一种交通热环境三维图像快速预测、图显装置和方法

本发明属于交通热环境预测及图显，具体涉及一种交通热环境三维图像快速预测、图显装置和方法。

背景技术：

1、随着城市化快速发展，城市热岛效应和高温热浪极端天气日益加剧，人员在长期热暴露下易造成能量失衡、体温升高等症状，甚至进一步会威胁生命健康和认知能力。交通热环境恶化是加剧城市热岛效应的主要因素，其中车辆热量排放约占城市总热量排放的三分之一。为此，快速获取交通热环境演化规律进而改善热环境恶化问题是缓解城市热岛效应、降低高温暴露风险的重要任务。

2、获取交通热环境的常规方法为通过对温度、风速等气象数据进行监测感知，从而确定城市交通热环境现状，进而为交通管理部门提供决策依据。然而，为获取高分辨率交通热环境分布规律，需要依赖大量的监测设备，往往导致监测成本过高且可行性差。

3、随着计算机技术的发展，计算流体力学方法被广泛用于快速获取交通热环境。然而，车辆交通具有显著的“动态”特性，这大大增加计算周期与迭代费用，使得该方法实用性降低。为此，开发低成本且高分辨率的交通热环境快速预测模型及其图显装置，对其时空演化规律动态捕捉、热环境问题高效解决具有重要意义。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种交通热环境三维图像快速预测、图显装置和方法，以实现针对动态交通热环境的快速预测和三维高分辨率图像显示。

2、为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种交通热环境三维图像快速预测、图显装置，至少包括360°旋转摄像头、温度传感器、风速传感器、图像采集模块、数据处理模块和显示器；

4、所述360°旋转摄像头，负责拍摄研究道路的实时车辆情况画面；

5、所述图像采集模块，负责统计实时车辆情况画面中出现的实时车辆数量；

6、所述温度传感器，负责采集研究道路周边的实时空气温度；

7、所述风速传感器，负责采集研究道路周边的实时风速；

8、所述数据处理模块，负责利用获取的实时车辆数量、实时空气温度和实时风速，通过相应的处理方法生成研究道路的实时高分辨率交通热环境动态图像，并在研究道路的平均温度过高时生成“高温预警”信号；

9、所述显示器，负责显示所生成的实时高分辨率交通热环境动态图像，或同时显示所生成的“高温预警”信号。

10、进一步的，所述数据处理模块中至少包含存储器、运算器和控制器；其中，

11、所述存储器，负责存储包括实时车辆数量、实时空气温度和实时风速在内的数据信息，以及运算器和控制器所处理的数据信息；

12、所述运算器，负责对输入的包括实时车辆数量、实时空气温度和实时风速在内的数据进行处理和分析，生成研究道路的实时交通热环境三维图像，并在研究道路的平均温度过高时生成“高温预警”信号；

13、所述控制器，负责对导入的实时交通热环境三维图像实现图像空间差值，生成研究道路的实时高分辨率交通热环境动态图像。

14、进一步的，所述显示器通过支撑组件架设在地面上，所述360°旋转摄像头、所述温度传感器、所述风速传感器分别设置在所述显示器的顶部，且所述360°旋转摄像头位于所述显示器顶部的正中央，所述温度传感器和所述风速传感器均位于所述360°旋转摄像头的同一侧或分列于所述360°旋转摄像头的左右两侧，所述图像采集模块和所述数据处理模块均设置在所述显示器的内部。

15、进一步的，所述支撑组件由固定支架和伸缩杆组成，所述固定支架放置在地面，所述伸缩杆的底端与所述固定支架的顶端固定连接，所述伸缩杆的顶端与所述显示器的底座固定连接。

16、进一步的，所述显示器上分别设置有开关和电源接口，所述开关嵌设在所述显示器正面的左侧，所述电源接口嵌设在所述显示器正面的右侧。

17、一种交通热环境三维图像快速预测、图显方法，包括以下步骤：

18、s100、获取研究道路的实时车辆数量，以及研究道路周边的实时空气温度和实时风速；获取方法分别为：

19、利用360°旋转摄像头，以一定单位时间为间隔，拍摄研究道路的实时车辆情况画面，并利用图像采集模块对每幅所述实时车辆情况画面中出现的车辆进行计数，从而获得研究道路的实时车辆数量；

20、利用所述温度传感器，以相同单位时间为间隔，对研究道路周边的空气温度进行实时采集，从而获得研究道路周边的实时空气温度；

21、利用风速传感器，以相同单位时间为间隔，对研究道路周边的风速进行实时采集，从而获得研究道路周边的实时风速；

22、s200、将获取到的所有实时车辆数量、实时空气温度和实时风速输入数据处理模块，采用动态交通热源快速预测方法进行处理和分析，从而生成实时高分辨率交通热环境动态图像，并在平均温度过高时生成“高温预警”信号；

23、s300、将生成的研究道路的实时高分辨率交通热环境动态图像，或同时输出生成的“高温预警”信号输出给显示器，由显示器可视化地形式呈现研究道路的实时高分辨率交通热环境动态图像，并在接收到“高温预警”信号时显示“高温预警”字样。

24、进一步的，所述动态交通热源快速预测方法包括基础数据库构建、数据处理分析和温度预警三大内容；其中，

25、所述基础数据库构建包含的内容有：定义数据库场景、构建基础三维几何模型、划分基础网格、设置边界条件和构建交通热环境三维图像数据库；

26、所述数据处理分析包含的内容有：预处理输入数据组、锁定区间、预测交通热环境动态图像；

27、所述温度预警包含的内容有：设定温度阈值、数据比对和预警提示。

28、进一步的，所述基础数据库构建的具体步骤为：

29、1）定义数据库场景：

30、结合三维地图和实际调研，对所需监测的n条研究道路及其包括建筑布局、建筑密度、建筑高度、植被类型、植被高度、植被密度在内的周边影响要素特性进行获取；

31、定义夏季交通道路的温度阈值范围，并将其均等划分为m个温度阈值区间；

32、定义夏季交通道路的风速阈值范围，并将其均等划分为m个风速阈值区间；

33、定义监测交通道路的车辆数量阈值范围，并将其均等划分为m个车辆数量阈值区间；

34、根据上述预定义，假设数据库场景共有x=n×m3个场景；

35、其中，n和m均为自然数；

36、2）构建基础三维几何模型：

37、首先基于三维地图，以研究道路的道路中心为圆心，以数倍研究道路的道路长度为直径，划出几何模型的范围作为目标范围；

38、然后根据目标范围内建筑布局、建筑密度、建筑高度、植被类型、植被高度、植被密度在内的周边影响要素特性，利用三维几何划分软件构建目标区域的几何；

39、接着在距离目标区域的正东、正南、正西和正北4个方向各自延伸一定距离，划出一定高度的正方体作为计算域；

40、最后由目标区域和计算域基础三维几何模型，针对上述n条研究道路，共构建得到n个基础三维几何模型；

41、3）划分基础网格：

42、针对构建得到的n个基础三维几何模型，采用有限体积网格划分算法，利用网格划分软件对基础三维几何模型进行非结构网格划分，形成n个基础网格；

43、4）设置边界条件：

44、针对划分好的n个基础网格，利用计算流体仿真软件设置边界条件，将计算域入口温度的初始条件设定为恒定温度，将风速设置为梯度风，将建筑和植被的边界分别设置为恒定温度边界；

45、在道路边界中添加动量源项和能量源项，动量源项与模拟案例的实时风速有关，能量源项与模拟案例的实时车辆数量和实时空气温度有关，计算公式如下：

46、；

47、式中，f为动量源；qv为能量源；c为车辆阻力系数；ρ为空气密度；vb为车辆速度；a为车辆横截面积；hc为对流换热系数；s为传热表面积；nc为车辆数量；∆t为车辆与周围空气温差；v为车辆体积，设定道路持续有流动车辆；

48、5）交通热环境三维图像数据库构建：

49、针对设置好的边界条件，利用计算流体仿真软件进行计算，通过后处理软件截取不同垂直平面，得到n×m3模拟场景下的交通热环境三维图像，将n×m3个场景的交通热环境三维图像存储在存储器中，得到交通热环境三维图像数据库。

50、进一步的，所述数据处理分析的具体步骤为：

51、1）预处理输入数据：

52、将获取到的所有实时车辆数量、实时空气温度和实时风速输入所述数据处理模块中的存储器；

53、2）区间锁定：

54、先利用所述数据处理模块中的控制器调用存储器中实时车辆数量、实时空气温度和实时风速输送至运算器；

55、然后基于二分查找算法，锁定实时车辆数量所在的车辆数量阈值区间，并计算在该车辆数量阈值区间位置；

56、锁定实时空气温度所在的温度阈值区间，并计算在该温度阈值区间位置；

57、锁定实时风速所在的风速阈值区间，并计算在该风速阈值区间的位置；

58、接着将锁定的车辆数量阈值区间、温度阈值区间和风速阈值区间下的交通热环境三维图像从存储器调入至运算器中；

59、最后控制器将实时车辆数量、实时空气温度和实时风速所在位置表示数值调回至存储器中。

60、3）预测实时高分辨率交通热环境动态图像：

61、在将实时车辆数量、实时空气温度和实时风速所在位置表示数值调入至运算器后，结合调入的各个场景下的交通热环境三维图像，采用最近邻法对热环境图像进行空间差值，快速预测得出实时车辆数量、实时空气温度和实时风速场景下的实时高分辨率交通热环境动态图像，并将实时高分辨率交通热环境动态图像传输至显示器中予以显示。

62、进一步的，所述温度预警的具体步骤为：

63、1）设定温度阈值：

64、预设夏季高温阈值，将其存储在存储器中；

65、2）比对数据：

66、利用控制器将预测得到的实时高分辨率交通热环境动态图像调入运算器中，计算该实时高分辨率交通热环境动态图像下的交通道路平均温度，继续将该交通道路平均温度的值与高温阈值进行比对；

67、3）预警提示：

68、当交通道路平均温度大于高温阈值时，控制器将传输指令“高温预警”至显示器，由显示器呈现“高温预警”字样。

69、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

70、本发明仅需要实时监测研究道路的车辆数量、空气温度和风速，即可通过本发明自带的热环境快速预测方法快速且准确地预测出研究道路高分辨率交通热环境动态图像，并予以在显示器进行动态显示，有效解决了传统技术受监测设备数量和使用成本限制的难题，可以适用于任意道路高分辨率交通热环境动态图像的预测及显示，具有普适性。

71、并且，本发明所提出的考虑动态交通特性的热环境快速预测方法，在无需对移动车辆进行几何建模情况下，解决了传统交通热环境预测方法计算耗时长、存储成本高等难题（如计算流体力学方法往往采用动网格算法实现动态交通热环境预测，需要对移动车辆进行几何建模并划分网格，大大增加计算成本）。

72、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。