基于激光雷达的高速公路施工区动态限速方法与系统

本发明属于交通安全和智能交通领域，具体涉及一种基于激光雷达的高速公路施工区动态限速方法与系统，适用于恶劣天气条件。交通事故发生的原因有人为因素和天气因素等。在恶劣天气下，驾驶人视野不开阔，视线不清，对前方车、物和道路状况往往无法做出正确判断，极易导致交通事故。恶劣天气包括沙尘雪雾等天气条件，在这种环境下，往往会使驾驶人心情不畅，产生快速到达目的地的想法，常常以上百公里的时速高速飞驰，极易导致交通事故，因此，恶劣天气是引起交通事故的重要原因之一。高速公路的建设最早开始于发达国家，目前这些国家的高速公路基础设施建设已经基本完成，而我国高速公路建设起步相对较晚，于1988年才出现第一条高速公路通车，随着投资额逐年增长，我国高速公路建设进程也在不断推进，总里程也在不断增加，根据交通运输部《2021年交通运输行业发展统计公报》，截至2021年末我国高速公路总里程16.91万公里，位居全球第一。高速公路普遍存在的一个现象是施工区上游路段形成的交通瓶颈现象，这极大地降低了高速公路的通行能力并增加了高速行车的风险，施工环境下，高速公路作业区会出现部分或全部车道压缩的现象，使得通行能力大大降低，该区域附近的交通运行特性也发生了变化，行驶的车辆不得不进行合流、换道操作。而车辆在接近施工区的上游过渡区时应提前进行换道，由封闭车道转移至不封闭的车道，这一过程需要合理调整好与前后车辆以及横向车辆之间的速度差、安全距离等，还要适当控制车辆的加速度，以便于更好的进行合流，直至通过高速公路施工作业区。对于驾驶员的驾驶行为决策，可以分为调整、稳定和恢复三个过程，在正式进入高速公路施工区以后，驾驶员在相关信息引导下需要不断地进行速度及行车方向调整，而现有的引导信息主要是通过限速标志、标线等，这不利于短时间的高速公路养护作业。

背景技术：

技术实现思路

1、为了弥补和解决上述背景中存在的问题，本发明利用现有的技术和硬件设施，提出一种基于激光雷达传感器的便携式智能路侧网联设备限速系统，提供一种在恶劣环境下高速公路施工区动态限速的方法，解决形成高速公路施工区产生的交通瓶颈，极大提高公路的同行能力，降低行车风险，具备良好的适应性。

2、考虑到施工环境下高速公路车流的复杂性以及施工养护时间的长短，本发明主要针对施工环境为单向车道封闭的施工区环境，另外，由于高速公路施工区属于特殊路段，本发明所采用的高速公路限速值是最大限速。考虑到天气条件不同，通过高速公路施工区的安全速度就不同，因此本发明提出了一种基于激光雷达区分四种天气条件的方法。

3、一种在恶劣环境下高速公路施工区的动态限速的方法，包括以下步骤。

4、s1将便携式智能网联路侧设备(rsu)投放在高速路施工区过渡区上端。

5、s2便携式智能网联路侧设备通过交警终端传送的道路限速值确定高速公路施工区警告区的长度，通过激光雷达来测量大气能见度、交通量。

6、s3利用激光雷达通过测量从目标物体反射回来的光束时间和强度来获取目标物体的位置和形状信息，对三维点云数据进行滤波、配准、拼接等操作，进而天气条件进行判断。

7、s4通过大气能见度交通量、天气条件，根据激光雷达测量能见度方程、koschmieder定律等算法，计算大气能见度、交通量，进而计算安全通过高速公路施工区的限定速度。

8、s5车辆进入施工区域警告区l范围，车载设备提示驾驶人员车辆前方施工，告知驾驶员安全通过施工区的限定速度v3以及施工车道。

9、s6激光雷达检测到车辆进到达第一设定位置l1，对点云进行滤波、聚类、利用kalman滤波对车辆进行跟踪，利用跟踪细化，精确的测得第一位置车辆速度v4。

10、s7便携式智能网联路侧设备将车辆速度v4与限定速度v3相比较，若大于限定速度，则警告车辆减速到所限速度。

11、s8车辆到达第二位置l2，便携式智能网联路侧设备利用平均值算法计算车辆第一位置到第二位置之间的平均速度v。

12、s9便携式智能网联路侧设备将车辆平均速度v与限定速度v3相比较，若大于限定速度，便携式智能网联路侧设备发送指令给车载设备，车载设备将车辆信息传输给便携式智能网联路侧设备，路侧设备将信息传送到交警终端，通过罚款约束驾驶人遵守动态限速。

13、优选地，所述步骤s1中便携式智能网联路侧设备是交警控制，施工方向交警报备高速公路施工位置施工时间段，交警在交警终端段投入虚拟设备并完成便携式智能网联路侧设备并完成设备工作时间、路段限定速度等设定，发送给便携式智能网联路侧设备，确定便携式智能网联路侧设备的网络服务范围，即警告区l。

14、优选地，所述步骤2，警终端向便携式智能网联路侧设备传输路段限定速度，通过限定网络的服务范围，确定高速公路施工区警告区l的范围。根据《公路养护安全作业规程(jtgh30－2004)》可将高速公路施工作业区分为警告区、上游过渡区、缓冲区、工作区、下游过渡区以及终止区六大部分。警告区是指从施工区域的警告标志设立点到上游过渡区末端之间((本发明中是便携式智能网联路侧设备处)的路段，警告区在以上六个区域中的地位是最重要的，据交通标准，车辆时速要求为120km/h的路段，最小警示区长度为1600m，车辆时速为80km/h的路段，最小警示区长度为1000m。警告区主要作用是提示驾驶人员进行速度调整，因此，上述警告区长度也适合于各种天气条件。

15、优选地，所述步骤s3中，天气条件分为正常、雨天、雾天、沙尘，利用激光雷达区分天气条件，在雨天、雾天、沙尘天气下，安装在路侧的便携式智能网联路侧设备中的激光雷达的测量信号会受到干扰，因此需要进行信号滤波、脉冲压缩、多次采样、信号分离等一些特殊处理来区分这些不同的天气状况。

16、优选地，所述步骤s4中，车辆进入警告区l，车载设备自动获取便携式智能网联路侧设备所发布的限定速度，通过车载设备语音模块提示驾驶人员前方施工及施工车道、限定速度v3。

17、优选地，上述步骤s5中，利用激光雷达方程求取大气均匀消光系数，进而根据koschmieder定律所给出的能见度与大气均匀消光系数之间的关系计算大气能见度。

18、优选地，所述步骤s7中，由于激光雷达与天气条件、能见度相关，因此，当激光雷达所测最大距离d小于能见度s时，其第一位置l1＝d，反之li＝s。

19、优选地，所述步骤s7中，由于激光雷达存在盲区，同时，路侧设备还要进行判断车辆是否超速、向车载设备获得超速车辆信息等，因此本发明提到的第二设定位置l2是便携式智能网联路侧设备所在位置l3-20m。

20、优选地，所述步骤s9中，在高速公路施工区实行动态限速，其目的是通过对速度的限制，提高施工区的通行能力，降低在施工区事故发生率，法规是对驾驶人最有效的约束，本发明采用交通法规中车辆超速处罚标准，对超速车辆进行处罚。

21、本发明还提供了一种恶劣环境下高速公路施工区动态限速系统，包括便携式智能网联路侧设备(rsu)、车载设备(obu)、交警终端设备三部分组成。

22、所述便携式智能网联路侧设备包括：点云采集模块、点云处理模块、存储模块、能见度模块、车辆追踪模块、路侧通信模块、逻辑与计算中心、控制模块、电源模块、天气模块；

23、所述点云采集模块，利用激光雷达传感器，在指定范围内，获得行驶车辆的点云信息、对车辆进行跟踪、检测等，配合天气模块，判断天气条件，配合能见度模块，计算大气能见度。

24、所述点云处理模块，用于对所述点云采集模块采集到车辆点云，利用已经训练好的深度卷积神经网络模型滤波、聚类等预处理。

25、所述车辆追踪模块，用于对所述点云采集模块采集到的路面上行驶车辆的点云序列为基础，采用目标跟踪算法对移动车辆进行检测、提取、识别和跟踪，运用跟踪细化，获得所述车辆的速度、加速度、运行轨迹、位置、交通量等运动参数。

26、所述天气模块，用于利用激光雷达，测量从目标物体反射回来的光束时间和强度来获取目标物体的位置和形状信息，对点云数据进行过滤、压缩等处理来区分天气条件。

27、所述路侧通信模块，用于通过通讯网络实现路侧感知设备、存储设备与车载设备、交警终端设备之间的安全可靠的信息交换，同时，通过通信模块设定通信范围，来确定道路的警告区l的长度。

28、所述能见度模块，用于通过单光子探测器接收毫米波激光雷达发出的波长，将回波转换为电信号进行数据采集，从而得到回波功率随距离变化的曲线，进而进行大气消光系数的反演，获得所在环境的能见度。

29、所述逻辑与计算中心，用于计算大气能见度与所处道路交通量，通过计算与判断，得到安全通过高速路施工区的限定速度，另外，向控制模块传输逻辑指令。

30、所述存储模块，用于存储采集到的三维点云信息、通过车载设备传输的车辆牌照等信息。

31、所述控制模块，是用来控制便携式智能网联路侧设备在设定时间点开机工作、控制便携式智能网联路侧设备信息的计算、与车载设备和交警终端设备之间的信息交互。

32、所述电源模块，是用来为便携式智能网联路侧设备提供电源，使智能网路侧设备工作。

33、所述车载设备包括：车载通信模块、存储模块、语音播报模块、控制模块；

34、所述车载通信模块，是用于车辆与便携式智能网联路侧设备之间信息传输的载体。

35、所述存储模块，是用来存储驾驶人信息、车辆牌号等信息。

36、所述语音播报模块，用于对接收到的便携式智能网联路侧设备所传输的信息进行播报，告知驾驶人员。

37、所述控制模块，是用来接收路侧设备指令，控制语音播报模块，将信息传输给驾驶人员，另外，接收指令，控制存储模块中所存储的车辆信息传输给路侧设备。

38、所述交警终端包括：通信模块、控制模块、存储模块。

39、所述通信模块，使用来交警终端与便携式智能网联路侧设备之间安全的信息传输。

40、所述控制模块，是用来通过通信设备，控制便携式智能网联路侧设备的开关、通过便携式智能网联路侧设备所设定的警告区l的范围。

41、所述存储模块，是用来存储便携式智能网联路侧设备工作时间段、路段限速值、超速车辆的信息。