一种基于分布式光纤的高速公路交通状况评价和预警集成系统的制作方法

本发明涉及一种高速公路安全保障系统，尤其是涉及一种基于分布式光纤的高速公路交通状况评价和预警集成系统。

背景技术：

1、当前高速公路在交通状况发生恶化时，交管部门和交通参与者不能及时感知到较细粒度的交通状况变化，进而采取有效的应对措施(交管部门进行调度干预、驾驶者调节速度或进行避让)。驾驶者不能收到明确的预警信号，只能根据周边车辆打双闪等动作，基于经验做出减速或避让，驾驶员往往会由于反应不及时发生连串事故，造成情况进一步恶化。

2、当前第一种现有技术是中国专利名称为：一种基于分布式光缆的高速路事故定位的系统(cn114566040b)。然而，该系统只关注了高速路发生事故时，事故的定位，并未涉及高速路车流感知和基于车流感知的总体交通状况的较细粒度评价，只能在事故实际发生后起到作用，而无法在交通状况发生恶化的早期及时捕捉到这种变化。

3、第二种现有技术是中国专利名称为：一种基于分布式声学传感器的交通监测控系统(cn105122328b)，该系统能够监测行进在道路上的车辆的数目、速度和类型。尽管该方案对路上的车流状况进行了感知，然而它没有基于这些信息进一步得出总体交通状况的较细粒度评价，原始的车辆的数目、速度和类型这些信息只能形成对交通粗略的印象，而不能给高速路管理部门和交通参与者直观的建议。

4、第三种现有技术是中国专利名称为：一个面向多源信息融合的智慧交通网络智能化监控与应急系统(cn113807404b)。该方案的缺陷是其中涉及的多源异质数据的收集和处理过程复杂。同时，虽然此专利加入了预警模块，但是其预警模块和数据感知模块是集成在一起的，使得其成本大增，只能稀疏的布设在高速路上，使得预警效果下降。最后，与第一种现有技术相似，但此专利关注的也是需要进行应急处理的位置，即事故的定位，并未涉及高速路车流感知和基于车流感知的总体交通状况的较细粒度评价。

技术实现思路

1、本发明设计了一种基于分布式光纤的高速公路交通状况评价和预警集成系统，其解决的技术问题是现有高速公路中交通状况评价技术成本高，评价粒度粗，以及预警设备布设稀疏的缺陷。

2、为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

3、一种基于分布式光纤的高速公路交通状况评价和预警集成系统，其特征在于：包括传感光纤，其沿着高速路车道延伸方向铺设捕捉声波或振动信号；分布式光纤信号接收组件和数据处理模块，其接收传感光纤传来的声波或振动信号并将该信号处理为实用信息：包括各路段的车辆数量、车型、车速、车间距信息；高速路交通状况评价模块，其输入端接收分布式光纤信号接收组件和数据处理模块传来的实用信息，其输出为高速路各路段交通状况的多级细粒度评价结果；高速路交通预警响应模块，其接收高速路交通状况评价模块传递来的评价结果，并跟据评价结果控制高速公路上警报灯呈现出不同颜色和闪烁频率或者同时发出警报声。

4、优选地，高速路交通状况评价模块包括人工神经网络，人工神经网络的训练和使用过程包括以下步骤：

5、s1、收集训练数据：将分布式光纤信号接收组件和数据处理模块传来的每段路的实用信息和收集到的对应交通评价结果作为训练数据；

6、s2、使用嵌入技术(embedd i ng)将分布式光纤信号接收组件和数据处理模块传来的每段路的实用信息转化为固定长度的向量；

7、s3、使用任意的常用的人工神经网络，分别以s2得到的固定长度的向量和训练数据中收集到的对应交通评价结果作为输入和输出训练神经网络；

8、s4、使用时，可将任一时刻的分布式光纤信号接收组件和数据处理模块传来的某段路的实用信息输入到训练好的神经网络，包括embedd i ng层和后面的任意常用人工神经网络，神经网络的输出即为当前此段路的交通评价结果。

9、优选地，分布式光纤信号接收组件和数据处理模块输出为高速路各路段交通状况的多级细粒度评价结果，包括：极优、优、良、中等、差、极差、发生事故七种评价结果。

10、优选地，高速路交通状况评价模块将传感光纤传来的声波或振动信号并将该信号处理为实用信息的过程包括以下步骤：

11、a1、将铺设传感光纤的高速路平均分成m段，每段长n千米，m＞0，n＞0；

12、a2、以p赫兹的频率收集每段路的声波或振动信号；

13、a3、将每段路的声波或振动信号处理为实用信息：车辆数量、车型、车速、车间距，将实用信息表示为一个一维数组ti:[vehi_numi,vehi_typesi,vehi_spdsi,vehi_distsi],i∈(1，m)，其中vehi_typesi表示第i段路上的所有车辆的车辆类型，vehi_spdsi表示第i段路上的所有车辆的车速，vehi_distsi表示将每两辆车之间的距离构成的矩阵按行或列拉成一维后的一维数组。

14、优选地，分布式光纤信号接收组件和数据处理模块包括解调仪、传感光纤、光源、声光调制器(aom)、脉冲edfa(掺铒光纤放大器)、光环形器、拉曼放大器以及数据采集卡。

15、优选地，多个警报灯按固定间隔平行于高速路走向布设于高速路路旁栏杆上或其他醒目处。

16、优选地，高速路交通预警响应模块通过有线或者无线方式连接多个警报灯，能够受高速路交通预警响应模块控制而呈现出不同颜色和闪烁频率或者同时发出警报声。

17、一种基于分布式光纤的高速公路交通状况评价和预警集成方法，包括以下步骤：

18、步骤1、平行于高速路车道延伸方向铺设的传感光纤，既是信息的传输介质，又是传感元件，其用于捕捉声波或振动信号并传输至分布式光纤信号接收组件和数据处理模块；

19、步骤2、分布式光纤信号接收组件和数据处理模块将传感光纤传来的声波或振动信号并将该信号处理为实用信息：各路段的车辆数量、车型、车速、车间距，并将这些实用信息传输给高速路交通状况评价模块；

20、步骤3、高速路交通状况评价模块将多级细粒度评价结果传输至高速路交通预警响应模块；

21、步骤4、高速路交通预警响应模块跟据评价结果控制警报灯呈现出不同颜色和闪烁频率或者同时发出警报声。

22、优选地，步骤3中高速路交通状况评价模块包括人工神经网络，人工神经网络的训练和使用过程包括以下步骤：

23、s1、收集训练数据：将分布式光纤信号接收组件和数据处理模块传来的每段路的实用信息和收集到的对应交通评价结果作为训练数据；

24、s2、使用嵌入技术(embedd i ng)将分布式光纤信号接收组件和数据处理模块传来的每段路的实用信息转化为固定长度的向量；

25、s3、使用任意的常用的人工神经网络，分别以s2得到的固定长度的向量和训练数据中收集到的对应交通评价结果作为输入和输出训练神经网络；

26、s4、使用时，可将任一时刻的分布式光纤信号接收组件和数据处理模块传来的某段路的实用信息输入到训练好的神经网络，包括embedd i ng层和后面的任意常用人工神经网络，神经网络的输出即为当前此段路的交通评价结果。

27、优选地，步骤2中高速路交通状况评价模块将传感光纤传来的声波或振动信号并将该信号处理为实用信息的过程包括以下步骤：

28、a1、将铺设传感光纤的高速路平均分成m段，每段长n千米；

29、a2、以p赫兹的频率收集每段路的声波或振动信号；

30、a3、将每段路的声波或振动信号处理为实用信息：车辆数量、车型、车速、车间距，将实用信息表示为一个一维数组ti:[vehi_numi,vehi_typesi,vehi_spdsi,vehi_distsi],i∈(1,m)，其中vehi_typesi表示第i段路上的所有车辆的车辆类型，vehi_spdsi表示第i段路上的所有车辆的车速，vehi_distsi表示将每两辆车之间的距离构成的矩阵按行或列拉成一维后的一维数组。

31、该基于分布式光纤的高速公路交通状况评价和预警集成系统具有以下有益效果：

32、(1)本发明是一种低成本的、不受天气等外部条件影响、且无盲区的监控方式，可以有效地监测高速路段的交通状况。

33、(2)本发明能够感知高速路车流并基于车流感知得出总体交通状况的较细粒度评价，能够在交通状况发生恶化的早期及时捕捉到种种迹象。

34、(3)本发明集成了预警模块，结合较细粒度的交通状况评价结果，能够让交管部门和交通参与者实时地了解到交通状况变化，进而采取有效的不同应对措施。