柔性預(yù)警多功能道路限高裝置的設(shè)計(jì)

楊伊欣,董安婷,胡亞南,白愉涵

(西京學(xué)院,西安 710000)

0 引言

隨著機(jī)動車保有量的持續(xù)增大,為保護(hù)道路設(shè)施、管道、電纜、橋梁及車輛安全,需實(shí)施交通分流管制,并設(shè)置限高裝置。目前,限高裝置往往存在結(jié)構(gòu)簡單、功能單一、智能化程度低的問題,時(shí)常導(dǎo)致交通事故,引起人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1-2]?；诨ヂ?lián)網(wǎng)、人工智能及圖像識別、超聲波測量技術(shù),設(shè)計(jì)了一款柔性預(yù)警多功能道路限高裝置。利用超聲波測量技術(shù),提前測量交通車輛高度,利用圖像識別技術(shù),獲取車輛區(qū)域信息,實(shí)現(xiàn)預(yù)測、預(yù)警信息的生成,通過現(xiàn)場閃爆燈、LED顯示屏等輔助裝置,直觀、顯式地呈現(xiàn)信息。該裝置利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與車輛導(dǎo)航系統(tǒng)對接,進(jìn)行提前預(yù)警和提示,通過自動控制系統(tǒng)對限高裝置和限高時(shí)間進(jìn)行自動調(diào)整,以太陽能發(fā)電技術(shù)進(jìn)行能源供給,解決了供電困難區(qū)域的設(shè)備安裝問題,故此裝置自動化程度高,具有預(yù)警和預(yù)測提醒功能、輔助導(dǎo)航規(guī)劃、顯式直觀報(bào)警燈優(yōu)勢,能夠極大地避免因限高而導(dǎo)致的交通事故、堵塞、人員傷亡、設(shè)備損壞等問題的發(fā)生,也節(jié)省了維修費(fèi)用。

1 柔性限高裝置的組成

公路限高裝置由設(shè)備控制器、限高標(biāo)志牌、限高提示牌、超聲波探測裝置、爆閃燈、LED顯示屏、無線傳輸裝置、太陽能供電系統(tǒng)、設(shè)備升降裝置、高清探頭等組成,主要利用多段超聲波垂直檢測裝置和高清探頭獲取檢測信息,判斷車輛高度,設(shè)備控制器依據(jù)測量信息控制閃爆燈、LED顯示屏進(jìn)場工作[3-4]。利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),借助高速通信,與導(dǎo)航系統(tǒng)分享數(shù)據(jù),在車輛行駛路線規(guī)劃中進(jìn)行信息預(yù)警和提示,依據(jù)道路限高時(shí)段和限高要求,自動調(diào)節(jié)限高架高度和報(bào)警狀態(tài)。實(shí)景現(xiàn)場使用中,若無車輛通行超聲波探測限高架,探測器處于休眠狀態(tài),爆閃燈及LED顯示屏無接收信號同樣處于休眠狀態(tài)。未超高車輛通過超聲波探測限高架時(shí),探測器測量車輛高度未超高,不發(fā)送信號,LED顯示屏不顯示信息,爆閃燈不閃爍,車輛安全通行。超高車輛通過時(shí),探測器測量出車輛超高,發(fā)送信息,LED接收信號顯示信息,同時(shí)閃爆燈開始閃爍動作以警示駕駛員。

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

2 柔性限高裝置的優(yōu)勢

道路限高架的作用是阻攔、限制超高車輛通行,以防護(hù)橋梁、管道等基礎(chǔ)設(shè)施并進(jìn)行交通管制。傳統(tǒng)的道路限高架存在的主要問題是結(jié)構(gòu)單一、固定,不利于交通管制、限流;缺少提升功能,不能實(shí)現(xiàn)提前預(yù)測、預(yù)警及顯示,因天氣、駕駛?cè)藛T個(gè)人因素?zé)o法及時(shí)發(fā)現(xiàn)限高裝置,容易導(dǎo)致交通事故;功能單一,不具備圖像識別功能,不便于應(yīng)急、急救、搶險(xiǎn)及特殊車輛根據(jù)需求快速通行;自重較大,結(jié)構(gòu)笨重,一旦發(fā)生碰撞,對汽車和限高裝置損壞較大[5]。

柔性限高裝置綜合運(yùn)用自動化技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、圖像識別技術(shù)、超聲波檢測技術(shù)和智能控制算法,具有以下優(yōu)勢:①通過超聲波檢測和圖像識別,實(shí)現(xiàn)了提前預(yù)測、預(yù)警功能,通過閃爆燈、LED顯示屏等輔助裝置,可直觀、清楚提醒超高車輛,避免駕駛?cè)藛T因粗心、大意、發(fā)現(xiàn)不及時(shí)等導(dǎo)致車輛與限高裝置相撞。②通過自動控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)限高架的自動升降功能,可按照需求對限高架的高度進(jìn)行調(diào)節(jié),便于急救、搶險(xiǎn)、應(yīng)急及特殊車輛的快速通行。③通過遠(yuǎn)程控制技術(shù)和自動升降功能,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分時(shí)段、分區(qū)域、分狀況的交通管制與車輛分流。④通過圖像識別和遠(yuǎn)程診斷功能,實(shí)現(xiàn)事故車輛的追蹤和限高架設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測。⑤利用限高架遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)交互系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備控制、故障檢測及與交管部門的數(shù)據(jù)對接。該裝置能夠極大程度避免因限高、限流而導(dǎo)致的交通事故、交通堵塞、人員傷亡、設(shè)備損壞等,節(jié)約因設(shè)備損壞而產(chǎn)生的維修費(fèi)用,為交通出行和管理提供便捷。

3 柔性限高裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示,柔性限高裝置控制系統(tǒng)主要包括超聲波探測裝置、現(xiàn)場警示裝置、自動升降裝置、無線通信裝置、攝像拍照及圖像處理裝置。

圖2 柔性限高裝置控制系統(tǒng)示意圖Fig.2 Sketch map of control system of flexible limit device

限高架警示系統(tǒng)主要包括閃爆燈、LED顯示屏,進(jìn)行文字提醒及傳遞擴(kuò)音喇叭聲音,在距限高裝置50 m、30 m處的道路兩側(cè)分別安裝等高的紅外線傳感器,兩側(cè)分別為接收端和反射端,當(dāng)行駛車輛未超高時(shí),接收端能夠按照一定的頻率接收到發(fā)射端聲波信號,現(xiàn)場報(bào)警裝置處于休眠狀態(tài);當(dāng)行駛車輛超高時(shí),超聲波信號被車輛阻斷,接收端無法收到超聲信號,現(xiàn)場發(fā)出警示提示。

限高架自動升降裝置系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)就地、遠(yuǎn)程分時(shí)段、分區(qū)域、分狀況的交通管制與車輛分流。目前,我國道路限高裝置一般為固定式或人工半固定式,不利于交通管制和交通分流。本研究提出的自動升降裝置通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、螺紋連桿驅(qū)動等方式,實(shí)現(xiàn)了限高架在2～4.5 m的高度調(diào)節(jié)。在高峰階段通過降低限高架高度對車輛限流,緩解交通壓力,在夜晚、低峰階段節(jié),可調(diào)高限高裝置便于出行,在緊急狀況下,可使消防車、救護(hù)車、特種作業(yè)車及緊急車輛快速通行,增強(qiáng)了車輛管理的柔性。

圖像和視頻采集系統(tǒng)主要通過高清攝像機(jī)和輔助光源對過往車輛進(jìn)行拍照或錄像,用于車輛識別和違法數(shù)據(jù)獲取,將其存儲于主機(jī)內(nèi)并遠(yuǎn)程傳輸?shù)郊刂行?便于交通執(zhí)法部門對車輛進(jìn)行處理和攔截。

圖像處理系統(tǒng)。車牌信息采集主要通過高清相機(jī)獲取車輛圖片,利用圖像識別和分割技術(shù)確定車牌信息。對相機(jī)采集照片進(jìn)行尺寸固定、濾波降噪及圖像開運(yùn)算預(yù)處理,利用Laplace算子進(jìn)行邊緣檢測,完成圖形分割,通過圖像邊緣檢測數(shù)據(jù)長寬數(shù)值尋找車牌信息區(qū)域。拍照采集的圖像中,如果車牌存在傾斜影響識別準(zhǔn)確率,則采用Hough變換、Radon變換進(jìn)場車牌傾斜校正,提高識別準(zhǔn)確率。利用垂直投影法對校正后圖片中的字符進(jìn)行分割,利用SVM算法進(jìn)行字符識別,圖像處理基于Windows 10系統(tǒng)、Python 3.8.5語言、OpenCV 4.5.2圖像處理庫軟件。

無線通信裝置系統(tǒng)。無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)道路限高裝置的集中管理、數(shù)據(jù)監(jiān)測及道路信息收集?，F(xiàn)場采集數(shù)據(jù)通過GPRS無線通信模塊傳輸?shù)郊泄芾碇行?對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、存儲、顯示等操作,便于實(shí)時(shí)查看道路交通數(shù)據(jù)。

4 限高架信息管理系統(tǒng)平臺

柔性智能限高架具備提前預(yù)警、現(xiàn)場警示、信息采集、碰撞報(bào)警及信息發(fā)布和數(shù)據(jù)共享等功能,對限高架進(jìn)行綜合管理,可提升交通管理信息化、智能化、聯(lián)動化水平。通過限高架信息管理平臺,可實(shí)現(xiàn)升降時(shí)間、高度、速度控制,實(shí)時(shí)監(jiān)控限高架的工作狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、警示信息及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程收集、違章抓拍等。限高架信息管理系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 限高架信息管理系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.3 Topology of the height limit information management system

5 結(jié)束語

限高架具有保護(hù)交通設(shè)施與車輛安全及實(shí)施交通分流和管制的功能。針對道路限高架存在的問題,基于互聯(lián)網(wǎng)、人工智能及圖像識別、超聲波測量技術(shù),設(shè)計(jì)了一款柔性預(yù)警多功能道路限高裝置,對其控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),包括限高架警示、自動升降裝置、圖像和視頻采集、圖像處理及無線通信裝置等。對限高架信息管理系統(tǒng)平臺的功能和拓?fù)鋱D進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了交通信息的集中管控和監(jiān)控,具有預(yù)測預(yù)警、車輛信息識別、自動升降調(diào)節(jié)、車輛分流提示及遠(yuǎn)程智能控制等功能,為交通出行和管理提供了便利。