基于毫米波雷達(dá)的高速公路交通路況感知與安全預(yù)警系統(tǒng)

摘要：文章介紹了一種基于毫米波雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高速公路交通路況感知與安全預(yù)警系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案。該方案具備對(duì)道路車輛行駛狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、行駛安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、安全預(yù)警與信息發(fā)布等功能，達(dá)到了提升高速公路運(yùn)營(yíng)管理水平與服務(wù)能力，降低道路突發(fā)路況引起的交通安全事故發(fā)生概率的目的。

關(guān)鍵詞：高速公路；毫米波雷達(dá)；路況感知；道路安全預(yù)警

中文分類號(hào)：U491.1+4A622074

0引言

交通出行安全一直以來(lái)都是人們最關(guān)心的問(wèn)題之一，更是交通運(yùn)輸管理部門日常管理工作的重心。隨著我國(guó)公路路網(wǎng)建設(shè)的基本形成與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的持續(xù)增長(zhǎng)，道路交通運(yùn)輸服務(wù)保障能力逐漸飽和，交通出行需求日益增長(zhǎng)，交通擁堵、惡劣天氣等原因引發(fā)的交通事故隨之增多，交通安全形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，公路上發(fā)生的事故多為會(huì)車事故、超車事故、停車事故、彎道事故和追尾事故等，且最容易造成人員死亡［1］。由于高速公路的特性，當(dāng)發(fā)生事故后，若后方車輛存在超載、車速過(guò)快、視線受氣候影響、事故現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置警戒不當(dāng)?shù)仍?，往往還會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的二次事故發(fā)生。因此，設(shè)計(jì)出一套可以實(shí)時(shí)掌握道路路況信息，并能夠?qū)Φ缆沸旭傊械能囕v進(jìn)行有效預(yù)警與引導(dǎo)，避免路況突變使司機(jī)無(wú)法提前預(yù)知并及時(shí)采取避讓措施導(dǎo)致交通意外事故發(fā)生的交通安全管理預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)保障高速公路行車安全順暢，提升道路運(yùn)營(yíng)管理水平與救援效率，為民眾出行提供優(yōu)質(zhì)的通行服務(wù)等方面有著十分現(xiàn)實(shí)的意義。

在智慧交通的發(fā)展背景下，學(xué)者們對(duì)交通事故智能預(yù)警系統(tǒng)、交通事故應(yīng)急處理平臺(tái)等方面開(kāi)展了研究與應(yīng)用，并取得了較好的效果。文金朝等［2］根據(jù)光的干涉原理和Φ-OTDR原理，提出一種基于光纜振動(dòng)的高速公路護(hù)欄碰撞告警方法，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出高速公路護(hù)欄碰撞告警系統(tǒng)，碰撞點(diǎn)定位檢測(cè)誤差為10 m范圍內(nèi)。農(nóng)昭光等［3］提出了一套適應(yīng)廣西雨霧特殊天氣條件，具有能見(jiàn)度檢測(cè)、智能誘導(dǎo)、多元化控制、無(wú)人值守等功能的高速公路霧天智能誘導(dǎo)系統(tǒng)，增加高速公路雨霧天氣行車安全性和舒適性，降低事故發(fā)生概率。

綜上，學(xué)者們?cè)诮煌ㄊ鹿蕶z測(cè)與預(yù)警引導(dǎo)方面做了較廣泛的研究，但在獲取交通事故前的路況信息，并對(duì)潛在危險(xiǎn)隱患進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析、安全預(yù)警，主動(dòng)預(yù)防事故發(fā)生的技術(shù)處理方面存在不足。因此，本文提出了一種基于毫米波雷達(dá)的高速公路交通路況感知與安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)在道路兩側(cè)分布式安裝防撞護(hù)欄，可準(zhǔn)確檢測(cè)到車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的毫米波雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)高速公路車輛通行路況信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，并通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器建立的道路安全風(fēng)險(xiǎn)模型進(jìn)行路況數(shù)據(jù)處理與安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以及道路安全實(shí)時(shí)監(jiān)管與預(yù)測(cè)，同時(shí)與高速公路設(shè)置的信息情報(bào)板、道路輪廓誘導(dǎo)指示燈進(jìn)行聯(lián)動(dòng)預(yù)警，及時(shí)提醒司乘人員注意，從而有效避免交通意外事故發(fā)生，保證道路的行車安全與暢通。

1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

高速公路交通路況感知與安全預(yù)警系統(tǒng)主要由安裝在公路護(hù)欄兩側(cè)的分布式毫米波雷達(dá)路況監(jiān)測(cè)單元、路況信息發(fā)布與預(yù)警系統(tǒng)單元、后臺(tái)管理系統(tǒng)軟件單元等構(gòu)成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

1.1交通路況感知單元

交通路況感知單元主要分布設(shè)置在道路兩側(cè)護(hù)欄上，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通路況的感知監(jiān)測(cè)。目前，公路交通路況監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括交通流量、交通擁堵、交通路面狀態(tài)、光線條件、氣候狀況等信息集合［4］。這些信息可以通過(guò)交通流量計(jì)、氣象儀、能見(jiàn)度測(cè)試儀等儀器設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)判斷，其技術(shù)方案也較為成熟完善，在高速公路建設(shè)項(xiàng)目中已得到了較為廣泛的應(yīng)用?？紤]到交通事故多發(fā)的路段往往是車輛由快速路駛?cè)霌矶戮徯械穆范危缭训莱鋈肟诼范?、事故擁堵、違停等路段。因此，車道上的車輛行駛狀態(tài)是交通路況感知的重要參數(shù)，是道路安全預(yù)警的重要評(píng)判指標(biāo)。車輛狀態(tài)可以通過(guò)地感線圈、地磁、毫米波雷達(dá)、視頻、紅外線等［5］進(jìn)行檢測(cè)。地感線圈、地磁檢測(cè)精度較高，但需要破壞路面，施工及維護(hù)成本較高；視頻與紅外容易受光線和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境氣候的影響，對(duì)安裝位置要求較高；毫米波雷達(dá)在霧、雪、雨等常見(jiàn)天氣下均能正常工作，即使在比較惡劣的環(huán)境下也能保持一定的性能水平，且安裝調(diào)試方式簡(jiǎn)單。因此，采用毫米波雷達(dá)對(duì)車道車輛狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)交通路況狀態(tài)的感知較其他路況檢測(cè)傳感器有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

1.2路況發(fā)布與預(yù)警單元

路況發(fā)布與預(yù)警單元主要用于提醒司乘人員前方路段路況信息，起到警示的作用。實(shí)現(xiàn)方式包括分布式聯(lián)網(wǎng)LED誘導(dǎo)指示燈、道路LED可變情報(bào)板、道路語(yǔ)音廣播、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公眾號(hào)等載體。

1.3系統(tǒng)管理軟件單元

系統(tǒng)管理軟件單元設(shè)置在監(jiān)控中心，由數(shù)據(jù)服務(wù)器、路況信息顯示大屏及系統(tǒng)管理軟件等組成，是整個(gè)系統(tǒng)的大腦中樞。系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器在獲取道路交通路況感知單元傳輸回來(lái)的路況信息數(shù)據(jù)后，通過(guò)建立的風(fēng)險(xiǎn)分析模型，對(duì)系統(tǒng)路網(wǎng)的交通流量進(jìn)行計(jì)算與擁堵風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)分析。路況信息顯示大屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前路況信息與發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)路況信息數(shù)據(jù)的可視化功能。系統(tǒng)管理軟件主要提供對(duì)路段上的交通路況感知單元、路況發(fā)布與預(yù)警單元進(jìn)行注冊(cè)管理，并根據(jù)管理預(yù)案進(jìn)行路況預(yù)警信息的編輯與發(fā)布。

2系統(tǒng)的硬件實(shí)施方案

由上述系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案可知，系統(tǒng)硬件主要由交通路況感知單元、路況信息發(fā)布與預(yù)警單元兩大部分?？紤]到氣象檢測(cè)儀、道路LED可變情報(bào)板、道路語(yǔ)音廣播系統(tǒng)為高速公路已建系統(tǒng)，為避免重復(fù)投資，系統(tǒng)軟件只需與其完成進(jìn)行數(shù)據(jù)接口聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制功能即可，無(wú)須再另行設(shè)計(jì)。因此，硬件設(shè)備只需設(shè)計(jì)毫米波雷達(dá)交通路況感知部分與LED誘導(dǎo)指示燈部分。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理如圖2所示。由于LED誘導(dǎo)指示燈與雷達(dá)感知處理電路分布式安裝在道路兩側(cè)護(hù)欄上，為方便系統(tǒng)的安裝與維護(hù)，故將二者一體化集成設(shè)計(jì)。

2.1毫米波雷達(dá)模塊

為提高道路路況檢查范圍，降低投資建設(shè)成本，系統(tǒng)采用24 G的FMCW毫米波雷達(dá)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。該雷達(dá)模塊采用鋸齒波調(diào)制方式，對(duì)檢測(cè)目標(biāo)擁有較高的距離分辨率和速度分辨率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)或者靜態(tài)的機(jī)動(dòng)車進(jìn)行快速捕獲與觸發(fā)，并可通過(guò)模塊自帶的串口輸出檢測(cè)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的距離與速度，數(shù)據(jù)檢測(cè)周期為10 Hz，檢測(cè)距離≥20 m，最多可同時(shí)檢測(cè)24個(gè)目標(biāo)車輛，發(fā)射功率為3 db時(shí)，垂直視角24°，水平視角80°，功耗為0.68 W，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)道路車輛狀態(tài)檢測(cè)的路況感知功能。由于雷達(dá)模塊與控制電路為一體化設(shè)計(jì)，為了簡(jiǎn)化電路、降低成本，本方案選用TTL接口的異步串口通信的雷達(dá)模塊。模塊實(shí)物圖及與MCU的電路接口如圖3所示。

2.2RGB三色LED燈組

LED燈組由紅綠藍(lán)三種顏色的LED燈芯片組成，通過(guò)調(diào)節(jié)各芯片的灰度值可控制告警誘導(dǎo)燈的顏色。為了提高警示效果，降低電路功耗，LED燈組還需進(jìn)行菲尼爾透鏡的外殼設(shè)計(jì)。RGB三色燈組采用LED PWM專用驅(qū)動(dòng)芯片HTR3236進(jìn)行設(shè)計(jì)。HTR3236為一款36路的PWM型的LED驅(qū)動(dòng)芯片，通過(guò)I2C接口與MCU控制器進(jìn)行通信，單路可實(shí)現(xiàn)256級(jí)的LED燈灰度控制。電路中分別選用12顆高亮的紅綠藍(lán)LED組成三色矩陣，通過(guò)HTR3236輸出的PWM值實(shí)現(xiàn)紅黃綠橙藍(lán)多種告警顏色。

2.3語(yǔ)音播報(bào)電路模塊

語(yǔ)音播報(bào)電路模塊主要用于播報(bào)監(jiān)控中心下發(fā)的語(yǔ)音告警信息，為了方便今后對(duì)系統(tǒng)的擴(kuò)展升級(jí)，語(yǔ)音播報(bào)電路采用TTS語(yǔ)音引擎的語(yǔ)音合成芯片SYN6658進(jìn)行設(shè)計(jì)，語(yǔ)音芯片通過(guò)SPI接口接收待合成的文本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)文本信息到語(yǔ)音信號(hào)播放轉(zhuǎn)換。

2.44G通信模塊

4G通信模塊采用了SIM800C GSM/GPRS無(wú)線通信，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件與系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)器軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換通信的功能，通過(guò)異步串行接口與主控MCU進(jìn)行連接，采用AT控制指令完成移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)接入與數(shù)據(jù)傳輸功能，具有操作控制簡(jiǎn)單，通信速度快、網(wǎng)絡(luò)頻譜寬、通信靈活等特點(diǎn)。

2.5MCU系統(tǒng)電路模塊

本設(shè)計(jì)方案采用的MCU芯片為主流的STM32f10x系列32位嵌入式CUP，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)硬件子模塊的工作邏輯、執(zhí)行系統(tǒng)軟件操作命令，是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)MCU軟件設(shè)計(jì)工作主流程如圖4所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用前后端分離的架構(gòu)，方便系統(tǒng)的升級(jí)與維護(hù)。系統(tǒng)軟件的功能框架如圖5所示。前端為用戶操作處理軟件，主要是完成用戶對(duì)系統(tǒng)的信息配置與管理功能；后臺(tái)軟件功能主要是建立與硬件設(shè)備、服務(wù)公眾號(hào)平臺(tái)的數(shù)據(jù)接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與設(shè)備控制指令發(fā)送，同時(shí)將接收到的路況信息數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)類型進(jìn)行分析計(jì)算，識(shí)別當(dāng)前風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與發(fā)展趨勢(shì)，并將結(jié)果反映至前端軟件，根據(jù)前端軟件設(shè)置的風(fēng)險(xiǎn)控制策略內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的控制。

4系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵是雷達(dá)對(duì)道路感知的能力。為此，通過(guò)在試驗(yàn)路段安裝樣機(jī)分別進(jìn)行如下內(nèi)容的檢測(cè)試驗(yàn)。

4.1系統(tǒng)目標(biāo)檢測(cè)能力測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)分別記錄了無(wú)車存在至同時(shí)存在5輛車的情景數(shù)據(jù)，每種情景數(shù)據(jù)記錄10組。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)出現(xiàn)了2次多捕獲、1次少捕獲的記錄，準(zhǔn)確率為95%。[JP]多捕獲的情景均為區(qū)域內(nèi)的大貨車檢測(cè)出2個(gè)目標(biāo)，少捕獲則是發(fā)生在大貨車與小車并行通過(guò)檢測(cè)區(qū)域?qū)е侣z，見(jiàn)下頁(yè)表1。

4.2系統(tǒng)目標(biāo)位置檢測(cè)能力測(cè)試

車輛分別位于應(yīng)急車道、行車道1、行車道2、超車道時(shí)，記錄系統(tǒng)檢測(cè)出目標(biāo)的車道位置數(shù)據(jù)，如下頁(yè)表2所示。目標(biāo)車輛所在的車道位置是通過(guò)雷達(dá)測(cè)量目標(biāo)與模塊之間的距離進(jìn)行計(jì)算判斷的，記錄數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率100%，說(shuō)明方案中雷達(dá)模塊的測(cè)距精度可以滿足方案要求。

4.3系統(tǒng)目標(biāo)速度檢測(cè)能力測(cè)試

控制測(cè)試車輛時(shí)速，分別以5～120 km/h，間隔5 km的時(shí)速通過(guò)測(cè)試點(diǎn)雷達(dá)檢測(cè)區(qū)域，并記錄系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)，如下頁(yè)表3所示。通過(guò)表3測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：雷達(dá)在低速區(qū)域的測(cè)速精度較低，當(dāng)測(cè)量速度低于30 km/h時(shí)，測(cè)速精度低于0.9；雷達(dá)在高速區(qū)域的測(cè)速精度較高，當(dāng)速度達(dá)到55 km/h以上時(shí)，測(cè)速精度可以達(dá)到0.99。

綜合上述測(cè)試數(shù)據(jù)可見(jiàn)，系統(tǒng)在目標(biāo)檢測(cè)、位置定位性能方面表現(xiàn)較好，但受到遮擋時(shí)會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果。在速度檢測(cè)方面，30 km/h以下的低速測(cè)速結(jié)果不夠理想，測(cè)速精度均低于0.9。鑒于本方案的雷達(dá)檢測(cè)主要用于檢測(cè)道路是否擁堵，當(dāng)車流速度較低時(shí)，測(cè)速精度對(duì)判斷系統(tǒng)是否擁堵影響不大，因此系統(tǒng)所選的雷達(dá)模塊性能可以滿足設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)語(yǔ)

高速公路交通路況感知與安全預(yù)警系統(tǒng)主要通過(guò)獲取道路車輛動(dòng)態(tài)的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行路況分析與預(yù)測(cè)，并對(duì)道路行車安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與信息進(jìn)行發(fā)布，及時(shí)告知司乘人員注意前方交通路況變化，能夠有效地避免因路況突變處置不及時(shí)而引發(fā)的交通事故。該系統(tǒng)已在南友高速公路吳圩段開(kāi)展應(yīng)用測(cè)試，成效良好。該系統(tǒng)的性能具備優(yōu)化升級(jí)的空間，設(shè)計(jì)方案具備成本低、項(xiàng)目安裝部署簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)用雷達(dá)感知路況應(yīng)用方面具備一定的參考價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：馬品成（1986—），工程師，主要從事高速公路機(jī)電工程建設(shè)與管理工作。