智能霧燈誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

周宏福

（山西省交通信息通信有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

高速公路具有區(qū)域全封閉、車輛速度快、全立交的特點(diǎn)，自然氣候條件對(duì)高速公路行車安全的影響比較突出，隨著全國(guó)高速公路網(wǎng)建設(shè)完善，山區(qū)道路占比逐步加大，在濕度、溫差、地形、地貌、海拔等多種因素的影響下，團(tuán)霧現(xiàn)象容易發(fā)生，致使區(qū)域內(nèi)道路能見度迅速降低。駕車人員無(wú)法預(yù)先得知信息，或得不到有效提示，車輛駛?cè)腱F區(qū)后由于能見度突然降低，極易導(dǎo)致交通事故的發(fā)生；而在快速行駛的高速公路上，又容易造成多車連環(huán)追尾的災(zāi)難性事故。我國(guó)每年因霧等惡劣天氣影響造成的交通事故占事故總數(shù)的近1/4[1]。

貴州地處云貴高原高海拔地區(qū)，秋冬季節(jié)團(tuán)霧易發(fā)、頻發(fā)，對(duì)山區(qū)道路影響尤為明顯，會(huì)使道路通行效率下降，并對(duì)行車安全帶來了較大隱患。為了提高霧區(qū)道路的通行能力，傳統(tǒng)做法是利用主動(dòng)發(fā)光設(shè)備（如黃閃霧燈）對(duì)行駛車輛進(jìn)行引導(dǎo)，其實(shí)現(xiàn)方式相對(duì)單一，對(duì)車輛的提醒未能實(shí)現(xiàn)智能化。本文以貴州省六盤水至威寧高速公路西聯(lián)絡(luò)線引入智能霧燈誘導(dǎo)系統(tǒng)作為應(yīng)用案例，利用信息采集、處理控制等技術(shù)措施，通過道路輪廓識(shí)別、防追尾警示等智能誘導(dǎo)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的車距、車速等智能控制，在有效提高霧天道路通行率的同時(shí)，也可明顯減少交通安全事故。

1 智能霧燈誘導(dǎo)系統(tǒng)組成

智能霧燈誘導(dǎo)系統(tǒng)主要由信息采集、信息傳輸、綜合處理控制、路側(cè)誘導(dǎo)和信息發(fā)布5個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。智能霧燈誘導(dǎo)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 智能霧燈誘導(dǎo)系統(tǒng)示意圖

1.1 信息采集子系統(tǒng)

信息采集子系統(tǒng)主要進(jìn)行區(qū)域內(nèi)能見度值、交通流量、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控等相關(guān)信息采集，為策略的制定提供數(shù)據(jù)支撐，也是執(zhí)行誘導(dǎo)策略的依據(jù)。

1.1.1 氣象信息采集

氣象信息采集的內(nèi)容包括：能見度值、現(xiàn)場(chǎng)視頻等數(shù)據(jù)。其中通過能見度分析儀實(shí)時(shí)獲取的能見度值是該子系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)信息，分析儀將每隔60 s更新能見度值。不同的能見度值經(jīng)控制子系統(tǒng)處理后，可對(duì)路側(cè)誘導(dǎo)設(shè)施、電子限速屏、可變情報(bào)板等設(shè)備發(fā)布相應(yīng)的指令。

1.1.2 交通狀況信息采集

交通狀況信息采集的內(nèi)容包括：交通流量、停車狀態(tài)、行車速度等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的采集是通過高密度布設(shè)的內(nèi)置于路側(cè)誘導(dǎo)設(shè)施中的紅外車檢器對(duì)車輛運(yùn)行軌跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，按照相應(yīng)的數(shù)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)，為各種誘導(dǎo)策略的執(zhí)行提供數(shù)據(jù)支撐[2]。

1.2 信息傳輸子系統(tǒng)

信息傳輸子系統(tǒng)，主要由通信數(shù)據(jù)處理平臺(tái)、高速公路光纖通訊接口、GPRS通訊模塊及數(shù)據(jù)通訊服務(wù)器構(gòu)成，構(gòu)建了綜合處理控制子系統(tǒng)和其他各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互鏈路。

信息傳輸子系統(tǒng)分為2層傳輸結(jié)構(gòu)。第1層，利用光纖構(gòu)建信息采集子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)間的信息交互傳輸通道，用來傳輸信息采集子系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)、發(fā)送對(duì)誘導(dǎo)設(shè)施的控制指令、對(duì)誘導(dǎo)設(shè)施工作狀態(tài)進(jìn)行反饋等，各誘導(dǎo)設(shè)施間的信息交互則利用內(nèi)置于誘導(dǎo)設(shè)施中的通信模塊完成；第2層，利用光纖通信網(wǎng)絡(luò)或GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)霧區(qū)路段與路段監(jiān)控中心間的數(shù)據(jù)通訊。

1.3 綜合處理控制子系統(tǒng)

綜合處理控制子系統(tǒng)，由基于ARM的嵌入式平臺(tái)和霧天行車管理軟件組成，負(fù)責(zé)對(duì)霧區(qū)路段能見度值等霧況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和路側(cè)誘導(dǎo)子系統(tǒng)的控制管理。

該子系統(tǒng)對(duì)采集子系統(tǒng)傳輸上來的交通流量、能見度值等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，同時(shí)與霧天行車管理軟件中預(yù)設(shè)的氣象災(zāi)害類型、程度進(jìn)行對(duì)比匹配后，形成不同的控制預(yù)案，進(jìn)而對(duì)誘導(dǎo)設(shè)施、電子限速標(biāo)志、可變情報(bào)板發(fā)布等前端設(shè)備發(fā)布相應(yīng)的控制指令（如改變誘導(dǎo)設(shè)施的顯示狀態(tài)），控制整個(gè)誘導(dǎo)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1.4 路側(cè)誘導(dǎo)子系統(tǒng)

路側(cè)誘導(dǎo)子系統(tǒng)由控制器、誘導(dǎo)設(shè)施和無(wú)線通訊中繼器組成。

誘導(dǎo)控制器負(fù)責(zé)同監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并根據(jù)指令向誘導(dǎo)設(shè)施發(fā)布各種誘導(dǎo)策略；霧區(qū)誘導(dǎo)設(shè)施由LED誘導(dǎo)燈和車輛檢測(cè)模塊組成，安裝在大霧易發(fā)、頻發(fā)地段道路兩側(cè)的波形防護(hù)欄以及橋梁護(hù)欄上，車輛檢測(cè)模塊是基于C波段的雷達(dá)車輛檢測(cè)器，內(nèi)置于每一個(gè)誘導(dǎo)設(shè)施內(nèi)。

誘導(dǎo)控制器收到監(jiān)控中心控制命令后，向路段兩側(cè)布放的誘導(dǎo)設(shè)施發(fā)出轉(zhuǎn)換數(shù)量、閃爍頻率等指令，誘導(dǎo)設(shè)施通過內(nèi)置紅外線車輛檢測(cè)器檢測(cè)車輛通過狀況，形成前后車輛需要保持的行車安全距離提示（紅色顯示距離），可對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)誘導(dǎo)，從而加強(qiáng)大霧情況下行車安全距離的控制[3]。

1.5 信息發(fā)布子系統(tǒng)

信息發(fā)布子系統(tǒng)由安裝在高速公路上的可變限速標(biāo)志牌、可變情報(bào)板組成。霧天時(shí)，由綜合處理控制子系統(tǒng)對(duì)霧區(qū)路段的能見度值等霧情數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的分析、判斷、預(yù)警，通過信息發(fā)布子系統(tǒng)發(fā)布相應(yīng)警示信息，使駕駛員及時(shí)掌握前方霧況信息，通過實(shí)時(shí)限制車速等控制手段保障行車安全。

2 智能霧燈誘導(dǎo)策略

大霧路段的能見度對(duì)車輛行駛過程中的車距、車速、可視距離等有較大影響。美國(guó)國(guó)家公路與運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì)（AASHTO）和美國(guó)國(guó)家合作公路研究計(jì)劃?rùn)C(jī)構(gòu)（NCHRP）進(jìn)行了停車視距模型分析[4]，模型建立了車輛可視距離、車輛速度和車距三者之間的關(guān)系，兩種停車視距模型分析顯示駕駛員反應(yīng)時(shí)間為2.5 s。在仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于停車視距和交通標(biāo)志識(shí)別距離，并結(jié)合不同道路縱坡，得出了霧天高速公路車距、車速控制值。智能霧燈誘導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效提高車輛在霧區(qū)路段的可視距離，增加駕駛員的反應(yīng)時(shí)間，可有效提醒車輛主動(dòng)控制車距車速。

表1 AASHTO、NCHRP模型結(jié)果對(duì)比

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的使用環(huán)境和管理單位的實(shí)際需求，該系統(tǒng)將可視距離設(shè)定為3個(gè)區(qū)間值，為500 m、300 m和100 m，根據(jù)不同的能見度區(qū)間，可預(yù)設(shè)4種誘導(dǎo)策略，分別為：道路輪廓強(qiáng)化策略、主動(dòng)誘導(dǎo)策略、防追尾警示策略和特情警告策略。

2.1 道路輪廓強(qiáng)化策略

當(dāng)能見度大于500 m情況下，環(huán)境照度低于500 lux時(shí)，該系統(tǒng)執(zhí)行道路輪廓強(qiáng)化策略，主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)設(shè)施呈黃色常亮狀態(tài)，引導(dǎo)車輛前行。道路輪廓強(qiáng)化策略如圖2、圖3所示。

圖2 道路輪廓強(qiáng)化示意圖

圖3 道路輪廓強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)效果圖

2.2 主動(dòng)誘導(dǎo)策略

當(dāng)能見度低于500 m，但大于300 m時(shí)，該系統(tǒng)執(zhí)行主動(dòng)誘導(dǎo)策略，主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)設(shè)施狀態(tài)為黃色同步閃爍（頻率30次/min），可變信息情報(bào)板發(fā)布“限速80 km/h”和“前方能見度低于500 m，請(qǐng)謹(jǐn)慎駕駛”信息，司機(jī)對(duì)誘導(dǎo)光帶的可視距離在550～800 m。主動(dòng)誘導(dǎo)策略如圖4所示。

圖4 主動(dòng)誘導(dǎo)示意圖

2.3 防追尾警示策略

當(dāng)能見度低于300 m，但大于100 m時(shí)，該系統(tǒng)執(zhí)行防追尾警示策略。此時(shí)，誘導(dǎo)設(shè)施顯示為主動(dòng)誘導(dǎo)狀態(tài)，即為黃色同步閃爍（頻率30次/min，占空比1∶1），可變信息標(biāo)志發(fā)布“前方大霧，請(qǐng)跟隨黃色誘導(dǎo)燈行駛”“前方大霧，限速80 km/h，請(qǐng)保持車距”等信息。當(dāng)誘導(dǎo)設(shè)施內(nèi)置的車輛檢測(cè)器檢測(cè)到有車輛通過（車輛通過檢測(cè)斷面）時(shí)，該車輛后方一定數(shù)量的誘導(dǎo)設(shè)施將變?yōu)榧t色同步閃爍狀態(tài)（頻率60次/min，占空比1∶1），形成紅色警示帶。紅色警示帶主要用來控制前后車輛跟馳距離，通常情況下，后面跟隨車輛應(yīng)在黃色誘導(dǎo)設(shè)施的引導(dǎo)下行駛，而不應(yīng)進(jìn)入紅色警示帶，以防跟馳距離太近，引發(fā)追尾事故。警示帶的長(zhǎng)度（即紅色誘導(dǎo)設(shè)施數(shù)量）可根據(jù)能見度以及規(guī)定的安全行車距離進(jìn)行設(shè)定。紅色閃爍結(jié)束后，誘導(dǎo)設(shè)施將恢復(fù)黃色閃爍狀態(tài)。防追尾警示策略如圖5所示。

圖5 防追尾警示示意圖（單位：m）

2.4 特情警告策略

當(dāng)能見度低于100 m時(shí)，該系統(tǒng)執(zhí)行策略與“防追尾警示策略”類似，將執(zhí)行主動(dòng)誘導(dǎo)和防追尾警示策略。在“特情警告策略”觸發(fā)狀態(tài)下，主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)設(shè)施呈紅色同步閃爍（頻率60次/min，占空比1∶1），在“特情警告策略”未觸發(fā)狀態(tài)下，主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)設(shè)施呈黃色同步閃爍，閃爍頻率將加快為60次/min，以進(jìn)一步提高對(duì)駕駛員的感官刺激，給駕駛員充分的警示。

3 工程應(yīng)用

該系統(tǒng)在貴州省六盤水至威寧高速公路西聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，該高速地處云貴高原山區(qū)間，海拔高、環(huán)境濕度大，是大霧、團(tuán)霧的頻發(fā)地帶，也是安全事故易發(fā)路段。結(jié)合該路段運(yùn)營(yíng)狀況及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，最終在龍灘梁隧道至穿巖洞隧道之間（樁號(hào)K5+660—K9+126），以及老寨坪隧道至龍灘梁隧道之間（樁號(hào)K10+182—K11+082），總長(zhǎng)約2 km（全斷面4幅）路段布置智能霧燈誘導(dǎo)設(shè)施。系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)效果如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)效果圖

較之傳統(tǒng)的誘導(dǎo)方式，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：a）實(shí)現(xiàn)了對(duì)霧區(qū)道路（尤其是封閉式高速公路霧區(qū)路段）內(nèi)車輛的安全引導(dǎo)，可有效減少車輛在低能見度時(shí)安全事故的發(fā)生，在山區(qū)高速團(tuán)霧突發(fā)狀況下，道路能見度急速降低，該系統(tǒng)的“道路輪廓強(qiáng)化策略”可使駕駛?cè)藛T在無(wú)法識(shí)別道路標(biāo)線的情況下，依據(jù)路側(cè)誘導(dǎo)設(shè)備發(fā)光形成的“燈帶”，保持在車道內(nèi)安全行駛，可有效避免因可視條件差而誤撞護(hù)欄的交通事故；b）該系統(tǒng)在防追尾模式下，前車經(jīng)過所形成的“紅色警示帶”，可迫使后車駕駛員主動(dòng)調(diào)整車速，實(shí)時(shí)提醒后車應(yīng)與前車保持在黃色誘導(dǎo)設(shè)備所確定的動(dòng)態(tài)安全距離范圍內(nèi)行駛，該系統(tǒng)利用誘導(dǎo)設(shè)備發(fā)出的黃/紅燈光頻閃速率的變化來刺激駕駛?cè)藛T的視覺神經(jīng)，緩解駕駛?cè)藛T疲勞程度，減輕駕駛員霧天行駛的緊張感，可有效防止追尾事故的發(fā)生；c）該系統(tǒng)包含的硬件設(shè)備能見度分析儀、誘導(dǎo)設(shè)備、控制器等均布設(shè)在高速公路兩側(cè)，以道路能見度值和車輛行駛軌跡來進(jìn)行預(yù)警或警示狀態(tài)的分析、判斷和指令控制，具有硬件組成簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)交互量小、易于實(shí)現(xiàn)、可復(fù)制性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

工程應(yīng)用表明，高速公路尤其是山區(qū)高速引入智能霧燈誘導(dǎo)系統(tǒng)后，可有效減少因大霧天引發(fā)的追尾等惡性交通事故，同時(shí)，在團(tuán)霧等極端霧天條件下（能見度不小于50 m），仍能確保高速公路不封路，保持正常通行，保證了高速公路在極端天氣條件下的營(yíng)運(yùn)能力，實(shí)現(xiàn)了霧區(qū)道路行駛車輛由自主安全控制向引導(dǎo)控制的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了道路通行安全、高效化發(fā)展。