一种基于智能升降式系统的抗台风交通标志控制方法与流程

1.本发明属于智慧交通领域，具体及一种基于智能升降式系统的抗台风交通标志控制方法。


背景技术：

2.近年来，随着求全球气候变暖，恶劣气候增加，我国东南沿海地区受台风天气影响较大。交通标志设计是按照静态风压进行设计，而台风的风压远高于设计值，因此造成交通标志的破损，交通标志无法视认等情况，影响驾驶行为，同时标志牌刮倒后侵占行车空间，对高速公路行车安全产生显著影响。
3.目前为解决此类问题所采取的措施主要是提升交通标志材料强度以改善抗风性能和安排养护巡逻车进行全线检修。提升交通标志抗风性能成本较高，而台风持续时间占全年时间较短，总体效益低下；全线养护检修方式效率低下，且台风天气出行存在较大安全隐患。因此，东南沿海地区亟需一种新的解决措施，来降低交通标志受台风的严重影响，提升交通安全水平。


技术实现要素：

4.为了解决上述的技术问题，本发明提出了一种基于智能升降式系统的抗台风交通标志控制方法。
5.本发明所述的智能升降式系统包括：无线传输模块、控制器、气象传感器、传动模块、交通标志牌；
6.所述无线传输模块与所述控制器通过有线方式连接；所述气象传感器与所述控制器通过有线方式连接；所述传动模块与所述控制器通过有线方式连接；
7.所述的无线传输模块、控制器均安装在所述交通标志所在地面；
8.所述气象传感器安装在所述交通标志牌的顶部；
9.所述传动模块安装在所述交通标志牌的背部；
10.所述传动模块包括：移动轴套结构、轴承座结构、固定轴套结构；
11.所述的移动轴套结构与所述的轴承座结构采用过盈配合；所述的轴承座结构与所述的固定轴套结构采用过盈配合；
12.所述移动轴套结构与立柱采用间隙配合；所述轴承座结构与立柱采用间隙配合；所述固定轴套结构与立柱采用间隙配合；
13.所述轴承座结构与交通标志牌采用螺栓链接；
14.所述移动轴套结构内设置竖向轮；所述移动轴套结构内设置竖向步进电机；
15.所述竖向轮与所述步进电机采用键连接；
16.所述轴承座结构内设置横向轮；所述轴承座结构内设置横向步进电机；
17.所述横向轮与所述横向步进电机采用键连接；
18.所述轴套结构内设置竖向轮；
19.本发明方法的技术方案是抗台风交通标志控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
20.步骤1：在交通标志所在地面布设无线传输模块、控制器，在交通标志牌顶部安装气象传感器，在交通标志牌背部安装传动模块；控制器通过气象传感器采集一定时间间隔内平均风速数据v、一定时间间隔内平均风向数据θ；控制器通过无线传输模块接受高速公路管理中心的信号，根据该信号进行交通标志牌的优化控制；
21.步骤2：若设计风速小于平均风速数据，则进一步根据最大正应力不等式约束、最大剪应力不等式约束、危险点应力不等式约束、总变形挠度不等式约束、标志牌旋转角度视认性约束、路侧护栏高度约束，以及极限状态下的可行性约束，以标志牌高度最大化为优化目标，通过单纯形算法对标志牌角度、标志牌高度进行优化，得到优化后标志牌角度、优化后标志牌高度；
22.步骤3：以优化后标志牌角度、优化后标志牌高度为目标，控制电机进行转动，带动标志牌进行升降、旋转至计算的高度、角度值。
23.作为优选，步骤1所述高速公路管理中心的信号如下：
[0024][0025]
式中：state为高速公路管理中心的信号；
[0026]
若state＝0，表示高速公路关闭，标志牌失去功能性，可降低至地面，跳转至步骤3；
[0027]
若state＝1表示高速公路开放，需结合实时风速、风向对标志牌进行调整，进行步骤2。
[0028]
θ
n
为交通标志牌与道路垂线方向夹角的角度值；
[0029]
h
n
为交通标志牌下边缘至地面的高度值；
[0030]
h
x
为交通标志牌下边缘至地面的实时高度值；
[0031]
步骤1所述平均风速数据v：过去一定时间间隔内采集的风速数据的平均值；
[0032]
步骤1所述风向数据θ：过去一定时间间隔内采集的风向与道路垂线方向夹角的平均值
[0033]
步骤1所述的平均风速数据v、风向数据θ通过有线方式从气象传感器传输至控制器；后文所述其他数据均为提前输入的默认参数；
[0034]
步骤1所述设计风速v0：标志牌制作时设计的最大抵抗风速；
[0035]
作为优选，步骤2所述最大正应力不等式约束为：
[0036][0037]
式中：γ0为结构重要性系数；γq为可变荷载分项系数；c为风力系数；a1为标志牌面积(m2)；h1为标志牌的长或直径(m)；a2为立柱受风荷载截面面积(m2)；h2为立柱受风荷载集中点到立柱底的距离；w为抗弯截面模量(m3)；
[0038]
步骤2所述最大剪应力不等式约束为：
[0039]
γ0·
γ
q
·
ρ
·
c
·
v2[sin(θ
‑
θ
n
)2·
a1 a2]
÷
π
÷
(d
·
t
‑
t2)＜125
[0040]
式中：ρ为空气密度(n
×
s2×
m
‑4)；d为立柱横截面直径(m)；t为立柱壁厚(m)；
[0041]
步骤2所述危险点应力不等式约束为：
[0042][0043]
式中：y为危险点y坐标值(m)；s
x
为静矩(n/m)；i为截面惯性矩(m4)；
[0044]
步骤2所述总变形挠度不等式约束为：
[0045][0046]
式中：l为立柱高度(m)；e为弹性模量(mpa)。
[0047]
步骤2所述标志牌旋转角度视认性约束为：
[0048]0°
≤θ
n
≤θ
t
[0049]
式中，θ
t
为标志的最大旋转角度；
[0050]
若标志类型为禁令、指示类交通标志，则θ
t
取45
°
；
[0051]
若标志类型为警告、指路类交通标志，则θ
t
取10
°
；
[0052]
步骤2所述路侧护栏高度约束为：
[0053]
l
‑
h
n
≥h0[0054]
式中，h0为路侧护栏高度阈值；
[0055]
步骤2所述的极限状态下的可行性约束为风速过大无法满足前述约束时，需将标志牌降低至路面，即：
[0056]
h
n
＝h
x
，θ
n
＝0
[0057]
步骤2所述以标志牌高度最大化为优化目标，则有目标函数：
[0058]
max h
n
[0059]
通过单纯形算法对标志牌角度、标志牌高度进行优化，输出结果h
n
、θ
n
；
[0060]
作为优选，步骤3所述升降过程为：
[0061]
以h
n
为目标，通过控制器控制步进电机进行转动，进而通过键连接带动竖向轮的转动，从而使传动模块以及连接的标志牌沿着立柱垂直方向移动至h
n
高度位置；
[0062]
步骤3所述旋转过程为：
[0063]
以θ
n
为目标，通过控制器控制步进电机进行转动，进而通过键连接带动横向轮的转动，从而使轴承座结构以及连接标志牌沿着立柱旋转角度至θ
n
角度。
[0064]
竖向轮起辅助支撑作用，本身不具备动力。
[0065]
与现有技术相比，本发明通过无线模块接收高速公路管理中心的信号，通过气象传感器对风速、风向进行实时监测，最终触发传动模块带动交通标志牌的旋转、升降，以确保在台风天气下，交通标志的功能性、视认性、稳定性的统一，提升道路交通安全水平；运用交通标志视认性理论，确定合适的交通标志牌旋转角度、升降高度值。本发明从高速公路台风天气的气象状态出发，能够有效的调整交通标志的视认性、稳定性，进而提升道路交通安
全水平。与提升交通标志材料强度和安排养护巡逻车检修相比，本发明对人力依赖性小、可装配化、可动态变化，对提升高速公路在台风天气下的道路交通安全水平有一定提升。
附图说明
[0066]
图1：高速公路智能升降式抗台风单柱式交通标志控制工作原理。
[0067]
图2：本发明的方法流程。
[0068]
图3：设备布设示意。
[0069]
图4：传动模块结构示意。
[0070]
附图中标记：100气象传感器；200传动模块；210移动轴套结构；211竖向轮；212步进电机；220轴承座结构；221横向轮；222步进电机；230固定轴套结构；231竖向轮；300无线传输模块；400控制器。
具体实施方式
[0071]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0072]
本发明如图1、图2、图3所示，通过安装的无线传输模块，控制器分别通过无线、有线的方式接受高速公路管理中心、气象传感器的信息、数据，结合标志视认性理论和实时风向、风速状态确定标志牌角度值、高度值，触发传动模块进行旋转升降动作。
[0073]
下面结合图3、图4描述本发明的具体实施方式为一种基于智能升降式系统的抗台风交通标志控制方法，具体如下：
[0074]
如图3所示，本发明所述的智能升降式系统包括：气象传感器100、传动模块200、无线传输模块300、控制器400；
[0075]
所述无线传输模块300与所述控制器400通过有线方式连接；所述气象传感器100与所述控制器400通过有线方式连接；所述传动模块200与所述控制器400通过有线方式连接；
[0076]
所述的无线传输模块300、控制器400均安装在所述交通标志所在地面；
[0077]
所述气象传感器100安装在所述交通标志牌的顶部；
[0078]
所述传动模块200安装在所述交通标志牌的背部；
[0079]
所述传动模块200包括：移动轴套结构210、轴承座结构220、固定轴套结构230；
[0080]
所述的移动轴套结构210与所述的轴承座结构220采用过盈配合；所述的轴承座结构220与所述的固定轴套结构230采用过盈配合；
[0081]
所述移动轴套结构210与立柱采用间隙配合；所述轴承座结构220与立柱采用间隙配合；所述固定轴套结构230与立柱采用间隙配合；
[0082]
所述轴承座结构220与交通标志牌采用螺栓链接；
[0083]
所述移动轴套结构210内设置竖向轮211；所述移动轴套结构210内设置竖向步进电机212；
[0084]
所述竖向轮211与所述步进电机212采用键连接；
[0085]
所述轴承座结构220内设置横向轮221；所述轴承座结构220内设置横向步进电机222；
[0086]
所述横向轮221与所述横向步进电机222采用键连接；
[0087]
所述轴套结构230内设置竖向轮231；
[0088]
所述气象传感器100采用frt fws500z气象传感器；
[0089]
所述控制器400采用stm32单片机；
[0090]
所述无线传输模块300采用bc95的nb
‑
iot设备；
[0091]
所述的步进电机211、步进电机212采用57byg250d型号电机；
[0092]
本发明方法的技术方案是抗台风交通标志控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0093]
步骤1：在交通标志所在地面布设无线传输模块300、控制器400，在交通标志牌顶部安装气象传感器100，在交通标志牌背部安装传动模块200；控制器400通过气象传感器100采集一定时间间隔内平均风速数据v、一定时间间隔内平均风向数据θ；控制器400通过无线传输模块300接受高速公路管理中心的信号，根据该信号进行交通标志牌的优化控制；
[0094]
作为优选，步骤1所述高速公路管理中心的信号如下：
[0095][0096]
式中：state为高速公路管理中心的信号；
[0097]
若state＝0，表示高速公路关闭，标志牌失去功能性，可降低至地面，跳转至步骤3；
[0098]
若state＝1表示高速公路开放，需结合实时风速、风向对标志牌进行调整，进行步骤2。
[0099]
θ
n
为交通标志牌与道路垂线方向夹角的角度值；
[0100]
h
n
为交通标志牌下边缘至地面的高度值；
[0101]
h
x
为交通标志牌下边缘至地面的实时高度值；
[0102]
步骤1所述平均风速数据v：过去一定时间间隔内采集的风速数据的平均值；
[0103]
步骤1所述风向数据θ：过去一定时间间隔内采集的风向与道路垂线方向夹角的平均值
[0104]
步骤1所述的平均风速数据v、风向数据θ通过有线方式从气象传感器100传输至控制器400；后文所述其他数据均为提前输入的默认参数；
[0105]
步骤1所述设计风速v0：标志牌制作时设计的最大抵抗风速，按v0＝35m/s设计；
[0106]
步骤2：若设计风速小于平均风速数据，则进一步根据最大正应力不等式约束、最大剪应力不等式约束、危险点应力不等式约束、总变形挠度不等式约束、标志牌旋转角度视认性约束、路侧护栏高度约束，以及极限状态下的可行性约束，以标志牌高度最大化为优化目标，通过单纯形算法对标志牌角度、标志牌高度进行优化，得到优化后标志牌角度、优化后标志牌高度；
[0107]
作为优选，步骤2所述最大正应力不等式约束为：
[0108][0109]
式中：γ0为结构重要性系数，一般取0.9；γ
q
为可变荷载分项系数，一般取1.4；c为
风力系数，一般取1.2；a1为标志牌面积(m2)，按标志牌版面为圆形，a1为0.36πm2；h1为标志牌的长或直径(m)，取1.2m；a2为立柱受风荷载截面面积(m2)，按a2为0.434m2；h2为立柱受风荷载集中点到立柱底的距离，取3.1m；w为抗弯截面模量(m3)，取6.287
×
10
‑5m3；
[0110]
步骤2所述最大剪应力不等式约束为：
[0111]
γ0·
γ
q
·
ρ
·
c
·
v2[sin(θ
‑
θ
n
)2·
a1 a2]
÷
π
÷
(d
·
t
‑
t2)＜125
[0112]
式中：ρ为空气密度(n
×
s2×
m
‑4)，一般取1.23；d为立柱横截面直径(m)，取1.916
×
10
‑3m2；t为立柱壁厚(m)，取0.0045m；
[0113]
步骤2所述危险点应力不等式约束为：
[0114][0115][0116]
式中：y为危险点y坐标值(m)，取0.04791m；s
x
为静矩(n/m)，取2.9210979
×
10
‑5n/m；i为截面惯性矩(m4)，取4.4012
×
10
‑6m4；
[0117]
步骤2所述总变形挠度不等式约束为：
[0118][0119]
式中：l为立柱高度(m)，取3.1m；e为弹性模量(mpa)，取206
×
109mpa。
[0120]
步骤2所述标志牌旋转角度视认性约束为：
[0121]0°
≤θ
n
≤θ
t
[0122]
式中，θ
t
为标志的最大旋转角度；
[0123]
若标志类型为禁令、指示类交通标志，则θ
t
取45
°
；
[0124]
若标志类型为警告、指路类交通标志，则θ
t
取10
°
；
[0125]
步骤2所述路侧护栏高度约束为：
[0126]
l
‑
h
n
≥h0[0127]
式中，h0为路侧护栏高度阈值；
[0128]
步骤2所述的极限状态下的可行性约束为风速过大无法满足前述约束时，需将标志牌降低至路面，即：
[0129]
h
n
＝h
x
，θ
n
＝0
[0130]
步骤2所述以标志牌高度最大化为优化目标，则有目标函数：
[0131]
max h
n
[0132]
通过单纯形算法对标志牌角度、标志牌高度进行优化，输出结果h
n
、θ
n
；
[0133]
步骤3：以优化后标志牌角度、优化后标志牌高度为目标，控制电机进行转动，带动标志牌进行升降、旋转至计算的高度、角度值。
[0134]
步骤3所述升降过程为：
[0135]
以h
n
为目标，通过控制器400控制步进电机212进行转动，进而通过键连接带动竖向轮211的转动，从而使传动模块200以及连接的标志牌沿着立柱垂直方向移动至h
n
高度位置，如图4所示；
[0136]
步骤3所述旋转过程为：
[0137]
以θ
n
为目标，通过控制器400控制步进电机222进行转动，进而通过键连接带动横向轮221的转动，从而使轴承座结构220以及连接标志牌沿着立柱旋转角度至θ
n
角度，如图4所示。
[0138]
竖向轮231起辅助支撑作用，本身不具备动力。
[0139]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护。