本發(fā)明屬于交通熱環(huán)境預(yù)測(cè)及圖顯，具體涉及一種交通熱環(huán)境三維圖像快速預(yù)測(cè)、圖顯裝置和方法。

背景技術(shù)：

1、隨著城市化快速發(fā)展，城市熱島效應(yīng)和高溫?zé)崂藰O端天氣日益加劇，人員在長(zhǎng)期熱暴露下易造成能量失衡、體溫升高等癥狀，甚至進(jìn)一步會(huì)威脅生命健康和認(rèn)知能力。交通熱環(huán)境惡化是加劇城市熱島效應(yīng)的主要因素，其中車輛熱量排放約占城市總熱量排放的三分之一。為此，快速獲取交通熱環(huán)境演化規(guī)律進(jìn)而改善熱環(huán)境惡化問題是緩解城市熱島效應(yīng)、降低高溫暴露風(fēng)險(xiǎn)的重要任務(wù)。

2、獲取交通熱環(huán)境的常規(guī)方法為通過對(duì)溫度、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)感知，從而確定城市交通熱環(huán)境現(xiàn)狀，進(jìn)而為交通管理部門提供決策依據(jù)。然而，為獲取高分辨率交通熱環(huán)境分布規(guī)律，需要依賴大量的監(jiān)測(cè)設(shè)備，往往導(dǎo)致監(jiān)測(cè)成本過高且可行性差。

3、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)方法被廣泛用于快速獲取交通熱環(huán)境。然而，車輛交通具有顯著的“動(dòng)態(tài)”特性，這大大增加計(jì)算周期與迭代費(fèi)用，使得該方法實(shí)用性降低。為此，開發(fā)低成本且高分辨率的交通熱環(huán)境快速預(yù)測(cè)模型及其圖顯裝置，對(duì)其時(shí)空演化規(guī)律動(dòng)態(tài)捕捉、熱環(huán)境問題高效解決具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種交通熱環(huán)境三維圖像快速預(yù)測(cè)、圖顯裝置和方法，以實(shí)現(xiàn)針對(duì)動(dòng)態(tài)交通熱環(huán)境的快速預(yù)測(cè)和三維高分辨率圖像顯示。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種交通熱環(huán)境三維圖像快速預(yù)測(cè)、圖顯裝置，至少包括360°旋轉(zhuǎn)攝像頭、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、圖像采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示器；

4、所述360°旋轉(zhuǎn)攝像頭，負(fù)責(zé)拍攝研究道路的實(shí)時(shí)車輛情況畫面；

5、所述圖像采集模塊，負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)實(shí)時(shí)車輛情況畫面中出現(xiàn)的實(shí)時(shí)車輛數(shù)量；

6、所述溫度傳感器，負(fù)責(zé)采集研究道路周邊的實(shí)時(shí)空氣溫度；

7、所述風(fēng)速傳感器，負(fù)責(zé)采集研究道路周邊的實(shí)時(shí)風(fēng)速；

8、所述數(shù)據(jù)處理模塊，負(fù)責(zé)利用獲取的實(shí)時(shí)車輛數(shù)量、實(shí)時(shí)空氣溫度和實(shí)時(shí)風(fēng)速，通過相應(yīng)的處理方法生成研究道路的實(shí)時(shí)高分辨率交通熱環(huán)境動(dòng)態(tài)圖像，并在研究道路的平均溫度過高時(shí)生成“高溫預(yù)警”信號(hào)；

9、所述顯示器，負(fù)責(zé)顯示所生成的實(shí)時(shí)高分辨率交通熱環(huán)境動(dòng)態(tài)圖像，或同時(shí)顯示所生成的“高溫預(yù)警”信號(hào)。

10、進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)處理模塊中至少包含存儲(chǔ)器、運(yùn)算器和控制器；其中，

11、所述存儲(chǔ)器，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)包括實(shí)時(shí)車輛數(shù)量、實(shí)時(shí)空氣溫度和實(shí)時(shí)風(fēng)速在內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，以及運(yùn)算器和控制器所處理的數(shù)據(jù)信息；

12、所述運(yùn)算器，負(fù)責(zé)對(duì)輸入的包括實(shí)時(shí)車輛數(shù)量、實(shí)時(shí)空氣溫度和實(shí)時(shí)風(fēng)速在內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，生成研究道路的實(shí)時(shí)交通熱環(huán)境三維圖像，并在研究道路的平均溫度過高時(shí)生成“高溫預(yù)警”信號(hào)；

13、所述控制器，負(fù)責(zé)對(duì)導(dǎo)入的實(shí)時(shí)交通熱環(huán)境三維圖像實(shí)現(xiàn)圖像空間差值，生成研究道路的實(shí)時(shí)高分辨率交通熱環(huán)境動(dòng)態(tài)圖像。

14、進(jìn)一步的，所述顯示器通過支撐組件架設(shè)在地面上，所述360°旋轉(zhuǎn)攝像頭、所述溫度傳感器、所述風(fēng)速傳感器分別設(shè)置在所述顯示器的頂部，且所述360°旋轉(zhuǎn)攝像頭位于所述顯示器頂部的正中央，所述溫度傳感器和所述風(fēng)速傳感器均位于所述360°旋轉(zhuǎn)攝像頭的同一側(cè)或分列于所述360°旋轉(zhuǎn)攝像頭的左右兩側(cè)，所述圖像采集模塊和所述數(shù)據(jù)處理模塊均設(shè)置在所述顯示器的內(nèi)部。

15、進(jìn)一步的，所述支撐組件由固定支架和伸縮桿組成，所述固定支架放置在地面，所述伸縮桿的底端與所述固定支架的頂端固定連接，所述伸縮桿的頂端與所述顯示器的底座固定連接。

16、進(jìn)一步的，所述顯示器上分別設(shè)置有開關(guān)和電源接口，所述開關(guān)嵌設(shè)在所述顯示器正面的左側(cè)，所述電源接口嵌設(shè)在所述顯示器正面的右側(cè)。

17、一種交通熱環(huán)境三維圖像快速預(yù)測(cè)、圖顯方法，包括以下步驟：

18、s100、獲取研究道路的實(shí)時(shí)車輛數(shù)量，以及研究道路周邊的實(shí)時(shí)空氣溫度和實(shí)時(shí)風(fēng)速；獲取方法分別為：

19、利用360°旋轉(zhuǎn)攝像頭，以一定單位時(shí)間為間隔，拍攝研究道路的實(shí)時(shí)車輛情況畫面，并利用圖像采集模塊對(duì)每幅所述實(shí)時(shí)車輛情況畫面中出現(xiàn)的車輛進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而獲得研究道路的實(shí)時(shí)車輛數(shù)量；

20、利用所述溫度傳感器，以相同單位時(shí)間為間隔，對(duì)研究道路周邊的空氣溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，從而獲得研究道路周邊的實(shí)時(shí)空氣溫度；

21、利用風(fēng)速傳感器，以相同單位時(shí)間為間隔，對(duì)研究道路周邊的風(fēng)速進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，從而獲得研究道路周邊的實(shí)時(shí)風(fēng)速；

22、s200、將獲取到的所有實(shí)時(shí)車輛數(shù)量、實(shí)時(shí)空氣溫度和實(shí)時(shí)風(fēng)速輸入數(shù)據(jù)處理模塊，采用動(dòng)態(tài)交通熱源快速預(yù)測(cè)方法進(jìn)行處理和分析，從而生成實(shí)時(shí)高分辨率交通熱環(huán)境動(dòng)態(tài)圖像，并在平均溫度過高時(shí)生成“高溫預(yù)警”信號(hào)；

23、s300、將生成的研究道路的實(shí)時(shí)高分辨率交通熱環(huán)境動(dòng)態(tài)圖像，或同時(shí)輸出生成的“高溫預(yù)警”信號(hào)輸出給顯示器，由顯示器可視化地形式呈現(xiàn)研究道路的實(shí)時(shí)高分辨率交通熱環(huán)境動(dòng)態(tài)圖像，并在接收到“高溫預(yù)警”信號(hào)時(shí)顯示“高溫預(yù)警”字樣。

24、進(jìn)一步的，所述動(dòng)態(tài)交通熱源快速預(yù)測(cè)方法包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、數(shù)據(jù)處理分析和溫度預(yù)警三大內(nèi)容；其中，

25、所述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建包含的內(nèi)容有：定義數(shù)據(jù)庫場(chǎng)景、構(gòu)建基礎(chǔ)三維幾何模型、劃分基礎(chǔ)網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件和構(gòu)建交通熱環(huán)境三維圖像數(shù)據(jù)庫；

26、所述數(shù)據(jù)處理分析包含的內(nèi)容有：預(yù)處理輸入數(shù)據(jù)組、鎖定區(qū)間、預(yù)測(cè)交通熱環(huán)境動(dòng)態(tài)圖像；

27、所述溫度預(yù)警包含的內(nèi)容有：設(shè)定溫度閾值、數(shù)據(jù)比對(duì)和預(yù)警提示。

28、進(jìn)一步的，所述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的具體步驟為：

29、1）定義數(shù)據(jù)庫場(chǎng)景：

30、結(jié)合三維地圖和實(shí)際調(diào)研，對(duì)所需監(jiān)測(cè)的n條研究道路及其包括建筑布局、建筑密度、建筑高度、植被類型、植被高度、植被密度在內(nèi)的周邊影響要素特性進(jìn)行獲??；

31、定義夏季交通道路的溫度閾值范圍，并將其均等劃分為m個(gè)溫度閾值區(qū)間；

32、定義夏季交通道路的風(fēng)速閾值范圍，并將其均等劃分為m個(gè)風(fēng)速閾值區(qū)間；

33、定義監(jiān)測(cè)交通道路的車輛數(shù)量閾值范圍，并將其均等劃分為m個(gè)車輛數(shù)量閾值區(qū)間；

34、根據(jù)上述預(yù)定義，假設(shè)數(shù)據(jù)庫場(chǎng)景共有x=n×m3個(gè)場(chǎng)景；

35、其中，n和m均為自然數(shù)；

36、2）構(gòu)建基礎(chǔ)三維幾何模型：

37、首先基于三維地圖，以研究道路的道路中心為圓心，以數(shù)倍研究道路的道路長(zhǎng)度為直徑，劃出幾何模型的范圍作為目標(biāo)范圍；

38、然后根據(jù)目標(biāo)范圍內(nèi)建筑布局、建筑密度、建筑高度、植被類型、植被高度、植被密度在內(nèi)的周邊影響要素特性，利用三維幾何劃分軟件構(gòu)建目標(biāo)區(qū)域的幾何；

39、接著在距離目標(biāo)區(qū)域的正東、正南、正西和正北4個(gè)方向各自延伸一定距離，劃出一定高度的正方體作為計(jì)算域；

40、最后由目標(biāo)區(qū)域和計(jì)算域基礎(chǔ)三維幾何模型，針對(duì)上述n條研究道路，共構(gòu)建得到n個(gè)基礎(chǔ)三維幾何模型；

41、3）劃分基礎(chǔ)網(wǎng)格：

42、針對(duì)構(gòu)建得到的n個(gè)基礎(chǔ)三維幾何模型，采用有限體積網(wǎng)格劃分算法，利用網(wǎng)格劃分軟件對(duì)基礎(chǔ)三維幾何模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，形成n個(gè)基礎(chǔ)網(wǎng)格；

43、4）設(shè)置邊界條件：

44、針對(duì)劃分好的n個(gè)基礎(chǔ)網(wǎng)格，利用計(jì)算流體仿真軟件設(shè)置邊界條件，將計(jì)算域入口溫度的初始條件設(shè)定為恒定溫度，將風(fēng)速設(shè)置為梯度風(fēng)，將建筑和植被的邊界分別設(shè)置為恒定溫度邊界；

45、在道路邊界中添加動(dòng)量源項(xiàng)和能量源項(xiàng)，動(dòng)量源項(xiàng)與模擬案例的實(shí)時(shí)風(fēng)速有關(guān)，能量源項(xiàng)與模擬案例的實(shí)時(shí)車輛數(shù)量和實(shí)時(shí)空氣溫度有關(guān)，計(jì)算公式如下：

46、；

47、式中，f為動(dòng)量源；qv為能量源；c為車輛阻力系數(shù)；ρ為空氣密度；vb為車輛速度；a為車輛橫截面積；hc為對(duì)流換熱系數(shù)；s為傳熱表面積；nc為車輛數(shù)量；?t為車輛與周圍空氣溫差；v為車輛體積，設(shè)定道路持續(xù)有流動(dòng)車輛；

48、5）交通熱環(huán)境三維圖像數(shù)據(jù)庫構(gòu)建：

49、針對(duì)設(shè)置好的邊界條件，利用計(jì)算流體仿真軟件進(jìn)行計(jì)算，通過后處理軟件截取不同垂直平面，得到n×m3模擬場(chǎng)景下的交通熱環(huán)境三維圖像，將n×m3個(gè)場(chǎng)景的交通熱環(huán)境三維圖像存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，得到交通熱環(huán)境三維圖像數(shù)據(jù)庫。

50、進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)處理分析的具體步驟為：

51、1）預(yù)處理輸入數(shù)據(jù)：

52、將獲取到的所有實(shí)時(shí)車輛數(shù)量、實(shí)時(shí)空氣溫度和實(shí)時(shí)風(fēng)速輸入所述數(shù)據(jù)處理模塊中的存儲(chǔ)器；

53、2）區(qū)間鎖定：

54、先利用所述數(shù)據(jù)處理模塊中的控制器調(diào)用存儲(chǔ)器中實(shí)時(shí)車輛數(shù)量、實(shí)時(shí)空氣溫度和實(shí)時(shí)風(fēng)速輸送至運(yùn)算器；

55、然后基于二分查找算法，鎖定實(shí)時(shí)車輛數(shù)量所在的車輛數(shù)量閾值區(qū)間，并計(jì)算在該車輛數(shù)量閾值區(qū)間位置；

56、鎖定實(shí)時(shí)空氣溫度所在的溫度閾值區(qū)間，并計(jì)算在該溫度閾值區(qū)間位置；

57、鎖定實(shí)時(shí)風(fēng)速所在的風(fēng)速閾值區(qū)間，并計(jì)算在該風(fēng)速閾值區(qū)間的位置；

58、接著將鎖定的車輛數(shù)量閾值區(qū)間、溫度閾值區(qū)間和風(fēng)速閾值區(qū)間下的交通熱環(huán)境三維圖像從存儲(chǔ)器調(diào)入至運(yùn)算器中；

59、最后控制器將實(shí)時(shí)車輛數(shù)量、實(shí)時(shí)空氣溫度和實(shí)時(shí)風(fēng)速所在位置表示數(shù)值調(diào)回至存儲(chǔ)器中。

60、3）預(yù)測(cè)實(shí)時(shí)高分辨率交通熱環(huán)境動(dòng)態(tài)圖像：

61、在將實(shí)時(shí)車輛數(shù)量、實(shí)時(shí)空氣溫度和實(shí)時(shí)風(fēng)速所在位置表示數(shù)值調(diào)入至運(yùn)算器后，結(jié)合調(diào)入的各個(gè)場(chǎng)景下的交通熱環(huán)境三維圖像，采用最近鄰法對(duì)熱環(huán)境圖像進(jìn)行空間差值，快速預(yù)測(cè)得出實(shí)時(shí)車輛數(shù)量、實(shí)時(shí)空氣溫度和實(shí)時(shí)風(fēng)速場(chǎng)景下的實(shí)時(shí)高分辨率交通熱環(huán)境動(dòng)態(tài)圖像，并將實(shí)時(shí)高分辨率交通熱環(huán)境動(dòng)態(tài)圖像傳輸至顯示器中予以顯示。

62、進(jìn)一步的，所述溫度預(yù)警的具體步驟為：

63、1）設(shè)定溫度閾值：

64、預(yù)設(shè)夏季高溫閾值，將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中；

65、2）比對(duì)數(shù)據(jù)：

66、利用控制器將預(yù)測(cè)得到的實(shí)時(shí)高分辨率交通熱環(huán)境動(dòng)態(tài)圖像調(diào)入運(yùn)算器中，計(jì)算該實(shí)時(shí)高分辨率交通熱環(huán)境動(dòng)態(tài)圖像下的交通道路平均溫度，繼續(xù)將該交通道路平均溫度的值與高溫閾值進(jìn)行比對(duì)；

67、3）預(yù)警提示：

68、當(dāng)交通道路平均溫度大于高溫閾值時(shí)，控制器將傳輸指令“高溫預(yù)警”至顯示器，由顯示器呈現(xiàn)“高溫預(yù)警”字樣。

69、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

70、本發(fā)明僅需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究道路的車輛數(shù)量、空氣溫度和風(fēng)速，即可通過本發(fā)明自帶的熱環(huán)境快速預(yù)測(cè)方法快速且準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出研究道路高分辨率交通熱環(huán)境動(dòng)態(tài)圖像，并予以在顯示器進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，有效解決了傳統(tǒng)技術(shù)受監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)量和使用成本限制的難題，可以適用于任意道路高分辨率交通熱環(huán)境動(dòng)態(tài)圖像的預(yù)測(cè)及顯示，具有普適性。

71、并且，本發(fā)明所提出的考慮動(dòng)態(tài)交通特性的熱環(huán)境快速預(yù)測(cè)方法，在無需對(duì)移動(dòng)車輛進(jìn)行幾何建模情況下，解決了傳統(tǒng)交通熱環(huán)境預(yù)測(cè)方法計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)、存儲(chǔ)成本高等難題（如計(jì)算流體力學(xué)方法往往采用動(dòng)網(wǎng)格算法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交通熱環(huán)境預(yù)測(cè)，需要對(duì)移動(dòng)車輛進(jìn)行幾何建模并劃分網(wǎng)格，大大增加計(jì)算成本）。

72、上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。本發(fā)明的具體實(shí)施方式由以下實(shí)施例及其附圖詳細(xì)給出。