基于主动行车安全的智能诱导系统在多雾山区高速公路上的应用

张春声

(广东省公路建设有限公司， 广州 510623)

0 引言

高速公路遇多雾异常特殊天气时，极易发生交通事故，尤其局部路段出现浓雾的危险性更是许多重大安全事故的诱因。从正常路段高速驶入浓雾区，由于能见度的突变，视野变得迷糊，交通警示标志和防护栏难以辩识，驾驶者很容易发生判断和操作失误，引起追尾、碰撞护栏等交通事故。根据运营高速公路事故统计，雾区高速往往成为事故多发或频发路段，因多雾影响导致多车连续追尾的重大交通事故时有发生。目前，大多数雾区路段仅采取在路侧增加“雨雾天气、谨慎驾驶”等警示标志，无法对雾区路段进行主动管控。

基于主动行车安全的智能诱导系统通过路侧气象站获取天气状况，结合车辆检测器获取的雾区路段车流量数据进行分析，在出现能见度低于阈值、事故、拥堵等状况时在监控中心平台自动发起告警，并联动视频投屏。监控人员确认后，可选择预案启动设备联动，通过雾灯诱导系统强化道路轮廓、诱导车辆安全行驶，并通过情报板、广播系统向过往司乘人员进行交通信息提示和交通管控,可有效降低通行雾区高速公路的风险。

1 系统设计

智能诱导系统前端设备(主要是气象检测器、能见度检测器、透雾摄像枪、雷达事件检测、车检器等)通过对高速公路雨、雪、雾、冰等恶劣天气全方位、立体式的检测，检测数据经通信网络传输至路段监控平台，进行数据分析和处理。结合雾区路段交通运行状况，系统平台自动调用策略对前端设备进行控制，当发生紧急情况时，采取全面的应对措施，如交通诱导、信号控制、广播警示、行车高速警告等外场设施综合联动，达到雾区通行安全主动预防的效果(图1)。

图1 雾区路段智能诱导系统工作流程

1.1 系统构成

智能诱导系统由前端数据采集设备(主要是气象检测器、能见度检测器、透雾摄像枪、雷达事件检测、车检器等)、信息发布设备(智能诱导雾灯、语音广播系统、情报板等)、数据分析处理系统(雾区监控子系统)、通信传输系统等构成(图2)。

图2 雾区路段智能诱导系统构成

1.2 系统关键设备与选型

1.2.1 外场摄像机

建议采用数字、光学双重透雾功能，摄像机自动探测能见度，低于一定阈值时先启动数字透雾(图像彩色)，数字透雾时会根据图像雾感适当增强或减弱除雾强度，当达到数字透雾能力极限，图像雾感仍较重时，自动切换为光学透雾(图像黑白)，雾区路段尽量按照1km设置1处进行全覆盖。

1.2.2 气象检测器

气象检测器主要包括气象状况检测探头、数据处理单元、通信控制单元、供电单元。可实时监测能见度、风速风向、雨量、大气压等天气状况。

1.2.3 车辆检测器

采用雷达车辆检测器或微波车辆检测器，可获取车流量、车速、停车、逆行、行人等交通流信息和异常事件。也可以利用主线ETC门架对断面车流、车速等运行状况进行采集。

1.2.4 情报板

按照500m设1处门架式情报板或悬臂式情报板，用于显示前方交通状况和预警信息。

1.2.5 广播系统

结合高速公路已有的语音广播系统平台，在雾区路段适当增加有线广播终端，可用于交通状况的语音提示和预警。

1.2.6 智能诱导雾灯

智能诱导雾灯按照间距30m设1处，安装在路侧护栏或单独设置立柱。如有道路照明，尽量与路灯同杆布设。根据公路物理边界条件(行车道宽度、路肩、护栏和标线等)、车辆通行状况(车速、跟车有效间距)、天气状况(能见度、风速、降雨量、温度等)，通过智能诱导雾灯，根据不同工况发出的红、黄信号及不同闪烁频率，帮助提醒司机安全行驶，降低特殊路况和天气下交通事故的发生。应具备以下主要功能：

(1)行车安全诱导功能：雾区安全行车主动诱导、全程同步闪烁、同步闪烁频率可变、动态尾迹显示、尾迹可控、尾迹透雾显示、事故碰撞、施工/事故警示。

(2)无线通信功能：设备间无线通讯、抗损毁。

(3)远程控制功能：上位控制系统与外场设备间的无线通讯、外场流动人员与设备的交互。可根据实时道路天气环境，本地自动联动控制，也具有远程和现场手动控制(手动遥控器)的功能。

1.3 系统主要功能需求

1.3.1 雾灯诱导模式[1]

根据《雾天公路行车安全诱导装置》(JT/T 1032-2016)标准要求，诱导装置组成的诱导系统应具有道路轮廓强化模式、行车主动诱导模式、防止追尾警示模式等工作模式。诱导装置供电要求具备供电容错，当任一诱导装置出现损毁、丢失、自身故障等情形时，不应影响其他诱导装置的正常运行。当电网掉电或者断电时，诱导装置正常工作时间不低于 72h。

1.3.2 碰撞检测

当车辆撞击到护栏时，护栏会产生振动，撞击点附近的智能诱导装置检测到振动事件并上传至预处理器，由预处理器研判碰撞事故的发生，同时上报事件到监控中心告警，此地疑似有事故发生。

1.3.3 视频自动检测

具备交通事件检测和交通参数检测功能。利用以深度学习为核心的视频处理技术及核心算法，对前端设备采集的视频图像进行实时分析，实现对车辆停驶、拥堵、逆行、行人穿越及抛洒物等交通事件的自动检测、报警、传输、记录等功能。可对气象和地质灾害等道路环境变化进行实时检测和报警，并将数据通过网络上传至数据库服务器、综合管理平台以及其它上端系统，为道路交通管理者提供数据依据。

1.4 雾灯诱导系统运行模式

图3为智能诱导雾灯运行流程。

图3 智能诱导雾灯运行流程

根据能见度检测数据，精确判断浓雾程度是否影响行车视距，在交通流正常状况，结合能见度设定的阈值[2]，分别启用行车主动诱导、防止追尾警示、道路轮廓强化等模式。拥堵或发生交通事故时，同步启用限速、信息发布等联动措施。

1.4.1 道路轮廓强化模式

用于能见度大于500m轻雾或雨雾工况，诱导灯启用黄灯常亮，提醒驾驶员注意路侧边缘，避免车辆驶出路侧引起事故(图4)。

图4 道路轮廓强化模式

1.4.2 行车主动诱导模式

能见度低于设定的阈值可能会影响行车安全时，诱导灯启用黄灯并同步闪烁，提醒驾驶员注意路侧边缘并适当控制好车速，避免车辆驶出路侧引起事故(图5)。

图5 行车主动诱导模式

1.4.3 防止追尾警示模式

能见度低于设定的阈值会严重影响行车时，通过触发和点亮上游诱导装置的红色警示灯，形成红色尾迹(一般在120m范围内)来警示当前车辆的前方有车辆，从而提醒司机保持安全的行车距离(图6)。

图6 防止追尾警示模式

2 应用案例分析

云茂高速公路位于广东省罗定市、信宜市及高州市，路线起点位于罗定市围底镇，设置寻龙枢纽立交与罗阳高速公路相接，终于高州市荷花镇，与广西浦北至北流(清湾)公路工程对接，主线全长129.816km。项目黄楼隧道至竹瓦林隧道属于雾区路段，且处于长下坡和桥隧结合路段。根据竹瓦岭隧道进口气象站全年24h的监测数据，雨雾天气发生较多，约占全年1/3。该项目主体工程建设的同时，选取一处浓雾最严重的区段 K52+650 至 K59+825实施诱导系统，将雾区预警预报作为监控一体化平台系统的一个子系统纳入管理。细化预警预报子系统结构，充分利用现有建设期气象检测器设备，实现整体联动，核减能见度检测器数量。通过开发云茂高速公路雾区监控子系统平台，针对不同等级制定不同的联动预案，基本实现对雾区行车主动诱导和辅助营运管理的功能。

2.1 系统总体架构

云茂高速公路雾区监控系统主要由基础层、数据访问层、应用支持层、业务应用层、用户访问层等组成。系统总体结构如图7所示。

图7 云茂高速公路雾区监控系统结构

2.1.1 基础设备及数据采集层

通过高速公路沿线布设环境监测设备、监控视频设备、车检器等设施，用于监测和采集路面视频、车流量及车速、气象环境等数据。

2.1.2 网络层

网络层一般指高速公路内部业务专网，一般采用 MSTP 综合业务接入网方案和SDH干线传输网方案，是高速公路收费数据、视频传输通道。具备统一的协议和标准，实现监控一体化平台软件的信息汇聚和交换，为数据管理、业务应用等提供网络通信保障。

2.1.3 服务应用层

以业务处理为导向和数据流向为维度，主要包括GIS地理信息系统、交通监控、综合视频管理、交通事件管理、高可分可视化、设施设备管理、数据分析等子系统，通过数据分析和处理，提供控制策略对外场信息发布或路侧诱导灯等设备进行控制，从而对交通进行有效管控。

2.1.4 界面层

界面层面向营运部门和相关用户，提供PC端、大屏端的一体化操作平台。

2.2 主要技术路线

(1)系统具备开放性和拓展性：采用B/S模式，使用JAVA框架完成开发，方便其他关键子系统接入和系统拓展。

(2)信息多源化和可靠性：通过对外接口获取气象台数据、对内实时收集路侧气象检测仪，多维度分析数据，确保准确对雾区气象数据进行检测和判断。

(3)人机友好型界的系统集成：操作使用的便捷性。采取GIS地理信息系统方式进行GIS应用开发，GIS引擎使用开源地图。以平面和卫星GIS地图展示路段所辖区域的路网、路况及相关的地理信息，并提供个性化的业务集成。以事件全方位进程信息展示，以及处理动作、视频回放、信息发布及可变信息标识运行状态展示、交通流量监测及展示、气象监测等。

图8 雾区诱导系统3D展示

2.3 云茂高速公路雾区监控子系统平台

系统平台以地图界面为操作主页，对雾区路段的气象站、摄像枪、车检器、路侧诱导灯等设施进行管理，设定并配置预警、预测等参数，管理数据(主要是对气象、现场视频的数据采集和处理)，结合监控子系统平台算法进行数据统计和分析，判断预警级别并启用相应策略和预案，及时通过监控人员确认后进行信息对外发布或通过路侧情报板、广播显示相关预警信息。

图9 云茂高速公路雾区监控子系统平台操作界面

3 结语

通过建立针对多雾山区高速公路的智能诱导系统，利用高速公路已有的监控摄像枪、车检器、气象检测器等设施和路段监控平台，对路侧诱导灯的闪烁频率和颜色进行控制，通过路侧情报板、广播进行信息发布，实时对行驶的车辆进行预警和主动诱导，提升极端天气下高速行车的道路感知能力，实现了路与车信息交互，是智能交通感知网络在雾区山区高速公路应用的探索。实践表明，降低了雾区高速公路因能见度不足引起的交通事件发生概率，取得了雾区通行安全主动预防的效果。