基于全向廣域毫米波雷達(dá)精準(zhǔn)感知技術(shù)的高速公路（隧道）運(yùn)行監(jiān)測(cè)及智能預(yù)警系統(tǒng)研究

摘要：根據(jù)目前我國(guó)高速公路（隧道）安全管理現(xiàn)狀，介紹了一種基于全向廣域毫米波雷達(dá)精準(zhǔn)感知技術(shù)的高速公路（隧道）運(yùn)行監(jiān)測(cè)及智能預(yù)警系統(tǒng)，可以全面提升我國(guó)高速公路信息化管理水平。

關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)感知;隧道控制系統(tǒng);高速公路主線控制

0 引言

隨著我國(guó)高速公路總規(guī)模的快速增長(zhǎng)，新的山區(qū)高速公路不斷建成，隧道數(shù)量和總長(zhǎng)度迅速增加，長(zhǎng)大隧道的長(zhǎng)度不斷刷新紀(jì)錄。目前高速公路隧道大多為單向雙車道，在隧道出現(xiàn)緊急情況或車流量較大，造成車輛行駛困難時(shí)，如果不及時(shí)控制車輛駛?cè)?，極易造成隧道擁堵，即使有左右隧道連通的車行橫洞，車輛仍然掉頭困難，疏散緩慢。因此，亟需設(shè)計(jì)一種精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)的隧道監(jiān)測(cè)及智能預(yù)警系統(tǒng)，以提高隧道安全管理水平，保證隧道內(nèi)車輛的行駛安全。

目前國(guó)內(nèi)高速公路隧道交通安全管理主要采用以視頻監(jiān)控為主的形式，事件報(bào)警系統(tǒng)采用以分析監(jiān)控視頻為基礎(chǔ)的視頻事件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。而視頻質(zhì)量受隧道光線變化、揚(yáng)塵等因素的影響較大，同時(shí)監(jiān)控存在盲區(qū)，監(jiān)控鏡頭在隧道內(nèi)極易積灰，無(wú)法保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性，已經(jīng)不符合當(dāng)下智能交通的發(fā)展理念和安全管理需求。此外，國(guó)內(nèi)道路安全管理主要以靜態(tài)管理為主，缺乏實(shí)時(shí)、有效的道路動(dòng)態(tài)預(yù)警系統(tǒng)。因此，目前開(kāi)發(fā)的高速公路主線控制系統(tǒng)是基于精準(zhǔn)的交通數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)氣候數(shù)據(jù)，按照預(yù)定的準(zhǔn)則和數(shù)學(xué)模型算法確定最佳速度目標(biāo)值，以調(diào)節(jié)高速公路主線交通流狀態(tài)，可以及時(shí)分流通行車輛，避免道路擁堵和發(fā)生二次事故，保證高速公路的安全、高效、有序運(yùn)行。

1 基于全向廣域毫米波雷達(dá)精準(zhǔn)感知技術(shù)的高速公路（隧道）運(yùn)行監(jiān)測(cè)及智能預(yù)警系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

根據(jù)目前高速公路（隧道）視頻監(jiān)控建設(shè)的實(shí)際情況，本文研究將傳統(tǒng)視頻監(jiān)控技術(shù)與毫米波雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行融合、創(chuàng)新，利用基于精準(zhǔn)感知的智能運(yùn)行安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及主線控制技術(shù)，解決了目前視頻監(jiān)控技術(shù)易受光線、天氣、環(huán)境等影響的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道交通量的調(diào)節(jié)、警告和誘導(dǎo)，提升高速公路運(yùn)行安全水平與道路通行能力。

基于全向廣域毫米波雷達(dá)精準(zhǔn)感知技術(shù)的高速公路（隧道）運(yùn)行監(jiān)測(cè)及智能預(yù)警系統(tǒng)，可以對(duì)導(dǎo)致隧道運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)的各種事件及交通數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)，并形成高效、準(zhǔn)確的交通流數(shù)據(jù)分析和控制策略，在向監(jiān)控管理人員報(bào)警的同時(shí)，通過(guò)道路可變信息標(biāo)志向車輛駕駛員進(jìn)行智能預(yù)警，有效減少交通流速度差，最大程度上預(yù)防了二次事故和次生事故的發(fā)生，降低交通事故率，提高道路通行能力。

將全向廣域毫米波雷達(dá)精準(zhǔn)感知技術(shù)應(yīng)用于高速公路（隧道）運(yùn)行監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)包括：（1）全天候、全照度工作。系統(tǒng)不受任何天氣、光線、環(huán)境條件的影響，在霧、煙、塵、風(fēng)暴、雨雪、眩光、全黑、火災(zāi)等各種情況下都能正常工作，監(jiān)測(cè)功能不受任何影響。（2）超長(zhǎng)600 m監(jiān)測(cè)距離，全范圍覆蓋。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)600 m范圍內(nèi)360°全方位實(shí)時(shí)實(shí)景感知監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)600 m范圍內(nèi)車輛的跟蹤監(jiān)測(cè)，能夠覆蓋路面車道的各個(gè)方位，目標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)量≥256個(gè)。（3）誤報(bào)率極低。毫米波雷達(dá)精準(zhǔn)感知監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的誤報(bào)率為每24 h小于1次。

2 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)方案

2.1? ? 雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在高速公路隧道出入口以及隧道內(nèi)部設(shè)置車輛檢測(cè)裝置，用以測(cè)量通過(guò)的車輛數(shù)及相應(yīng)時(shí)刻車輛占有檢測(cè)裝置的時(shí)間，由這些參數(shù)計(jì)算出在某時(shí)間間隔內(nèi)某處的交通參數(shù)以及堵塞程度，作為控制中心分析判斷、制定控制方案的主要依據(jù)。

2.2? ? 服務(wù)器中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

交通流的基本參數(shù)包括交通量、行車速度和車流密度。服務(wù)器對(duì)接收到的原始數(shù)據(jù)參照現(xiàn)行的國(guó)內(nèi)通行能力標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)機(jī)構(gòu)提出的建議值、國(guó)外最新的通行能力標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型、仿真研究和試驗(yàn)測(cè)試對(duì)通行能力進(jìn)行定量研究，計(jì)算出有效的交通流參數(shù)，從而感知路段交通情況，結(jié)合預(yù)先設(shè)置的行為規(guī)則（例如，當(dāng)隧道內(nèi)車速連續(xù)低于設(shè)定值20 km/h，表示道路已經(jīng)擁堵），一旦隧道內(nèi)部任意點(diǎn)位監(jiān)測(cè)到行駛車輛異常，系統(tǒng)自動(dòng)形成道路運(yùn)行管理指令及建議方案，通過(guò)警報(bào)及信息提示的方式通知監(jiān)控人員，同時(shí)調(diào)取最新的視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖像，并以彈窗的方式予以提示，監(jiān)控人員可以通過(guò)視頻圖像對(duì)交通狀況予以驗(yàn)證，確認(rèn)后，該指令及方案自動(dòng)通過(guò)監(jiān)控中心經(jīng)由通信線路子系統(tǒng)返回到前端可變信息情報(bào)板上。

2.3? ? 可變速度控制系統(tǒng)

通過(guò)可變限速標(biāo)志、隧道入口LED大屏等，建立主線控制中的駕駛員信息系統(tǒng)，可以給駕駛員提供有關(guān)高速公路路況的信息和建議，為駕駛員提供最新的路況，警告駕駛員路上有危險(xiǎn)，并為其采取相應(yīng)的策略提供依據(jù)。同時(shí)，駕駛員信息系統(tǒng)還可向駕駛員提供強(qiáng)制性命令，例如限速或者由于某高速公路路段或某車道關(guān)閉，要求駕駛員改道行駛，從而使主線上的交通流的速度能夠隨車流密度的改變而變化，以保證交通流的均勻和穩(wěn)定，同時(shí)提高道路通行能力。

其中隧道入口前的LED大屏，不僅可以發(fā)布文字進(jìn)行預(yù)警提示，還可以分梯度顯示最大行駛速度建議值，對(duì)駛?cè)胨淼赖能囕v進(jìn)行預(yù)警提示，隧道內(nèi)外設(shè)備系統(tǒng)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警管理。路況信息實(shí)時(shí)上傳至高速控制中心，并顯示事件路段圖像、發(fā)生位置、時(shí)間等相關(guān)重要信息，以便高速管理部門能及時(shí)采取措施處理。當(dāng)隧道內(nèi)交通事件解除，全系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)正常狀態(tài)。可變速度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速公路隧道全路段實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)安全預(yù)警文字提示，提升了高速管理部門的安全管理效率和水平。

鑒于目前我國(guó)高速公路路網(wǎng)中，并行路線數(shù)量有限，實(shí)施路徑誘導(dǎo)的條件不完備，因此選用可變限速控制方式作為高速公路的主線控制方式，可提高路段運(yùn)行效率。

目前該系統(tǒng)已進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)試，在隧道入口及隧道內(nèi)部共計(jì)安裝2臺(tái)檢測(cè)范圍為600 m的全向廣域毫米波雷達(dá)，用于采集現(xiàn)場(chǎng)道路車流量、車速、車流密度、車輛大小等數(shù)據(jù)，采用側(cè)壁安裝方式，高度在3.5～8 m。采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)通信線路子系統(tǒng)回傳給監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心的中央控制設(shè)施，監(jiān)控中心所接收到的眾多交通參數(shù)是外場(chǎng)毫米波雷達(dá)檢測(cè)到的，在用于計(jì)算形成高速公路控制方案時(shí)要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚?，使其成為高速公路某個(gè)方向的交通流參數(shù)。

3 基于全向廣域毫米波雷達(dá)精準(zhǔn)感知技術(shù)的高速公路（隧道）運(yùn)行監(jiān)測(cè)及智能預(yù)警系統(tǒng)發(fā)展方向

3.1? ? 精準(zhǔn)感知技術(shù)與其他平臺(tái)聯(lián)動(dòng)對(duì)接

將精準(zhǔn)感知技術(shù)與其他交通采集設(shè)備，如視頻監(jiān)控、氣象要素儀等系統(tǒng)進(jìn)行平臺(tái)聯(lián)動(dòng)對(duì)接，對(duì)采集到的交通信息進(jìn)行分析、分類、匯總，實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)的全息全景感知與智能化綜合控制。

3.2? ? 用于高速公路匝道控制

高速公路交通控制分為入口匝道控制、主線可變限速控制、通道控制3種方式。相較于通過(guò)在原有高速公路上附加支線而言，通過(guò)入口匝道控制、主線控制、通道控制等方式對(duì)高速公路運(yùn)行進(jìn)行綜合交通控制，其成本僅占公路全部投資的5%～10%?？梢圆捎美碚撗芯?、模型算法、仿真分析和試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法，從多角度分析全向廣域毫米波雷達(dá)精準(zhǔn)感知系統(tǒng)對(duì)匝道分流誘導(dǎo)產(chǎn)生的實(shí)際影響，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；茝V應(yīng)用。

3.3? ? 全面提升高速公路信息化水平

基于全向廣域毫米波雷達(dá)精準(zhǔn)感知技術(shù)的高速公路（隧道）運(yùn)行監(jiān)測(cè)及智能預(yù)警系統(tǒng)在高速公路路段全線推廣應(yīng)用后，可獲得各路段實(shí)時(shí)車流、車速、事件等信息與數(shù)據(jù)，與其他平臺(tái)聯(lián)動(dòng)后，結(jié)合GIS地圖，獲取更多諸如路段氣象信息、養(yǎng)護(hù)作業(yè)信息等更加全面的數(shù)據(jù)，作為高速公路大數(shù)據(jù)建設(shè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為道路的安全管理、應(yīng)急指揮、輔助決策等提供了有力支撐，從而全面提升高速公路信息化管理水平。

4 結(jié)語(yǔ)

基于全向廣域毫米波雷達(dá)精準(zhǔn)感知技術(shù)的高速公路（隧道）運(yùn)行監(jiān)測(cè)及智能預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道內(nèi)道路運(yùn)行狀態(tài)的全天候、全照度、全自動(dòng)監(jiān)測(cè)，可以穿透煙霧等視覺(jué)障礙，準(zhǔn)確定位被困行人、車輛，為隧道的安全運(yùn)行與應(yīng)急救援提供最佳解決方案;系統(tǒng)通過(guò)服務(wù)器中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)采集到的交通信息進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)了隧道內(nèi)的全息全景感知與智能化預(yù)警;通過(guò)與其他系統(tǒng)的有效銜接，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的高速公路主線控制，保證高速公路的安全、高效、有序運(yùn)行。

收稿日期：2020-04-03

作者簡(jiǎn)介：胡明暉（1983—），男，山西太原人，碩士研究生，工程師，研究方向：高速公路機(jī)電系統(tǒng)。