基于主動(dòng)行車安全的智能誘導(dǎo)系統(tǒng)在多霧山區(qū)高速公路上的應(yīng)用

張春聲

(廣東省公路建設(shè)有限公司， 廣州 510623)

0 引言

高速公路遇多霧異常特殊天氣時(shí)，極易發(fā)生交通事故，尤其局部路段出現(xiàn)濃霧的危險(xiǎn)性更是許多重大安全事故的誘因。從正常路段高速駛?cè)霛忪F區(qū)，由于能見度的突變，視野變得迷糊，交通警示標(biāo)志和防護(hù)欄難以辯識(shí)，駕駛者很容易發(fā)生判斷和操作失誤，引起追尾、碰撞護(hù)欄等交通事故。根據(jù)運(yùn)營高速公路事故統(tǒng)計(jì)，霧區(qū)高速往往成為事故多發(fā)或頻發(fā)路段，因多霧影響導(dǎo)致多車連續(xù)追尾的重大交通事故時(shí)有發(fā)生。目前，大多數(shù)霧區(qū)路段僅采取在路側(cè)增加“雨霧天氣、謹(jǐn)慎駕駛”等警示標(biāo)志，無法對(duì)霧區(qū)路段進(jìn)行主動(dòng)管控。

基于主動(dòng)行車安全的智能誘導(dǎo)系統(tǒng)通過路側(cè)氣象站獲取天氣狀況，結(jié)合車輛檢測(cè)器獲取的霧區(qū)路段車流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在出現(xiàn)能見度低于閾值、事故、擁堵等狀況時(shí)在監(jiān)控中心平臺(tái)自動(dòng)發(fā)起告警，并聯(lián)動(dòng)視頻投屏。監(jiān)控人員確認(rèn)后，可選擇預(yù)案啟動(dòng)設(shè)備聯(lián)動(dòng)，通過霧燈誘導(dǎo)系統(tǒng)強(qiáng)化道路輪廓、誘導(dǎo)車輛安全行駛，并通過情報(bào)板、廣播系統(tǒng)向過往司乘人員進(jìn)行交通信息提示和交通管控,可有效降低通行霧區(qū)高速公路的風(fēng)險(xiǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能誘導(dǎo)系統(tǒng)前端設(shè)備(主要是氣象檢測(cè)器、能見度檢測(cè)器、透霧攝像槍、雷達(dá)事件檢測(cè)、車檢器等)通過對(duì)高速公路雨、雪、霧、冰等惡劣天氣全方位、立體式的檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至路段監(jiān)控平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。結(jié)合霧區(qū)路段交通運(yùn)行狀況，系統(tǒng)平臺(tái)自動(dòng)調(diào)用策略對(duì)前端設(shè)備進(jìn)行控制，當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，采取全面的應(yīng)對(duì)措施，如交通誘導(dǎo)、信號(hào)控制、廣播警示、行車高速警告等外場(chǎng)設(shè)施綜合聯(lián)動(dòng)，達(dá)到霧區(qū)通行安全主動(dòng)預(yù)防的效果(圖1)。

圖1 霧區(qū)路段智能誘導(dǎo)系統(tǒng)工作流程

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

智能誘導(dǎo)系統(tǒng)由前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備(主要是氣象檢測(cè)器、能見度檢測(cè)器、透霧攝像槍、雷達(dá)事件檢測(cè)、車檢器等)、信息發(fā)布設(shè)備(智能誘導(dǎo)霧燈、語音廣播系統(tǒng)、情報(bào)板等)、數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)(霧區(qū)監(jiān)控子系統(tǒng))、通信傳輸系統(tǒng)等構(gòu)成(圖2)。

圖2 霧區(qū)路段智能誘導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備與選型

1.2.1 外場(chǎng)攝像機(jī)

建議采用數(shù)字、光學(xué)雙重透霧功能，攝像機(jī)自動(dòng)探測(cè)能見度，低于一定閾值時(shí)先啟動(dòng)數(shù)字透霧(圖像彩色)，數(shù)字透霧時(shí)會(huì)根據(jù)圖像霧感適當(dāng)增強(qiáng)或減弱除霧強(qiáng)度，當(dāng)達(dá)到數(shù)字透霧能力極限，圖像霧感仍較重時(shí)，自動(dòng)切換為光學(xué)透霧(圖像黑白)，霧區(qū)路段盡量按照1km設(shè)置1處進(jìn)行全覆蓋。

1.2.2 氣象檢測(cè)器

氣象檢測(cè)器主要包括氣象狀況檢測(cè)探頭、數(shù)據(jù)處理單元、通信控制單元、供電單元。可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能見度、風(fēng)速風(fēng)向、雨量、大氣壓等天氣狀況。

1.2.3 車輛檢測(cè)器

采用雷達(dá)車輛檢測(cè)器或微波車輛檢測(cè)器，可獲取車流量、車速、停車、逆行、行人等交通流信息和異常事件。也可以利用主線ETC門架對(duì)斷面車流、車速等運(yùn)行狀況進(jìn)行采集。

1.2.4 情報(bào)板

按照500m設(shè)1處門架式情報(bào)板或懸臂式情報(bào)板，用于顯示前方交通狀況和預(yù)警信息。

1.2.5 廣播系統(tǒng)

結(jié)合高速公路已有的語音廣播系統(tǒng)平臺(tái)，在霧區(qū)路段適當(dāng)增加有線廣播終端，可用于交通狀況的語音提示和預(yù)警。

1.2.6 智能誘導(dǎo)霧燈

智能誘導(dǎo)霧燈按照間距30m設(shè)1處，安裝在路側(cè)護(hù)欄或單獨(dú)設(shè)置立柱。如有道路照明，盡量與路燈同桿布設(shè)。根據(jù)公路物理邊界條件(行車道寬度、路肩、護(hù)欄和標(biāo)線等)、車輛通行狀況(車速、跟車有效間距)、天氣狀況(能見度、風(fēng)速、降雨量、溫度等)，通過智能誘導(dǎo)霧燈，根據(jù)不同工況發(fā)出的紅、黃信號(hào)及不同閃爍頻率，幫助提醒司機(jī)安全行駛，降低特殊路況和天氣下交通事故的發(fā)生。應(yīng)具備以下主要功能：

(1)行車安全誘導(dǎo)功能：霧區(qū)安全行車主動(dòng)誘導(dǎo)、全程同步閃爍、同步閃爍頻率可變、動(dòng)態(tài)尾跡顯示、尾跡可控、尾跡透霧顯示、事故碰撞、施工/事故警示。

(2)無線通信功能：設(shè)備間無線通訊、抗損毀。

(3)遠(yuǎn)程控制功能：上位控制系統(tǒng)與外場(chǎng)設(shè)備間的無線通訊、外場(chǎng)流動(dòng)人員與設(shè)備的交互?？筛鶕?jù)實(shí)時(shí)道路天氣環(huán)境，本地自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制，也具有遠(yuǎn)程和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制(手動(dòng)遙控器)的功能。

1.3 系統(tǒng)主要功能需求

1.3.1 霧燈誘導(dǎo)模式[1]

根據(jù)《霧天公路行車安全誘導(dǎo)裝置》(JT/T 1032-2016)標(biāo)準(zhǔn)要求，誘導(dǎo)裝置組成的誘導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)具有道路輪廓強(qiáng)化模式、行車主動(dòng)誘導(dǎo)模式、防止追尾警示模式等工作模式。誘導(dǎo)裝置供電要求具備供電容錯(cuò)，當(dāng)任一誘導(dǎo)裝置出現(xiàn)損毀、丟失、自身故障等情形時(shí)，不應(yīng)影響其他誘導(dǎo)裝置的正常運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)掉電或者斷電時(shí)，誘導(dǎo)裝置正常工作時(shí)間不低于 72h。

1.3.2 碰撞檢測(cè)

當(dāng)車輛撞擊到護(hù)欄時(shí)，護(hù)欄會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，撞擊點(diǎn)附近的智能誘導(dǎo)裝置檢測(cè)到振動(dòng)事件并上傳至預(yù)處理器，由預(yù)處理器研判碰撞事故的發(fā)生，同時(shí)上報(bào)事件到監(jiān)控中心告警，此地疑似有事故發(fā)生。

1.3.3 視頻自動(dòng)檢測(cè)

具備交通事件檢測(cè)和交通參數(shù)檢測(cè)功能。利用以深度學(xué)習(xí)為核心的視頻處理技術(shù)及核心算法，對(duì)前端設(shè)備采集的視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛停駛、擁堵、逆行、行人穿越及拋灑物等交通事件的自動(dòng)檢測(cè)、報(bào)警、傳輸、記錄等功能?？蓪?duì)氣象和地質(zhì)災(zāi)害等道路環(huán)境變化進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和報(bào)警，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、綜合管理平臺(tái)以及其它上端系統(tǒng)，為道路交通管理者提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.4 霧燈誘導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行模式

圖3為智能誘導(dǎo)霧燈運(yùn)行流程。

圖3 智能誘導(dǎo)霧燈運(yùn)行流程

根據(jù)能見度檢測(cè)數(shù)據(jù)，精確判斷濃霧程度是否影響行車視距，在交通流正常狀況，結(jié)合能見度設(shè)定的閾值[2]，分別啟用行車主動(dòng)誘導(dǎo)、防止追尾警示、道路輪廓強(qiáng)化等模式。擁堵或發(fā)生交通事故時(shí)，同步啟用限速、信息發(fā)布等聯(lián)動(dòng)措施。

1.4.1 道路輪廓強(qiáng)化模式

用于能見度大于500m輕霧或雨霧工況，誘導(dǎo)燈啟用黃燈常亮，提醒駕駛員注意路側(cè)邊緣，避免車輛駛出路側(cè)引起事故(圖4)。

圖4 道路輪廓強(qiáng)化模式

1.4.2 行車主動(dòng)誘導(dǎo)模式

能見度低于設(shè)定的閾值可能會(huì)影響行車安全時(shí)，誘導(dǎo)燈啟用黃燈并同步閃爍，提醒駕駛員注意路側(cè)邊緣并適當(dāng)控制好車速，避免車輛駛出路側(cè)引起事故(圖5)。

圖5 行車主動(dòng)誘導(dǎo)模式

1.4.3 防止追尾警示模式

能見度低于設(shè)定的閾值會(huì)嚴(yán)重影響行車時(shí)，通過觸發(fā)和點(diǎn)亮上游誘導(dǎo)裝置的紅色警示燈，形成紅色尾跡(一般在120m范圍內(nèi))來警示當(dāng)前車輛的前方有車輛，從而提醒司機(jī)保持安全的行車距離(圖6)。

圖6 防止追尾警示模式

2 應(yīng)用案例分析

云茂高速公路位于廣東省羅定市、信宜市及高州市，路線起點(diǎn)位于羅定市圍底鎮(zhèn)，設(shè)置尋龍樞紐立交與羅陽高速公路相接，終于高州市荷花鎮(zhèn)，與廣西浦北至北流(清灣)公路工程對(duì)接，主線全長129.816km。項(xiàng)目黃樓隧道至竹瓦林隧道屬于霧區(qū)路段，且處于長下坡和橋隧結(jié)合路段。根據(jù)竹瓦嶺隧道進(jìn)口氣象站全年24h的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，雨霧天氣發(fā)生較多，約占全年1/3。該項(xiàng)目主體工程建設(shè)的同時(shí)，選取一處濃霧最嚴(yán)重的區(qū)段 K52+650 至 K59+825實(shí)施誘導(dǎo)系統(tǒng)，將霧區(qū)預(yù)警預(yù)報(bào)作為監(jiān)控一體化平臺(tái)系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)納入管理。細(xì)化預(yù)警預(yù)報(bào)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，充分利用現(xiàn)有建設(shè)期氣象檢測(cè)器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)整體聯(lián)動(dòng)，核減能見度檢測(cè)器數(shù)量。通過開發(fā)云茂高速公路霧區(qū)監(jiān)控子系統(tǒng)平臺(tái)，針對(duì)不同等級(jí)制定不同的聯(lián)動(dòng)預(yù)案，基本實(shí)現(xiàn)對(duì)霧區(qū)行車主動(dòng)誘導(dǎo)和輔助營運(yùn)管理的功能。

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

云茂高速公路霧區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)訪問層、應(yīng)用支持層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、用戶訪問層等組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 云茂高速公路霧區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.1 基礎(chǔ)設(shè)備及數(shù)據(jù)采集層

通過高速公路沿線布設(shè)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備、監(jiān)控視頻設(shè)備、車檢器等設(shè)施，用于監(jiān)測(cè)和采集路面視頻、車流量及車速、氣象環(huán)境等數(shù)據(jù)。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層一般指高速公路內(nèi)部業(yè)務(wù)專網(wǎng)，一般采用 MSTP 綜合業(yè)務(wù)接入網(wǎng)方案和SDH干線傳輸網(wǎng)方案，是高速公路收費(fèi)數(shù)據(jù)、視頻傳輸通道。具備統(tǒng)一的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控一體化平臺(tái)軟件的信息匯聚和交換，為數(shù)據(jù)管理、業(yè)務(wù)應(yīng)用等提供網(wǎng)絡(luò)通信保障。

2.1.3 服務(wù)應(yīng)用層

以業(yè)務(wù)處理為導(dǎo)向和數(shù)據(jù)流向?yàn)榫S度，主要包括GIS地理信息系統(tǒng)、交通監(jiān)控、綜合視頻管理、交通事件管理、高可分可視化、設(shè)施設(shè)備管理、數(shù)據(jù)分析等子系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)分析和處理，提供控制策略對(duì)外場(chǎng)信息發(fā)布或路側(cè)誘導(dǎo)燈等設(shè)備進(jìn)行控制，從而對(duì)交通進(jìn)行有效管控。

2.1.4 界面層

界面層面向營運(yùn)部門和相關(guān)用戶，提供PC端、大屏端的一體化操作平臺(tái)。

2.2 主要技術(shù)路線

(1)系統(tǒng)具備開放性和拓展性：采用B/S模式，使用JAVA框架完成開發(fā)，方便其他關(guān)鍵子系統(tǒng)接入和系統(tǒng)拓展。

(2)信息多源化和可靠性：通過對(duì)外接口獲取氣象臺(tái)數(shù)據(jù)、對(duì)內(nèi)實(shí)時(shí)收集路側(cè)氣象檢測(cè)儀，多維度分析數(shù)據(jù)，確保準(zhǔn)確對(duì)霧區(qū)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和判斷。

(3)人機(jī)友好型界的系統(tǒng)集成：操作使用的便捷性。采取GIS地理信息系統(tǒng)方式進(jìn)行GIS應(yīng)用開發(fā)，GIS引擎使用開源地圖。以平面和衛(wèi)星GIS地圖展示路段所轄區(qū)域的路網(wǎng)、路況及相關(guān)的地理信息，并提供個(gè)性化的業(yè)務(wù)集成。以事件全方位進(jìn)程信息展示，以及處理動(dòng)作、視頻回放、信息發(fā)布及可變信息標(biāo)識(shí)運(yùn)行狀態(tài)展示、交通流量監(jiān)測(cè)及展示、氣象監(jiān)測(cè)等。

圖8 霧區(qū)誘導(dǎo)系統(tǒng)3D展示

2.3 云茂高速公路霧區(qū)監(jiān)控子系統(tǒng)平臺(tái)

系統(tǒng)平臺(tái)以地圖界面為操作主頁，對(duì)霧區(qū)路段的氣象站、攝像槍、車檢器、路側(cè)誘導(dǎo)燈等設(shè)施進(jìn)行管理，設(shè)定并配置預(yù)警、預(yù)測(cè)等參數(shù)，管理數(shù)據(jù)(主要是對(duì)氣象、現(xiàn)場(chǎng)視頻的數(shù)據(jù)采集和處理)，結(jié)合監(jiān)控子系統(tǒng)平臺(tái)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，判斷預(yù)警級(jí)別并啟用相應(yīng)策略和預(yù)案，及時(shí)通過監(jiān)控人員確認(rèn)后進(jìn)行信息對(duì)外發(fā)布或通過路側(cè)情報(bào)板、廣播顯示相關(guān)預(yù)警信息。

圖9 云茂高速公路霧區(qū)監(jiān)控子系統(tǒng)平臺(tái)操作界面

3 結(jié)語

通過建立針對(duì)多霧山區(qū)高速公路的智能誘導(dǎo)系統(tǒng)，利用高速公路已有的監(jiān)控?cái)z像槍、車檢器、氣象檢測(cè)器等設(shè)施和路段監(jiān)控平臺(tái)，對(duì)路側(cè)誘導(dǎo)燈的閃爍頻率和顏色進(jìn)行控制，通過路側(cè)情報(bào)板、廣播進(jìn)行信息發(fā)布，實(shí)時(shí)對(duì)行駛的車輛進(jìn)行預(yù)警和主動(dòng)誘導(dǎo)，提升極端天氣下高速行車的道路感知能力，實(shí)現(xiàn)了路與車信息交互，是智能交通感知網(wǎng)絡(luò)在霧區(qū)山區(qū)高速公路應(yīng)用的探索。實(shí)踐表明，降低了霧區(qū)高速公路因能見度不足引起的交通事件發(fā)生概率，取得了霧區(qū)通行安全主動(dòng)預(yù)防的效果。