CN1870068A

CN1870068A - 基于电磁波波束覆盖的运行车辆车道判别方法

Info

Publication number: CN1870068A
Application number: CN 200510017605
Authority: CN
Inventors: 周常柱
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-05-24
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2006-11-29

Abstract

本发明公开了一种基于电波波束覆盖的运行车辆车道判别方法，在径向车道上，每间隔一定距离在每个车道上横向分布一个有向发射天线如Sa、Sb、Sc，天线发射的电磁波在每个车道上，以不同的信号参数，对于每个车道进行有效的覆盖，而这种覆盖不会对其他车道车辆的识别造成影响；车辆如果进入信号覆盖区后，车载设备接收的如果是Sa天线发射的信号，则判定为在A道行驶；如果车载设备接收的是Sb天线发射的信号，则判定为在B道行驶；如果车载设备接收的是Sc天线发射的信号，则判定为在C道行驶；如果车载设备同时接收Sa、Sb天线发射的信号，则判定为在AB交界线上行驶；如果车载设备同时接收Sb、Sc天线发射的信号，则判定为在BC交界线上行驶。利用这种方法，可以进行对于运行中的车辆所在车道确认，并藉此对于运行车辆进行动态的调度引导，以期预防事故和提高公路运行效率。

Description

基于电磁波波束覆盖的运行车辆车道判别方法

技术领域

本发明涉及一种公路交通车辆安全运行系统，尤其是一种基于电磁波波覆盖的运行车辆车道判别方法。

背景技术

伴随着高速公路的快速发展，交通管理技术的相对落后，导致交通事故与日俱增，不仅给社会带来了巨大的财产损失，也成了危及人们生命安全不可忽视的问题。为此，国内国外近年来，针对高速公路高效运行技术和汽车防撞技术进行了大量研究。其具体技术如：

1、超声波汽车测距防撞技术；

2、激光测距汽车雷达防撞技术；

3、微波测距汽车雷达防撞技术；

4、GPS技术和其它传感器定位技术等；

5、智能交通管理技术等。

这些技术无疑能起到一定的作用，但其效果还不能令人十分满意。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电磁波波覆盖技术，对运行车辆所在车道的确认判别方法；并利用这种方法，可以对于运行中的车辆所在车道进行判别确认，并籍此对于运行车辆进行动态的调度引导，以期预防事故和提高公路运行效率。

本发明的技术方案是：一种基于电波波束覆盖的运行车辆车道判别方法，在公路沿线车道两侧，每间隔一定距离分布一个有向发射天线如Sa、Sb、Sc，不同的天线发射的电磁波，以不同的信号参数，对于每个车道进行有效的覆盖，而这种覆盖不会对其他车道车辆的识别造成影响；车辆如果进入信号覆盖区后，车载设备接收的如果是Sa天线发射的信号，则判定为在A道行驶；如果车载设备接收的是Sb天线发射的信号，则判定为在B道行驶；如果车载设备接收的足Sc天线发射的信号，则判定为在C道行驶；如果车载设备同时接收Sa、Sb天线发射的信号，则判定为在AB交界线上行驶；如果车载设备同时接收Sb、Sc天线发射的信号，则判定为在BC交界线上行驶。

有向发射天线的高度，倾角的安装应该符合采用每个车道单独用具有不同参数特征的电磁波覆盖或采用车道边界线重叠波形的覆盖要求；在此基础上，车载设备根据不同的信号特征，进而识别不同车道；并且，道路上还应该配置不等的能够发射给每个车载移动设备基本信息的广播信道发射天线，能够给每个车载设备发射控制中心对该车进行督导的信息和警示信息以及其他与该车辆有关的相关信息；同时配备有能够接收各个车载设备信息的接收天线。

车载收发设备内部储存有各个确认点的编号信息，各个确认点之间的距离信息，各个确认点对于驾驶员有必要提供参考的地理环境信息及其他警示信息；车载设备可以根据这些信息，进行相关的计算和发出提醒或警示的语音或灯光指示信息；这种车载设备一般在进入高速公路的入口处，由相关人员交给驾驶员放入车辆，在高速公路出口，由驾驶员取出交回。

每个车载设备带有一个CDMA或GSM引擎用以接收或发射信息；每个车载设备以短信息的方式，实时发送给中央控制中心本车经过本确认点所得到的各个参数。

车载设备在识别车道的同时，记录路过该车道检测点的具体时间，并和接收到“准备确认”信号的具体时间进行比较计算，从而得到该车在两者距离上的运行时间，并进而计算出两个车道确认点之间路段的平均速度及准备“确认天线”和覆盖天线间平均速度。

附图说明

图1为本发明方法其中一个站点示意图

图2为本发明预定限时判定车道的方法示意图

图3为基于波形覆盖的多车道公路车道识别方法示意图

图4为一个车辆通过时的道路判别确认过程示意图

图5为在一段高速公路上本发明的车辆导引调度示意图

图6为经过利用车道识别技术对运行车辆动态调度后的车辆运行图

具体实施方式

本发明的技术方案主要包括：1、为车道识别确认提供物质条件的硬件设备；2、如何进行车道辨别确认的算法及相关的应用支持软件。

概括的说车道确认技术方案包括硬件设备、支持算法和系统运行的软件两部分。

一、硬件部分包括：a.道路配备硬件；b.车载设备；C.控制中心。

a.道路配备硬件：

指在配置车道确认功能的公路上，根据管理需要，按一定间隔距离，以一定规则，配置车道确认点。所说的规则指达到无线电电磁波对每个车道分别覆盖所需要的天线数量和相关的辅助设备以及如何架设这些设备才能达到正确的车道判别确认之目的。安装用于车道确认的发射天线，必须是有向天线；而且天线架设的高度，在路边的位置，天线的发射倾角等参数必须保证在出现复杂情况时，每个车道的运行车辆都能够忽不影响的进行车道识别。此外，还应该安置用于相关信息测量和传递的其他发射天线，获得移动车辆车道信息及相关信息的接收天线等设备。

b.车载设备：

具体形式可以是一种嵌入式系统或一台带移动通信卡(CDMA或GSM卡)的计算机(增加了车道识别功能和其他相关功能)或一种满足要求的车载移动实时通信设备等。

车载设备一般是这样使用的，它一般存放在每个高速公路的入口处，当车辆进入入口时，由相关人员交给驾驶员，供驾驶员在整个路段使用。当离开高速公路时，由驾驶员顺便交回来。车载设备既具有发射信息的功能，也具有接收信号的功能。

同时，它还可以是一个小型的智能系统。它要具有可以提供用于车道确认的信号发射/接收功能和能够进行信息处理等功能的CPU中央运算处理单元、动态数据存储器、静态存储器、驱动电路、信号指示和语音输出、USB接口、等相关硬件。

它可以将处理得到的信息(包括当前的运行车道，在当前和前一个确认点间的平均运行速度和经过当前确认点的一个Δt内的速度信息等相关信息)转化为对驾驶员的警示引导信息或将其发射出去，经路边接收天线上传给控制中心，供控制中心进行道路运行车辆的动态调度和分析决策之用。

同时，车载设备还应该能够接收来自控制中心的针对本车辆的指示信息及一般的广播信息，并可以将这些信息经过处理转化为对驾驶员提示的语音或灯光信息。

车载设备可以结合CDMA或GSM的手机引擎，设计短信息收发电路，

c.控制中心：具有和每一个车载设备随时、动态的进行双向信息交互的功能；具有能够根据每个车载设备发射来的动态信息，进行综合决策，动态调度的功能。能够完成对于整个路段关键点检测道的环境、气象信息的数据采集和分析功能并根据分析结果，把决策或警示信息发送给各个车载设备。

控制中心也可以结合手机引擎设计，进行短信息的群发和对于每个车载移动台单独进行短信息的接收和发射功能。

二、软件包括：a.控制中心系统软件、应用软件、动态数据库软件、通信软件等；b.路面设备控制数据采集与通信控制软件等；c.车载设备软件。

a.控制中心软件：

包括系统平台软件，应用系统软件，各种相应的应用软件，动态数据库，通信软件等；

其中，系统平台软件是控制中心的支撑系统软件。如UNIX，WONDOWS XP等。

包括相关的支持应用软件正常运行的应用平台支撑软件。各种相应的应用软件是指控制中心的任务不仅包含车道识别确认，可能还包括某些图象监控，信号灯控制，收费管理等相关的应用软件。动态数据库是支持系统对车辆参数进行动态采集，动态分析决策的一个支撑软件，此外，还可包括其他功能的软件。

b.路面设备控制与通信软件等；

通信软件在这里发挥着重要的作用，包括协调各种信号的发送/接收，路面参数采集等，是使系统能够发挥作用的一个重要软件。

c.车载设备软件：它是一个完备的系统软件，应该包括系统软件，通信处理软件，数据与信号处理软件，警示信息驱动软件等。

其中，系统软件支撑整个系统的正常可靠的运行；通信软件完成车载设备与天线通信的数据调制/数据解调接收功能。数据与信号处理软件负责执行数据的运算分析和

将一些关键数据转换为告警或提示信息的功能。警示信息驱动软件就是把警示数据一边传输给控制中心，一边转化为语音/灯光信息在车载设备上驱动扬声器发出不同的语音信息或驱动不同的指示灯发出不同颜色的光。

二、车道识别的硬件安装设计与软件算法简述

1、硬件布置与安装原则

假设某公路需要每公里设置一个车道检测点，一个方向上共有三条车道，每个车道宽3.9米。则我们首先要选择的是有向发射天线，选择的有向发射天线的水平发射角大于垂直发射角，这样其天线垂直与发射方向的切面就为一个椭圆形切面。合理的设计好天线的架设高度，在两边的车道上的投影和中间车道上的投影如图一所示即可。

对道路上用于车道识别的各个有向天线发射的信号，首先以不同的参数加以控制和标定，以作为车道识别的依据。这些标定参数指可以以不同的频率，时间，地址编码或他们的衍生作为区分标记。即可以以时分多路复用；频分多路复用；码分多路复用及其他们的相应的变换形式作为标记参数。

预发射天线的发射信号中，可以携带由前面是第几个测试点，该测试点附近是否有突然的气候异常信息，交通状况异常等动态变化的数据信息。这些信息可能是采用FSK，PSK等调制方式调制的。

车载设备区分车道可以采用如下的方法：

方法a：如图一所示，道路的硬件设备如此配备安装。即一个预发射天线Ty，在车道判别确认点之前按距判别确认点一定的距离沿道路经向路边在适当位置安装；在车道判别点以每个车道配备一副有向天线，保证每个车道由具有不同参数特征的无线电电磁波进行覆盖，且对于两个车道相邻的边沿地带，采用两个电磁波重叠覆盖的电磁波覆盖结构。对于这种方案的判别确认原理如下：

在同一个方向上任何车道上行驶的车辆，都会接收到Ty发射的信号，当接受到该信号时，车载设备首先应该记录接收到该信号的时间点，同时还应该能够得到本天线的位置编号，本天线到确认点的距离和附近的地理信息(如有无转弯等需要提示的信息)或地段气象信息(比如前方有无大雾，有无结冰等)；当车辆进入当前车道确认点时，根据车载设备在确认点收到的信号的参数特征或天线发射的车道信息，就能识别出自己所在的车道。如以三个车道为例：假设A车道覆盖天线发射的信号为Sa，B车道覆盖天线发射的信号为Sb，C车道覆盖天线发射的信号为Sc；A、B的分界线附近由Sa、Sb重叠信号覆盖区，B、C的分界线附近由Sb、Sc重叠信号覆盖区，以此类推；而车载设备的车道识别方法如下是：当仅收到Sa一个信号时，即判别为在A车道；当仅收到Sb一个信号时，即判别为在B车道；当仅收到Sc一个信号时，即判别为在C车道；当同时收到Sa、Sb二个信号时，即判别为在A、B的临界线上；当同时收到Sb、Sc二个信号时，即判别为在B、C的临界线上，以此类推。

同时，车辆根据预备发射天线到确认点的距离L，预发射天线信号接收到的时间T_YU和车道标志频率接收到的时间T_JIAN，大致计算出这一段路程上的速度V_S。如果，这一段时间比较短，那么，这个平均速度就接近于瞬时速度。V_S＝L/(T_JIAN-T_YU)。另外，由于检测点之间是按一定间隔L_P-P分布的，所以，还可以根据本检测点的到达时间与上一个检测点的通过时间比较T_P-P＝T_JIAN-T_JIAN-1，得出在该路段的运行时间T_P-P＝T_JIAN-T_JIAN-1，进而可以得出通过该路段的平均速度为V_A：V_A＝L_P-P/T_P-P。据此，大体可以判断出车辆当前是在加速状态还是减速状态，或是基本匀速状态。

这些检测点获得的参数，传给控制中心后，控制中心就可以根据该车与同一车道前后车的距离、和这些速度参数判断有无发生向前撞车和后边的车能否发生追尾的可能性，进而作出对驾驶员进行督导的相应决策。

具体实施方式

车道识别的方案：(基于无线电波给定面积覆盖的车道确认技术)

a：方案1：本发明的技术方案如下：

图1高速公路车道识别技术方法(基于信号覆盖)其中一个站点示意图图1的车道确认的原理是(以高速公路一个方向为例)：

硬件配备：每个确认点配备三个天线Sa，Sb，Sc发射的信号是在各自的信号覆盖各自的车道(车道A，车道B，车道C)的基础上，还分别部分的覆盖相邻的车道，造成在两个车道交界处，具有两个信号的重叠覆盖区。

工作原理如下：在高速公路上运行的车辆距XX车辆车道识别点还有L米距离时，收到预发射天线Tyu的信号，记录下接收到该信号的时间。同时，还对该天线发射的来自控制中心的其他相关信息进行相关的处理。在该车继续前进L米距离后，进入车道确认信号覆盖区，如果进入信号覆盖区后，车载设备接收的是有Sa天线发射的信号，则判定为在A道行驶；如果车载设备接收的是有Sb天线发射的信号，则判定为在B道行驶；如果车载设备接收的是有Sc天线发射的信号，则判定为在C道行驶。如果车载设备同时接收Sa、Sb天线发射的信号，则判定为在AB交界线上行驶；如果车载设备同时接收Sb、Sc天线发射的信号，则判定为在BC交界线上行驶。如果在各个车辆判定出自己的车道后，就要向控制中心传送该车经过该站点所在的车道及经过该点的时间(还可以进一步给出一些相关的速度参数)或速度参数等控制中心需要的相关信息，控制中心可以根据每个判别点各个车辆传来的信息，大体了解每个车道上的车辆的平均速度，车与车前后之间的大体距离等信息。并可以据此对每个车辆进行事故预防或事故发生后查阅相关情况。

用图1的方法还可测的参数如下：a：根据车辆在L上耗费的运行时间，可以计算出在L段的平均时间和该段的大致的瞬时速度，通过和上一个检测点的检测时间比较，可以计算出在两个检测点之间的平均速度，通过电磁波信号覆盖区时，根据接收的信号是Sa，Sb或Sc，Sa⊙Sb，Sb⊙Sc的时间与Tyu信号接收时间比较，两者的距离比较，还可以计算出车辆在Tyu和车道覆盖天线间的平均速度。

当然本方法采用的波形是椭圆形状，这会给计算带来一定的误差，其最大距离误差为椭圆的短轴与两波形重叠覆盖两交点连线长度差的一半，令Q为椭圆短轴的2倍，当(Q/L)＜＜1时，其误差可以忽略不计。如果采用让天线电磁波射向地面的波束为巨型或正(长)方型，则将不存在计算误差。

方法b：与方法a比较，只是把预发射天线，改为后发射天线，其一些相关的算法，也因此进行相应的调整。

一种预定限时判定车道的方法：

图2：一种预定限时判定车道的方法

该方案的原理是：当车载设备收到Sa号时，即识别为自己行进在A车道中，同时将识别信息和识别时间保存在存储器中；当车载设备接收到Sb，即判定为自己在B道，同时将识别信息和识别时间保存在存储器中；同理，当车载设备接收到Sc时，即判定为自己在C车道，同时将识别信息和识别时间保存在存储器中；同样，根据天线同时接收Sa⊙Sb，可以判别出在A，B道的分道线上；根据天线同时接收Sb⊙Sc可以判别出在B，C分道线上。到达确认点的时间信息和车道识别信息等相关处理信息可以立即发射给控制中心或进入下一步后再发射。

如果车辆继续前进，该方向上的车道的任一车辆都会接收到后发射天线T_hou发来的电磁波信号，当车载设备收到时，可以根据在此得到的信息和前面得到的信息进行综合处理，得到相关的参数，然后发射给控制中心。

3.基于波形覆盖的多车道公路车道识别方法：

这种识别方法对于单方向行使的车道数大于3车道的高级公路适用。如果车道数不大于3车道的话，可以用前面的方法进行车道识别。

多车道识别原理：

当该车通过准备信号识别时，车辆上的车载设备开始准备接收识别信号，当

进入信号识别区时，开始接收各自的信号，根据接收的信号分别识别出自己是在1，2，3，4，5，6车道中的某个车道，并根据到达时间等信息，进行相关的处理，得到一些相应的参数，然后将发射给控制中心(注：本方法中作为一种特殊情况，没有采用波形重叠覆盖的方法)，原理同前，不多赘述。

图3：多车道波形覆盖示意图

实施例一：单车行进中的车道识别

本实施例的参考图为图4。

本例中，车辆car经过两个车道判别点，即第五判别点和第六判别点。其中，每个判别点各由一个预发射天线和三个覆盖天线构成。其中预发射天线发射信号，且有一个导频信号频率为2Fyu，载波频率为Fyu，调制方式假设为BPSK，信号格式对车载设备是透明的。三个覆盖天线的的信号频率分别为F1，F1+fd，F1-fd。各个测试点的相应功能的天线发射的信号载频相同。这里假设预发射天线发射本检测点的编号，本检测点有无突发的气象变化或交通事故等信息。那么，车辆通过这段路时的车道判别过程如下：

图4为一个车辆通过时的道路判别确认过程

首先，车载设备将导频频率2分频后作为本地载频对预发射天线的信号解调。车辆CAR在接近第五测试点时，已经将一些本测试点时的基本信息数据进行分析处理，如果有警示信息，正在准备对驾驶员进行声/光提示。当车到达Ltest线时，即收到Tyu5发射的信号，这个信号触发软件马上记录此时的具体时间To，并根据Tyu5发射的即将进入的测试点的编号，就会计算出在公路的具体位置。在Tyu5的覆盖区内，车载设备还可能接收到该天线发射的相关信息；与此同时，车辆前进100米后，进入电磁波信号车道识别覆盖区，根据图四中的行车路线可知，车辆收到F1+fd与F1两个信号，这两个信号的同时被接受，则车载设备由此判断出自己在B、C车道的分道线上。并且，当刚刚同时收到两个频率信号的时刻，软件被触发记录下当时的具体时刻假设为To+5秒，则在本车所在车道确认后，根据Ltest5到车道信号覆盖区的距离L＝100米的数据，知道本车在5秒的时间，行进了100米的距离，由此算出此段距离内的平均速度约为VP5＝100/5＝20米/秒＝72Km/小时。假设车辆继续前进1000(Tyu5，Tyu6之间的距离)，接收到Tyu6的信号的时间是To+33。33秒，则会计算出在此1000米内平均速度为30米/秒，即108公里/小时。

从Ltest6到车道信号覆盖区时，其具体时间为To+35.83，则可以计算出在此一端的平均速度为40米/秒＝144公里/小时。当车辆到达第六个车道测试点时，车载设备接收到载频为F1的电磁波，马上就可以判断出自己所在的车道为中间的B车道。并把这些车道信息，速度信息马上发送给路边的接收天线，由其上传给控制中心。

实施例五：车道分类，分别调度(这里没有考虑车辆的分类问题)：

图5为在一段高速公路上本发明的车辆导引调度示意图

图5在一段高速公路上，在不多于五个车道识别确认点之间的多个车辆调度导引示意图，一种使用使用本发明的调度导引方法与效果如述。该图中，J车辆在最前面，且J车的车道前面留有足够的距离。具体情况如下：J继续在B道中央以当前(允许)的速度前行；M经过I3时，系统提示允许由B道进入C，K经过I3时，系统提示允许由B道进入A，O欲从C进入B在I3被指令提示禁止，重新返回C；N在I2被建议进入B。R继续在C；S欲在I2进入B，被I2指令提示禁止。Q在I1被指令提示允许进入B；W在I1被指令提示允许进入A。调度后的车辆运行图如下：

图6经过利用车道识别技术对运行车辆动态调度后的车辆运行图

上面的实施例只考虑了车辆速度，高速公路上要求的车辆间距，这样便于对于说明这种发明的效果。

由此可见，对于能见度低的时候，驾驶员只要很好的根据控制中心的提示进行驾驶，就可以使整个高速公路即使在大雾天气，可以高效的运行。假如某个驾驶员我行我素，或者超速行使，或者没有按公路要求的大于最低车速行驶呢，那么，这辆车的这种现象，在遇到每个车道确认点或者每个车载设备接收或者附近时，就会被控制中心发现，可以及时加以严厉的警示信息告诫驾驶员。假若某辆车突然有可能前撞和被后边的车追尾时，一旦经过确认点，控制中心就可以发现，并对相关车辆给以不同的警示或驾驶导引信息。

Claims

1、一种基于电波波束覆盖的运行车辆车道判别方法，其特征是：在公路沿线车道两侧，每间隔一定距离按每个车道上分布一个有向发射天线如Sa、Sb、Sc，天线发射的电磁波在每个车道上，以不同的信号参数，对于每个车道进行有效的覆盖，而这种覆盖不会对其他车道车辆的识别造成影响；车辆如果进入信号覆盖区后，车载设备接收的如果是Sa天线发射的信号，则判定为在A道行驶；如果车载设备接收的是Sb天线发射的信号，则判定为在B道行驶；如果车载设备接收的是Sc天线发射的信号，则判定为在C道行驶；如果车载设备同时接收Sa、Sb天线发射的信号，则判定为在AB交界线上行驶；如果车载设备同时接收Sb、Sc天线发射的信号，则判定为在BC交界线上行驶。

2、根据权利要求1所述的基于电波波束覆盖的运行车辆车道判别方法，其特征是：有向发射天线的高度，倾角的安装应该符合每个车道单独用具有不同参数特征的电磁波覆盖或采用车道边界线重叠波形的覆盖要求；在此基础上，车载设备根据不同的信号特征，进而识别不同车道；并且，道路上还应该配置不等的能够发射给每个车载移动设备基本信息的广播信道发射天线，能够给每个车载设备发射控制中心对该车进行督导的信息和警示信息以及其他与该车辆有关的相关信息；同时配备有能够接收各个车载设备信息的接收天线。

3、根据权利要求2所述的基于电波波束覆盖的运行车辆车道判别方法，其特征是：车载收发设备内部储存有各个确认点的编号信息，各个确认点之间的距离信息，各个确认点对于驾驶员有必要提供参考的地理环境信息及其他警示信息；车载设备可以根据这些信息，进行相关的计算和发出提醒或警示的语音或灯光指示信息；这种车载设备一般在进入高速公路的入口处，由相关人员交给驾驶员放入车辆，在高速公路出口，由驾驶员取出交回。

4、根据权利要求2所述的基于电波波束覆盖的运行车辆车道判别方法，其特征是：每个车载设备带有一个CDMA或GSM引擎用以接收或发射信息；

每个车载设备以短信息的方式，实时发送给中央控制中心本车经过本确认点所得到的各个参数。

5.根据权利要求2所述的基于电波波束覆盖的运行车辆车道判别方法，其特征是：车载设备在识别车道的同时，记录路过该车道检测点的具体时间，并和接收到“准备确认”信号的具体时间进行比较计算，从而得到该车在两者距离上的运行时间，并进而计算出此时的平均速度及瞬时速度。