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(dòng)車(chē)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(chē)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(jiǎn)單、功能單一、智能化程度低的問(wèn)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]。基于互聯(lián)網(wǎng)、人工智能及圖像識(shí)別、超聲波測(cè)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(cè)量技術(shù),提前測(cè)量交通車(chē)輛高度,利用圖像識(shí)別技術(shù),獲取車(chē)輛區(qū)域信息,實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)、預(yù)警信息的生成,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)接,進(jìn)行提前預(yù)警和提示,通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)限高裝置和限高時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整,以太陽(yáng)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(wèn)題,故此裝置自動(dòng)化程度高,具有預(yù)警和預(yù)測(cè)提醒功能、輔助導(dǎo)航規(guī)劃、顯式直觀報(bào)警燈優(yōu)勢(shì),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(wèn)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(cè)裝置、爆閃燈、LED顯示屏、無(wú)線傳輸裝置、太陽(yáng)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(cè)裝置和高清探頭獲取檢測(cè)信息,判斷車(chē)輛高度,設(shè)備控制器依據(jù)測(cè)量信息控制閃爆燈、LED顯示屏進(jìn)場(chǎng)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(chē)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(dòng)調(diào)節(jié)限高架高度和報(bào)警狀態(tài)。實(shí)景現(xiàn)場(chǎng)使用中,若無(wú)車(chē)輛通行超聲波探測(cè)限高架,探測(cè)器處于休眠狀態(tài),爆閃燈及LED顯示屏無(wú)接收信號(hào)同樣處于休眠狀態(tài)。未超高車(chē)輛通過(guò)超聲波探測(cè)限高架時(shí),探測(cè)器測(cè)量車(chē)輛高度未超高,不發(fā)送信號(hào),LED顯示屏不顯示信息,爆閃燈不閃爍,車(chē)輛安全通行。超高車(chē)輛通過(guò)時(shí),探測(cè)器測(cè)量出車(chē)輛超高,發(fā)送信息,LED接收信號(hào)顯示信息,同時(shí)閃爆燈開(kāi)始閃爍動(dòng)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(shì)

道路限高架的作用是阻攔、限制超高車(chē)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(wèn)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(cè)、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(shí)別功能,不便于應(yīng)急、急救、搶險(xiǎn)及特殊車(chē)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(duì)汽車(chē)和限高裝置損壞較大[5]。

柔性限高裝置綜合運(yùn)用自動(dòng)化技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、超聲波檢測(cè)技術(shù)和智能控制算法,具有以下優(yōu)勢(shì):①通過(guò)超聲波檢測(cè)和圖像識(shí)別,實(shí)現(xiàn)了提前預(yù)測(cè)、預(yù)警功能,通過(guò)閃爆燈、LED顯示屏等輔助裝置,可直觀、清楚提醒超高車(chē)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(chē)輛與限高裝置相撞。②通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)限高架的自動(dòng)升降功能,可按照需求對(duì)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(chē)輛的快速通行。③通過(guò)遠(yuǎn)程控制技術(shù)和自動(dòng)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(chē)輛分流。④通過(guò)圖像識(shí)別和遠(yuǎn)程診斷功能,實(shí)現(xiàn)事故車(chē)輛的追蹤和限高架設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)。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(cè)及與交管部門(mén)的數(shù)據(jù)對(duì)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(cè)裝置、現(xiàn)場(chǎng)警示裝置、自動(dòng)升降裝置、無(wú)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(chē)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(hào),現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警裝置處于休眠狀態(tài);當(dāng)行駛車(chē)輛超高時(shí),超聲波信號(hào)被車(chē)輛阻斷,接收端無(wú)法收到超聲信號(hào),現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出警示提示。

限高架自動(dòng)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(chē)輛分流。目前,我國(guó)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(dòng)升降裝置通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、螺紋連桿驅(qū)動(dòng)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(guò)降低限高架高度對(duì)車(chē)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(chē)、救護(hù)車(chē)、特種作業(yè)車(chē)及緊急車(chē)輛快速通行,增強(qiáng)了車(chē)輛管理的柔性。

圖像和視頻采集系統(tǒng)主要通過(guò)高清攝像機(jī)和輔助光源對(duì)過(guò)往車(chē)輛進(jìn)行拍照或錄像,用于車(chē)輛識(shí)別和違法數(shù)據(jù)獲取,將其存儲(chǔ)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(mén)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行處理和攔截。

圖像處理系統(tǒng)。車(chē)牌信息采集主要通過(guò)高清相機(jī)獲取車(chē)輛圖片,利用圖像識(shí)別和分割技術(shù)確定車(chē)牌信息。對(duì)相機(jī)采集照片進(jìn)行尺寸固定、濾波降噪及圖像開(kāi)運(yùn)算預(yù)處理,利用Laplace算子進(jìn)行邊緣檢測(cè),完成圖形分割,通過(guò)圖像邊緣檢測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)寬數(shù)值尋找車(chē)牌信息區(qū)域。拍照采集的圖像中,如果車(chē)牌存在傾斜影響識(shí)別準(zhǔn)確率,則采用Hough變換、Radon變換進(jìn)場(chǎng)車(chē)牌傾斜校正,提高識(shí)別準(zhǔn)確率。利用垂直投影法對(duì)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(shí)別,圖像處理基于Windows 10系統(tǒng)、Python 3.8.5語(yǔ)言、OpenCV 4.5.2圖像處理庫(kù)軟件。

無(wú)線通信裝置系統(tǒng)。無(wú)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(cè)及道路信息收集。現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS無(wú)線通信模塊傳輸?shù)郊泄芾碇行?對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、存儲(chǔ)、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(tái)

柔性智能限高架具備提前預(yù)警、現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(dòng)化水平。通過(guò)限高架信息管理平臺(tái),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(chǎng)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(yǔ)

限高架具有保護(hù)交通設(shè)施與車(chē)輛安全及實(shí)施交通分流和管制的功能。針對(duì)道路限高架存在的問(wèn)題,基于互聯(lián)網(wǎng)、人工智能及圖像識(shí)別、超聲波測(cè)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(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),包括限高架警示、自動(dòng)升降裝置、圖像和視頻采集、圖像處理及無(wú)線通信裝置等。對(duì)限高架信息管理系統(tǒng)平臺(tái)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(cè)預(yù)警、車(chē)輛信息識(shí)別、自動(dòng)升降調(diào)節(jié)、車(chē)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。