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基于新型主动发光技术的智能交通诱导系统

时间:2021-09-22 13:47

交通智能诱导系统在我国的应用时间不长,上海、北京是国内较早应用该系统的城市,广州也开始推行智能交通诱导系统[2]。目前国内采用的智能诱导发布终端主要有点阵式、嵌入式、逆反射复合屏、背光源半透复合屏三种类型诱导屏,

(1)上海

上海的“申”字型高架道路是该市的主要交通通道,分担了全市20%以上的机动车交通量。应用智能交通诱导系统,向驾驶员发布实时的交通诱导信息,保障了高架道路网的畅通和安全,引导交通流在路网中更合理的分布。这为国内其他城市开展智能交通诱导系统的研究提供了很好的参考。

(2)北京

北京市目前已建成228块室外显示屏,在系统结构上,室外显示屏发布系统己经建立了以局主控制中心为核心,10个分中心为支点,2个维护监控中心为保障的整体系统。北京智能交通系统的建设在道路交通管理中起到了非常积极的作用,但在信息服务的范围和质量上都有待进一步提高。广州也在全市设置了近百个交通诱导屏。

1.2存在的问题

智能交通诱导标志,不仅承担着交通指引的作用,还兼具信息采集的功能,我国的智能交通诱导标志设计方面存在着以下几个问题:

(1)缺乏系统性、适用性、规范性

我国对智能交通诱导标志的研究起步较晚,主要是参照国外类似交通环境的诱导标志规划设计、组织管理研究。不同城市之间的交通管理信息无法互通,交通诱导标志设计各自为用,诱导标志信息不全,信息登记区分不明,半满尺寸缺乏统一规范,无法满足不同城市之间的交通信息的沟通与转换。

(2)缺乏动静态交通之间的连续性

通常停车泊位实在临近泊位处设置泊位数量信息,道路标志中缺少与停车信息的对接,道路行驶车辆无法及时快速找到停车位而盲目绕行,导致道路利用率低,停车泊位周转率低。

(3)缺乏良好的视认性

智能交通诱导标志牌显示的是变化的道路交通状况,通过自然光和人工光提供驾驶员标志牌的视认效果,目前的智能交通诱导信息显示牌,无法根据周围环境自我调节光线,在断电情况下无法正常引导道路使用者,且夜间不同角度下交通信息显示效果

(4)缺乏灵活的反馈机制

交通诱导标志牌所需的交通数据采集困难,对于实时变化的道路交通情况不能及时反馈给后台控制系统,信息反馈主要来自群众,拥堵点和事故点的反应滞后,诱导方案判断缺乏准确性和灵活性。

2主动发光智能交通诱导系统(IIGS)简介

IIGS是基于交通管理地理信息系统(GIS)与新型光学融合性发光终端技术相结合的综合型新型道路交通诱导平台,利用GIS云端技术全方位支持IIGS系统交通管理数据传输,对各接入点的链路状态进行实时诱导发布,IIGS发布终端同时融入新型光学融合性发光技术,终端不仅保留普通逆反射交通诱导标志的功能,同时图形、文字具备主动发光功能,完整的显示了交通诱导标志的指令功能,使其终端在夜间、雨雾等恶劣天气也能保证其良好的视认性,起到亮化、美化城市的作用。

2.1系统设计思路和理念

2.1.1诱导信息的连续性、协调性

由于道路网络的关联性及连续性,应注意路网中各个IIGS诱导标志之间的配合,显示信息应连续性发布,避免信息不连续,有缺失,造成驾驶员行车或停车路径选择上的不确定。同时还应考虑与静态交通标志的协调统一,两者结合使用,共同诱导驾驶员完成对出行路径的选择。

2.1.2动静态信息相结合

为改善城市行车过程中交通拥堵,到达目的地时停车难等问题,IIGS设计时考虑动态交通与静态交通信息诱导相结合。

动态交通包括道路畅通、拥挤、拥堵等信息;静态交通包括停车场分布,停车场泊位数量等信息;通过IIGS对车辆进行行车和停车诱导,均衡道路和停车设施的利用率。

2.1.3 IIGS诱导标志分级设置

考虑到城市土地利用的复杂性以及IIGS诱导标志信息容量的限制,需对诱导标志进行分级设计,逐级发布交通信息有利于驾车者对信息的接受,从而增加诱导信息的效用。

根据诱导目的的不同,本研究将IIGS诱导标志分为三级,使其各自发挥作用,提高整个智能交通诱导系统的连续性和完整性。一级为战略上的行车诱导,诱导车辆选择合理路径行驶,避免拥堵;二级-三级以战术上的行车诱导为主,战略上的停车诱导为辅,诱导范围从大到小,信息内容逐步精细化,车辆在选择路径行驶的同时也对停车场进行选择。

2.2关键技术

2.2.1 IIGS系统技术

IIGS主要由诱导控制计算机、通信系统、前端显示控制机、LED显示屏等组成。通过外系统“交通控制计算机”和“诱导控制计算机”收集相关交通信息数据并加以分析后传输给“上端诱导控制计算机”,并发出执行相关命令程序,由无线(光纤)接发器将命令传递给“前端显示控制机”,并最终在IIGS诱导标志上显示。

IIGS系统利用GIS云端技术为交管部门提供完整的监控云平台,依靠高德大数据进行主动式分析,主动干预。通过GIS地图系统主动推送信息到特定位置的驾车用户群体,用户主动反馈交通突发情报与意见[3]。系统调用GIS系统完整的交通数据库,结合交管权威情报为用户合理规划路线,通过主动发光技术进行交通诱导信息终端发布,提升通行效率。

图1. IIGS系统拓补图

2.2.2系统数据采集分析

IIGS系统基于交通管理地理信息系统,数据源自地图数据、遥感数据、文本资料、统计资料(电子和非电子数据)、地表实测数据、野外数据或者GPS数据、多媒体数据和已有系统的数据等,其中遥感数据(RS Date)和全球定位系统数据(GPS Date)是GIS的重要数据源。

GIS还可以从其他已建成的信息系统和数据库中获取相应的数据。由于规范化、标准化的推广不同系统间的数据共享和可交换性越来越强,数据的可用性得到拓展。

2.2.3道路拥堵判断分析

根据三项交通流理论,交通流划分为自由流、同步流和宽移动堵塞流。IIGS系统通过海量交通出行数据的挖掘计算,采用“拥堵延时指数”作为城市道路拥堵程度评价指标。

R——拥堵延时指数

ts——城市居民平均一次出行实际行驶时间

tz——城市居民平均自由流状态下行驶时间

R>1时,交通流逐渐由自由流转变为拥挤流,开始出现拥堵,R值越大,拥堵越严重。

表1. 2016年第一季度主要城市道路拥堵指数表

注:全天:06:00~22:00 早高峰:07:00~09:00 晚高峰:17:00~19:00

2016年第一季度,济南高峰拥堵延时超过自由流情况下两倍,成为全国拥堵最为严重的城市[4]。

通过云端数据每5分钟自动刷新采集计算道路实时交通流量数据,可以获得城市各道路实时拥堵情况:

表2. 某市快速路及高速道路实时拥堵延时指数表

注:2016年7月12日17:10

当道路拥堵延时指数R1时,车辆处于畅行状态,即智能诱导系统对道路使用者显示绿色服务状态;当R>1时,车辆未出现排队,但以低于自由流速度缓慢行驶,智能诱导系统对道路使用者显示黄色服务状态;当车辆出现排队,车辆积聚速度小于消散速度,出现拥堵,则智能诱导系统对道路使用者显示红色服务状态

2.2.4主动发光智能指路诱导标志技术

智能指路诱导标志是IIGS三级子系统,在IIGS规划建设中,可先期单独试点三级智能指路诱导标志,可按照项目当地的指路标志样式和尺寸,将指路标志牌升级为“半透背光LED+箭头光带显示”,其建设经济性较好,利用原有的的指路标志改造不增加路面杆件,成本低,实用性强。

(1)光带显示控制技术

有根据现状交通流量实时控制与SIM物联网远程智能控制两种形式。前者通过通信系统将环形线圈或其他传感器采集得到的交通流量信息直接传送给控制计算机,控制计算机经过自动判断处理,将主要路口、路段交通状况发给智能指路标志光带箭头显示,从而组成了一个不依赖于其他系统的独立的交通诱导系统;后者在指路标志中设置GSM模块,通过移动通讯工具编辑信息并借助无线通信网络向其发送,指路标志接受、读取、反馈信息,光带箭头颜色实时变换,实现人为远程控制的目的。

(2)太阳能压降分析式电压输出控制技术

配置太阳能压降分析式电压输出控制方法的自动感光、调光装置,通过分析太阳能板周边光照强度影响下的电压变化值来自动开启或关闭标志发光单元,在阴天或雾霾环境中具备极高的灵敏度,实现标志根据周围环境自动开启或关闭LED的功能[5]。

图2. 主动发光技术原理图

2.3主动发光终端视认性对比

交通诱导屏有点阵信息屏、逆反射复合屏、背光源半透复合屏,三种诱导屏均具有指路性质,但与IIGS智能智能指路标志在视认性上有很大区别。

(1)白天视认性对比

点阵信息屏:该诱导屏的文字、图案及路网均发光,且诱导屏文字,图案发光强度与路网光带发光强度相当,基本无对比度。

逆反射复合屏:该诱导屏的路网光带主动发光,文字及图案部分不发光,对比度较好。

背光源半透复合屏:该诱导屏的路网光带主动发光,文字及图案部分不发光,对比度较好。

点阵信息屏逆反射复合屏背光源半透复合屏

图3. 白天视认性对比

(2)夜间视认性对比

点阵信息屏:该诱导屏的信息内容全部发光,夜晚在远处视认时,大面积发光,对比度弱,易产生眩光。

逆反射复合屏:该诱导屏的路网光带主动发光,文字及图案部分需要依靠远光灯才能被视认,对比度不固定。

背光源半透复合屏:该诱导屏的标志底板不发光,底板与发光体形成良好对比,版面信息清晰,对比度好。

点阵信息屏逆反射复合屏背光源半透复合屏

图4. 夜间视认性对比

(3)侧向视认性对比

点阵信息屏:该诱导屏灯珠与灯珠之间有缝隙,侧面观察会遮挡部分内容,有局限性。

逆反射复合屏:该诱导屏除路网光带以外,其他标志版面使用反光膜;由于光的衍射性能,在反射时会形成光锥,并形成核心亮、外围暗的特征。不同车速、汉字高度下标志视认距离在150m至50m左右,其标准小汽车观测角为0.2o~0.9o,大型高座车辆观测角为0.5o~2.0o,即大车的观测角要比小车大一倍以上,大型车辆驾驶人的视线始终接近反射光锥的边缘。光锥以外的范围,驾驶员无法看清标志版面文字及图案。

背光源半透复合屏:该诱导屏在15度角—90度角之间均能清晰看见,发光效果除角度不同以外,其他均一致。

图5. 逆反射复合屏在车灯照射下形成逆反射光锥

图6. 背光源半透复合屏15度角—90度角视认

(4)恶劣天气下视认性对比

点阵信息屏:恶劣天气下,诱导屏光线穿过空气中介质,具有散光特性,为避免散光严重,诱导屏发光强度变弱,但弱发光强度在恶劣天气下光穿透性差,不利于驾驶员辨认,视认距离较短。

逆反射复合屏:标志版面文字图案信息依靠远光灯照射,光线经过空中介质阻断两次,光线较弱,视认距离较短。

背光源半透复合屏:白天单个文字图案及路网光带发光,且发光原理不同,发光柔和,视觉融合,视认距离较远。

点阵信息屏逆反射复合屏背光源半透复合屏

图7. 恶劣天气视认对比

(5)美观性能视认性对比

点阵信息屏:显示屏产生大面积光污染,特别是在夜晚,容易形成光团,辨清信息困难,干扰道路上司机驾驶。

逆反射复合屏:《道路交通安全法》第四十八条:在开启路灯或者其它照明较好的道路上行车不应开启远光灯。开启远光灯的车辆应在会车前150m之前切换至近光灯。逆反射复合屏在没有远光灯的情况下,周围环境光线弱时,驾驶员很难辨清标志文字信息。

背光源半透复合屏:白天单个文字图案及路网光带发光,且发光原理不同,发光柔和,视觉融合,不会造成光污染。

点阵信息屏逆反射复合屏背光源半透复合屏

图8. 美观性能对比

(5)其他情况下视认性对比

点阵信息屏:通电时诱导屏可以发挥交通标志的作用,当应故障等原因,断电后为全黑屏,无交通标志相关功能。

逆反射复合屏:断电后起到交通标志指示作用,全天候工作。

背光源半透复合屏:断电后起到交通标志指示作用,全天候工作。

点阵信息屏逆反射复合屏背光源半透复合屏

图9. 其他性能对比

3 主动发光智能交通诱导系统应用

3.1布设位置选取原则

在道路系统中,IIGS诱导标志设置时需要充分考虑周围环境中已有基础建筑和交通设施对位置点位的影响,同时需要确保各种设施的功能能够正常发挥。避免与静态交通标志的位置搭配不合理而造成驾驶员的信息干扰,以致判断失误。使道路交通标志基础设施能够充分发挥作用,协调统一。

3.2布设方案

根据IIGS的整体设计思路与理念,也应按不同级别的IIGS诱导标志进行位置布设,从而更好地发挥各级标志的诱导功能。

(1)一级IIGS诱导标志主要针对进入主城区的车辆进行诱导,布设位置通常为:

l 在城市快速路、高速公路等出口处;

l 在进入主城区的重要节点处,如互通式立交、高架桥出口处。

(2)二级IIGS诱导标志主要针对在武汉主城区重要节点或路段大范围内的车辆进行诱导,布设位置通常为:

l 设置在主城区内主干路—主干路立交或平交路口上游适当位置;

l 设置在主城区内重大交通源外围重要路网节点处;

l 设置在主城区内常发性拥堵点外围重要路网节点处。

在通往城区的节点环形交叉口处设置二级智能诱导标志牌,点位如图中点5处:

(3) 三级IIGS诱导标志主要针对主城区重要节点或路段附近的车辆进行诱导,布设位置通常为:

l 设置在主城区内主干路—次干路或次干路—次干路相交路口上游适当位置;

l 设置在主城区内重大交通源附近重要路网节点处;

l 设置在主城区内常发性拥堵点附近重要路网节点处。

图10 方案点位示意图

图11. 夜间效果图