高速公路安全間距稽查系統(tǒng)及其檢測方法

張麗霞，陳 斌

（1.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化工程系，四川 成都 611130；2.公路交通安全四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611130）

0 引言

根據(jù)歷年發(fā)生在高速公路的事故統(tǒng)計(jì)分析，居事故數(shù)量第一位的是尾隨碰撞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年全國高速公路事故中，共發(fā)生追尾事故4867起，占總數(shù)的44.86%，造成的死亡人數(shù)是高速公路事故死亡人數(shù)的48.49%，直接財(cái)產(chǎn)損失169216814元[1]。行車間距和車速是影響追尾事故及其嚴(yán)重程度的主要因素[2]。通過對(duì)800起高速公路追尾事故的原因分析知，未保持縱向安全行車間距所占比例高達(dá)53.74%[3]。此類事故往往會(huì)導(dǎo)致連環(huán)碰撞，易釀成重特大交通事故[1]，造成重大生命和財(cái)產(chǎn)損失。

目前，車輛之間的安全距離主要依靠駕駛者的目測和經(jīng)驗(yàn)來判定，雖然《中華人民共和國道路交通安全法》對(duì)高速公路行車安全間距做了明確規(guī)定，但在高速公路營運(yùn)中，車輛安全距離往往由于無序的車輛變道和超車等多種因素影響，無法得到有效保障，在監(jiān)控管理上也沒有可行的技術(shù)手段。

本文針對(duì)現(xiàn)實(shí)需求提出一種技術(shù)方案，對(duì)高速公路行車的安全間距進(jìn)行稽查。

1 高速公路安全間距檢測方法

1.1 相關(guān)定義和規(guī)定

本文提到的安全間距是指在同車道上，行駛的機(jī)動(dòng)車車頭與前車車尾間的距離，保證既不發(fā)生追尾事故，又不降低道路通行能力的適當(dāng)距離[4]。《中華人民共和國道路交通安全法》規(guī)定：機(jī)動(dòng)車在高速公路上行駛，車速超過100km/h，安全間距為100m以上；車速低于每小時(shí)100km/h，最小安全間距不得少于50m。

1.2 安全間距檢測方法

高速公路行車安全間距檢測方法如圖1所示。

圖1 高速公路行車安全間距檢測方法示意圖

如圖1所示，在高速公路檢測路段的道路旁邊設(shè)置一個(gè)檢測點(diǎn)，當(dāng)某車道的第n-1輛車通過檢測點(diǎn)時(shí)的時(shí)刻記為tn-1（s），當(dāng)該車道的第n輛車通過檢測點(diǎn)時(shí)的時(shí)刻記為tn（s），同時(shí)窄波雷達(dá)測速儀檢測出該車的瞬時(shí)速度，用該速度來替代該車從tn-1到tn這段時(shí)間的平均速度vn（km/h），則可以由

得出第n輛車在檢測時(shí)間段與前車的縱向間距，其中，n≥1，t1=t0；如果vn＜100km/h且Ln＜50m，或者vn＞100km/h且Ln小于100m，系統(tǒng)對(duì)第n輛車進(jìn)行信息收集和處理。

2 高速公路安全間距稽查系統(tǒng)

本文提出的高速公路行車安全間距稽查系統(tǒng)可以自動(dòng)對(duì)高速公路固定路段前后相鄰車輛（前車、后車）的縱向行車間距進(jìn)行檢測，判斷后車是否違反《中華人民共和國道路交通安全法》關(guān)于安全間距的規(guī)定，如果違反，對(duì)該車拍照取證，并自動(dòng)識(shí)別車牌，建立和保存違章車輛信息，提供給相應(yīng)管理部門，作為執(zhí)法管理的依據(jù)。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高速公路安全間距稽查系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。硬件系統(tǒng)主要設(shè)備包括車輛檢測設(shè)備、窄波雷達(dá)測速儀、計(jì)算機(jī)、視頻圖像采集單元。系統(tǒng)的車輛檢測設(shè)備包括無線磁阻檢測器和接入點(diǎn)。視頻圖像采集單元包括1臺(tái)全景攝像機(jī)、1臺(tái)特寫攝像機(jī)、補(bǔ)光燈、防護(hù)罩。系統(tǒng)可擴(kuò)展聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)，用于將稽查獲取的信息上傳至相關(guān)部門。軟件系統(tǒng)主要包括稽查系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫和車牌自動(dòng)識(shí)別模塊。系統(tǒng)稽查獲取的信息可以由人工方式從檢測點(diǎn)用移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行復(fù)制，系統(tǒng)稽查獲取的信息也可以自動(dòng)通過聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)上傳。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 高速公路安全間距稽查系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 系統(tǒng)設(shè)備的工作原理

無線磁阻傳感器用于檢測車道上車輛的存在和運(yùn)動(dòng)并向接入點(diǎn)設(shè)備輸出相應(yīng)信號(hào)。無線磁阻傳感器內(nèi)設(shè)置有先進(jìn)的磁電阻感應(yīng)裝置，以128Hz的采樣率測量地球磁場的X、Y和Z軸向量。當(dāng)車輛進(jìn)入檢測范圍時(shí)，測量到的地球磁場中的X、Y或Z軸將發(fā)生明顯變化。當(dāng)沒有車輛時(shí)，無線磁阻傳感器不斷測量背景磁場作為參考標(biāo)準(zhǔn)。無線磁阻傳感器自動(dòng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境自我校準(zhǔn)，當(dāng)?shù)卮艌龅娜魏伍L期變化都可使這個(gè)參考值隨時(shí)間而改變。無線磁阻傳感器安裝在車道路面上的小洞中，通過低功率無線電技術(shù)實(shí)時(shí)向附近的接入點(diǎn)設(shè)備發(fā)送檢測數(shù)據(jù)。無線磁阻檢測器采用電池供電，接入點(diǎn)設(shè)備通過RJ45網(wǎng)口供電，無需單獨(dú)提供電源。

接入點(diǎn)設(shè)備是一個(gè)采用Linux操作系統(tǒng)的智能設(shè)備，用于接收無線磁阻傳感器的輸出信號(hào)，并將接收到的信號(hào)用TCP/IP協(xié)議輸出，一個(gè)接入點(diǎn)設(shè)備可以接收多個(gè)無線磁阻檢測器送來的信息。

窄波雷達(dá)測速儀接收工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)后，記錄通過無線磁阻傳感器車輛的瞬時(shí)速度，并將此速度信息傳遞給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。雷達(dá)和計(jì)算機(jī)采用RS232協(xié)議通信。因此，一臺(tái)窄波雷達(dá)測速儀可覆蓋多條車道，同時(shí)對(duì)通過的車輛進(jìn)行測速。

視頻圖像采集單元接收工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)后，拍攝違章車輛周邊環(huán)境信息及違章車輛的圖片信息，并將圖片信息傳遞給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。視頻圖像采集單元包括一個(gè)用于拍攝車輛周邊環(huán)境和車輛整體圖像的全景攝像機(jī)和一個(gè)用于拍攝車輛車尾或車頭圖像的特寫攝像機(jī)。

由于該系統(tǒng)安裝在戶外，雨水和天氣的能見度對(duì)視頻圖像采集單元的影響相當(dāng)大，于是將每個(gè)視頻圖像采集單元安裝于防護(hù)罩內(nèi)，并在每個(gè)防護(hù)罩內(nèi)安裝一個(gè)補(bǔ)光燈，補(bǔ)光燈的設(shè)置可以減少天氣亮度比較暗時(shí)給視頻圖像采集單元的拍攝帶來的影響。

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，用于接收接入點(diǎn)設(shè)備用TCP/IP協(xié)議輸出的信號(hào)，記錄此刻時(shí)間，同時(shí)向雷達(dá)測速儀發(fā)送一啟動(dòng)信號(hào)，根據(jù)雷達(dá)測速儀回傳的速度信號(hào)計(jì)算通過無線磁阻傳感器的兩輛車的車間距，判斷車間距是否違章，若違章，向視頻圖像采集單元發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，接收視頻圖像采集單元回傳的視頻信號(hào)并提取車輛信息，并將上述時(shí)間信息、速度信息和視頻信息進(jìn)行存儲(chǔ)。違法數(shù)據(jù)可以人工復(fù)制，也可以由有線或無線通信設(shè)備發(fā)送至后臺(tái)管理子系統(tǒng)。

無線磁阻傳感器通過接入點(diǎn)設(shè)備與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)連接，雷達(dá)測速儀和視頻圖像采集單元分別與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)連接。

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)設(shè)置在控制柜內(nèi)，控制柜內(nèi)還設(shè)置一個(gè)電源模塊和通信設(shè)備。電源模塊將220V的交流電轉(zhuǎn)換為雷達(dá)測速儀和視頻圖像采集單元需要的工作電壓，并且給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備等提供電源。通信設(shè)備用于系統(tǒng)各設(shè)備之間及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與控制中心之間進(jìn)行通訊。

后臺(tái)管理子系統(tǒng)位于控制中心，用于接收工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過無線或有線輸出的違章車輛的時(shí)間信息、速度信息和視頻信息。

多個(gè)稽查點(diǎn)的計(jì)算機(jī)由有線或無線傳輸網(wǎng)絡(luò)連接到后臺(tái)管理子系統(tǒng)。后臺(tái)管理子系統(tǒng)由服務(wù)器、后臺(tái)管理應(yīng)用平臺(tái)、工作站計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成，為各處的檢測點(diǎn)提供后臺(tái)管理服務(wù)。高速公路安全間距稽查系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 高速公路安全間距稽查系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)工作流程

高速公路安全間距稽查系統(tǒng)具體工作流程如圖4所示。

圖4 高速公路安全間距稽查系統(tǒng)工作流程

高速公路安全間距稽查系統(tǒng)的工作步驟包括以下方面。

（1）無線磁阻傳感器檢測到通過其的每輛車的運(yùn)動(dòng)信號(hào)后向外輸出一信號(hào)。

（2）接入點(diǎn)設(shè)備接收到無線磁阻傳感器輸出的信號(hào)后，將此信號(hào)用TCP/IP協(xié)議輸出。

（3）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)接收到接入點(diǎn)設(shè)備輸出的信號(hào)后，記錄下此刻的時(shí)間tn，并同時(shí)向啟動(dòng)雷達(dá)測速儀發(fā)送一條啟動(dòng)信息；雷達(dá)測速儀記錄下該輛車的瞬時(shí)速度vn，將其作為該車的平均速度，根據(jù)公式（1）計(jì)算出第n輛與第n-1輛車之間的車間距Ln。

（4）若 vn＜100km/h， Ln≥50m， 或 vn＞100km/h，Ln≥100m，則車輛不違章，進(jìn)入步驟七；若vn＜100km/h， Ln＜50m， 或 vn＞100km/h， Ln＜100m，則車輛違章，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)向視頻圖像采集單元發(fā)出一啟動(dòng)信號(hào)。

（5）視頻圖像采集單元接收啟動(dòng)信號(hào)后，對(duì)違章車輛周邊環(huán)境信息及違章車輛進(jìn)行拍攝，并將視頻信息輸出給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

（6）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)接收到視頻圖像采集單元回傳的信息后，對(duì)圖片中車輛的牌照號(hào)進(jìn)行識(shí)別，并將該車輛的牌照號(hào)、時(shí)間信息、速度信息和視頻信息進(jìn)行存儲(chǔ)。

（7）結(jié)束該車輛的信息采集。

3 高速公路安全間距稽查實(shí)施

高速公路安全間距稽查系統(tǒng)安裝如圖5所示。

圖5 高速公路安全間距稽查系統(tǒng)安裝示意圖

無線磁阻傳感器安裝在檢測點(diǎn)每條車道中央路面上的小洞中。

接入點(diǎn)設(shè)備、雷達(dá)測速儀和視頻圖像采集單元可以通過安裝在高速公路上支架上進(jìn)行固定，也可以通過其他方式固定，只要能將每個(gè)視頻圖像采集單元固定在每條車道上即可。若采用支架方式固定，則接入點(diǎn)設(shè)備和雷達(dá)測速儀安裝在支架的縱梁上，每個(gè)視頻圖像采集單元安裝在每個(gè)車道正上方支架的橫梁上。

攝像機(jī)和補(bǔ)光燈安裝在防護(hù)罩里面。在支架旁邊的適當(dāng)位置安裝控制柜，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、電源模塊、通信設(shè)備等安裝在控制柜里面。

4 結(jié)語

本文提出的高速公路安全間距稽查系統(tǒng)可以檢測在高速公路上行駛的機(jī)動(dòng)車與前車的安全間距，并判斷是否符合《中華人民共和國道路交通安全法》要求，如不符合，系統(tǒng)將對(duì)涉嫌違法車輛拍照取證，并自動(dòng)提取和存儲(chǔ)車輛牌照號(hào)碼，與違法檢測時(shí)間、地點(diǎn)等信息一同存儲(chǔ)和上傳。該系統(tǒng)對(duì)路面破壞小，安裝容易，使用方便，也可以與高速公路機(jī)動(dòng)車超速檢測系統(tǒng)進(jìn)行整合使用。

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