一種適用于高速公路的車輛智能霧燈設(shè)計(jì)

王新月 于宏博 付皓天 王嘉曦 孫博宇 王憲彬

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150040）

汽車問世后，惡劣天氣下的行車安全一直是人們十分關(guān)注的話題。低能見度天氣就是一種常見的惡劣天氣，車輛在這種環(huán)境下行駛時(shí)極易發(fā)生交通事故。如在大雨、霧等極易產(chǎn)生低能見度天氣的情況下，交通事故的發(fā)生率是平時(shí)的5倍［1］。因此，我國規(guī)定，在高速公路上行車時(shí)，如果遇到低能見度天氣，駕駛?cè)诵柙诃h(huán)境能見度低于200m時(shí)開啟車輛霧燈，車輛之間需要保持安全車距和安全車速［2］。但是，當(dāng)今社會(huì)上有很多駕駛?cè)嗽诘湍芤姸拳h(huán)境下行車時(shí)不及時(shí)開啟霧燈。王暢［3］等人通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)在能見度低于200m 的高速公路上，僅有不足10%的車輛開啟了霧燈。顯然，這種行為會(huì)引起極大的交通安全隱患。同時(shí)，Caro［4］等發(fā)現(xiàn)駕駛員在濃霧環(huán)境行駛時(shí)會(huì)無意識(shí)地縮短跟車距離。以上研究結(jié)果說明，低能見度環(huán)境下的高速公路追尾事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)較大。因此，基于圖像識(shí)別，設(shè)計(jì)一款在高速公路低能見度下行車時(shí)可自動(dòng)開啟并在危險(xiǎn)跟車距離下警示后車的車輛智能霧燈是十分有必要的，其不僅有助于提高駕駛?cè)嗽诟咚俟废滦熊嚨陌踩院褪孢m性，減少低能見度環(huán)境下交通事故的發(fā)生，還可以很好地降低傳統(tǒng)車輛霧燈的主觀隨意性，簡化駕駛?cè)说牟僮鳌?/p>

1 研究現(xiàn)狀

目前，已有一些學(xué)者提出了車輛智能霧燈的設(shè)計(jì)和研究。張金軍［5］提出了一種前霧燈能夠在夜間車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)自動(dòng)開啟并實(shí)現(xiàn)輔助照明的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)中的前霧燈不能夠在低能見度下開啟和警示，所要達(dá)到的效果與本設(shè)計(jì)不同。劉璐、徐祖澤［6-7］等人所研究的車輛智能照明系統(tǒng)中，分別使用DHT11溫濕度傳感器和顆粒傳感器來檢測外界霧天環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)車輛霧燈的自動(dòng)開啟，但是這兩種檢測的方式對(duì)能見度的檢測精確不夠靈敏和精確，不能夠達(dá)到準(zhǔn)確檢測的效果。李偉東［8］提出了一種基于圖像識(shí)別檢測前方車輛的動(dòng)態(tài)來判斷能見度的霧燈自動(dòng)開啟裝置；玉雄侯［9］提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)通過檢測前方能見度圖像來控制車輛霧燈的自動(dòng)開啟。上述兩種智能霧燈均實(shí)現(xiàn)了利用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)低能見度環(huán)境的檢測從而控制霧燈的開啟，但兩種智能霧燈均沒有閃爍后霧燈警示后車的功能，可能有后車追尾的風(fēng)險(xiǎn)。

2 整體方案設(shè)計(jì)

2.1 裝置結(jié)構(gòu)

車輛智能霧燈主要由3 個(gè)部分組成，其中包括外界環(huán)境檢測部分、控制部分、霧燈部分。車輛智能霧燈的裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。外界環(huán)境檢測部的主要負(fù)責(zé)外界環(huán)境信息的檢測和收集?？刂撇糠种饕?fù)責(zé)對(duì)所收集到的環(huán)境信息進(jìn)行處理、判斷和識(shí)別，從而發(fā)送相關(guān)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)下一部分的控制，該部分的核心是運(yùn)行在內(nèi)部的計(jì)算機(jī)視覺程序，是實(shí)現(xiàn)該裝置中圖像識(shí)別的重要內(nèi)容。霧燈部分是由車輛前后兩組霧燈組成，得到控制部分發(fā)送的指令后，可實(shí)現(xiàn)發(fā)光和閃爍兩種功能。

圖1 車輛智能霧燈的裝置組成

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 樹莓派

本設(shè)計(jì)選取樹莓派（Raspberry Pi）4B 主板作為控制部分的核心模塊，對(duì)所獲取的圖像信息進(jìn)行處理和識(shí)別，并將識(shí)別后的結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)殡娖叫盘?hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)霧燈的控制。

2.2.2 攝像頭

本設(shè)計(jì)選用樹莓派專用的500 萬像素?cái)z像頭，分別安裝于車前和車后，獲取能見度信息和車輛后方信息。

2.2.3 測距傳感器

該車輛智能霧燈需要在霧、霾、雨、雪等低能見度環(huán)境下使用，因此，應(yīng)用于本設(shè)計(jì)的測距傳感器應(yīng)具有響應(yīng)快、方向性好、干擾小、測量范圍廣的特點(diǎn)。通過對(duì)多種測距傳感器進(jìn)行對(duì)比，最終選擇激光測距傳感器作為本設(shè)計(jì)的測距模塊。將激光測距傳感器安裝于車輛后端，獲取后車的距離信息，并將信息傳輸至控制部分。

2.2.4 發(fā)光模塊

區(qū)別于傳統(tǒng)霧燈所使用的鹵素?zé)簦撛O(shè)計(jì)選用LED 燈管作為霧燈的發(fā)光模塊，可以有效地節(jié)省車輛的電力資源，并且不會(huì)過度產(chǎn)生光污染，在達(dá)到所希望的亮度的前提下，能夠節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境的效果。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

車輛智能霧燈所使用的主要關(guān)鍵技術(shù)是基于深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別技術(shù)，包括外界環(huán)境的能見度識(shí)別和車輛識(shí)別均使用該技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為深度學(xué)習(xí)的主要算法之一，已經(jīng)在智能交通的圖像識(shí)別領(lǐng)域有了很好的應(yīng)用效果［10］。因此，此設(shè)計(jì)使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為基于深度學(xué)習(xí)的能見度識(shí)別部分和車輛識(shí)別部分的主要算法［11-12］，并選用計(jì)算消耗小、運(yùn)行速度快而且可以在移動(dòng)端應(yīng)用場景發(fā)揮很好的作用的Efficient Net網(wǎng)絡(luò)模型作為主要學(xué)習(xí)模型。

3 功能實(shí)現(xiàn)

車輛智能霧燈能夠?qū)崿F(xiàn)兩種功能，具體如下。

（1）該車輛智能霧燈通入電源后，自動(dòng)開始收集并識(shí)別前方道路環(huán)境，當(dāng)前方道路環(huán)境處于低能見度環(huán)境下時(shí)，其自動(dòng)開啟。

（2）該智能霧燈開啟后，自主檢測后方是否有車輛，當(dāng)后方有車輛時(shí)，通過對(duì)后車的跟車距離和實(shí)時(shí)車速的綜合分析，并根據(jù)不同的能見度選擇后霧燈閃爍策略，給予后車警示。

兩種功能實(shí)現(xiàn)的工作原理如下。車輛智能霧燈利用控制部分啟用安裝于車輛前方的攝像頭1，該攝像頭1 將拍攝到的前方圖像再次反饋至控制部分，控制部分利用計(jì)算機(jī)視覺判斷外界環(huán)境的能見度情況，隨后將識(shí)別出的環(huán)境能見度情況與4個(gè)能見度等級(jí)進(jìn)行匹配。其中，根據(jù)我國在高速公路上的霧燈使用規(guī)范及車輛安全車距和車速的規(guī)定［2］，本裝置將能見度級(jí)別提前預(yù)設(shè)為4個(gè)，分別為極低、低、較低和正常，與可視距離L 的關(guān)系如表1 所示。當(dāng)識(shí)別出的道路能見度L 低于200m，即能見度等級(jí)為極低、低或較低時(shí)，則自動(dòng)開啟車輛的前后霧燈。

表1 能見度級(jí)別和可視距離L 關(guān)系表

霧燈開啟后，控制部分將啟用安裝于車輛后方的攝像頭2，計(jì)算機(jī)視覺再次對(duì)攝像頭2所收集的后方圖像進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)時(shí)識(shí)別到后方有車輛時(shí)，啟用安裝在車輛尾部的激光測距傳感器進(jìn)行測距，測量出與后車之間距離的第一個(gè)數(shù)值后，啟用裝于本車的速度傳感器進(jìn)行測速，隨后，激光測距傳感器和速度傳感器將同時(shí)以時(shí)間間隔T的檢測速度為來進(jìn)行收集，最后，將所測得的后車的跟車距離和本車的速度進(jìn)行綜合計(jì)算，得到后車的速度。后車速度計(jì)算公式為（其中，假設(shè)傳感器收集的時(shí)間間隔T足夠短）：

此時(shí)，得到了第n次測得的后車跟車距離、本車速度、后車速度及道路能見度后，將這些數(shù)值與后霧燈閃爍策略進(jìn)行比對(duì)。美國國家公路與運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì)（AASHTO）利用停車視距模型建立了道路能見度、車輛速度和車距三者之間的關(guān)系［13］，以上述關(guān)系為基礎(chǔ)，并結(jié)合我國高速公路低能見度行車規(guī)定［2］，車輛智能霧燈預(yù)設(shè)了后霧燈閃爍策略，如表2所示。

表2 后霧燈閃爍策略表

4 軟件設(shè)計(jì)

Open CV可以給該裝置的軟件部分設(shè)計(jì)提供很好的函數(shù)和算法支撐［14］，選擇Raspbian 作為本次樹莓派的操作系統(tǒng)，該車輛智能霧燈總體流程設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 車輛智能霧燈總體流程設(shè)計(jì)圖

5 裝置優(yōu)勢

區(qū)別于傳統(tǒng)的霧燈，上述設(shè)計(jì)的車輛智能霧燈具有以下優(yōu)勢。

5.1 功能優(yōu)勢

該裝置充分運(yùn)用圖像識(shí)別技術(shù)和深度學(xué)習(xí)算法完成對(duì)低能見度環(huán)境的準(zhǔn)確檢測，使車輛霧燈在低能見度下可代替手動(dòng)開啟，達(dá)到自動(dòng)開啟的效果，既保證了駕駛員的行車安全，同時(shí)也有效地降低了因駕駛員不及時(shí)開啟霧燈所導(dǎo)致的交通事故發(fā)生率。同時(shí)，該裝置也充分地考慮到了低能見度天氣追尾事故的多發(fā)性和嚴(yán)重性，給予了后霧燈在不同能見度下的警示策略，使后車可以更加容易地發(fā)現(xiàn)和注意本車，同時(shí)，提醒后車控制行車距離，有效地降低了低能見度環(huán)境下高速公路追尾事故的發(fā)生率。

5.2 技術(shù)優(yōu)勢

該裝置所使用的核心技術(shù)是基于深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別技術(shù)，其作為圖像識(shí)別領(lǐng)域的新興技術(shù)，可達(dá)到較高的識(shí)別準(zhǔn)確率，同時(shí)也具有更細(xì)化的圖像分類能力，從而實(shí)現(xiàn)了該裝置的不同能見度的細(xì)分及更準(zhǔn)確的車輛識(shí)別效果。

5.3 環(huán)境優(yōu)勢

該裝置順應(yīng)了國家對(duì)環(huán)境保護(hù)方面的要求，將LED 燈管作為霧燈部分的發(fā)光模塊，可以實(shí)現(xiàn)以更少的電量達(dá)到相同的發(fā)光效果，減少了電能的消耗和光源的污染，在環(huán)境保護(hù)方面有著相對(duì)優(yōu)勢。

6 結(jié)語

發(fā)展智能交通和改善交通安全作為交通運(yùn)輸行業(yè)的熱點(diǎn)話題一直以來都備受關(guān)注。本文便結(jié)合該熱點(diǎn)話題，基于當(dāng)下高速公路復(fù)雜的交通環(huán)境和出行現(xiàn)狀，提出了一種適用于高速公路的車輛智能霧燈的設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)方案結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)，以多個(gè)傳感器和計(jì)算機(jī)視覺為工具，對(duì)外界能見度環(huán)境和后車的跟車情況進(jìn)行了全方位的檢測和判斷，最終實(shí)現(xiàn)了智能霧燈的自動(dòng)開啟和警示。該車輛智能霧燈可以有效地發(fā)揮其功能，給予消費(fèi)者更加安全、舒適的駕駛環(huán)境，極大程度地降低低能見度天氣下交通事故的發(fā)生率。