基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí)恒心，孟 強(qiáng)，劉夢(mèng)依，王潤(rùn)民

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064；2.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250031)

0 引 言

近年來(lái)，隨著交通系統(tǒng)壓力逐年增大，高速公路[1]交通安全事故的發(fā)生愈加頻繁，高速公路誘導(dǎo)系統(tǒng)作為降低高速公路事故發(fā)生率的有效手段得到廣泛應(yīng)用。以降低低能見(jiàn)度環(huán)境下高速公路交通安全事故的發(fā)生率為目的，文中提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路路側(cè)主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)?，F(xiàn)有的高速公路大多采用被動(dòng)發(fā)光系統(tǒng)對(duì)車輛進(jìn)行誘導(dǎo)，該方式主要通過(guò)在輪廓標(biāo)上設(shè)置反光膜[2]，通過(guò)反射行駛車輛的燈光達(dá)到對(duì)車輛進(jìn)行誘導(dǎo)的目的，但通過(guò)反射方式運(yùn)行的輪廓標(biāo)誘導(dǎo)裝置存在以下不足。該被動(dòng)發(fā)光系統(tǒng)反射輪廓標(biāo)的反光強(qiáng)度較弱，大約只有300～400 mcd，若駕駛員未開(kāi)啟遠(yuǎn)光燈或燈光較暗，則反射效果會(huì)更弱，難以對(duì)高速行駛的車輛起到很好的誘導(dǎo)作用；該系統(tǒng)輪廓標(biāo)上的反光膜由于長(zhǎng)期暴露于空氣中，容易出現(xiàn)老化，使反射功能下降，也會(huì)降低輪廓標(biāo)的誘導(dǎo)作用；特殊天氣環(huán)境下，該系統(tǒng)由于光的反射和散射，導(dǎo)致反射輪廓標(biāo)的反光強(qiáng)度較低，影響誘導(dǎo)標(biāo)的誘導(dǎo)作用；在路線曲率較小的轉(zhuǎn)彎路段，該系統(tǒng)的反射輪廓標(biāo)反光強(qiáng)度較低，影響誘導(dǎo)標(biāo)的誘導(dǎo)作用。

文中提出的基于物聯(lián)網(wǎng)[3]的高速公路路側(cè)主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)，在當(dāng)前道路交通環(huán)境下，可以通過(guò)被動(dòng)檢測(cè)和主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)的方式提高交通系統(tǒng)的安全性，因此，對(duì)降低交通安全事故的發(fā)生率有重要意義。

1 低能見(jiàn)度環(huán)境下高速公路路側(cè)行車誘導(dǎo)系統(tǒng)需求分析

影響高速公路能見(jiàn)度的主要因素可分為大霧、霧霾、暴雨、暴雪和沙塵暴等，通過(guò)分析不同低能見(jiàn)度環(huán)境下的交通流數(shù)據(jù)，結(jié)合對(duì)低能見(jiàn)度條件下交通事故發(fā)生情況的統(tǒng)計(jì)，得出不同低能見(jiàn)度條件對(duì)交通流的影響，見(jiàn)表1。

由表1可知，低能見(jiàn)度環(huán)境對(duì)交通流的影響較大，且對(duì)交通系統(tǒng)的安全性有較大影響，因此，如何提高低能見(jiàn)度環(huán)境下高速公路的通行能力和安全性成為交通系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。全國(guó)各交通部門(mén)迫切需要一種提高低能見(jiàn)度環(huán)境下高速公路行車安全性的方案，希望該方案能夠根據(jù)不同的外界環(huán)境提出不同的發(fā)光誘導(dǎo)策略，能夠通過(guò)誘導(dǎo)的方式達(dá)到提高高速公路行車安全性的目的。

表1 低能見(jiàn)度天氣對(duì)交通流的影響

2 高速公路路側(cè)主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

文中提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)[4-5]的高速公路路側(cè)主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分為以下四部分：一是信號(hào)感知模塊[6]；二是中央控制模塊；三是遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊；四是終端控制模塊，各模塊之間的組成方式如圖1所示。

圖1 主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)模塊連接圖

2.1 主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)的模塊組成

2.1.1 信號(hào)感知上傳模塊

主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)的信號(hào)感知上傳模塊主要由三部分組成，一是車輛信息感知模塊，二是環(huán)境信息感知模塊，三是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。車輛信息感知模塊主要由兩組地磁傳感器組成，分為第一地磁傳感器組和第二地磁傳感器組。其中第一地磁傳感器組置于車輛行駛誘導(dǎo)區(qū)域的入口位置，第二地磁傳感器置于車輛行駛誘導(dǎo)區(qū)域的出口位置，兩組地磁傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)道路車輛通過(guò)情況，向主控模塊反饋車輛通過(guò)信息；環(huán)境信息感知模塊主要由溫濕度傳感器、光敏傳感器和能見(jiàn)度傳感器組成，主要用于檢測(cè)外部環(huán)境的溫濕度、光照強(qiáng)度和空氣能見(jiàn)度，并將交通外部環(huán)境信息上傳到主控模塊；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)裝置的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備，主要作用是實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

2.1.2 終端控制模塊

終端控制模塊主要由多個(gè)主動(dòng)發(fā)光輪廓標(biāo)(12個(gè)輪廓標(biāo)為一組)和控制模塊組成，其中輪廓標(biāo)作為該設(shè)備的核心器件，其發(fā)光功率主要根據(jù)主動(dòng)發(fā)光輪廓標(biāo)的無(wú)線通信距離、無(wú)線射頻信號(hào)的中心頻率和設(shè)備靈敏度計(jì)算得到，輪廓標(biāo)的光源為L(zhǎng)ED燈，且輪廓標(biāo)上均有逆反射反光膜，用來(lái)增加光照強(qiáng)度，其中逆反射反光膜位于LED發(fā)光器件的內(nèi)側(cè)。另外，上述發(fā)光輪廓標(biāo)可以發(fā)紅色和黃色兩種顏色的光，而且發(fā)光的頻率可控；控制模塊的主要功能為接收來(lái)自主控模塊的信息，對(duì)輪廓標(biāo)的發(fā)光策略進(jìn)行控制。

2.1.3 主控模塊

主控模塊置于車輛行駛誘導(dǎo)區(qū)中段，且與地磁傳感器組通過(guò)無(wú)線的方式連接，與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)有線的方式連接。主控模塊主要由Zigbee[7-8]信號(hào)收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成，信號(hào)收發(fā)模塊的功能主要有兩部分，一是接收來(lái)自信號(hào)感知上傳模塊的信息，二是將數(shù)據(jù)處理模塊的處理結(jié)果發(fā)送到終端控制模塊，用來(lái)控制發(fā)光輪廓標(biāo)發(fā)光。

2.1.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控存儲(chǔ)模塊

遠(yuǎn)程監(jiān)控存儲(chǔ)模塊通過(guò)有線的方式與主控模塊連接，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)輪廓標(biāo)發(fā)光情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控并存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)信息，另外，該模塊還可向主控模塊發(fā)送強(qiáng)制信號(hào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)終端控制模塊輪廓標(biāo)發(fā)光策略強(qiáng)制改變。

2.2 主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)的工作流程

該裝置的工作流程(見(jiàn)圖2)如下：

圖2 主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)工作流程

(1)信號(hào)感知上傳模塊通過(guò)溫濕度傳感器、光敏傳感器和能見(jiàn)度傳感器獲取各類環(huán)境信息，包括空氣能見(jiàn)度、溫濕度和光照強(qiáng)度；

(2)信號(hào)感知上傳模塊通過(guò)在路側(cè)安裝地磁傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量是否有車輛通過(guò)發(fā)光誘導(dǎo)區(qū)域；

(3)信號(hào)感知上傳模塊將所獲得的環(huán)境信息和車輛的通過(guò)信息上傳至主控模塊；

(4)主控模塊根據(jù)所獲得的信息進(jìn)行決策，決定是否啟動(dòng)路側(cè)主動(dòng)發(fā)光設(shè)備進(jìn)行車輛誘導(dǎo)；

(5)主控模塊將決策信息發(fā)送給終端控制模塊，終端控制模塊根據(jù)決策結(jié)果對(duì)路側(cè)主動(dòng)發(fā)光設(shè)備進(jìn)行發(fā)光控制；

(6)主控模塊將決策結(jié)果上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊，遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊可實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)監(jiān)控路段路側(cè)主動(dòng)發(fā)光輪廓標(biāo)[9]的運(yùn)行情況，且可強(qiáng)制控制各個(gè)路段主動(dòng)發(fā)光輪廓標(biāo)的運(yùn)行情況。

2.3 主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)的布設(shè)分析

主動(dòng)發(fā)光輪廓標(biāo)誘導(dǎo)裝置的應(yīng)用場(chǎng)景示意圖如圖3所示。

圖3 主動(dòng)發(fā)光輪廓標(biāo)誘導(dǎo)裝置應(yīng)用場(chǎng)景示意圖

圖3為雙向單車道主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景示意圖，標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的設(shè)備信息如下：A、C-車輛誘導(dǎo)區(qū)域的入口，B、D-車輛誘導(dǎo)區(qū)域的出口，1-地磁傳感器組，11-第一地磁傳感器組，12-第二地磁傳感器組，2-主動(dòng)發(fā)光輪廓標(biāo)，3-主控模塊，4-網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

在實(shí)際應(yīng)用中，如圖3所示，以C-D車道為例，當(dāng)車輛由入口C駛?cè)胲囕v行駛誘導(dǎo)區(qū)域，沿行車方向，該車依次通過(guò)第一地磁傳感器組、主動(dòng)發(fā)光輪廓標(biāo)和第二地磁傳感器，且第一地磁傳感器與沿行車方向第一個(gè)發(fā)光輪廓標(biāo)之間的距離為Dc，相鄰發(fā)光輪廓標(biāo)的間距為D1，發(fā)光輪廓標(biāo)布設(shè)的最小距離為Dm。

Dc的計(jì)算方式如下：

(1)

其中，g為重力加速度，f1為車輛與地面摩擦力的阻力系數(shù)(不考慮其他阻力)，t為緊急制動(dòng)的反應(yīng)時(shí)間(通常取1.0 s)，v為駛?cè)胲囕v的平均速度。

Dm的計(jì)算方式如下：

在圖4中，為了避免發(fā)生車輛追尾事故，需滿足：

Dm=Lf+Lz-Lq≤Lj

(2)

其中，Lf為制動(dòng)反應(yīng)距離，Lz為制動(dòng)距離，Lq為前方車輛的行駛距離，Lj為環(huán)境能見(jiàn)度距離。設(shè)tf為制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，t為制動(dòng)時(shí)間。

圖4 運(yùn)行速度分析

因此，由上述分析可知，在相應(yīng)的能見(jiàn)度條件下對(duì)高速公路上行駛車輛進(jìn)行限速很有必要，甚至可以采取封鎖高速等強(qiáng)制措施

式(2)中制動(dòng)反應(yīng)距離Lf取決于制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間tf和車輛制動(dòng)時(shí)的行駛速度v0。

Lf=v0tf

(3)

根據(jù)加速度與位移的關(guān)系：

(4)

根據(jù)上式，可求得：

(5)

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB01-2003)的規(guī)定，制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間tf取2.5 s，假設(shè)前方車輛以v1的速度勻速行駛，將式(5)代入式(2)可得：

(6)

在圖3中，在直線型道路和曲線型道路中D1的值不同。一般情況下，考慮到發(fā)光輪廓標(biāo)功率在不同環(huán)境下的透射效果，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，確定在直線型道路中D1的值為32 m，在曲線型道路中，綜合發(fā)光輪廓標(biāo)的發(fā)光功率及曲線道路的曲率半徑，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，得到不同曲率半徑條件下D1的值，見(jiàn)表2。

表2 不同曲率半徑下D1的值

2.4 行車誘導(dǎo)控制策略設(shè)計(jì)

主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)主要由外界環(huán)境信息和誘導(dǎo)區(qū)域的交通流信息共同控制，其中外界環(huán)境信息的控制優(yōu)先級(jí)高于交通流信息，若光敏傳感器、能見(jiàn)度傳感器和溫濕度傳感器的檢測(cè)值[10-11]均高于固定閾值(經(jīng)驗(yàn)值)，則無(wú)論此時(shí)該發(fā)光誘導(dǎo)區(qū)域是否存在交通流，發(fā)光誘導(dǎo)輪廓標(biāo)均處于關(guān)閉狀態(tài)，若傳感器檢測(cè)到的外界環(huán)境信息低于固定閾值，則地磁傳感器組開(kāi)始檢測(cè)交通流，控制器根據(jù)交通流信息控制發(fā)光輪廓標(biāo)的工作狀態(tài)。

主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)光策略主要根據(jù)外界環(huán)境[12-13]的可見(jiàn)度、路面的附著系數(shù)和車輛的行駛速度決定，發(fā)光策略的不同主要通過(guò)燈光閃爍的數(shù)量，燈光的顏色，燈光閃爍的頻率來(lái)決定。文中提出的主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)策略的實(shí)現(xiàn)方法見(jiàn)表3。

表3 不同可見(jiàn)度下發(fā)光誘導(dǎo)策略

表3中d1、dv和d2的計(jì)算方式如下：

d1的計(jì)算：設(shè)在當(dāng)前能見(jiàn)度環(huán)境下，高速公路車輛行駛要求的最低速度為vmin，則將v0=v1=vmin代入式(6),即可得d1=Dm；

dv的計(jì)算：設(shè)在當(dāng)前能見(jiàn)度環(huán)境下，高速公路車輛行駛的平均速度為va，則將v0=v1=va代入式(6),即可得dv=Dm；

d2的計(jì)算：設(shè)在當(dāng)前能見(jiàn)度環(huán)境下，高速公路車輛行駛的最高速度為vmax，則將v0=v1=vmax代入式(6),即可得d2=Dm。

當(dāng)由交通流信息控制發(fā)光輪廓標(biāo)工作狀態(tài)時(shí)，發(fā)光控制思想為：發(fā)光誘導(dǎo)區(qū)域內(nèi)有車輛通過(guò)，則發(fā)光輪廓標(biāo)誘導(dǎo)裝置打開(kāi)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(1 min)若無(wú)車通過(guò)便自動(dòng)熄滅。在一個(gè)控制器控制的發(fā)光誘導(dǎo)區(qū)域內(nèi)，當(dāng)該組設(shè)備中第一地磁傳感器組檢測(cè)到有車輛通過(guò)入口，且同時(shí)第二地磁傳感器未檢測(cè)到車輛通過(guò)出口時(shí)，則控制器判斷該誘導(dǎo)區(qū)域內(nèi)有車輛經(jīng)過(guò)，此時(shí)打開(kāi)主動(dòng)發(fā)光輪廓標(biāo)，對(duì)誘導(dǎo)區(qū)域的車輛進(jìn)行特殊天氣環(huán)境下的行車誘導(dǎo)[14-15]。此時(shí)，當(dāng)?shù)诙卮艂鞲衅鹘M檢測(cè)到車輛通過(guò)誘導(dǎo)區(qū)域，延時(shí)程序啟動(dòng)，且檢測(cè)程序優(yōu)先級(jí)高于延時(shí)程序，延時(shí)程序運(yùn)行時(shí)間為1 min，在該時(shí)段發(fā)光輪廓標(biāo)誘導(dǎo)裝置一直處于發(fā)光狀態(tài)，此時(shí)若無(wú)車輛通過(guò)，則延時(shí)程序運(yùn)行結(jié)束后，主動(dòng)發(fā)光輪廓標(biāo)熄滅，延時(shí)程序運(yùn)行期間，若第一地磁傳感器組檢測(cè)到有車輛經(jīng)過(guò)，則延時(shí)程序停止運(yùn)行(不記錄中斷，啟動(dòng)時(shí)重新運(yùn)行)，直到第二地磁傳感器組檢測(cè)到車輛通過(guò)該發(fā)光誘導(dǎo)區(qū)域，延時(shí)程序重新啟動(dòng)，如此反復(fù)運(yùn)行。

2.5 道路擁堵與交通安全事故預(yù)測(cè)

上述系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)低能見(jiàn)度環(huán)境下高速公路車輛的行駛誘導(dǎo)，還可實(shí)現(xiàn)道路擁堵與交通安全事故預(yù)測(cè)功能[16-17]。其檢測(cè)道路擁堵情況的具體實(shí)現(xiàn)方法有兩種，第一種方法是通過(guò)地磁傳感器組對(duì)通過(guò)車輛的速度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)對(duì)車輛速度的檢測(cè)結(jié)果對(duì)道路擁堵情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)行駛車速小于某個(gè)固定的閾值，則認(rèn)定為堵車。該方法需要在每個(gè)地磁傳感器安裝點(diǎn)位安裝兩個(gè)地磁傳感器，成本較高；第二種方法是通過(guò)計(jì)算在某路段滯留車輛的數(shù)量判斷該路段的擁堵情況，具體操作步驟如下：當(dāng)車輛通過(guò)入口處的地磁傳感器時(shí)，記錄車輛進(jìn)入該區(qū)域的信息，同理，當(dāng)車輛通過(guò)出口處的地磁傳感器時(shí)，記錄車輛駛出該區(qū)域的信息，最后實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)該路段滯留車輛的數(shù)量，通過(guò)滯留車輛的數(shù)量判斷路段的擁堵情況，當(dāng)滯留車輛的數(shù)量大于某個(gè)閾值，則認(rèn)為該路段堵車。

該系統(tǒng)除了進(jìn)行道路擁堵預(yù)測(cè)，還可以進(jìn)行交通安全事故的檢測(cè)，其具體實(shí)現(xiàn)方法如下：當(dāng)有車輛經(jīng)過(guò)第一地磁傳感器組進(jìn)入該區(qū)域，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間(閾值)未通過(guò)第二地磁傳感器組，則該車輛可能出現(xiàn)故障，若多輛車出現(xiàn)該狀況，則可能出現(xiàn)交通安全事故，此處應(yīng)該借助道路擁堵情況的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，若為堵車的情況，該閾值時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，若為不堵車的情況，則該閾值相對(duì)較短，此處閾值時(shí)間根據(jù)不同路段，不同外界環(huán)境和不同車輛通過(guò)情況進(jìn)行認(rèn)定，如果系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到發(fā)生交通事故，則此時(shí)監(jiān)控存儲(chǔ)模塊報(bào)警，提示及時(shí)處理該路段的交通狀況。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，交通系統(tǒng)壓力越來(lái)越大，交通安全問(wèn)題也顯得愈加重要，因此，如何提高道路交通系統(tǒng)的使用效率，降低交通系統(tǒng)的事故發(fā)生率成為交通領(lǐng)域亟待解決的難題。文中提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路路側(cè)主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于智能檢測(cè)技術(shù)和局域網(wǎng)構(gòu)建技術(shù)，通過(guò)協(xié)同短距離Zigbee通信技術(shù)和長(zhǎng)距離光纖通信技術(shù)，構(gòu)建高速公路智能化監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)對(duì)低能見(jiàn)度環(huán)境下的高速運(yùn)行車輛進(jìn)行有效誘導(dǎo)，提高高速公路的交通安全性。該系統(tǒng)還可以利用現(xiàn)有設(shè)備，對(duì)路段的擁堵情況進(jìn)行檢測(cè)，并且能夠在一定程度上檢測(cè)交通安全事故的發(fā)生。綜上所述，該系統(tǒng)能夠在低成本的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路的優(yōu)化，提高高速公路行車的安全性，也能夠?qū)崿F(xiàn)高速公路各路段的遠(yuǎn)程監(jiān)控，促進(jìn)交通系統(tǒng)的智能化發(fā)展。