高速公路智能匝道預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

摘要：文章針對高速公路匝道區(qū)域的交通安全問題，設(shè)計并實施應(yīng)用了一套智能匝道預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合雷達(dá)與視頻檢測裝置，精準(zhǔn)捕捉車輛行為和交通流態(tài)，通過BLE Mesh無線網(wǎng)絡(luò)控制警示燈群閃爍和顏色的變化，實時對行駛車輛進(jìn)行預(yù)警。系統(tǒng)初步測試于賀西高速文竹匝道入口，與以往對比能有效提升匝道交通安全和效率，為智慧交通系統(tǒng)的未來發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：匝道預(yù)警；雷視融合；BLE Mesh；車輛檢測

中圖分類號：U491.1+4

0 引言

在現(xiàn)代社會中，高速公路作為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，承載著人們?nèi)粘３鲂泻拓浳镞\輸?shù)闹匾姑＝刂?022年底，我國高速公路里程已達(dá)17.7×104 km［1］。高速公路的暢通與安全不僅直接關(guān)系到個人的出行體驗，更關(guān)乎國家的經(jīng)濟(jì)繁榮和社會穩(wěn)定。

在高速公路上遇到特殊天氣狀況時，交通事故的風(fēng)險會明顯增加。尤其是在匝道路段出現(xiàn)濃霧導(dǎo)致能見度降低，駕駛者可能會因視線模糊而難以判斷后方車輛的位置，也難以識別交通警示標(biāo)志和防護(hù)欄，從而出現(xiàn)判斷和操作的失誤，導(dǎo)致追尾、撞擊護(hù)欄等交通事故的發(fā)生。為了降低事故的發(fā)生率，保障駕駛員和乘客的生命安全，需要加強(qiáng)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用。

隨著科技的迅速發(fā)展，全球交通網(wǎng)絡(luò)日益密集，現(xiàn)已進(jìn)入智能交通系統(tǒng)的新時代，其中智慧高速公路是一項引人矚目的創(chuàng)新。智慧高速公路的發(fā)展已經(jīng)在全球范圍內(nèi)取得了巨大的成功，通過運用先進(jìn)的技術(shù)手段，不僅提高了高速公路的安全性和流通性，還為駕駛員和交通管理部門提供了前所未有的實時信息。我國智慧公路建設(shè)已基本形成集感知、辨析、云控、管理、服務(wù)于一體的通用架構(gòu)［2］。

本研究旨在設(shè)計一套智能匝道預(yù)警系統(tǒng)，增強(qiáng)高速公路匝道區(qū)域的交通安全。本次設(shè)計的系統(tǒng)融合尖端的雷達(dá)和視頻檢測設(shè)備，采用數(shù)據(jù)分析和通信技術(shù)，聯(lián)動控制各類設(shè)備設(shè)施，實現(xiàn)實時監(jiān)測匝道交通狀況的功能，并為司機(jī)發(fā)出潛在危險警告，為公路匝道口安全駕駛提供更為精準(zhǔn)和個性化的決策誘導(dǎo)。

1 發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

在高速公路智慧化業(yè)務(wù)場景中，智能匝道預(yù)警系統(tǒng)是一個備受關(guān)注的領(lǐng)域。早期的高速公路智能匝道預(yù)警系統(tǒng)主要依賴于靜態(tài)交通標(biāo)志和路標(biāo)，如匝道彎曲和速度限制標(biāo)識。這些系統(tǒng)提供了基本的信息，但對于快速變化的交通狀況缺乏靈活性。20世紀(jì)70年代，雷達(dá)技術(shù)開始應(yīng)用于高速公路交通管理。雷達(dá)系統(tǒng)可以檢測車輛的速度，但其獲取的信息仍具有局限性。為了實現(xiàn)全面的交通管理功能，20世紀(jì)90年代以后，高速公路開始采用攝像頭進(jìn)行實時監(jiān)測。這些攝像頭可以提供更多的信息，如車輛類型和道路條件，但仍然需要人工干預(yù)來解釋數(shù)據(jù)。隨著感知技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，智能匝道預(yù)警系統(tǒng)的感知和通信能力均得到了改善。這使得系統(tǒng)能夠更快速、更精準(zhǔn)、可靠地監(jiān)測交通情況和預(yù)測潛在危險。過去，智能匝道預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用相對有限，而現(xiàn)在，越來越多的國家和地區(qū)開始在高速公路上部署這些系統(tǒng)，政府和交通管理部門也提供了政策支持，推動了這一領(lǐng)域的快速發(fā)展。

1.2 存在問題

近年來，數(shù)據(jù)融合和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的應(yīng)用使得高速公路智能匝道預(yù)警系統(tǒng)變得更加智能。系統(tǒng)能夠?qū)崟r分析感知數(shù)據(jù)，識別潛在的危險情況，并發(fā)出自動化警告。楊正飛［3］基于路側(cè)攝像機(jī)和毫米波雷達(dá)，利用改進(jìn)YOLOv5和DeepSORT算法對車輛進(jìn)行檢測與跟蹤，融合多傳感器設(shè)計了車輛防碰撞預(yù)警系統(tǒng)，使駕駛員有足夠的時間采取措施，從而減少事故發(fā)生的可能性。目前眾多交通系統(tǒng)結(jié)合雷達(dá)、視頻、傳感器等多種技術(shù)，可實時監(jiān)測匝道上的交通狀況和駕駛員行為［4］，提前預(yù)警潛在危險，并將預(yù)警信息展示在遠(yuǎn)處可變情報板上，從而顯著提高高速公路匝道區(qū)域的安全性。

可變情報板是交通管理系統(tǒng)中的一種重要預(yù)警工具，用于實時傳遞交通、天氣或其他緊急信息。盡管其在提高交通安全和效率方面起到了關(guān)鍵作用，但在實際運營中仍存在一些問題，例如：高質(zhì)量的可變情報板及其相關(guān)的控制和通信系統(tǒng)可能需要較高的初期投資和運營成本；如果情報板上的信息過于復(fù)雜或頻繁變化，可能會分散駕駛員的注意力，從而增加交通事故的風(fēng)險；在強(qiáng)光、雨、霧等天氣條件下，可變情報板的可讀性降低，駕駛員難以識別信息；在緊急情況下，情報板信息更新存在延時性，無法提供即時警示，存在安全隱患。

2 改進(jìn)方法及設(shè)計

為了緩解高速公路匝道區(qū)域頻發(fā)的交通事故和控制成本，本研究構(gòu)建了一套基于車輛檢測技術(shù)與智能預(yù)警燈光提示機(jī)制的智能匝道預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)由車輛檢測裝置和智能預(yù)警提示設(shè)備兩部分組成，智能預(yù)警系統(tǒng)概念如圖1所示。在行車道和匝道兩側(cè)的防護(hù)欄上安裝智能匝道預(yù)警系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到行車道和匝道有車輛即將到達(dá)并道口時，防護(hù)欄上的智能警示燈將變?yōu)榧t燈閃爍，提示兩側(cè)行駛的車輛有車通過，注意減速避讓。本次研發(fā)的系統(tǒng)主要作用于夜間或者能見度較低時，并可為駕駛?cè)藛T提供清晰的道路輪廓，指引駕駛?cè)藛T安全通行。

車輛檢測裝置依托雷達(dá)與視頻融合技術(shù)，對車輛速度、距離和位置等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，隨后將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至智能預(yù)警提示設(shè)備。智能預(yù)警提示設(shè)備由路燈集中控制器、智能警示燈兩部分組成，路燈集中控制器主要負(fù)責(zé)根據(jù)接收到的命令控制智能警示燈的啟動和閃爍頻次，而智能警示燈則用于向匝道車輛進(jìn)行提示，必要時在低可見度條件下描繪道路輪廓，使駕駛員提前做出反應(yīng)。

本系統(tǒng)利用實時傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)分析，可以即時捕捉交通狀況、氣象變化和駕駛員行為的細(xì)微變化，從而提供更為準(zhǔn)確和個性化的燈光警告。與僅提供靜態(tài)信息的情報板相比具有動態(tài)性、實時性和靈活性。這種即時反應(yīng)能力不僅可以幫助駕駛員更快速地識別和應(yīng)對潛在危險，而且可以顯著提升交通安全，降低事故風(fēng)險，同時優(yōu)化交通流動性，實現(xiàn)更為高效和安全的高速公路運行。

2.1 車輛檢測裝置的設(shè)計

車輛檢測裝置的主要任務(wù)是實時監(jiān)測車輛的速度、距離和位置等關(guān)鍵參數(shù)，并將相關(guān)指令傳輸至智能預(yù)警提示設(shè)備。該裝置的優(yōu)勢在于集成了雷達(dá)和視頻融合技術(shù)，以實現(xiàn)更為全面和高效的交通監(jiān)控和預(yù)警功能。

雷達(dá)裝置通過發(fā)射電磁波并接收其反射波信號來捕獲車輛的位置和速度數(shù)據(jù)，從而能夠在任何光照和天氣條件下實時準(zhǔn)確地追蹤車輛或其他移動物體的動態(tài)。本設(shè)計中選用77GHz的ARS408毫米波雷達(dá)作為感知傳感器，其高精度的目標(biāo)追蹤和距離測量功能可以有效地檢測車輛的速度、距離和運動方向。視頻端的設(shè)備由極低照度Sony imx 482圖像傳感器和特制鏡頭組合而成，并以海思HI3559AV100芯片為算法處理中心，利用YOLOv5深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來識別車輛種類、車道偏移和駕駛員行為等關(guān)鍵信息。

毫米波雷達(dá)感知到的數(shù)據(jù)為高階語義信息，而視頻捕獲的圖像信息是由像素點所組成的。為了將兩種信息進(jìn)行融合，本設(shè)計在YOLOv5卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上引入了雷達(dá)注意力模塊。該模塊通過卷積層處理雷達(dá)投影圖，得到適配于網(wǎng)絡(luò)各個中間階段的比例輸入，并借助基于Sigmoid函數(shù)的柔性注意力機(jī)制，與原始特征圖進(jìn)行相乘，促進(jìn)模型在不同層次上更加聚焦于特征圖的特定空間區(qū)域，從而更好地實現(xiàn)雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)的融合。雷視數(shù)據(jù)融合流程如圖2所示。這種高效的雷達(dá)和視頻數(shù)據(jù)整合方法，不僅顯著提升了系統(tǒng)的感知能力和數(shù)據(jù)精確度，還賦予了系統(tǒng)深度分析和準(zhǔn)確識別潛在危險情況的能力，為高速公路交通安全提供了有力的技術(shù)保障。

2.2 智能預(yù)警提示設(shè)備的設(shè)計

智能預(yù)警提示設(shè)備是利用設(shè)置在公路兩側(cè)的智能警示燈為在途車輛提供安全引導(dǎo)。本次設(shè)計的智能預(yù)警提示設(shè)備由路燈集中控制器和智能警示燈兩部分組成。

路燈集中控制器主要負(fù)責(zé)對車輛檢測裝置傳輸?shù)目刂菩盘栕龀鲰憫?yīng)，并管理各個智能警示燈的狀態(tài)。該控制器利用低功耗、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性高且可以承接大規(guī)模設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的BLE Mesh無線技術(shù)與其他智能警示燈進(jìn)行通信。由于BLE Mesh技術(shù)具備自組織和自修復(fù)的網(wǎng)絡(luò)屬性，即便在節(jié)點數(shù)量較多的情況下，仍然能保證通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝裕蟠笤鰪?qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)展性。此外，為確保與車輛檢測裝置的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸，路燈集中控制器選用了具有強(qiáng)抗干擾能力的RS485通訊鏈路來完成數(shù)據(jù)傳輸。

智能警示燈設(shè)計著重于實施對匝道來往車輛的預(yù)警提醒功能，致力于增強(qiáng)道路安全性和流暢性。智能警示燈配置了BLE Mesh無線技術(shù)，通過利用管理泛洪方式將消息傳輸至遠(yuǎn)端設(shè)備，從而實現(xiàn)路燈集中控制器對智能警示燈群的可靠控制。在能源管理方面，智能警示燈采用光伏充電板對電池進(jìn)行充電，降低供電成本，也凸顯了其環(huán)保和可持續(xù)性。此外，為了實現(xiàn)明確、可見的警示效果，警示燈還采用了高亮度和低能耗的LED燈具，能在霧天或其他照明不足的環(huán)境下實現(xiàn)警示和誘導(dǎo)的作用，智能警示燈實物如圖3所示。智能預(yù)警提示設(shè)備的整體設(shè)計體現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新與環(huán)保理念的結(jié)合，為現(xiàn)代化高速公路的智慧管理提供了新的設(shè)計方案。

3 試驗測試

為了進(jìn)一步驗證系統(tǒng)的實用性，分別在實驗室和匝道入口進(jìn)行試驗測試。實驗室主要測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、延遲、光伏充電情況以及傳輸距離等參數(shù)。匝道入口主要對系統(tǒng)進(jìn)行整體性測試。

在實驗室進(jìn)行的測試表明，運用BLE Mesh技術(shù)的智能預(yù)警提示設(shè)備在空曠地形下能穩(wěn)定傳輸達(dá)200 m，并在有遮擋的環(huán)境中維持了120 m的零丟包穩(wěn)定連接，突顯了設(shè)備在各種地理和環(huán)境條件下的優(yōu)越傳輸穩(wěn)定性和距離覆蓋能力。智能警示燈的光伏充電板即使在多云或陰天也能高效轉(zhuǎn)化太陽能，達(dá)到約70%的最大充電效率；在陽光充足的情況下，只需5 h即可充滿，能持續(xù)穩(wěn)定運行＞100 h。車輛檢測裝置的雷達(dá)與視頻數(shù)據(jù)在雨、霧和夜間表現(xiàn)出色，時間對齊精度為±2 ms，空間偏移僅±5 cm，具有多場景魯棒性。該裝置能準(zhǔn)確識別并追蹤車輛突然變道或急加速的情況，檢測準(zhǔn)確率高達(dá)92.6%。其對突發(fā)事件的平均反應(yīng)時間為135 ms，≤300 ms，從數(shù)據(jù)捕獲到結(jié)果輸出的總延遲時間平均為820 ms。綜上所述，智能匝道預(yù)警系統(tǒng)的實驗室測試展現(xiàn)了其檢測精確性和響應(yīng)實時性。

為了對智能匝道預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行整體性測試，在賀西高速公路（昭蒙路）文竹匝道十字入口實施實驗測試。在路段中，每隔30 m部署一臺智能警示燈，并在每個匝道匯聚處前300 m部署車輛檢測裝置和路燈集中控制器。在實際測試中，駕駛員可以明顯感受到在接近匝道口時得到了更為準(zhǔn)確和及時的提示。當(dāng)有車輛準(zhǔn)備通過入口時，智能警示燈會通過特定的信號模式提醒駕駛員，使他們可以提前做好準(zhǔn)備和調(diào)整，避免潛在的危險和沖突。對前方交通狀況的清晰提示，大大提高了駕駛員的安全感，保障了匝道口的有序運行。此外，系統(tǒng)的BLE Mesh通信技術(shù)也確保了命令和信息的快速、穩(wěn)定傳輸，使得整個網(wǎng)絡(luò)能夠高效地響應(yīng)各種交通狀況，展示出極高的靈活性和可靠性。

測試結(jié)果表明，智能匝道預(yù)警系統(tǒng)的各項功能均滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。在賀西高速（昭蒙路）文竹匝道入口的整體測試中，系統(tǒng)實現(xiàn)了交通管理的智能化和綠色化，不僅提升了道路的安全性和運行效率，也為未來智慧交通系統(tǒng)的發(fā)展提供了有力的支撐和示例。

4 結(jié)語

本文基于雷達(dá)與視頻融合技術(shù)，設(shè)計應(yīng)用了高速公路智能匝道預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確監(jiān)測匝道處的車輛動態(tài)，并向匝道車輛提供動態(tài)預(yù)警。相較于傳統(tǒng)監(jiān)控手段，本系統(tǒng)大幅減少了可能出現(xiàn)的誤報和漏報情況。同時，BLE Mesh通信技術(shù)賦予了系統(tǒng)高效和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸能力，確保了在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下仍能保持低延遲和高可靠性，從而完成燈群警示效果。此外，考慮在高速公路環(huán)境中環(huán)保和節(jié)能的需求，本系統(tǒng)通過集成光伏充電模塊，實現(xiàn)綠色、可持續(xù)的能源解決方案，減輕了對傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)的依賴，同時也降低了系統(tǒng)的運行成本。

在賀西高速公路（昭蒙路）文竹匝道的實際應(yīng)用中，該系統(tǒng)被證明能夠有效地提升道路安全性和交通效率。駕駛員在接近匝道口時能夠得到更為及時和準(zhǔn)確的預(yù)警提示，極大地提升了行車安全意識和預(yù)防交通事故的能力。

綜上所述，本研究所提出的高速公路智能匝道預(yù)警系統(tǒng)不僅具備實用性和可靠性，還突顯了現(xiàn)代交通管理系統(tǒng)在技術(shù)創(chuàng)新和綠色環(huán)保方面的追求和實踐，為未來智慧交通系統(tǒng)的研究和應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

［1］中華人民共和國交通運輸部.2022年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報［EB/OL］.https：//xxgk.mot.gov.cn/2020/jigou/zhghs/202306/t20230615_3847023.html，2023-06-16.

［2］楊 超，曹更永，楊 松，等.智慧高速公路評價指標(biāo)體系研究［J］.綜合運輸，2023，45（8）：47-51.

［3］楊正飛.高速公路匝道出口車輛防碰撞預(yù)警系統(tǒng)［D］.西安：長安大學(xué)，2023.

［4］李耀華，王俊棟，張 偉.業(yè)務(wù)驅(qū)動的智慧高速應(yīng)用場景分析［C］.2023世界交通運輸大會（WTC2023）論文集（下冊），2023.

收稿日期：2024-03-21

基金項目：中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項“廣西智慧道路機(jī)電系統(tǒng)新技術(shù)綜合平臺建設(shè)”（編號：桂科ZY20111015）

作者簡介：譚鄧宏（1982—），工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)和硬件設(shè)計、數(shù)字圖像處理、雷達(dá)信號處理。