柔性预警多功能道路限高装置的设计

杨伊欣,董安婷,胡亚南,白愉涵

(西京学院,西安 710000)

0 引言

随着机动车保有量的持续增大,为保护道路设施、管道、电缆、桥梁及车辆安全,需实施交通分流管制,并设置限高装置。目前,限高装置往往存在结构简单、功能单一、智能化程度低的问题,时常导致交通事故,引起人员伤亡和财产损失[1-2]。基于互联网、人工智能及图像识别、超声波测量技术,设计了一款柔性预警多功能道路限高装置。利用超声波测量技术,提前测量交通车辆高度,利用图像识别技术,获取车辆区域信息,实现预测、预警信息的生成,通过现场闪爆灯、LED显示屏等辅助装置,直观、显式地呈现信息。该装置利用互联网技术与车辆导航系统对接,进行提前预警和提示,通过自动控制系统对限高装置和限高时间进行自动调整,以太阳能发电技术进行能源供给,解决了供电困难区域的设备安装问题,故此装置自动化程度高,具有预警和预测提醒功能、辅助导航规划、显式直观报警灯优势,能够极大地避免因限高而导致的交通事故、堵塞、人员伤亡、设备损坏等问题的发生,也节省了维修费用。

1 柔性限高装置的组成

公路限高装置由设备控制器、限高标志牌、限高提示牌、超声波探测装置、爆闪灯、LED显示屏、无线传输装置、太阳能供电系统、设备升降装置、高清探头等组成,主要利用多段超声波垂直检测装置和高清探头获取检测信息,判断车辆高度,设备控制器依据测量信息控制闪爆灯、LED显示屏进场工作[3-4]。利用互联网技术,借助高速通信,与导航系统分享数据,在车辆行驶路线规划中进行信息预警和提示,依据道路限高时段和限高要求,自动调节限高架高度和报警状态。实景现场使用中,若无车辆通行超声波探测限高架,探测器处于休眠状态,爆闪灯及LED显示屏无接收信号同样处于休眠状态。未超高车辆通过超声波探测限高架时,探测器测量车辆高度未超高,不发送信号,LED显示屏不显示信息,爆闪灯不闪烁,车辆安全通行。超高车辆通过时,探测器测量出车辆超高,发送信息,LED接收信号显示信息,同时闪爆灯开始闪烁动作以警示驾驶员。

图1 柔性限高架示意图Fig.1 Sketch map of flexible height limit device

2 柔性限高装置的优势

道路限高架的作用是阻拦、限制超高车辆通行,以防护桥梁、管道等基础设施并进行交通管制。传统的道路限高架存在的主要问题是结构单一、固定,不利于交通管制、限流;缺少提升功能,不能实现提前预测、预警及显示,因天气、驾驶人员个人因素无法及时发现限高装置,容易导致交通事故;功能单一,不具备图像识别功能,不便于应急、急救、抢险及特殊车辆根据需求快速通行;自重较大,结构笨重,一旦发生碰撞,对汽车和限高装置损坏较大[5]。

柔性限高装置综合运用自动化技术、互联网技术、图像识别技术、超声波检测技术和智能控制算法,具有以下优势:①通过超声波检测和图像识别,实现了提前预测、预警功能,通过闪爆灯、LED显示屏等辅助装置,可直观、清楚提醒超高车辆,避免驾驶人员因粗心、大意、发现不及时等导致车辆与限高装置相撞。②通过自动控制技术,实现限高架的自动升降功能,可按照需求对限高架的高度进行调节,便于急救、抢险、应急及特殊车辆的快速通行。③通过远程控制技术和自动升降功能,实现远程分时段、分区域、分状况的交通管制与车辆分流。④通过图像识别和远程诊断功能,实现事故车辆的追踪和限高架设备运行状态检测。⑤利用限高架远程控制和数据交互系统,实现远程设备控制、故障检测及与交管部门的数据对接。该装置能够极大程度避免因限高、限流而导致的交通事故、交通堵塞、人员伤亡、设备损坏等,节约因设备损坏而产生的维修费用,为交通出行和管理提供便捷。

3 柔性限高装置控制系统设计

如图2所示,柔性限高装置控制系统主要包括超声波探测装置、现场警示装置、自动升降装置、无线通信装置、摄像拍照及图像处理装置。

图2 柔性限高装置控制系统示意图Fig.2 Sketch map of control system of flexible limit device

限高架警示系统主要包括闪爆灯、LED显示屏,进行文字提醒及传递扩音喇叭声音,在距限高装置50 m、30 m处的道路两侧分别安装等高的红外线传感器,两侧分别为接收端和反射端,当行驶车辆未超高时,接收端能够按照一定的频率接收到发射端声波信号,现场报警装置处于休眠状态;当行驶车辆超高时,超声波信号被车辆阻断,接收端无法收到超声信号,现场发出警示提示。

限高架自动升降装置系统可实现就地、远程分时段、分区域、分状况的交通管制与车辆分流。目前,我国道路限高装置一般为固定式或人工半固定式,不利于交通管制和交通分流。本研究提出的自动升降装置通过步进电机驱动、螺纹连杆驱动等方式,实现了限高架在2～4.5 m的高度调节。在高峰阶段通过降低限高架高度对车辆限流,缓解交通压力,在夜晚、低峰阶段节,可调高限高装置便于出行,在紧急状况下,可使消防车、救护车、特种作业车及紧急车辆快速通行,增强了车辆管理的柔性。

图像和视频采集系统主要通过高清摄像机和辅助光源对过往车辆进行拍照或录像,用于车辆识别和违法数据获取,将其存储于主机内并远程传输到集控中心,便于交通执法部门对车辆进行处理和拦截。

图像处理系统。车牌信息采集主要通过高清相机获取车辆图片,利用图像识别和分割技术确定车牌信息。对相机采集照片进行尺寸固定、滤波降噪及图像开运算预处理,利用Laplace算子进行边缘检测,完成图形分割,通过图像边缘检测数据长宽数值寻找车牌信息区域。拍照采集的图像中,如果车牌存在倾斜影响识别准确率,则采用Hough变换、Radon变换进场车牌倾斜校正,提高识别准确率。利用垂直投影法对校正后图片中的字符进行分割,利用SVM算法进行字符识别,图像处理基于Windows 10系统、Python 3.8.5语言、OpenCV 4.5.2图像处理库软件。

无线通信装置系统。无线数据传输系统主要实现道路限高装置的集中管理、数据监测及道路信息收集。现场采集数据通过GPRS无线通信模块传输到集中管理中心,对数据进行分析处理、存储、显示等操作,便于实时查看道路交通数据。

4 限高架信息管理系统平台

柔性智能限高架具备提前预警、现场警示、信息采集、碰撞报警及信息发布和数据共享等功能,对限高架进行综合管理,可提升交通管理信息化、智能化、联动化水平。通过限高架信息管理平台,可实现升降时间、高度、速度控制,实时监控限高架的工作状态、设备状态、警示信息及现场数据的远程收集、违章抓拍等。限高架信息管理系统拓扑如图3所示。

图3 限高架信息管理系统拓扑图Fig.3 Topology of the height limit information management system

5 结束语

限高架具有保护交通设施与车辆安全及实施交通分流和管制的功能。针对道路限高架存在的问题,基于互联网、人工智能及图像识别、超声波测量技术,设计了一款柔性预警多功能道路限高装置,对其控制系统进行设计,包括限高架警示、自动升降装置、图像和视频采集、图像处理及无线通信装置等。对限高架信息管理系统平台的功能和拓扑图进行设计,实现了交通信息的集中管控和监控,具有预测预警、车辆信息识别、自动升降调节、车辆分流提示及远程智能控制等功能,为交通出行和管理提供了便利。