基于能見度檢測的高速公路霧天智能誘導(dǎo)系統(tǒng)

農(nóng)昭光，李祖文，何增鎮(zhèn)

(廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

截至2017年年底，廣西高速公路通車里程已達到5 259 km，暢通、快速、便捷的高速公路對促進全區(qū)經(jīng)濟社會加快發(fā)展、加速構(gòu)建兩區(qū)一帶區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展新格局做出了重要貢獻，取得了良好的經(jīng)濟社會效益。但是，由于廣西的地理位置及地形地貌，多數(shù)高速路段處于山區(qū)或河谷地帶，其獨特的地理環(huán)境及氣候條件使道路周邊容易形成大霧團霧，對道路行車安全造成極大危害。由雨霧天氣導(dǎo)致能見度降低和駕駛員視距錯覺易引發(fā)嚴重交通事故，研究表明，災(zāi)害性天氣直接或間接導(dǎo)致的交通事故約占事故總數(shù)的1/4，尤其濃霧素有高速公路“殺手”之稱[1]。因此，需要針對這種狀況采取措施，降低道路交通受雨霧天氣等不良天氣現(xiàn)象的影響，保

證高速公路行車安全暢通。

1 能見度檢測

從國內(nèi)外對霧天高速公路行車安全研究成果可以看出，能見度是制定高速公路交通管控策略的關(guān)鍵[2]。實時、準確、充分地獲取到高速公路的能見度就顯得尤為重要，這也提出了相應(yīng)的技術(shù)問題。能見度是種物理現(xiàn)象，是氣象觀測項目之一，同時也與人的復(fù)雜心理現(xiàn)象有關(guān)聯(lián)。能見度的度量關(guān)鍵在于固體和液體微粒懸浮在大氣中所引起的大氣消光系數(shù)。而消光并不是光被吸收，而是因為光的散射。能見度的估計值主要取決于個人視覺及對可見光的理解水平，并受光源特征和透射因數(shù)的影響。高速公路能見度的度量主要由能見度檢測儀來進行[3]。

能見度檢測儀由光發(fā)射器、光接收器及微處理控制器等主要部件組成。發(fā)射器發(fā)射紅外脈沖光，接收器同時檢測大氣中氣溶膠粒子、降水顆粒的前向散射脈沖光強度，同時儀器測量環(huán)境溫度，所有測量信息由微處理控制器搜集并通過專門的計算處理而轉(zhuǎn)化為能見度值、當前天氣現(xiàn)象代碼等。能見度檢測儀檢測范圍示意圖見圖1。

圖1 能見度檢測儀檢測范圍示例圖

在實際應(yīng)用能見度檢測儀時，在儀器檢測的基礎(chǔ)上，還需要加入其他的氣象要素，溫度、濕度、大氣壓力、風速、風向作為閾值輸入，同時輔以氣象攝像機的視頻檢測(圖形識別)，來修正和調(diào)整能見度檢測儀的輸出數(shù)值。

2 霧天智能誘導(dǎo)設(shè)計

在解決了能見度檢測這個難題之后，針對高速公路危險多霧的路段，把智能透霧誘導(dǎo)燈設(shè)置在行車道兩側(cè)，彎道處適當增加間距密度，和氣象及能見度傳感器一起形成霧天行車安全智能誘導(dǎo)系統(tǒng)。太陽能邊緣警示柱設(shè)置在每個智能霧燈安裝段的前后，形成一個過渡帶，保證車輛安全行駛在高速公路上。

當大霧、強降雨和暴雪等惡劣天氣出現(xiàn)在高速公路路段時，系統(tǒng)根據(jù)能見度儀的檢測值不需要人工操作而自動開啟霧燈，智能透霧誘導(dǎo)燈的亮度隨著霧濃度不同而變化。在濃霧情況下，誘導(dǎo)系統(tǒng)檢測器檢測到有車輛經(jīng)過時，可以控制后續(xù)100～200 m范圍內(nèi)的霧燈顏色依次變?yōu)榧t色，用以警示車輛司機知道前方有車，盡可能地避免發(fā)生追尾等交通事故。

3 系統(tǒng)實施方案

高速公路霧天智能誘導(dǎo)系統(tǒng)由霧天行車智能誘導(dǎo)控制軟件、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、傳輸網(wǎng)絡(luò)(運營商網(wǎng)絡(luò))、霧燈智能控制機、LED智能透霧誘導(dǎo)燈陣列、能見度檢測儀、氣象傳感器、車距誘導(dǎo)檢測器、監(jiān)控攝像機等構(gòu)成。系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖2所示。

圖2 霧天智能誘導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

霧天行車智能誘導(dǎo)控制軟件在監(jiān)控中心(分中心)運行，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)與外場主要設(shè)備相連接。主要的外場設(shè)備有：(1)系統(tǒng)主機，在監(jiān)控中心可設(shè)置智能透霧誘導(dǎo)燈的自動或手動開啟、關(guān)閉模式，調(diào)節(jié)燈光亮度、顏色等，還可分析能見度及氣象要素指標，根據(jù)霧的濃度等級不同，自動控制霧燈工作狀態(tài)；(2)LED智能透霧誘導(dǎo)燈，接收霧燈智能本地控制分機指令，自動調(diào)節(jié)燈的亮度、顏色和工作模式，以及應(yīng)答主機故障檢測指令；(3)能見度檢測儀，提供能見度相關(guān)的測量，由光發(fā)射器、光接收器及微處理控制器等主要部件組成；(4)氣象傳感器，采集照度、風速、雨量等相關(guān)數(shù)據(jù)；(5)4G無線路由器，即傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，負責系統(tǒng)主機與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)上傳及命令下發(fā)的通訊功能。

高速公路霧天智能誘導(dǎo)系統(tǒng)實施后，具備如下的主要特點及功能：(1)系統(tǒng)可根據(jù)能見度檢測分析是否有霧、雨、雪等自動或手動的方式開啟、關(guān)閉霧燈；(2)透霧指數(shù)可控，可根據(jù)霧的濃度等級，自動、手動改變智能透霧誘導(dǎo)燈亮度，顯示顏色(紅/黃)以及霧燈開啟的亮度等級(至少八個等級)；(3)全程同步閃爍，系統(tǒng)內(nèi)所有霧燈同步閃爍；(4)尾跟檢測，通過檢測車輛運行軌跡，自動改變霧燈顏色，加長前車對后車的警示距離，確保行車安全；(5)無線傳輸，主機與中心采用GPRS模塊運用運營商網(wǎng)絡(luò)進行無線同傳及指令下發(fā)；(6)夜晚模式，夜晚模式能夠設(shè)定最小亮度值抑制高亮透霧效果照射司機眼睛，滿足道路軌跡的引導(dǎo)；(7)多元化控制，在授權(quán)用戶后，可通過中心電腦或手機APP進行控制和設(shè)置；(8)支持外設(shè)接入，可與高清攝像機對接對霧區(qū)路段進行圖像采集調(diào)閱，可與溫度、濕度、雨量、氣壓、風速、風向等氣象傳感器進行對接。

4 智能霧燈間距的確定

駕駛員速度控制90%來源于視覺，車輛在道路上安全行駛，駕駛員的能見度應(yīng)大于該車速的停車視距[4]。系統(tǒng)的能見度檢測裝置將檢測到的能見度結(jié)果通過智能霧燈反映給駕駛員，達到限速及合理跟車距離保證行車安全的目的。

智能霧燈是誘導(dǎo)系統(tǒng)車速車距確認的主要設(shè)備。智能霧燈間距要合理，如果太密集，則會造成駕駛員壓抑感，影響行車；如果間距太大，則滿足不了低能見度時對保證行車安全間距的認知距離，不利于行車安全。在美國各州公路和運輸工作者協(xié)會(AASHTO)、美國國家合作公路研究計劃機構(gòu)(NCHRP)制訂的基于停車視距和交通標志認知距離的標準中[5]，研究人員考慮了道路縱坡及環(huán)境因素等行車條件，對行車低能見度下限制車速車距進行了深入研究，得到高速公路霧天條件下車速車距控制值，如表1所示。

在低能見度條件下，對華北、華南、西南地區(qū)部分高速公路霧區(qū)進行實地調(diào)查，總結(jié)出行車速度與能見度之間的關(guān)系，即：小型車：V=8.414×lnVS+32.86，大型車：V=3.177×lnVS+36.87，其中：VS為能見度(VS<200 m)[6]。該公式計算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)國內(nèi)外關(guān)于高速公路中霧區(qū)的能見度與車速、車距的研究，以及能見度與車速關(guān)系等公式和很多工程實踐經(jīng)驗，綜合考慮路段的服務(wù)水平、交通量及動態(tài)視力等因素，高速公路霧天智能誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)置于行車道兩側(cè)的智能霧燈間距為30 m，彎道處適當加密間距，并連同氣象及能見度傳感器共同形成一套雨霧行車安全誘導(dǎo)系統(tǒng)。具體布置如圖3所示。

圖3 霧天智能誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)備布置圖

5 系統(tǒng)實際效果

本系統(tǒng)一般設(shè)置在高速公路的多霧路段、危險路段(如長下坡、急彎、重點橋梁)、長隧道出入口等處，系統(tǒng)的全自動模式可以實現(xiàn)系統(tǒng)智能判斷、自動運行、無人值守，采集到的多樣化數(shù)據(jù)為系統(tǒng)準確判斷誘導(dǎo)模式提供了科學數(shù)據(jù)支撐。在大霧低能見度不足100 m時，智能透霧誘導(dǎo)燈內(nèi)置的車檢器檢測到車輛通過后兩側(cè)誘導(dǎo)燈陣列在車輛后方形成動態(tài)紅色警示帶，提醒后車駕駛員前方不遠處有車輛駛過，注意行車安全，及時調(diào)整車距。系統(tǒng)在白天大霧時及晚上可為司機的視覺判斷提供非常好的應(yīng)用體驗。

6 結(jié)語

高速公路霧天智能誘導(dǎo)系統(tǒng)可在能見度低的環(huán)境下，實時為行駛車輛提供道路線形顯示、主動引導(dǎo)提示等功能，可根據(jù)采集的綜合氣象數(shù)據(jù)及預(yù)設(shè)的應(yīng)急控制模式向智能透霧誘導(dǎo)燈發(fā)出控制指令，建立無人值守的雨霧特殊天氣條件下智能交通誘導(dǎo)系統(tǒng)，保證高速公路惡劣天氣的通行安全，避免和減少雨霧情況下的前后車輛追尾以及二次事故的發(fā)生，使車輛安全通過雨霧路段，并且提供直觀的現(xiàn)場實時圖片讓路段管理者能夠全方位掌握路段狀況，系統(tǒng)應(yīng)用效果良好。