基于能見度檢測的高速公路霧天智能誘導系統(tǒng)

農昭光，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)經濟社會加快發(fā)展、加速構建兩區(qū)一帶區(qū)域協(xié)調發(fā)展新格局做出了重要貢獻，取得了良好的經濟社會效益。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，災害性天氣直接或間接導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，這也提出了相應的技術問題。能見度是種物理現(xiàn)象，是氣象觀測項目之一，同時也與人的復雜心理現(xiàn)象有關聯(lián)。能見度的度量關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

在實際應用能見度檢測儀時，在儀器檢測的基礎上，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)，來修正和調整能見度檢測儀的輸出數(shù)值。

2 霧天智能誘導設計

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，把智能透霧誘導燈設置在行車道兩側，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系統(tǒng)。太陽能邊緣警示柱設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，智能透霧誘導燈的亮度隨著霧濃度不同而變化。在濃霧情況下，誘導系統(tǒng)檢測器檢測到有車輛經過時，可以控制后續(xù)100～200 m范圍內的霧燈顏色依次變?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系統(tǒng)由霧天行車智能誘導控制軟件、網絡服務器、傳輸網絡(運營商網絡)、霧燈智能控制機、LED智能透霧誘導燈陣列、能見度檢測儀、氣象傳感器、車距誘導檢測器、監(jiān)控攝像機等構成。系統(tǒng)構成圖如圖2所示。

圖2 霧天智能誘導系統(tǒng)構成示意圖

霧天行車智能誘導控制軟件在監(jiān)控中心(分中心)運行，通過傳輸網絡與外場主要設備相連接。主要的外場設備有：(1)系統(tǒng)主機，在監(jiān)控中心可設置智能透霧誘導燈的自動或手動開啟、關閉模式，調節(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智能透霧誘導燈，接收霧燈智能本地控制分機指令，自動調節(jié)燈的亮度、顏色和工作模式，以及應答主機故障檢測指令；(3)能見度檢測儀，提供能見度相關的測量，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、雨量等相關數(shù)據(jù)；(5)4G無線路由器，即傳輸網絡設備，負責系統(tǒng)主機與服務器之間的數(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模塊運用運營商網絡進行無線同傳及指令下發(fā)；(6)夜晚模式，夜晚模式能夠設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；(7)多元化控制，在授權用戶后，可通過中心電腦或手機APP進行控制和設置；(8)支持外設接入，可與高清攝像機對接對霧區(qū)路段進行圖像采集調閱，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。

智能霧燈是誘導系統(tǒng)車速車距確認的主要設備。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(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)進行實地調查，總結出行車速度與能見度之間的關系，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]。該公式計算結果如表2所示。

根據(jù)國內外關于高速公路中霧區(qū)的能見度與車速、車距的研究，以及能見度與車速關系等公式和很多工程實踐經驗，綜合考慮路段的服務水平、交通量及動態(tài)視力等因素，高速公路霧天智能誘導系統(tǒng)設置于行車道兩側的智能霧燈間距為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系統(tǒng)。具體布置如圖3所示。

圖3 霧天智能誘導系統(tǒng)設備布置圖

5 系統(tǒng)實際效果

本系統(tǒng)一般設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，智能透霧誘導燈內置的車檢器檢測到車輛通過后兩側誘導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用體驗。

6 結語

高速公路霧天智能誘導系統(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、主動引導提示等功能，可根據(jù)采集的綜合氣象數(shù)據(jù)及預設的應急控制模式向智能透霧誘導燈發(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)應用效果良好。