高速公路施工區(qū)防闖入主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

于會(huì)江 李曉琦 胡帥

摘 要：高速公路施工占用路段的車道數(shù)和車道寬度減少，需要車輛在施工上游進(jìn)行換道，易造成該路段擁堵，嚴(yán)重時(shí)可能誘發(fā)交通事故。因此為保證高速路施工路段維修人員及駕駛?cè)说陌踩?，研發(fā)出施工區(qū)防闖入主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)分析毫米波雷達(dá)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)描述車輛行駛軌跡，并采用滾動(dòng)動(dòng)態(tài)窗格的方法剔除虛假目標(biāo)，并對(duì)車輛軌跡進(jìn)行了短期預(yù)測(cè)，建立了早期預(yù)警機(jī)制。在車輛存在闖入意圖時(shí)對(duì)施工人員進(jìn)行及時(shí)疏散，這對(duì)于降低施工區(qū)交通事故率及事故后的生命財(cái)產(chǎn)損失具有重要意義。

關(guān)鍵詞：主動(dòng)預(yù)警;數(shù)據(jù)采集;剔除假目標(biāo);滑動(dòng)軌跡窗格;施工區(qū)

中圖分類號(hào)：U495? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2022）09-0097-04

0 引言

由于車輛沖入施工區(qū)造成駕駛員和施工人員受傷的案例數(shù)不勝數(shù)。2020年9月，在東呂高速發(fā)生一起交通事故，一名高速公路施工人員被撞傷;2015年1月17日，一輛溫州牌照的白色路虎車闖入諸永高速溫州施工區(qū)，致1名施工人員受傷;2013年8月7日，一輛本田轎車途經(jīng)S33松陽(yáng)段時(shí)，斜插進(jìn)施工區(qū)，致后排乘客死亡;2013年7月18日，一輛重型牽引車在京臺(tái)高速徐州段闖入施工區(qū)，致2人死亡。

隨著車輛闖入高速公路施工區(qū)安全事故的頻頻報(bào)道，高速公路施工區(qū)防闖入問(wèn)題已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。于英等人利用概率統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)高速公路施工的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究如何科學(xué)合理地使用和布設(shè)交通安全設(shè)施，組織最優(yōu)安全施工，提出養(yǎng)護(hù)施工安全對(duì)策和措施，力求減少養(yǎng)護(hù)施工對(duì)道路交通的影響，確保道路養(yǎng)護(hù)施工安全[1]。孟祥海等人通過(guò)采集和分析處理高速公路半幅封閉施工區(qū)和單向超車道封閉施工區(qū)合流段和施工區(qū)段的車型，車速，車頭時(shí)距等基于車輛個(gè)體的交通參數(shù)數(shù)據(jù)，提出了基于避免碰撞時(shí)間（TTC）的追尾沖突數(shù)計(jì)算方法和基于避免碰撞減速度（DRAC）的追尾風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算方法[2]。王延博利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建云-邊-端一體架構(gòu)的施工安全預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了施工現(xiàn)場(chǎng)海量信息的實(shí)時(shí)獲取以及數(shù)據(jù)共享，施工現(xiàn)場(chǎng)安全的動(dòng)態(tài)、智能預(yù)警[3]。鄧超將ZigBee技術(shù)和BIM技術(shù)集成應(yīng)用于工程施工安全預(yù)警管理中，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種實(shí)時(shí)的施工安全預(yù)警系統(tǒng)，將以人為主的管理方式轉(zhuǎn)變而以人網(wǎng)結(jié)合的監(jiān)管方式，提高了監(jiān)管效率，有效地降低了事故發(fā)生率[4]。吳彪等人以交通流平均速度，平均車道占有率及速度變異系數(shù)等宏觀交通流參數(shù)表征施工區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)。綜合考慮通行能力和交通安全等因素，給出4種高速公路施工區(qū)提前警告區(qū)域限速標(biāo)志設(shè)置方案。4車道高速公路行車道封閉養(yǎng)護(hù)施工時(shí)，提前警告區(qū)在原60 km/h限速標(biāo)志的基礎(chǔ)上，增設(shè)80 km/h限速標(biāo)志的方案較為有效[5]。Qin Jian et al提出了一種對(duì)鐵路施工人員和車輛進(jìn)行預(yù)警的軟硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)車輛與工人之間的距離進(jìn)行預(yù)警[6]。Zhong Hua et al設(shè)計(jì)了一種基于紅外的建筑工作區(qū)預(yù)警系統(tǒng)，這是一種測(cè)試和通信方面比較傳統(tǒng)的入侵檢測(cè)系統(tǒng)[7]。Je Jin Park通過(guò)虛擬駕駛模擬器和駕駛員偏好調(diào)查，發(fā)現(xiàn)73%的被調(diào)查者偏好熒光橙色的導(dǎo)向標(biāo)志，其研究結(jié)果為保證高速公路和一般道路上道路作業(yè)區(qū)的交通安全，提高交通流效率，預(yù)防交通事故提供了有效數(shù)據(jù)[8]。

針對(duì)施工區(qū)上游車輛行駛速度高、車流量大、且存在駕駛?cè)似诜中牡痊F(xiàn)狀，在有齊全警戒、提示標(biāo)志的條件下，以保證交通安全和施工安全為目標(biāo)，提出一種高速路施工區(qū)防闖入主動(dòng)預(yù)警裝備，識(shí)別可能沖入施工區(qū)的上游車輛，在施工區(qū)上游對(duì)駕駛?cè)诉M(jìn)行預(yù)警，并將車輛闖入施工區(qū)意圖信息提供給道路施工人員，降低高速公路過(guò)往車輛闖入施工區(qū)發(fā)生交通事故的概率。

1 系統(tǒng)硬件

施工區(qū)防闖入主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，主要應(yīng)用于高速公路施工區(qū)，將雷達(dá)與聲光報(bào)警器1置于施工區(qū)上游200 m處，施工區(qū)放置報(bào)警器2，雷達(dá)可以持續(xù)監(jiān)測(cè)上游車輛的速度、距離、車道等信息，并通過(guò)算法分析車輛是否具有沖入施工區(qū)的可能，如果有，便會(huì)及時(shí)通過(guò)報(bào)警器2提醒施工人員進(jìn)行撤離，同時(shí)報(bào)警器1也會(huì)提醒駕駛員謹(jǐn)慎駕駛，注意前方施工區(qū)。本系統(tǒng)裝置主要由毫米波電子掃描雷達(dá)（ESR）、嵌入式工控機(jī)、聲光報(bào)警器、鋰離子移動(dòng)電源、CAN總線服務(wù)器、RS485總線服務(wù)器和穩(wěn)壓電路組成。利用ESR采集施工區(qū)占用車道上游車輛運(yùn)動(dòng)信息，并對(duì)目標(biāo)車輛的速度、距離、車道等信息進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)可能沖入施工區(qū)域的車輛。對(duì)施工人員進(jìn)行疏散，減少施工區(qū)發(fā)生交通事故的概率。同時(shí)，當(dāng)高速公路上發(fā)生交通事故時(shí)，若不能及時(shí)提醒后方車輛進(jìn)行避讓，很容易發(fā)生二次事故，造成更加嚴(yán)重的后果。當(dāng)發(fā)生輕微事故時(shí)，將本產(chǎn)品置于事故現(xiàn)場(chǎng)上游，來(lái)提醒上游車輛司機(jī)前方發(fā)生事故，注意避讓，從而減少二次事故的發(fā)生。

高速公路車輛闖入施工區(qū)智能預(yù)警系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、報(bào)警數(shù)據(jù)輸出模塊等五個(gè)模塊組成。這五個(gè)模塊合稱為系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)架構(gòu)包括硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)如圖1所示。

施工區(qū)防闖入主動(dòng)預(yù)警實(shí)物在行李箱中的擺放位置關(guān)系如圖2所示：移動(dòng)電源輸出220 V給穩(wěn)壓電源、工控機(jī)和顯示器，開(kāi)關(guān)電源輸出12 V給CAN服務(wù)器和毫米波雷達(dá);毫米波雷達(dá)輸出端口接入CAN服務(wù)器的CAN1接口端，CAN服務(wù)器的以太網(wǎng)端接入工控機(jī);當(dāng)識(shí)別出車輛存在闖入風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，工控機(jī)通過(guò)485服務(wù)器向報(bào)警器發(fā)送指令生成控制策略，控制策略驅(qū)動(dòng)高功率喇叭預(yù)警和爆閃警示燈向駕駛?cè)撕褪┕と藛T發(fā)送預(yù)警信息。

探測(cè)障礙物的ESR是高頻電子掃描雷達(dá)，發(fā)射波段為76～77 GHz，同時(shí)具有中距離（Middle Range）和遠(yuǎn)距離（Long Range）的掃描能力，體積大小為：130 mm×90 mm×39 mm。ESR雷達(dá)測(cè)量范圍包括短距離（角度范圍±45°，測(cè)距60 m）和長(zhǎng)距離（角度范圍±10°，測(cè)距175 m）兩種，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)的連續(xù)追蹤，且其對(duì)煙塵、霧擁有較強(qiáng)穿透能力。單個(gè)ESR雷達(dá)可提供中距離寬覆蓋范圍和高分辨率長(zhǎng)距離功能，中距離寬視角不僅可以發(fā)現(xiàn)鄰近車道側(cè)向切入的車輛，而且可以識(shí)別交叉在大車間的車輛和行人。長(zhǎng)距離可提供精確的距離和速度數(shù)據(jù)，強(qiáng)大的目標(biāo)區(qū)分能力，最多可識(shí)別64個(gè)目標(biāo)。

語(yǔ)音報(bào)警器本身自帶12個(gè)報(bào)警音調(diào)，可根據(jù)報(bào)警器放置的不同場(chǎng)景選擇不同的報(bào)警內(nèi)容。通過(guò)USB添加或更換MP3語(yǔ)音文件，需將報(bào)警器通過(guò)USB接線和電腦連接，共有30級(jí)音量，最高可達(dá)120 dB報(bào)警音量，聲音傳播范圍廣，報(bào)警效果好，可在室外使用密封性較好防水防震。LED燈柱節(jié)能減耗使用壽命長(zhǎng)久，可使用廠家配置的遙控器調(diào)節(jié)音量大小，也可以在python上編寫(xiě)的報(bào)警指令控制音量閃爍燈，如指令01 10 00 10 00 05 0A 00 03 00 10 01 02 00 02 02 01 0C 68含義為設(shè)置警示燈和報(bào)警音打開(kāi)，音量為 16 級(jí)，第1個(gè)文件夾第2曲目，單曲同步播放，警示燈爆閃。

CAN通訊協(xié)議主要描述設(shè)備之間的信息傳遞方式。CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)設(shè)備是一款CAN與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)與工控機(jī)的數(shù)據(jù)通信。其內(nèi)部集成了兩路CAN接口和一路EtherNet接口以及TCP/IP 協(xié)議棧。使用戶可以輕松完成 CAN-bus網(wǎng)絡(luò)和EtherNet網(wǎng)絡(luò)的互連互通，進(jìn)一步拓展CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的范圍。CANET200在實(shí)現(xiàn)CAN與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)上增加一路串口功能。該串口獨(dú)立于CAN工作，可以實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備與以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交互。串口為RS485通信方式，通信距離更遠(yuǎn)，傳輸能力更強(qiáng)。

2 系統(tǒng)軟件

2.1 數(shù)據(jù)采集

通過(guò)查閱ESR雷達(dá)說(shuō)明之后，利用Python軟件初步完成了對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的顯示程序，并連接好設(shè)備進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，可以顯示采集的原始雷達(dá)數(shù)據(jù)如圖3所示。由于采用多普勒測(cè)速原理，默認(rèn)的速度值會(huì)有一個(gè)很小的波動(dòng)值。CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)設(shè)定的端口并等待TCP/IP客戶端連接。CAN設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)將通過(guò)CAN設(shè)備透明傳輸給所有鏈接成功的客戶端。

在毫米波雷達(dá)采集數(shù)據(jù)前需將CANET200網(wǎng)口用網(wǎng)線連接電腦網(wǎng)口，電腦IP和USR-CANET200的IP設(shè)置同一網(wǎng)段。CANET200默認(rèn)IP是192.168.0.7。因此電腦設(shè)置靜態(tài)IP：192.168.0.X，其中X在100～200間取值，子網(wǎng)掩碼 255.255.255.0，網(wǎng)關(guān)192.168.0.1。用CANET200設(shè)置CAN服務(wù)器的配置參數(shù)。圖4表示毫米波雷達(dá)接收數(shù)據(jù)流程圖。

2.2 數(shù)據(jù)處理

首先，使用CANalyst-II分析儀，查找數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中是否存在丟失或其他問(wèn)題，通過(guò)USB連接線將CANalyst-II分析儀與PC的USB接口相連，運(yùn)行工具軟件USB-CAN Tool.exe測(cè)試程序，測(cè)試之后并沒(méi)有找到問(wèn)題。

然后，為了排除雷達(dá)本身有問(wèn)題，另外又換了激光雷達(dá)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果基本沒(méi)有變化，之后又聯(lián)系了雷達(dá)公司的技術(shù)人員，討論交流了遇到的困難，在其幫助下，使用了ESR-DV可以清晰的觀察到雷達(dá)所測(cè)到的車輛目標(biāo)，其中矩形框表示觀察到的目標(biāo)，白色矩形框表示靜止的車輛目標(biāo)，紅色矩形框表示駛來(lái)的目標(biāo)，綠色矩形框表示離去的目標(biāo)，將觀察到的目標(biāo)ID，相對(duì)速度、距離、角度輸出到視圖窗口下面，可以方便實(shí)時(shí)觀察輸出的數(shù)據(jù)是否符合道路上車輛經(jīng)過(guò)的實(shí)際情況。

根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)解析代碼的計(jì)算公式，以速度字段為例，將16進(jìn)制的雷達(dá)原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成常用的10進(jìn)制數(shù)。

2.3 決策控制

施工區(qū)防闖入智能預(yù)警裝備中的毫米波雷達(dá)采集施工區(qū)上游200 m內(nèi)道路上車輛與預(yù)警裝備之間的相對(duì)速度、距離和角度信息，從而獲取車輛的行駛軌跡。然后使用預(yù)警算法來(lái)確定它是否為入侵，是否應(yīng)向工人發(fā)出警告，算法計(jì)算檢測(cè)到的車輛在行駛軌跡內(nèi)的平均加速度。根據(jù)車輛在當(dāng)前時(shí)刻的橫向位置，判斷車輛所在的車道是否為施工封閉的車道。若車輛所在的車道是施工封閉的車道，則根據(jù)車輛行駛軌跡，判斷車輛是否存在沖入施工區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)。若車輛所在的車道不是施工封閉的車道，即車輛在可通行車道上行駛。若存在車輛闖入風(fēng)險(xiǎn)，則啟動(dòng)語(yǔ)音告警和爆閃警示燈，快速疏散施工人員。如果沒(méi)有，工人就不會(huì)得到警報(bào)。

獲取道路上某一車輛的行駛軌跡，并計(jì)算該車輛在所述行駛軌跡內(nèi)的平均加速度an，按照式（1）進(jìn)行：

（1）

其中，車輛在tn時(shí)刻的位置為（xn，yn），車速為vn;在下一時(shí)刻t'n的位置為（x'n，y'n），車速為v'n。

計(jì)算車輛距離所述風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模塊的縱向距離和橫向距離，如式（2）所示：

（2）

其中，xn為車輛距離毫米波雷達(dá)的縱向距離，yn為車輛距離毫米波雷達(dá)的橫向距離;d為車輛距離毫米波雷達(dá)的距離，α為車輛與毫米波雷達(dá)的夾角;然后根據(jù)車輛與車道邊界的橫向距離，和與高速公路施工區(qū)防闖入智能預(yù)警裝備的縱向距離，判斷車輛在道路中所處的車道是否為施工封閉車道。

行駛在封閉車道上游的車輛，其闖入施工區(qū)的意圖可通過(guò)下述條件研判：

當(dāng)車速vn超過(guò)80 km/h，與毫米波雷達(dá)的縱向距離xn<120 m，xn<-TTC*vn時(shí)，認(rèn)為該車輛存在沖入施工區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn);在本文中TTC為施工區(qū)從施工區(qū)跑到安全區(qū)所需時(shí)間閾值，TTC越短，施工人應(yīng)急反應(yīng)越快，碰撞可能性越小。

（3）

其中l(wèi)為車身長(zhǎng)度，m。

高速公路施工區(qū)防闖入智能預(yù)警裝備對(duì)施工區(qū)作業(yè)人員的預(yù)警，如圖5所示，按照如下步驟進(jìn)行。

3 系統(tǒng)測(cè)試

購(gòu)置系統(tǒng)所需配件，包括用于語(yǔ)音告警的報(bào)警器，方便室外實(shí)驗(yàn)測(cè)試的大功率移動(dòng)電源，設(shè)計(jì)購(gòu)置安裝已有設(shè)備的置物架以及行李箱等，再根據(jù)高音喇叭協(xié)議編制報(bào)警程序以及界面顯示程序，并在南校區(qū)東院校門口馬路旁做了初步實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可以監(jiān)測(cè)到路過(guò)車輛，并且當(dāng)車輛速度達(dá)到一定值時(shí)可以驅(qū)動(dòng)報(bào)警器報(bào)警。在路邊測(cè)試時(shí)，界面可以顯示目標(biāo)的距離、速度和角度，其中目標(biāo)0和目標(biāo)1的速度分別為81.91 m/s和-0.05 m/s，可以判斷為假目標(biāo)，不會(huì)觸發(fā)報(bào)警器報(bào)警，其中64個(gè)目標(biāo)都可以通過(guò)界面按鈕設(shè)置觀察到它們的距離、速度和角度，目標(biāo)的距離、速度和角度的變化可以通過(guò)圖像曲線實(shí)時(shí)觀察到。

對(duì)界面程序進(jìn)行了優(yōu)化，使得整體更加美觀，且能更直觀的顯示實(shí)測(cè)所得到的信息。但路測(cè)時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，高音喇叭在報(bào)警時(shí)，其在界面上的顯示有出入，對(duì)于檢測(cè)到需要報(bào)警的ID，在“是否真實(shí)目標(biāo)”和“是否報(bào)警”欄中不能同時(shí)顯示“Yes”，于是對(duì)界面程序進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化處理，優(yōu)化后該問(wèn)題得到了解決，并且能在采集數(shù)據(jù)過(guò)程中可以實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換到有效目標(biāo)的界面，觀察探測(cè)到的有效目標(biāo)的距離，速度和角度。

4 結(jié)語(yǔ)

高速公路車輛闖入施工區(qū)智能預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)地將雷達(dá)檢測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)解析、虛假目標(biāo)的剔除和真目標(biāo)軌跡的關(guān)聯(lián)、主動(dòng)安全預(yù)警算法和語(yǔ)音播報(bào)結(jié)合起來(lái)為高速公路維互施工人員提供安全保障。后期研究將提升預(yù)警設(shè)備的智能化程度，能夠識(shí)別車輛緊急換道意圖。

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