基于車路協(xié)同的下穿地道積水監(jiān)測與交通預(yù)警管控系統(tǒng)

摘 要：為解決城市道路下穿地道積水引發(fā)的交通擁堵與安全事故問題，該文基于車路協(xié)同理論，對下穿地道積水監(jiān)測、風(fēng)險預(yù)警、交通誘導(dǎo)和車輛管控開展研究。以四分位數(shù)法分析車輛安全涉水高度數(shù)據(jù)，合理劃分下穿地道積水深度等級?；诜e水劃分等級，結(jié)合現(xiàn)有道路交通設(shè)施，研究下穿地道積水安全預(yù)警防護系統(tǒng)。實現(xiàn)下穿地道積水條件下的交通自動預(yù)警與管控，可以有效預(yù)防高風(fēng)險等級下車輛誤入下穿地道造成安全事故，提升惡劣環(huán)境下的交通安全管理水平。

關(guān)鍵詞：下穿地道；積水監(jiān)測；車路協(xié)同；四分位數(shù)法；交通管控

中圖分類號：P208 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）28-0043-04

Abstract： In order to address the problems of traffic congestion and safety accidents caused by waterlogging in underpassing tunnels of urban roads， based on the vehicle-road synergy theory， research was carried out on waterlogging monitoring， risk warning， traffic guidance， and vehicle control in underpassing tunnels. The data of vehicle safe wading height is analyzed using the quartile method， and the water depth level of underpassing tunnels is reasonably divided. Based on the classification of waterlogging water and combined with existing road traffic facilities， a safety warning and protection system for waterlogging water in underpass tunnels is studied. Realizing automatic traffic warning and control under waterlogging conditions in underpass tunnels can effectively prevent safety accidents caused by vehicles mistakenly entering underpass tunnels at high-risk levels， and improve the level of traffic safety management in harsh environments.

Keywords： underpass tunnel; waterlogging monitoring; vehicle-road coordination; quartile method; traffic control

隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市化進程不斷加快，城市道路系統(tǒng)的建設(shè)也趨于多元化，在穿越鐵路、高等級道路等節(jié)點性工程中，建設(shè)了大量的城市下穿地道。下穿地道的建設(shè)對溝通區(qū)域交通，改善與緩解地區(qū)的交通擁堵起到了至關(guān)重要的作用。但近年來隨著氣候變暖，暴雨、洪澇等自然災(zāi)害頻發(fā)，因地道積水影響交通通行以致人員傷亡的事件時有發(fā)生。2012年北京“7.21”特大暴雨，京港澳高速公路出京方向南崗?fù)蓁F路橋下積水嚴(yán)重，有81輛汽車被困；2013年河北邢臺市沙河下起暴雨，地道橋下積水淹沒轎車，一家三口不幸遇難；2021年7·20鄭州特大暴雨中，鄭州市多處下穿地道車輛淹沒熄火后，造成大面積交通癱瘓。針對下穿地道積水問題，陳春梅等[1]利用數(shù)字圖像處理理論，采用超聲波檢測及物聯(lián)網(wǎng)等無線傳輸技術(shù)，搭建了路面與橋涵積水監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，提高了積水預(yù)警的實時性和準(zhǔn)確性。孫永尚等[2]針對城市積水問題，在宏觀層面通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了城市積水信息的快速預(yù)警與統(tǒng)計、查詢技術(shù)。

綜上所述，現(xiàn)有研究往往局限于道路狀態(tài)，忽略了車輛與交通設(shè)施，車輛與車輛之間相關(guān)因素對城市道路積水問題的影響，缺少對車、路、環(huán)境的協(xié)同。本文基于車路協(xié)同理論，以水位傳感器與控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，合理劃分車輛涉水等級，結(jié)合道路交通安全防護設(shè)施與交通誘導(dǎo)裝置，建立城市下穿地道積水安全預(yù)警防護系統(tǒng)，從交通預(yù)警和管控方面實現(xiàn)車輛與道路交通設(shè)施之間的協(xié)同管控，為預(yù)防城市下穿地道積水造成的交通突發(fā)事故提供新方案。

1 積水深度預(yù)警等級劃分研究

積水深度預(yù)警等級劃分是開展交通預(yù)警及管控的基礎(chǔ)研究。為保證道路的通行效率與車輛的行駛安全，綜合考慮汽車水滑效應(yīng)與涉水能力，需進行積水深度多級劃分，靈活、高效保障道路交通安全。判斷汽車能否安全駛過積水內(nèi)澇區(qū)域，需要測試車輛的最大涉水深度。由于純電動汽車在外觀設(shè)計與動力組成等方面與燃油汽車有較大區(qū)別，需綜合考慮燃油汽車與純電動汽車2種車型，最終取最不利數(shù)值作為劃分依據(jù)。

燃油車輛涉水能力主要取決于3個關(guān)鍵參數(shù)：車輛排氣管高度、車輛最小離地間隙、發(fā)動機進氣口高度。燃油汽車前臉上通常會設(shè)有進氣口，主要為水箱通風(fēng)散熱和發(fā)動機進氣助燃而設(shè)計[3]。最小離地間隙定義為車輛滿載的情況下，其底盤最突出部位與水平地面的距離。排氣管是汽車零部件的重要組成部分，其主要作用是減震降噪和延長排氣消聲系統(tǒng)的壽命，排氣不順會導(dǎo)致發(fā)動機受損[4]。

在車內(nèi)安裝蓄電池的純電動汽車通常情況下不需要使用水冷系統(tǒng)，為了減少空氣阻力一般會采取將車頭中央的主進氣口封閉或者直接取消主進氣口的方法，純電動汽車是采用蓄電池作為能源，其行駛過程中不像燃油汽車一樣產(chǎn)生尾氣，因此一般不設(shè)計排氣管。針對電動汽車底盤蓄電池組浸水問題，我國主流電動汽車蓄電池已達到IP67等級，即在常溫常壓下外殼整體最多可浸在1 m深的水中半小時，不會產(chǎn)生有害影響，能夠繼續(xù)使用。

綜合純電動汽車與燃油汽車的具體設(shè)計，純電動汽車最大涉水深度高于燃油汽車，在綜合考慮車輛涉水深度時，以燃油汽車涉水狀況作為分級標(biāo)準(zhǔn)。針對燃油汽車積水深度預(yù)警等級劃分，本文綜合燃油汽車車身尺寸及具體構(gòu)造，考慮汽車在一定車速下，涉水行駛時引起的流體力學(xué)等問題，使用“最大最小決策準(zhǔn)則”方法，確定積水深度預(yù)警等級劃分為預(yù)警與管制2個等級，為了得到最利于駕駛安全的積水深度預(yù)警等級，收集并得出最合理的預(yù)警等級與管制等級數(shù)值，選擇將涉水能力較弱的家用緊湊級車和小型車作為研究對象，涉水能力較強的大型車輛不納入考慮范疇。

對于預(yù)警等級，通過查閱駕考規(guī)定得出，在小于等于10 cm深的涉水路面行駛時，需要考慮行駛中隨著車輛運行的速度，會產(chǎn)生水波、飛濺等導(dǎo)致動力電池艙及電動機進水漏電等可能因素，車輛應(yīng)以不超過20 km/h的速度行駛，當(dāng)行駛道路路面積水大于等于10 cm時，應(yīng)以不超過15 km/h的速度行駛。因此，通過相關(guān)研究，綜合考慮汽車在濕滑路面的水滑效應(yīng)、水波、飛濺等問題，預(yù)警響應(yīng)閾值選取10 cm，預(yù)警誘導(dǎo)措施為“車輛限速15 km/h”。

對于管制等級，在實際系統(tǒng)設(shè)計時，采用1/2車輪為燃油車輛涉水臨界值，并且令該臨界值作為管制級數(shù)，不同車輛一般具有不同的1/2輪徑，針對不同車型，分為轎車和SUV兩大汽車種類，具體車型1/2輪徑、最大涉水深度統(tǒng)計部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。通過調(diào)查統(tǒng)計，最大涉水深度SUV車型整體大于普通轎車，為最大限度保障車輛運行安全，管制級數(shù)的選取以普通車型作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

對表1中的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，選取平均值與中位數(shù)，研究系統(tǒng)設(shè)計中管制等級下的積水深度，數(shù)據(jù)樣本1/2輪徑平均數(shù)為26.99 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.526。為判斷樣本數(shù)據(jù)平均數(shù)的代表性，利用四分位數(shù)方法分析樣本數(shù)據(jù)異常值與離散點，程序運行結(jié)果表明樣本數(shù)據(jù)未檢測到離散值，因此，樣本數(shù)據(jù)的平均值受離群點影響較小，平均值能夠較好地代表統(tǒng)計數(shù)據(jù)平均水平。同時為最大限度保證不同車型下穿地道涉水安全行駛及系統(tǒng)設(shè)計的普適性，將平均數(shù)向下取整，選取26 cm為管制等級下的水位深度。

綜上分析，下穿地道積水等級劃分為預(yù)警等級和管制等級2個交通管理等級。當(dāng)積水深度超過10 cm時，觸發(fā)預(yù)警等級，交通限速15 km/h。當(dāng)積水深度超過26 cm時，觸發(fā)管制等級，禁止通行，以保障下穿地道積水路段行駛車輛的通行安全。

2 系統(tǒng)組成

下穿地道積水安全預(yù)警防護系統(tǒng)由積水深度監(jiān)測子系統(tǒng)、交通安全防護子系統(tǒng)、交通誘導(dǎo)子系統(tǒng)組成。3個子系統(tǒng)協(xié)同合作，提高交通管控與誘導(dǎo)效率，保證車輛的通行安全。

2.1 積水深度監(jiān)測子系統(tǒng)

積水深度監(jiān)測子系統(tǒng)主要以積水監(jiān)測裝置為主體，積水監(jiān)測裝置的核心器件是由單片機、Wi-Fi通信模塊與浮球水位傳感器組成。將該裝置安裝在下穿地道最低處一側(cè)的墻體上，2個浮球水位傳感器上下順序排列，分別距下方水平地面10、26 cm。通過積水監(jiān)測裝置監(jiān)測進入容器的積水水位，當(dāng)積水接觸到浮球水位傳感器時，浮球水位傳感器漂浮在水面上，該傳感器會隨水位的變化而上下移動，從而得到水信號，水信號傳至控制器進行信息轉(zhuǎn)換，經(jīng)過與既定數(shù)據(jù)的比對轉(zhuǎn)換為電信號進行輸出，輸出的電信號經(jīng)過單片機處理后通過Wi-Fi通信模塊傳至云端，從而做到準(zhǔn)確有效預(yù)警。裝置利用連通器原理，頂部設(shè)有通氣孔以平衡裝置內(nèi)外壓強，底部有網(wǎng)絡(luò)狀濾網(wǎng)，防止裝置因水中雜質(zhì)堵塞，保障水流通暢的進入裝置。

遇到暴雨天氣時，若地道內(nèi)排水不暢，逐漸形成積水。積水水面不斷升高，接觸積水監(jiān)測裝置，積水通過裝置下方進入裝置，浮球水位傳感器檢測到水深位置達到10或26 cm，從而觸發(fā)相應(yīng)的預(yù)警系統(tǒng)響應(yīng)。

積水監(jiān)測裝置運用簡單的原理設(shè)計了可以準(zhǔn)確測量積水水位是否到達預(yù)警級別的裝置。該裝置受溫度影響小，檢測精度高，所測數(shù)值范圍足夠用來進行積水水深預(yù)警，同時對正常道路交通影響小，成本低，適用的場景多，適合大范圍推廣使用，為下穿地道暴雨內(nèi)澇風(fēng)險預(yù)警提供支撐。

2.2 交通安全防護子系統(tǒng)

交通安全防護子系統(tǒng)側(cè)重于汽車強制性管理，通過電動限高架對積水深度超過管制級數(shù)的下穿地道實施禁行，實現(xiàn)交通靜態(tài)管理。

電動限高架是在原有傳統(tǒng)限高架的基礎(chǔ)上改進，在原基礎(chǔ)上增設(shè)可升降的擋車桿，該擋車桿通常由金屬材料支撐，具有足夠的強度和耐久性以承受車輛的沖擊。交通安全防護子系統(tǒng)接收到積水深度監(jiān)測子系統(tǒng)通過Wi-Fi通信模塊發(fā)出的積水信息后，根據(jù)提前設(shè)定的自動化程序，不同的積水深度對應(yīng)著不同的擋車桿高度，擋車桿則由電動馬達提供動力自動調(diào)節(jié)升降高度，并在電子顯示屏上顯示不同的警示內(nèi)容和相對應(yīng)的語音提示。同時擋車桿配備了安全裝置，該裝置可以在緊急情況下停止擋車桿的運動，以防止危險的發(fā)生。

結(jié)合CJJ 221—2015《城市地下道路工程設(shè)計規(guī)范》，電動限高架安置在距離下穿地道的上一個交叉口下游的120 m處，假如下穿地道與上一個交叉口距離小于120 m，則將電動限高架安裝在下穿地道縱斷面變坡點。同時，設(shè)置限高標(biāo)志時，除在限制地點設(shè)置外，還應(yīng)在限制地點上游交叉路口的出口處提前設(shè)置。智能電子顯示屏安置于進入下穿地道的電動限高架橫梁上；聲光一體的安全預(yù)警加強裝置包含一個太陽能紅藍警示燈及一個語音提示裝置，同樣安置在限高架橫梁上，起警示的作用。當(dāng)下穿地道積水深度達到對應(yīng)觸發(fā)水位預(yù)警等級10 cm、管制等級26 cm時，將會觸發(fā)相應(yīng)的預(yù)警防護響應(yīng)。

2.3 交通誘導(dǎo)子系統(tǒng)

交通誘導(dǎo)子系統(tǒng)側(cè)重于汽車引導(dǎo)性控制，通過交通警示牌、紅藍警示燈、限高牌等一系列設(shè)施，為駕駛員提供下穿地道積水信息，同時規(guī)范駕駛員限速行駛，引導(dǎo)車輛安全、高效駛出下穿地道，避免交通事故及交通擁堵的發(fā)生，實現(xiàn)交通動態(tài)管理。

為確保駕駛?cè)颂崆傲私庀麓┑氐琅c交通安全防護預(yù)警的存在信息，設(shè)置醒目的警告標(biāo)志。安裝電動限高架后，將LED顯示屏安裝在電動限高架頂部，通過不同水位進行不同限高限速信息顯示，誘導(dǎo)駕駛?cè)搜杆僮鞒鲰憫?yīng)。同時在該下穿地道的上一個交叉口的適當(dāng)位置設(shè)置相應(yīng)的LED顯示屏，提供限高、限速信息，以便車輛整體高度超過標(biāo)志所指示的高度時駕駛員能夠駕駛車輛提前繞行。紅藍警示燈與積水監(jiān)測裝置相連，積水到達一定高度時，紅藍警示燈亮起，引起駕駛?cè)说淖⒁?，配合電動限高架完成涉水路段交通管理與控制任務(wù)。電動限高架及其他管制附屬設(shè)施均采用太陽能電池供電，能源清潔無污染。

駕駛?cè)烁鶕?jù)交通誘導(dǎo)子系統(tǒng)的信息，注意到電動限高架升降桿的升降，可以選擇掉頭折返或是減速慢行。同時道路兩側(cè)安置的太陽能紅藍警示燈閃爍，語音提示裝置播放語音，加強預(yù)警效果，確保信息的可達性。各子系統(tǒng)相互配合實現(xiàn)積水監(jiān)測與預(yù)警的自動化和智能化。

3 系統(tǒng)運行機制

積水監(jiān)測裝置設(shè)置在下穿地道地勢最低洼處，路面積水滲入積水監(jiān)測裝置，水面與監(jiān)測裝置內(nèi)滲入積水的水面齊平，積水監(jiān)測裝置內(nèi)設(shè)有兩級水位觸發(fā)式開關(guān)并與交通安全防護子系統(tǒng)相聯(lián)，交通安全防護裝置主要由可升降式的電動限高架構(gòu)成，設(shè)置于下穿地道前。交通誘導(dǎo)子系統(tǒng)包括交通標(biāo)志和預(yù)警裝置。交通標(biāo)志是設(shè)置于距離下穿地道100 m處的警告標(biāo)志，標(biāo)明“前方地道易積水，注意交通標(biāo)志引導(dǎo)”字樣；預(yù)警裝置包括設(shè)置于下穿地道前的電動限高架橫梁上的LED顯示屏、太陽能紅藍警示燈及語音提示裝置。

積水水深到達10 cm時觸發(fā)水位預(yù)警等級開關(guān)，交通安全防護子系統(tǒng)響應(yīng)一級警報，LED顯示屏上顯示“地道積水，限速15 km/h”字樣，紅藍警示燈亮起，語音播報“前方積水，限速15 km/h”，從視覺和聽覺2方面彌補駕駛員惡劣天氣外界信息接受能力減弱的狀況，加強預(yù)警效果；若積水持續(xù)增加，水深達到26 cm時觸發(fā)水位管制等級開關(guān)，交通安全防護子系統(tǒng)響應(yīng)二級警報，電動限高架升降桿下降至距離地面0.8 m的高度，LED顯示屏上顯示“地道積水，車輛禁行”字樣，紅藍警示燈持續(xù)閃爍，語音播報“前方積水過深，車輛禁行”，禁止車輛進入下穿地道；積水經(jīng)過處理，水平面下降至10～26 cm，積水觸發(fā)水位預(yù)警等級開關(guān)，安全防護子系統(tǒng)響應(yīng)一級防護，電動限高架升降桿上升至原限高位置，LED顯示屏顯示“地道積水，限速15 km/h”字樣，紅藍警示燈閃爍，語音播報“前方積水，限速15 km/h”；水平面下降至10 cm以下時，安全防護子系統(tǒng)關(guān)閉，LED顯示屏顯示下穿地道原限速，紅藍警示燈關(guān)閉，語音提示裝置關(guān)閉，車輛按原限速通過下穿地道。系統(tǒng)運行機制如圖1所示。

4 結(jié)束語

研究針對城市下穿地道積水造成交通擁堵及安全事故問題，基于車路協(xié)同理論，提出了完整的交通智能化管理措施，實現(xiàn)了車輛與道路設(shè)施之間的信息交互與車輛管控。基于兩級積水等級的積水深度監(jiān)測子系統(tǒng)與交通安全防護子系統(tǒng)、交通誘導(dǎo)子系統(tǒng)相互配合實現(xiàn)積水監(jiān)測與預(yù)警管制的自動化。安置于電動限高架上的管控升降擋車桿與積水監(jiān)測裝置緊密結(jié)合，結(jié)合完善的交通誘導(dǎo)子系統(tǒng)，能有效規(guī)避交通事故風(fēng)險。系統(tǒng)主要特點是通過設(shè)置在道路上的積水監(jiān)測裝置，對道路環(huán)境信息進行精確采集和實時傳輸，將信息準(zhǔn)確傳入安全預(yù)警防護裝置，針對道路積水深度，自動實行交通管理操作，最大優(yōu)點是可以實現(xiàn)危險狀態(tài)下完全杜絕車輛誤入下穿地道。由人工服務(wù)轉(zhuǎn)為自動化實時服務(wù)，實現(xiàn)道路交通管理智慧發(fā)展。從總體來看，系統(tǒng)產(chǎn)品成本低、運行原理簡明、功能全面有效。未來可通過采用先進的無線通信和新一代互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，全方位實施車與車、車與路動態(tài)實時信息交互，并在全時空動態(tài)交通信息采集與融合的基礎(chǔ)上開展車輛主動安全控制和道路協(xié)同管理，充分實現(xiàn)人、車、路及環(huán)境的有效協(xié)同，保證交通安全，提高通行效率，形成安全、高效、環(huán)保的道路交通系統(tǒng)。

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