基于Ad-Hoc的高速公路低能見度主動誘導系統研究

邵利軍

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

近年來高速公路的迅猛發展，為經濟社會可持續發展奠定了良好的基礎。與此同時，在霧、雪、大雨、霧霾等低能見度氣象條件下，極易發生交通事故，給高速公路安全運營帶來了極大隱患。

能見度是反映大氣透明度的一個指標，取決于目標物體和背景之間的亮度差異。當自然光在霧、雨、雪中穿行時，光小部分被吸收，大部分被空氣中各種顆粒散射。在雨、雪、霧等氣象條件下觀察光線中的道路和障礙物時，在障礙物外表面和路面的亮度上，需加上光束散射的亮度（稱為模糊亮度）[1]。

式中：Bb為背景亮度；B0為目標亮度；b為模糊亮度；K為目標與背景之間的實際反差；K1為霧中感受到目標和背景之間的反差。

由式（1）和式（2）可以看出，濃霧等惡劣氣象條件對能見度主要有兩個方面的影響：一是濃霧導致光線強度減弱引起背景和目標表面亮度的下降；二是由于光線被散射導致目標和背景之間對比度的降低。

在正常情況下，汽車駕駛人員行車過程中超過90%的外界信息是依賴視覺獲取的，在能見度良好的情況下保持足夠的安全車距對行車安全意義重大。低能見度氣象條件對高速公路行車安全的影響主要表現在以下幾個方面：

a）獲取準確路況信息困難，雨、雪、霧、霧霾等天氣能見度會顯著地降低，使得駕駛員難以看清道路前方和道路周圍的情況，行車視線距離也大大縮短，導致對路面標志、標線、交通安全設施以及行人和周圍車輛的辨識困難，在不能保證足夠安全距離的情況下，極易發生交通事故。

b）對路面附著系數的影響，在雨、雪、霧、霧霾等低能見度氣象條件下，由于空氣中的水氣與路面積灰、塵土相結合，導致汽車輪胎與路面的附著系數大大減小，從而使得制動距離加長、車輛易發生側滑、跑偏等現象。

c）對駕駛員心理的影響，在低能見度氣象條件下，駕駛員在行車過程中必須保持精力高度集中，容易造成疲勞駕駛，與此同時，駕駛員的心理也會產生較大的波動，容易導致交通事故的發生。

d）易發生二次事故，對于突發的低能見度氣象災害，駕駛員通常會采取降速措施來規避風險，而在低能見度情況下前車的突然減速，會導致后車駕駛員因視線不清，剎車不及時而發生追尾相撞，導致多車連環相撞等二次事故的發生。

高速公路低能見度主動發光誘導系統不同于現有的道路交通安全設施，其能在能見度降低時通過可變信息標志發布誘導信息，提醒廣大司乘人員保持安全的行車速度以及安全車距，且能夠在低能見度區域顯示道路輪廓，減輕駕駛員的視覺疲勞，降低心理壓力，提高行車安全。因此，研究高速公路低能見度主動發光誘導系統對高速公路安全運營具有重要意義。

1 低能見度主動發光誘導系統

低能見度主動發光誘導系統是一套由信息采集子系統、信息處理子系統、信息發布子系統、主動發光誘導子系統等組成的系統集成。低能見度主動發光誘導系統能夠在低能見度區域以聲、光、電等的形式向廣大司乘人員提供合適的誘導信息，包括氣象信息（雨、雪、霧、道路結冰、大風、霧霾、溫度、濕度等）、能見度信息、道路交通信息，并能在低能見度條件下，指示道路輪廓，推薦道路限速值、安全車距、優選行車線路等等[2]。

主動發光誘導系統設施包括誘導霧燈、主動發光輪廓標、主動發光突起路標、可變情報板、可變限速標志、能見度檢測器、車輛檢測器、氣象檢測器等。主動發光誘導設施一般采用低功率、可調光的LED發光器件制成。在低能見度等氣象災害發生時，主動誘導設施可根據實時氣象條件和道路交通狀況改變其顯示形態提高低能見度氣象條件下的視線誘導。

2 基于Ad-Hoc的低能見度主動發光誘導系統

2.1 Ad-Hoc無線網絡

Ad-Hoc網絡是一種不依賴于固定基礎設施的、自組織的無線網絡，其組網靈活、便捷，不受時間以及空間限制。網絡結點既是普通終端具有路由器功能，可以自由移動、隨時加入或者退出網絡，能夠自組織、自修復，在野外環境、軍事、物聯網、經濟等領域獲得了廣泛的應用[3]。

2.2 設施構成

基于Ad-Hoc無線網絡的主動發光誘導設施主要由3部分組成。

2.2.1 主動發光節點單元

主動發光節點單元布設于高速公路低能見度區域道路兩側，由紅、黃雙基色高亮度LED發光單元、太陽能供電模塊、控制模塊、不銹鋼防護外殼、支撐元件等構成，其中控制模塊集成Ad-Hoc無線通信單元，霧區內的Ad-Hoc節點單元自組成網，接受網關節點轉發的控制指令，并將自身工作狀態反饋至本地控制器。

2.2.2 網關節點

網關節點一般設置于低能見度區域的中間位置，在普通主動發光節點單元的基礎上增設Ad-Hoc網關模塊，網關節點是聯系本地控制器和主動發光節點單元的紐帶，網關節點將本地控制器的控制命令發送至節點單元，并將節點單元的工作狀態反饋至本地控制器。通過配置，網關單元可同時作為普通節點單元使用。

2.2.3 本地控制器

本地控制器可視霧區現場外供電情況采用既有電源供電或者采取太陽能供電方式。本地控制器配置無線收發模塊，通過網關模塊實現控制指令的下發。本地控制器實時采集氣象傳感器、能見度傳感器、車流量傳感器的檢測數據，并將上述數據通過有線或者無線傳輸方式上傳至高速公路路段監控中心監控計算機。本地控制器可根據車流量、能見度、氣象等數據形成本地控制方案，實現對主動發光節點單元的控制。

2.3 系統特點

基于Ad-Hoc自組無線網絡的主動發光誘導系統不同于傳統的無線網絡，具有以下幾個方面的技術特點：

a）無中心 作為一個對等式的網絡，網絡中除網關節點外所有節點單元地位平等，沒有嚴格的控制中心。每個節點單元在無線數據的傳輸過程中既充當普通終端單元處理報文數據又作為路由中繼節點轉發各種消息。

b）自組織 由于典型的低能見度區域縱向長度可達數百米甚至數公里，如果通過架設基礎設施，則需要布設大量的無線接入點（AP）。基于Ad-Hoc的無線網絡布設無需依賴于大量固定基礎網絡設施。在任意環境中，當節點單元開機后，就能通過相關自適應算法迅速地發現相鄰節點，并與之建立無線通信鏈路，完成組網。方便靈活的組織形式使得網絡的規模、形態不受約束。節約了投資成本、縮短了建設運營周期。

c）多跳路由 作為一個可以靈活拓展的網絡，基于Ad-Hoc的無線網絡的規模可以是由幾個、幾百個、甚至上萬個網絡節點單元構成，因此當某一個節點單元要與其無線覆蓋區域之外的節點單元進行通信時，需要借助于中繼節點進行報文轉發，與有線網絡的多跳方式不同，所有的中繼節點均為普通的網絡節點單元，而非專用的路由交換類設備，可實現靈活組網。

d）網絡動態拓撲 作為一個動態拓撲網絡，網絡中的節點單元可以隨意地加入或者離開網絡，加之低能見度區域周圍環境的影響以及節點無線信號的互相干擾等因素，導致網絡的拓撲結構處于不斷的變化中。主動發光誘導設施地處高速公路沿線環境，要經受室外雨、雪、高溫、嚴寒、大風、沙塵等惡劣工作環境，部分設備不可避免要發生故障，基于Ad-Hoc的主動發光誘導設施在發生故障時，可自適應改變網絡拓撲結構，增加了系統的可靠性。而基于固定基礎設施接入的無線網絡，當基礎設施發生故障時，整個網絡將陷于癱瘓，基于Ad-Hoc的無線網絡可通過布置多個網關節點，通過配置，當一個網關節點發生故障時，可迅速啟用備用網關，實現系統的無縫切換。

e）節點能量受限 主動誘導設施地處高速公路低能見度區域，如果采用外供電方式布線困難且工程成本巨大，一般采用太陽能和蓄電池組合方式供電。主動誘導設施之間典型布置間距為30～100 m，與基于無線接入點的網絡不同，基于Ad-Hoc的主動誘導設施節點單元只需較小的發射功率即可完成通信數據交換，節約了大量的能源，延長了設施的使用壽命[4]。

3 結構及控制策略

3.1 基于Ad-Hoc的低能見度主動誘導系統構成

基于Ad-Hoc的低能見度主動誘導系統主要由太陽能供電的雙基色可調亮度LED節點單元、網關節點、本地控制器、車流量檢測器、氣象檢測器、能見度檢測器、可變情報板、監控攝像機以及位于路段監控中心的控制軟件構成。基于Ad-Hoc的低能見度主動誘導系統架構如圖1所示。

圖1 基于Ad-Hoc的低能見度主動誘導系統架構

3.2 基于Ad-Hoc的低能見度主動誘導系統功能

基于Ad-Hoc的低能見度主動誘導系統主要包括信息采集和誘導信息發布兩大功能。信息采集功能由本地控制器周期地采集能見度檢測器、車流量檢測器、氣象檢測器等傳感器的檢測數據，一方面本地控制器依據所獲得的數據通過算法形成本地控制方案，控制誘導設施根據不同的能見度、交通流量、氣象信息執行不同的誘導方案；另一方面本地控制器將所采集到傳感器數據發送至位于高速公路路段監控中心的監控軟件。誘導信息發布功能通過監控軟件發布，監控軟件通過分析處理氣象數據、能見度數據、車流量數據形成遠程誘導控制方案，并將控制方案發送至本地控制器，遠程誘導控制方案的優先級高于本地控制方案，當遠程監控計算機故障或本地控制器與遠程監控計算機之間通信中斷時，執行本地控制方案。位于路段監控中心的監控軟件聯動可變情報板、可變限速標志發布相應誘導信息。

3.3 基于Ad-Hoc的低能見度主動誘導系統控制策略

及時準確的誘導信息是保障高速公路低能見度氣象條件下行車安全的有效途徑。通過可變情報板發布道路實時氣象信息、能見度信息、行車誘導信息，讓廣大司乘人員及時了解前方雨、雪、霧等天氣的道路、交通和事故狀況。通過可變限速標志提示安全行車速度，通過主動發光誘導標志提示道路輪廓[5]。基于Ad-Hoc的低能見度主動誘導系統控制策略如表1所示。

表1 低能見度主動誘導系統控制策略

4 結論

基于Ad-Hoc無線網絡的低能見度主動發光誘導系統組網方便、靈活、快捷，能適應大規模主動發光誘導設施的部署，且能節約工程成本、提高設備使用壽命。系統的部署能有效地降低低能見度氣象條件下事故的發生率，保障行車安全。與此同時，低能見度氣象條件下的行車安全涉及到人、車、路、環境等多方面的因素，只有多方面考慮，綜合應對，才能達到事半功倍的效果。