Brevet FR2721717A1 — publié le 19951229

SYSTEME DE SECURITE POUR ROUTES. La présente invention concerne un système de sécurité destiné aux routes à grandes vitesses telles que les autoroutes ou voies de dégagement des villes. Le système selon l'invention a pour objet de prévenir les accidents dus aux ralentissements localisés dans le flux des véhicules en transit, et il utilise à cette fin la détection des perturbations de vitesse des véhicules dans des intervalles d'espace et de temps définis. II est connu que les autoroutes, ou toutes autres routes à sens unique aménagées pour supporter un débit important et de grandes vitesses des véhicules, présentent des risques sur la sécurité pour des raisons indépendantes de la conception ou de la qualité de l'autoroute : brouillard, pluie, ondulations du sol suffisamment importantes pour dissimuler un véhicule arrêté ou accidenté, saturation du trafic à certaines dates de l'année ..etc. II est connu également que les accidents les plus graves proviennent de ce que les usagers, dans les conditions énoncées cidessus ne savent pas qu'il existe devant eux, sur la route, une perturbation dans le trafic qui ralentit le flux de véhicules.C'est l'ignorance des perturbations de trafic qui, additionnée à la vitesse élevée caractéristique des autoroutes, est à l'origine des plus graves accidents collectifs de la circulation. Pour rétablir la sécurité collective, il est donc important de savoir déterminer les évolutions du trafic collectif. L'évolution de la vitesse d'un véhicule considéré isolément n'est pas intéressante en dehors du cas où ce véhicule peut, suite à un accident ou simplement une crevaison, causer à son tour une évolution de la vitesse du trafic collectif. Ceci n'est pas nouveau, et la surveillance du trafic se fait pas divers moyens qui utilisent soit des hommes, soit des automates. Parmi les moyens humains, il y a la surveillance et la signalisation par des véhicules ambulants, motos ou voitures de police, ou par avions ou hélicoptères, L'ensemble étant sous couverture radio pour la transmission des informations. En fait, cette action ne peut avoir qu'une efficacité limitée par le faible nombre d'observateurs. Les moyens instrumentaux connus peuvent, par exemple, mettre en oeuvre des cameras optiques -ou bien des radars- aux points stratégiques mais ces instruments sont isolés, non corrélés entre eux. II s'agit davantage d'un système d'information des usagers, système qui constate un état de trafic et l'annonce par panneaux lumineux, que d'un système de sécurité, qui doit donc détecter les événements de façon quasiinstantanée, au cours de leur évolution, et agir en vue de réguler la circulation. A cette fin, I'invention repose sur une détection continue des variations soudaines du trafic autoroutier pour commander un signal d'alerte en amont -par rapport au sens de la circulation-. Le système consiste à disposer un réseau de balises le long de l'autoroute -par exemple à chaque bome kilométrique-. Chaque balise détecte le flux du trafic et effectue une corrélation spatio-temporelle avec le flux détecté par la balise précédente. En présence d'une perturbation soudaine du trafic collectif, les flux mesurés sont décorrélés et une alerte lumineuse est transmise sur ces mêmes balises à l'attention des automobilistes. La mesure du flux du trafic s'appuie sur les techniques de traitement du signal radar en présence de multiples cibles mobiles. De façon plus précise, I'invention consiste en un système de sécurité pour routes, comportant, disposé sur une bande latérale d'une route, un réseau d'au moins trois balises de type radar doppler, ce système étant caractérisé en ce qu'il détecte les variations de vitesse moyenne d'un flux de véhicules par corrélation spatio-temporelle entre les spectres d'énergie Doppler reçue par les balises du réseau, la dite corrélation se faisant dans l'espace, dans le sens opposé au sens de la circulation, et dans le temps, en intégrant la vitesse moyenne du flux pendant un intervalle du temps, le résultat de la comparaison entre deux spectres d'énergies provenant des balises d'ordres "n" et "n-1" commandant des moyens d'alarme en cas de décélération de l'ensemble du flux de véhicules. L'invention sera mieux comprise par la description d'un exemple de réalisation, et ses avantages ressortiront, cette description s'appuyant sur les figures jointes en annexes, qui représentent: - figure 1: Schéma d'ensemble d'un système de sécurité selon l'invention, - figures 2a à 2 d : quatre diagrammes d'énergie Doppler en fonction de la vitesse, dans quatre cas de circulation, - figure 3: Schéma d'un système de sécurité à double voie, selon l'invention. - figure 4: Schéma en diagramme de blocs d'une balise émettrice selon l'invention. La figure I représente un plan d'ensemble d'une fraction de route équipée d'un système de sécurité selon l'invention. Cette route, ou voie d'autoroute, comprend par exemple des pistes 1 sur lesquelles circulent des véhicules 2, dans le sens de droite à gauche sur la figure, bien que le sens n'est pas limitatif de la portée et du fonctionnement de l'invention. Sur une bande latérale 3 de la route sont installées des balises radars 4,5,6,7. Si on affecte à la balise 4 L'ordre "n" dans le réseau de balises, la balise 5 est celle qui lui succède dans le sens de la circulation ordre "n+i"- et les balises 6 et 7 sont celles qui la précèdent - ordres "n-l" et "n-2". Les balises sont disposées à distance régulière le long de l'autoroute, elles sont alimentées et raccordées entre elles par cable, ou par liaison radio si l'alimentation locale en énergie est possible. Chaque balise est constituée, premièrement, d'un radar hyperfréquence par exemple (CW, Bande X, cornet d'ouverture environ 20 (AZ), 60 (ELEV) qui détecte le signal Doppler des véhicules traversant le faisceau, et, deuxièmement, d'un moyen de signalisation tel qu'un feu lumineux On reviendra ultérieurement sur la constitution plus détaillée d'une balise. L'axe de rayonnement du cornet est orienté vers l'avant des véhicules à 30 environ de l'axe de l'autoroute. Les balises sont, tout au long de la route - à sens unique- ou de l'autoroute, groupées par secteurs dont la longueur est, par exemple, de l'ordre d'une dizaine de kilomètres ou d'une dizaine de balises : de façon plus précise, la longueur d'un secteur et le nombre de balises corrélées entre elles dans ce secteur dépend de divers facteurs tels les infrastructures, la présence d'embranchements ou d'échangeurs, la visibilité sur la route en fcnction des virages ou ondulations du sol. Chacune des balises a une double fonction, dans le temps et dans l'espace. Dans le temps, chaque balise mesure les vitesses des véhicules sur un flux de véhicules qui passent dans l'ouverture du faisceau radar : les signaux détectés sont répartis après traitement spécifique en plusieurs classes de vitesses puis intégrés dans chaque classe avec une constante de temps donnée Tr, approximativement égale au temps moyen de passage des véhicules entre deux balises en régime de circulation fluide. A chaque période Tr, la balise "n" émet vers la suivante "n+l" un signal codé indiquant l'énergie Doppler recueillie dans chaque tranche de vitesse Dans l'espace, les signaux émis à l'instant H par la balise "n" sont corrélés avec ceux émis par la balise "n-l" à l'instant H-Tr. Cette double corrélation dans le temps et dans l'espace des signaux émis par les balises d'un même secteur permet de détecter la décélération ou l'accélération d'un flux moyen de véhicules, en remontant vers l'amont de la circulation. Le système décèle le déplacement dans le temps et dans l'espace d'une perturbation du trafic formation d'un "bouchon" dû, par exemple, à un accident (détection d'une décélération) ou dilution de ce "bouchon" (détection d'une accélération). Du résultat de la corrélation entre balises, il y a ou non émission d'un signal d'alarme vers les balises n-1, n-2, et d'ordres inférieurs. Chaque balise qui reçoit une alarme allume un feu de danger pendant une durée déterminée. La détection par les balises de l'accélération du flux de véhicules permet d'éteindre les feux de danger, à tout moment. En cas de panne d'une balise (détection par auto-test) ou rupture de la chatne du fait des infrastructures (entrées, sorties, aire de repos..) la première balise qui ne reçoit pas de commande de la précédente effectue une corrélation temporelle sur ellemême. Dans l'hypothèse d'une balise par kilomètre, les balises connectées entre elles sont environ au nombre d'une douzaine. Ainsi toute perturbation soudaine du trafic survenant à l'instant H entre les balises "n" et "n+i" est aussitôt détectée entre H et H + Tr à la fois par "n+l" qui voit une réduction du flux et "n" qui détecte un ralentissement. La transmission de l'alerte aux balises n-l, n-2... permet d'anticiper automatiquement l'alerte au fur et à mesure de la propagation vers l'amont du ralentissement. Le système selon l'invention permet un suivi automatique de la propagation de la zone de décélération- car le plus dangereux- dont il s'ensuit une propagation automatique de l'allumage des feux de danger sur les zones à risques de suraccident. En outre, I'algorithme de traitement, dans ce système, est basé sur la variation du flux global z nj Vi (ni = nombre de véhicules) et non sur un comptage absolu des véhicules ou sur une image vidéo, d'où une simplification substantielle de l'algorithme. Dans cet algorithme, les vitesses sont réparties selon une échelle logarithmique, soit en quatre quanta seulement si on tient compte des réalités sur les routes et autoroutes : il suffit d'un bus à 2 fils pour la transmission des signaux par cibles. Les figures 2 illustrent les informations foumies par les balises et l'intégration en 4 classes de vitesses. La figure 2a donne l'intégration de l'énergie Doppler, en ordonnée, trouvée par la balise d'ordre n-1, dans l'intervalle de temps Tr. Les vitesses sont réparties en quatre décades limitées à 30, à 60, à 120 et à 240 Km/h. La bande 0,15 km/h n'est pas prise en compte (non significative). Le trafic y est normal : la majeure partie des véhicules roulent entre 60 et 120 km/h, et presque autant roulent au dessus de 120 km/h, ce qui est normal pour une autoroute. La figure 2b montre le spectre trouvé par la balise suivante d'ordre "n", dans l'intervalle de temps suivant Tr. Le trafic est fluide, sans variation significative: la balise d'ordre "n" ne commande pas d'alarme. Par contre, pour la même balise "n" au même intervalle de temps, si le diagramme est par exemple celui montré par la figure 2c, il doit y avoir commande des feux d'alarme. La comparaison avec le diagramme 2a qui sert de référence montre qu'il y a forte diminution du nombre de véhicules qui roulent entre 60 et 240 km/h, et forte augmentation du nombre de ceux qui roulent entre 15 et 60 km/h : il y a un fort ralentissement au passage de la balise "n". Enfin, la figure 2d, toujours pour la balise "n" au même intervalle de temps, montre qu'il y a très peu de trafic devant cette balise, ou que de nombreux véhicules sont arrêtés : la balise commande une alarme de sécurité. La figure 3 généralise le système selon l'invention à une autoroute à deux voies, I et 8, parcourues respectivement par des véhicules 2 et 9 se déplaçant dans des directions opposées. Les balises radars 4 sont installées sur la bande de sécurité 3 qui sépare les deux voies côte à côte 1 et 8, et, pour des raisons d'économie d'installation, ces balises 4 sont à double face, et surveillent les deux voies. Plusieurs solutions sont possibles mais, plutôt que d'installer deux balises dos à dos dans un même coffret - ce qui a au moins l'avantage de simplifier le génie civil d'installation - il est préférable de n'avoir qu'une seule balise mais munie de deux comets d'antennes avec un circulateur qui permet de surveiller les deux voies en altemance, à une fréquence basse de commmutation. La structure d'une balise radar va maintenant être mieux détaillée. Chaque balise est constituée d'un radar Doppler, du traitement d'information associé et de moyens d'alarme tels qu'une rampe de flash en balayage. Si l'infrastructure autoroutière permet une alimentation locale en énergie de chaque balise (100 W max pour la rampe lumineuse) les signaux entre une balise et la suivante sont émis par télécommande radio. Dans le cas contraire les balises sont reliées par câble. Le radar est du type hyperfréquence par exemple bande X, puissance Sur la figure 4, I'oscillateur local 10 émet une onde centimétrique ou millimétrique, par exemple 10 GHz à + 20 dBm; cette onde est transmise à une antenne 11, au moyen d'un circulateur 12. Les signaux d'écho radar reçus par l'antenne 11, sont transmis par le circulateur 12 à un récepteur homodyne 13, dont seuls les signaux Doppler de sortie sont transmis à un filtre de bande 14. Ce filtre de bande 14 - qui reçoit en outre le signal d'auto-test - a une bande passante audio de l'ordre de 100 à 2000 Hz et il est relié, en sortie, à une pluralité de filtres repérés 15 à 18, dont la fonction est de trier les niveaux d'énergie Doppler, tel que cela est représenté en figures 2. En fait, il est très avantageux que ce tri se fasse selon une progression logarithmique, et il a été trouvé que quatre filtres suffisent pour bien représenter la situation sur une route si ces quatre filtres sont répartis par octaves:: - le filtre 15 comprend la bande 120-240 Hz (soit 15-30 kmAh) - le filtre 16 comprend la bande 240-480 Hz (soit 3060 km/h) - le filtre 17 comprend la bande 480-960 Hz (soit 60-120 km/h) - le filtre 18 comprend la bande 960-1920 Hz (soit 120-240 km/h) Bien entendu, un autre choix de répartition peut être fait sans sortir du domaine de l'invention, mais la répartition logarithmique, ou par octaves, permet de connaître la situation aux vitesses élevées et de bien détailler les situations de ralentissements aux basses vitesses. Les filtres 15 à 18 sont avantageusement des circuits intégrés de filtres à commutation de capacités, développés pour le décodage des fréquences vocales. Les filtres 15 à 18 sont, chacun, réuni à un intégrateur, 19 à 22, qui intègre pendant un intervalle de temps Tr. Chaque intégrateur comporte une entrée de remise à zéro. Tous les traitements de signaux jusqu'à présent sont de type analogique. Les valeurs analogiques issues des intégrateurs 19 à 22 sont transformées en valeurs numériques au niveau du codeur analogiquenumérique 23 ou de quatre codeurs, un pour chaque intégrateur: ce n'est qu'une affaire de réalisation. Si on considère que la balise décrite est d'ordre "n", les valeurs issues du codeur CAN 23 sont mémorisées et transférées, pour corrélation à la balise d'ordre "n+1", et simultanément, à un étage de comparateur 24 qui, lui, reçoit les valeurs numériques issues de la balise d'ordre "n-i" : la comparaison entre les diagrammes d'ordres "n" et "n-1" des vitesses permet d'en déduire l'apparition d'une décélération ou d'une accélération dans le flux de véhicules. Le circuit 25 est un interface de traitement des signaux du comparateur 24, qui prend la décision, en fonction des règles prévues dans l'algorithme, d'agir sur les moyens d'alarme, par exemple des feux clignotants posés sur chaque balise. Selon le niveau de l'alarme fournie par le circuit de traitement 25, le dispositif est capable de détecter deux niveaux de gravité d'alarme, qui sont transmis par des signaux optiques différents. Le système selon l'invention jouit de nombreux avantages. Les moyens de mesure et ceux d'alarme sont intégrés dans une même balise, qui peut être autonome en énergie, et reliée par radio aux autres balises. Il présente une grande souplesse d'utilisation car il est modulaire et adaptable selon l'infrastructure. Ce système se prête à des extensions telles que la régulation du trafic et la régulation aux entrées et échangeurs. Enfin l'utilisation de circuits intégrés bien connus, fabriqués en grandes séries et économiques rendent le système fiable et peu coûteux. Le système selon l'invention est précisé par les revendications suivantes. REVENDICATIONS 1 - Système de sécurité pour routes, comportant, disposé sur une bande latérale (3) d'une route (1), un réseau d'au moins trois balises (4,5,6) de type radar Doppler, ce système étant caractérisé en ce qu'il détecte les variations de vitesse moyenne d'un flux de véhicules (2) par corrélation spatio-temporelle entre les spectres d'énergie Doppler reçue par les balises (4,5,6) du réseau, la dite corrélation se faisant dans l'espace, dans le sens opposé au sens de la circulation, et dans le temps, en intégrant la vitesse moyenne du flux pendant un intervalle de temps, le résultat de la comparaison entre deux spectres d'énergies d'ordres "n" et "n-1" commandant des moyens d'alarme (25) en cas de décélération de l'ensemble du flux de véhicules (2). 2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque balise (4) du réseau (4,5,6) comporte ses moyens d'alarme, qui sont des feux lumineux, clignotants ou fixes, fixés sur la balise. 3 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est fragmenté en secteurs homogènes le long d'une route, regroupant chacun une pluralité de balises corrélées entre elles. 4 - Système selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une balise (n) d'un secteur du réseau, qui ne reçoit pas de signaux de la balise (n-1) du secteur, se corrèle sur ellemême (n) précédente. 5 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les balises (4,5,6) sont reliées entre elles par moyens filaires ou par couplage radioélectrique. 6 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que, par corrélation entre les balises (4,5,6), la propagation des alarmes accompagne et précède la propagation de la zone de décélération du flux de véhicules (2). 7 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque balise, d'ordre "n, analyse les niveaux d'énergie Doppler reçue, les filtre et les classe par octaves, selon une échelle logarithmique. 8 - Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que quatre octaves sont nécessaires et suffisantes pour analyser un trafic routier. 9 - Système selon la revendication 1, caractérisé ce que chaque balise, d'ordre "n", comporte: - un oscillateur local (10), fonctionnant dans les domaines centimétriques ou millimétriques, relié à une antenne (11) au moyen d'un circulateur (12), - un étage de réception homodyne (13), qui reçoit du circulateur (12) le signal Doppler, et transmet à un filtre de bande (14) un signal à fréquence vidéo, -un étage filtre de bande large (14), qui foumit sur sa sortie un signal dans la bande audio entre 100 et 2000 Hz, - un étage comportant une pluralité de filtres (15 à 18), dont chacun ne laisse passer qu'une des bandes étroites de fréquences issues du filtre (14) de l'étage précédent, - un étage comportant une même pluralité d'intégrateurs (19 à 22), qui intègrent pendant un intervalle de temps donné les signaux issus des filtres (15 à 18), chaque intégrateur comportant en outre une entrée de remise à zéro (RAZ) - un convertisseur analogiquenumérique (23), associé à une mémoire, dont les sorties, en nombre égal à celui des intégrateurs (19 à 22), sont adressées en parallèle à un étage comparateur (24) et à la balise d'ordre supérieur "n+1" - un comparateur (24) qui compare les signaux numérisés, d'ordre "n", fournis par le convertisseur analogique-numérique (23) avec les signaux comparables d'ordre "n-l" fournis par le convertisseur de la balise d'ordre inférieur "n-1", - un circuit de traitement et d'alarme (25) qui, en fonction des répartitions de vitesses du flux de véhicules déduites par l'étage comparateur (24), commande, à partir de seuils prédéterminés, des moyens d'alarme. 10 - Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que, pour une balise (n) d'un secteur, qui se corrèle sur ellemême, le signal d'auto-corrélation provient de l'information délivrée par cette même balise pendant l'intervale de temps précédent. Il - Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que les filtres (15 à 18) de bandes étroites sont des filtres à commutation de capacité de type décodeurs pour synthèse vocale. 12 - Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que les filtres (15 à 18) de bandes étroites sont au nombre de quatre, répartis en quatre octaves: - 120-240 Hz, soit 15-30 kmlh - 240-480 Hz, soit 30-60 km/h - 480-960 Hz, soit 60-120 km/h - 960-1920 Hz, soit 120-240 km/h 13 - Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que le circuit de traitement (25) commande au moins un feu lumineux fixe ou clignotant.