基于毫米波雷達的高速公路交通路況感知與安全預警系統

摘要：文章介紹了一種基于毫米波雷達檢測技術實現的高速公路交通路況感知與安全預警系統的軟硬件設計方案。該方案具備對道路車輛行駛狀態的實時監測、行駛安全的風險評估、安全預警與信息發布等功能，達到了提升高速公路運營管理水平與服務能力，降低道路突發路況引起的交通安全事故發生概率的目的。

關鍵詞：高速公路；毫米波雷達；路況感知；道路安全預警

中文分類號：U491.1+4A622074

0引言

交通出行安全一直以來都是人們最關心的問題之一，更是交通運輸管理部門日常管理工作的重心。隨著我國公路路網建設的基本形成與經濟發展的持續增長，道路交通運輸服務保障能力逐漸飽和，交通出行需求日益增長，交通擁堵、惡劣天氣等原因引發的交通事故隨之增多，交通安全形勢越來越嚴峻。據統計，公路上發生的事故多為會車事故、超車事故、停車事故、彎道事故和追尾事故等，且最容易造成人員死亡［1］。由于高速公路的特性，當發生事故后，若后方車輛存在超載、車速過快、視線受氣候影響、事故現場設置警戒不當等原因，往往還會導致更嚴重的二次事故發生。因此，設計出一套可以實時掌握道路路況信息，并能夠對道路行駛中的車輛進行有效預警與引導，避免路況突變使司機無法提前預知并及時采取避讓措施導致交通意外事故發生的交通安全管理預警系統，對保障高速公路行車安全順暢，提升道路運營管理水平與救援效率，為民眾出行提供優質的通行服務等方面有著十分現實的意義。

在智慧交通的發展背景下，學者們對交通事故智能預警系統、交通事故應急處理平臺等方面開展了研究與應用，并取得了較好的效果。文金朝等［2］根據光的干涉原理和Φ-OTDR原理，提出一種基于光纜振動的高速公路護欄碰撞告警方法，以此為基礎設計出高速公路護欄碰撞告警系統，碰撞點定位檢測誤差為10 m范圍內。農昭光等［3］提出了一套適應廣西雨霧特殊天氣條件，具有能見度檢測、智能誘導、多元化控制、無人值守等功能的高速公路霧天智能誘導系統，增加高速公路雨霧天氣行車安全性和舒適性，降低事故發生概率。

綜上，學者們在交通事故檢測與預警引導方面做了較廣泛的研究，但在獲取交通事故前的路況信息，并對潛在危險隱患進行風險分析、安全預警，主動預防事故發生的技術處理方面存在不足。因此，本文提出了一種基于毫米波雷達的高速公路交通路況感知與安全預警系統的設計方案，通過在道路兩側分布式安裝防撞護欄，可準確檢測到車輛運動狀態的毫米波雷達，實現高速公路車輛通行路況信息實時監測功能，并通過后臺數據服務器建立的道路安全風險模型進行路況數據處理與安全風險評估，以及道路安全實時監管與預測，同時與高速公路設置的信息情報板、道路輪廓誘導指示燈進行聯動預警，及時提醒司乘人員注意，從而有效避免交通意外事故發生，保證道路的行車安全與暢通。

1系統整體設計方案

高速公路交通路況感知與安全預警系統主要由安裝在公路護欄兩側的分布式毫米波雷達路況監測單元、路況信息發布與預警系統單元、后臺管理系統軟件單元等構成。系統構成如圖1所示。

1.1交通路況感知單元

交通路況感知單元主要分布設置在道路兩側護欄上，實現對交通路況的感知監測。目前，公路交通路況監測內容主要包括交通流量、交通擁堵、交通路面狀態、光線條件、氣候狀況等信息集合［4］。這些信息可以通過交通流量計、氣象儀、能見度測試儀等儀器設備進行檢測判斷，其技術方案也較為成熟完善，在高速公路建設項目中已得到了較為廣泛的應用?？紤]到交通事故多發的路段往往是車輛由快速路駛入擁堵緩行的路段，如匝道出入口路段、事故擁堵、違停等路段。因此，車道上的車輛行駛狀態是交通路況感知的重要參數，是道路安全預警的重要評判指標。車輛狀態可以通過地感線圈、地磁、毫米波雷達、視頻、紅外線等［5］進行檢測。地感線圈、地磁檢測精度較高，但需要破壞路面，施工及維護成本較高；視頻與紅外容易受光線和現場環境氣候的影響，對安裝位置要求較高；毫米波雷達在霧、雪、雨等常見天氣下均能正常工作，即使在比較惡劣的環境下也能保持一定的性能水平，且安裝調試方式簡單。因此，采用毫米波雷達對車道車輛狀態進行監測，對交通路況狀態的感知較其他路況檢測傳感器有著明顯的優勢。

1.2路況發布與預警單元

路況發布與預警單元主要用于提醒司乘人員前方路段路況信息，起到警示的作用。實現方式包括分布式聯網LED誘導指示燈、道路LED可變情報板、道路語音廣播、網絡服務公眾號等載體。

1.3系統管理軟件單元

系統管理軟件單元設置在監控中心，由數據服務器、路況信息顯示大屏及系統管理軟件等組成，是整個系統的大腦中樞。系統數據服務器在獲取道路交通路況感知單元傳輸回來的路況信息數據后，通過建立的風險分析模型，對系統路網的交通流量進行計算與擁堵風險預測分析。路況信息顯示大屏實時顯示當前路況信息與發展趨勢，實現路況信息數據的可視化功能。系統管理軟件主要提供對路段上的交通路況感知單元、路況發布與預警單元進行注冊管理，并根據管理預案進行路況預警信息的編輯與發布。

2系統的硬件實施方案

由上述系統整體設計方案可知，系統硬件主要由交通路況感知單元、路況信息發布與預警單元兩大部分。考慮到氣象檢測儀、道路LED可變情報板、道路語音廣播系統為高速公路已建系統，為避免重復投資，系統軟件只需與其完成進行數據接口聯通，實現數據采集與控制功能即可，無須再另行設計。因此，硬件設備只需設計毫米波雷達交通路況感知部分與LED誘導指示燈部分。系統硬件設計原理如圖2所示。由于LED誘導指示燈與雷達感知處理電路分布式安裝在道路兩側護欄上，為方便系統的安裝與維護，故將二者一體化集成設計。

2.1毫米波雷達模塊

為提高道路路況檢查范圍，降低投資建設成本，系統采用24 G的FMCW毫米波雷達模塊進行設計。該雷達模塊采用鋸齒波調制方式，對檢測目標擁有較高的距離分辨率和速度分辨率，可以實現對動態或者靜態的機動車進行快速捕獲與觸發，并可通過模塊自帶的串口輸出檢測區域內目標的距離與速度，數據檢測周期為10 Hz，檢測距離≥20 m，最多可同時檢測24個目標車輛，發射功率為3 db時，垂直視角24°，水平視角80°，功耗為0.68 W，滿足系統實時道路車輛狀態檢測的路況感知功能。由于雷達模塊與控制電路為一體化設計，為了簡化電路、降低成本，本方案選用TTL接口的異步串口通信的雷達模塊。模塊實物圖及與MCU的電路接口如圖3所示。

2.2RGB三色LED燈組

LED燈組由紅綠藍三種顏色的LED燈芯片組成，通過調節各芯片的灰度值可控制告警誘導燈的顏色。為了提高警示效果，降低電路功耗，LED燈組還需進行菲尼爾透鏡的外殼設計。RGB三色燈組采用LED PWM專用驅動芯片HTR3236進行設計。HTR3236為一款36路的PWM型的LED驅動芯片，通過I2C接口與MCU控制器進行通信，單路可實現256級的LED燈灰度控制。電路中分別選用12顆高亮的紅綠藍LED組成三色矩陣，通過HTR3236輸出的PWM值實現紅黃綠橙藍多種告警顏色。

2.3語音播報電路模塊

語音播報電路模塊主要用于播報監控中心下發的語音告警信息，為了方便今后對系統的擴展升級，語音播報電路采用TTS語音引擎的語音合成芯片SYN6658進行設計，語音芯片通過SPI接口接收待合成的文本數據，實現文本信息到語音信號播放轉換。

2.44G通信模塊

4G通信模塊采用了SIM800C GSM/GPRS無線通信，主要實現系統硬件與系統后臺服務器軟件進行數據交換通信的功能，通過異步串行接口與主控MCU進行連接，采用AT控制指令完成移動4G網絡接入與數據傳輸功能，具有操作控制簡單，通信速度快、網絡頻譜寬、通信靈活等特點。

2.5MCU系統電路模塊

本設計方案采用的MCU芯片為主流的STM32f10x系列32位嵌入式CUP，主要負責整個系統硬件子模塊的工作邏輯、執行系統軟件操作命令，是整個硬件系統的核心。系統MCU軟件設計工作主流程如圖4所示。

3系統軟件設計方案

系統軟件設計采用前后端分離的架構，方便系統的升級與維護。系統軟件的功能框架如圖5所示。前端為用戶操作處理軟件，主要是完成用戶對系統的信息配置與管理功能；后臺軟件功能主要是建立與硬件設備、服務公眾號平臺的數據接口，進行數據交互與設備控制指令發送，同時將接收到的路況信息數據進行存儲、處理，對風險類型進行分析計算，識別當前風險等級與發展趨勢，并將結果反映至前端軟件，根據前端軟件設置的風險控制策略內容執行相應的控制。

4系統測試數據與結果分析

在本系統設計方案中，影響系統性能的關鍵是雷達對道路感知的能力。為此，通過在試驗路段安裝樣機分別進行如下內容的檢測試驗。

4.1系統目標檢測能力測試

現場分別記錄了無車存在至同時存在5輛車的情景數據，每種情景數據記錄10組。測試中發現，系統出現了2次多捕獲、1次少捕獲的記錄，準確率為95%。[JP]多捕獲的情景均為區域內的大貨車檢測出2個目標，少捕獲則是發生在大貨車與小車并行通過檢測區域導致漏檢，見下頁表1。

4.2系統目標位置檢測能力測試

車輛分別位于應急車道、行車道1、行車道2、超車道時，記錄系統檢測出目標的車道位置數據，如下頁表2所示。目標車輛所在的車道位置是通過雷達測量目標與模塊之間的距離進行計算判斷的，記錄數據準確率100%，說明方案中雷達模塊的測距精度可以滿足方案要求。

4.3系統目標速度檢測能力測試

控制測試車輛時速，分別以5～120 km/h，間隔5 km的時速通過測試點雷達檢測區域，并記錄系統測量數據，如下頁表3所示。通過表3測量數據發現：雷達在低速區域的測速精度較低，當測量速度低于30 km/h時，測速精度低于0.9；雷達在高速區域的測速精度較高，當速度達到55 km/h以上時，測速精度可以達到0.99。

綜合上述測試數據可見，系統在目標檢測、位置定位性能方面表現較好，但受到遮擋時會影響檢測結果。在速度檢測方面，30 km/h以下的低速測速結果不夠理想，測速精度均低于0.9。鑒于本方案的雷達檢測主要用于檢測道路是否擁堵，當車流速度較低時，測速精度對判斷系統是否擁堵影響不大，因此系統所選的雷達模塊性能可以滿足設計要求。

5結語

高速公路交通路況感知與安全預警系統主要通過獲取道路車輛動態的感知數據進行路況分析與預測，并對道路行車安全風險預警與信息進行發布，及時告知司乘人員注意前方交通路況變化，能夠有效地避免因路況突變處置不及時而引發的交通事故。該系統已在南友高速公路吳圩段開展應用測試，成效良好。該系統的性能具備優化升級的空間，設計方案具備成本低、項目安裝部署簡單等特點，對應用雷達感知路況應用方面具備一定的參考價值。

參考文獻：

［1］汪宇，潘強，劉林，等.面向二次事故預警的主動式智慧防撞護欄設計［J］.科技創新與應用，2022（13）：103-107.

［2］文金朝，張超，劉丹蕾，等.基于光纜振動的高速公路護欄碰撞告警系統的研究［J］.廣東通信技術，2018（5）：53-57.

［3］農昭光，李祖文，何增鎮.基于能見度檢測的高速公路霧天智能誘導系統［J］.西部交通科技.2018（6）：155-158.

［4］郭子英，李永建，任朝陽，等.基于多元數據融合的高速公路行車安全自動監測系統設計［J］.信息化研究，2023，49（2）：62.

［5］黃慶程.公路交通流量檢測方法在福建省智慧執法中的應用［J］.福建交通科技，2023（11）：127.

作者簡介：馬品成（1986—），工程師，主要從事高速公路機電工程建設與管理工作。