即：U1，U2，U3∈ {大，较大，中，较小、小}
U（4 U41，U42，U43，U44）∈ {大，较大，中，较小、小}其中，降雨强度U1、雾雪强度U2、风速U3的取值不分车道，交通拥挤情况U4则分车道取值，按车道1、2、3、4依次取值U41、U42、U43、U44；
Vi1 ，Vi2∈ {0，20，40，60，80，100}
Vi3 ，Vi4∈ {0，20，40，60，80，100，120}其中，对于单向为4个车道的高速公路，靠近路侧的第1、2车道为大车行驶车道，最高限速100km/h，靠近中心隔离带的第3、4车道为小车行驶车道，最高限速120km/h；若输出的限速值为0，则显示禁止通行标志；
Vi1代表某种交通环境下的第1车道的输出限速值，i=1、2、3、4，分别表示雨、雾雪、风、交通拥挤环境，同理，Vi2 ，Vi3 ，Vi4分别代表第2，3，4车道的输出限速值；
（3）交通诱导控制系统的输入与输出关系采用模糊规则确定：
考虑交通环境“雨”时，对应强度大、较大、中、较小、小，V11=V12分别为20，40，60，80，80；
V13 =V14分别为40，60，80，100，100；
考虑交通环境“雾雪”时，对应强度大、较大、中、较小、小，V21=V22分别为0，20，40，60，80；
V23 =V24分别为0，20，40，60，80；
考虑交通环境“风”时，对应强度大、较大、中、较小、小，V31=V32分别为40，60，60，80，100；
V33 =V34分别为40，60，80，100，120；
考虑交通流量时，对应拥挤情况大、较大、中、较小、小，V41=V42分别为0，60，80，100，100；
V43 =V44分别为0，60，80，120，120；
（4）交通诱导控制系统会得到二种或以上交通环境同时作用下的输出限速值集合，取各种交通环境独立作用下输出值集合的最小值：V1=Min(V11,V21, V31, V41); V2=Min(V12,V22, V32, V42) ;V3=Min(V13,V23, V33, V43);V4=Min(V14,V24, V34, V44) ;其中V1 、V2 、V3 、V4依次代表第1、2、3、4车道的输出限速值。
2.根据权利要求1所述的高速公路主线车速控制系统，其特征是：在高速公路主线路段某一断面按车道设置一组LED可变限速标志，在该断面路侧设置交通诱导控制系统，并在交通诱导控制系统下游间距1000米处设置多通道交通环境综合检测器。
3.如权利要求1所述的高速公路主线车速控制系统，其特征是，所述交通流量检测器采用视频检测器，在车道上方安装摄像机，同时对多个车道的交通流量进行检测。
4.如权利要求1所述的高速公路主线车速控制系统，其特征是，所述集成通信模块对各种检测数据集成后通过无线网络输出给交通诱导控制系统。
高速公路主线车速控制系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高速公路主线车速控制系统，适用于高速公路主线车速分车道优化控制。
背景技术
[0002] 研究表明，复杂交通环境条件下(雨、雪雾、风、拥挤交通流)，车速过高会导致交通事故发生的概率显著增加，尤其是在高速公路主线上。采用主线分车道实时限速控制技术，可动态引导车速保持在合理范围内,并减少前后跟随车辆之间的速度差,从而保障复杂交通环境条件下的行车安全。
[0003] 目前我国高速公路主要采用固定限速方式,部分高速公路虽然采用了可变限速控制方式,但没有针对复杂交通环境以及分车道的动态可变限速控制技术和方法。相关的专利较少，申请号为201010164710.x的中国专利，提供了一种属于隧道安全领域的可变限速控制算法,没有考虑恶劣天气环境下的限速控制问题。申请号为201210427353.0的中国专利，提供了一种高速公路可变限速控制系统和方法，只考虑了雨天环境下而且不分车道的限速控制问题。
发明内容
[0004] 针对以上不足,本发明提供一种针对复杂交通环境下的高速公路主线车速控制系统，在综合考虑多种交通环境因素的基础上，优化给出分车道动态限速值或禁止通行指令。
[0005] 本发明提供一种高速公路主线车速控制系统，包括在高速公路主线路段设置的：多通道交通环境综合检测器、分车道LED可变限速标志和交通诱导控制系统，所述多通道交通环境综合检测器、分车道LED可变限速标志分别与交通诱导控制系统连接；所述多通道交通环境综合检测器包括集成通信模块及与之连接的雨量计、雾雪透光计、风速仪和交通流量检测器，雨量计、雾雪透光计、风速仪、交通流量检测器分别检测高速公路主线同一路段的降雨、雾雪、风速强度和交通流量，并输出给所述集成通信模块，集成通信模块通过统一通信接口将数据输出给交通诱导控制系统；交通诱导控制系统结合各分车道限速约束条件，优化给出各分车道的动态限速值或关闭车道运行指令，输出给各分车道LED可变限速标志；分车道LED可变限速标志按车道设置，进行分车道限速值或禁止通行标志显示。
[0006] 进一步的，所述分车道动态限速值由交通诱导控制系统通过下述方法优化得到：
[0007] (1)交通诱导控制系统将输入的降雨、雾雪、风速强度和交通拥挤情况都分成大、较大、中、较小、小五个等级，即：
[0008] U1，U2，U3∈{大，较大，中，较小、小}
[0009] U4(U41，U42，U43，U44)∈{大，较大，中，较小、小}
[0010] 其中，降雨强度U1、雾雪强度U2、风速U3的取值不分车道，交通拥挤情况U4则分车道取值，按车道1、2、3、4依次取值U41、U42、U43、U44；
[0011] (2)交通诱导控制系统将输出的限速值分成：
[0012] Vi1，Vi2∈{0，20，40，60，80，100}
[0013] Vi3，Vi4∈{0，20，40，60，80，100，120}
[0014] 其中，对于单向为4个车道的高速公路，靠近路侧的第1、2车道为大车行驶车道，最高限速100km/h，靠近中心隔离带的第3、4车道为小车行驶车道，最高限速120km/h；若输出的限速值为0，则显示禁止通行标志；
[0015] Vi1代表某种交通环境下的第1车道的输出限速值，i＝1、2、3、4，分别表示雨、雾雪、风、交通拥挤环境，同理，Vi2，Vi3，Vi4分别代表第2，3，4车道的输出限速值；
[0016] (3)交通诱导控制系统的输入与输出关系采用模糊规则确定：
[0017] 考虑交通环境“雨”时，对应强度大、较大、中、较小、小，V11＝V12分别为20，40，60，80，80；V13＝V14分别为40，60，80，100，100；
[0018] 考虑交通环境“雾雪”时，对应强度大、较大、中、较小、小，V21＝V22分别为0，20，40，60，80；V23＝V24分别为0，20，40，60，80；
[0019] 考虑交通环境“风”时，对应强度大、较大、中、较小、小，V31＝V32分别为40，60，60，80，100；V33＝V34分别为40，60，80，100，120；
[0020] 考虑交通流量时，对应拥挤情况大、较大、中、较小、小，V41＝V42分别为0，60，80，100，100；V43＝V44分别为0，60，80，120，120；
[0021] (4)交通诱导控制系统会得到二种或以上交通环境同时作用下的输出限速值集合，取各种交通环境独立作用下输出值集合的最小值：
[0022] V1＝Min(V11,V21,V31,V41)；V2＝Min(V12,V22,V32,V42)；
[0023] V3＝Min(V13,V23,V33,V43)；V4＝Min(V14,V24,V34,V44)；
[0024] 其中V1、V2、V3、V4依次代表第1、2、3、4车道的输出限速值。
[0025] 进一步的，在高速公路主线路段某一断面按车道设置一组LED可变限速标志，在该断面路侧设置交通诱导控制系统，并在交通诱导控制系统下游间距1000米处设置多通道交通环境综合检测器。集成通信模块对各种检测数据集成后通过无线网络输出给交通诱导控制系统。
[0026] 所述交通流量检测器采用视频检测器，在车道上方安装摄像机，同时对多个车道的交通流量进行检测。
[0027] 本发明的优点是：在综合考虑雨、雪雾、风和交通流拥挤情况基础上，优化给出分车道动态限速值或禁止通行指令，完成复杂交通环境下的高速公路主线车速控制，保障复杂交通条件下高速公路主线的行车安全。
附图说明
[0028] 图1是本发明高速公路主线车速控制系统结构与安装示意图。
[0029] 图2是本发明实施例的车速控制流程图。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0031] 本发明包括在高速公路主线路段设置的：多通道交通环境综合检测器、分车道LED可变限速标志和交通诱导控制系统，所述多通道交通环境综合检测器、分车道LED可变限速标志分别与交通诱导控制系统连接。
[0032] 多通道交通环境综合检测器由雨量计、雾雪透光率计、风速仪、交通流量检测器和集成通信模块构成。雨量计、雾雪透光计、风速仪分别检测高速公路主线路段的降雨、雾雪、风速强度，并通过有线网络RS422接口输出给集成通信模块。交通流量检测器采用视频检测器，可同时对四个车道的交通流量进行检测，检测数据也通过有线网络RS422接口输出给集成通信模块。集成通信模块对各种检测数据集成后通过无线网络输出给交通诱导控制系统。
[0033] 交通诱导控制系统接收多通道交通环境综合检测器输出的复杂交通环境检测数据，并结合各分车道限速约束条件，优化给出各分车道的动态限速值或关闭车道运行指令，输出给各分车道LED可变限速标志。LED可变限速标志按车道设置，分别接收交通诱导控制系统指令后进行相应限速值或关闭车道运行(禁止通行)标志显示。
[0034] 高速公路分车道动态限速值通过下述方法优化得到：
[0035] (1)交通诱导控制系统将输入的降雨、雾雪、风速强度和交通拥挤情况都分成大、较大、中、较小、小五个等级，即：
[0036] U1，U2，U3∈{大，较大，中，较小、小}
[0037] U4(U41，U42，U43，U44)∈{大，较大，中，较小、小}
[0038] 其中，降雨强度U1、雾雪强度U2、风速U3的取值不分车道，U4交通拥挤情况则分车道取值，按车道1、2、3、4依次取值U41、U42、U43、U44。
[0039] (2)交通诱导控制系统将输出的限速值分成：
[0040] Vi1，Vi2∈{0，20，40，60，80，100}
[0041] Vi3，Vi4∈{0，20，40，60，80，100，120}
[0042] 其中，对于单向为4个车道的高速公路，根据我国高速公路运输管理规定，靠近路侧的第1、第2车道为大车行驶车道，最高限速不允许超过100km/h，靠近中心隔离带的第3、第4车道为小车行驶车道，最高限速不允许超过120km/h。若输出的限速值为0，则显示禁止通行标志。
[0043] Vi1代表某种交通环境下的第1车道的输出限速值，i＝1、2、3、4，分别表示雨、雾雪、风、交通拥挤环境，其它依次类推。
[0044] (3)交通诱导控制系统的输入与输出关系采用模糊规则确定：
[0045] 表1 第1和2车道输入与输出模糊规则
[0046]
[0047]
[0048] 表2 第3和4车道输入与输出模糊规则
[0049]
[0050] (4)交通诱导控制系统可得到二种或以上交通环境同时作用下的输出限速值集合，目标是取各种交通环境独立作用下输出值集合的最小值。
[0051] V1＝Min(V11,V21,V31,V41)；V2＝Min(V12,V22,V32,V42)；
[0052] V3＝Min(V13,V23,V33,V43)；V4＝Min(V14,V24,V34,V44)
[0053] 其中V1、V2、V3、V4依次代表第1、2、3、4车道的输出限速值。
[0054] 具体实施例如下。
[0055] 如图1所示：选择高速公路一主线路段，单向有4个车道，设置高速公路主线车速控制系统。在上游某一断面每个车道上方面对来车方向设置LED可变限速显示标志，在其路侧设置交通诱导控制系统，二者之间通过有线通信电缆连接，接口为RS422。在此断面下游间距1000米的一断面的路侧设置多通道交通环境综合检测器，包括雨量计、雾雪透光率计、风速仪、交通流量检测器和集成通信模块。交通流量检测器采用视频检测器，在每个车道上方面对来车方向各设置一个摄像机，负责实时采集行车图像，并通过有线视频电缆传送给交通流量检测器。每隔10分钟，各种检测数据通过有线通信电缆RS422接口传送给集成通信模块，集成通信模块集成后通过无线通信网络(3G或4G)传送给位于上游的交通诱导控制系统。交通诱导控制系统内置有控制算法，控制算法结合各分车道限速约束条件(第1、2车道最高限速为100km/h，第3、4车道最高限速为120km/h)，根据上述的交通环境输入分级、输入与输出关系模糊规则、输出值集合取最小值公式等，动态优化得到各分车道的动态限速值或关闭车道运行指令，输出控制各分车道LED可变限速标志，进行相应显示，每隔10分钟进行一次控制与显示更新。例如：当主线路段处于中雨、小雾、大风共同作用下，而第1、2、3、4车道的交通流量依次是较大、较大、中、较小时，首先，通过模糊规则计算可得到每个车道的输出限速值集合：第1车道的输出值集合为{60，80，40，60}，第2车道的输出值集合为{60，80，40，60}，第3车道的输出值集合为{80，80，40，80}，第4车道的输出值集合为{80，80，40，
120}；其次，通过输出值集合取最小值公式可得到每个车道的输出限速值，即第1车道为40，第2车道为40，第3车道为40，第4车道为40；最后4个车道的LED可变限速标志分别显示40。
[0056] 如图2所示，本发明的高速公路主线车速控制系统的控制流程分成五个步骤：
[0057] 第一步：系统初始化；
[0058] 第二步：采集处理一次降雨、雾雪、风强度和分车道交通流量；
[0059] 第三步：结合分车道限速约束条件，优化计算得到各分车道的动态限速值或关闭运行指令(限速为0时)；
[0060] 第四步：各分车道显示相应的限速值或关闭运行标志(限速为0时)；
[0061] 第五步：每10分钟循环运行一次。
