智能霧燈誘導系統設計及應用

周宏福

（山西省交通信息通信有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

高速公路具有區域全封閉、車輛速度快、全立交的特點，自然氣候條件對高速公路行車安全的影響比較突出，隨著全國高速公路網建設完善，山區道路占比逐步加大，在濕度、溫差、地形、地貌、海拔等多種因素的影響下，團霧現象容易發生，致使區域內道路能見度迅速降低。駕車人員無法預先得知信息，或得不到有效提示，車輛駛入霧區后由于能見度突然降低，極易導致交通事故的發生；而在快速行駛的高速公路上，又容易造成多車連環追尾的災難性事故。我國每年因霧等惡劣天氣影響造成的交通事故占事故總數的近1/4[1]。

貴州地處云貴高原高海拔地區，秋冬季節團霧易發、頻發，對山區道路影響尤為明顯，會使道路通行效率下降，并對行車安全帶來了較大隱患。為了提高霧區道路的通行能力，傳統做法是利用主動發光設備（如黃閃霧燈）對行駛車輛進行引導，其實現方式相對單一，對車輛的提醒未能實現智能化。本文以貴州省六盤水至威寧高速公路西聯絡線引入智能霧燈誘導系統作為應用案例，利用信息采集、處理控制等技術措施，通過道路輪廓識別、防追尾警示等智能誘導功能，實現對車輛的車距、車速等智能控制，在有效提高霧天道路通行率的同時，也可明顯減少交通安全事故。

1 智能霧燈誘導系統組成

智能霧燈誘導系統主要由信息采集、信息傳輸、綜合處理控制、路側誘導和信息發布5個子系統構成。智能霧燈誘導系統示意圖如圖1所示。

圖1 智能霧燈誘導系統示意圖

1.1 信息采集子系統

信息采集子系統主要進行區域內能見度值、交通流量、實時視頻監控等相關信息采集，為策略的制定提供數據支撐，也是執行誘導策略的依據。

1.1.1 氣象信息采集

氣象信息采集的內容包括：能見度值、現場視頻等數據。其中通過能見度分析儀實時獲取的能見度值是該子系統的核心數據信息，分析儀將每隔60 s更新能見度值。不同的能見度值經控制子系統處理后，可對路側誘導設施、電子限速屏、可變情報板等設備發布相應的指令。

1.1.2 交通狀況信息采集

交通狀況信息采集的內容包括：交通流量、停車狀態、行車速度等數據。數據的采集是通過高密度布設的內置于路側誘導設施中的紅外車檢器對車輛運行軌跡進行動態跟蹤，按照相應的數學算法實現，為各種誘導策略的執行提供數據支撐[2]。

1.2 信息傳輸子系統

信息傳輸子系統，主要由通信數據處理平臺、高速公路光纖通訊接口、GPRS通訊模塊及數據通訊服務器構成，構建了綜合處理控制子系統和其他各子系統間的數據交互鏈路。

信息傳輸子系統分為2層傳輸結構。第1層，利用光纖構建信息采集子系統和控制子系統間的信息交互傳輸通道，用來傳輸信息采集子系統的相關數據、發送對誘導設施的控制指令、對誘導設施工作狀態進行反饋等，各誘導設施間的信息交互則利用內置于誘導設施中的通信模塊完成；第2層，利用光纖通信網絡或GPRS網絡，實現霧區路段與路段監控中心間的數據通訊。

1.3 綜合處理控制子系統

綜合處理控制子系統，由基于ARM的嵌入式平臺和霧天行車管理軟件組成，負責對霧區路段能見度值等霧況數據進行分析、處理和路側誘導子系統的控制管理。

該子系統對采集子系統傳輸上來的交通流量、能見度值等現場實時數據進行計算分析，同時與霧天行車管理軟件中預設的氣象災害類型、程度進行對比匹配后，形成不同的控制預案，進而對誘導設施、電子限速標志、可變情報板發布等前端設備發布相應的控制指令（如改變誘導設施的顯示狀態），控制整個誘導系統的正常運行。

1.4 路側誘導子系統

路側誘導子系統由控制器、誘導設施和無線通訊中繼器組成。

誘導控制器負責同監控中心進行數據交換，并根據指令向誘導設施發布各種誘導策略；霧區誘導設施由LED誘導燈和車輛檢測模塊組成，安裝在大霧易發、頻發地段道路兩側的波形防護欄以及橋梁護欄上，車輛檢測模塊是基于C波段的雷達車輛檢測器，內置于每一個誘導設施內。

誘導控制器收到監控中心控制命令后，向路段兩側布放的誘導設施發出轉換數量、閃爍頻率等指令，誘導設施通過內置紅外線車輛檢測器檢測車輛通過狀況，形成前后車輛需要保持的行車安全距離提示（紅色顯示距離），可對車輛進行實時誘導，從而加強大霧情況下行車安全距離的控制[3]。

1.5 信息發布子系統

信息發布子系統由安裝在高速公路上的可變限速標志牌、可變情報板組成。霧天時，由綜合處理控制子系統對霧區路段的能見度值等霧情數據進行及時的分析、判斷、預警，通過信息發布子系統發布相應警示信息，使駕駛員及時掌握前方霧況信息，通過實時限制車速等控制手段保障行車安全。

2 智能霧燈誘導策略

大霧路段的能見度對車輛行駛過程中的車距、車速、可視距離等有較大影響。美國國家公路與運輸工作者協會（AASHTO）和美國國家合作公路研究計劃機構（NCHRP）進行了停車視距模型分析[4]，模型建立了車輛可視距離、車輛速度和車距三者之間的關系，兩種停車視距模型分析顯示駕駛員反應時間為2.5 s。在仿真實驗的基礎上，基于停車視距和交通標志識別距離，并結合不同道路縱坡，得出了霧天高速公路車距、車速控制值。智能霧燈誘導系統的應用能夠有效提高車輛在霧區路段的可視距離，增加駕駛員的反應時間，可有效提醒車輛主動控制車距車速。

表1 AASHTO、NCHRP模型結果對比

根據實驗數據，同時結合應用現場的使用環境和管理單位的實際需求，該系統將可視距離設定為3個區間值，為500 m、300 m和100 m，根據不同的能見度區間，可預設4種誘導策略，分別為：道路輪廓強化策略、主動誘導策略、防追尾警示策略和特情警告策略。

2.1 道路輪廓強化策略

當能見度大于500 m情況下，環境照度低于500 lux時，該系統執行道路輪廓強化策略，主動發光誘導設施呈黃色常亮狀態，引導車輛前行。道路輪廓強化策略如圖2、圖3所示。

圖2 道路輪廓強化示意圖

圖3 道路輪廓強化現場效果圖

2.2 主動誘導策略

當能見度低于500 m，但大于300 m時，該系統執行主動誘導策略，主動發光誘導設施狀態為黃色同步閃爍（頻率30次/min），可變信息情報板發布“限速80 km/h”和“前方能見度低于500 m，請謹慎駕駛”信息，司機對誘導光帶的可視距離在550～800 m。主動誘導策略如圖4所示。

圖4 主動誘導示意圖

2.3 防追尾警示策略

當能見度低于300 m，但大于100 m時，該系統執行防追尾警示策略。此時，誘導設施顯示為主動誘導狀態，即為黃色同步閃爍（頻率30次/min，占空比1∶1），可變信息標志發布“前方大霧，請跟隨黃色誘導燈行駛”“前方大霧，限速80 km/h，請保持車距”等信息。當誘導設施內置的車輛檢測器檢測到有車輛通過（車輛通過檢測斷面）時，該車輛后方一定數量的誘導設施將變為紅色同步閃爍狀態（頻率60次/min，占空比1∶1），形成紅色警示帶。紅色警示帶主要用來控制前后車輛跟馳距離，通常情況下，后面跟隨車輛應在黃色誘導設施的引導下行駛，而不應進入紅色警示帶，以防跟馳距離太近，引發追尾事故。警示帶的長度（即紅色誘導設施數量）可根據能見度以及規定的安全行車距離進行設定。紅色閃爍結束后，誘導設施將恢復黃色閃爍狀態。防追尾警示策略如圖5所示。

圖5 防追尾警示示意圖（單位：m）

2.4 特情警告策略

當能見度低于100 m時，該系統執行策略與“防追尾警示策略”類似，將執行主動誘導和防追尾警示策略。在“特情警告策略”觸發狀態下，主動發光誘導設施呈紅色同步閃爍（頻率60次/min，占空比1∶1），在“特情警告策略”未觸發狀態下，主動發光誘導設施呈黃色同步閃爍，閃爍頻率將加快為60次/min，以進一步提高對駕駛員的感官刺激，給駕駛員充分的警示。

3 工程應用

該系統在貴州省六盤水至威寧高速公路西聯絡線進行了現場應用，該高速地處云貴高原山區間，海拔高、環境濕度大，是大霧、團霧的頻發地帶，也是安全事故易發路段。結合該路段運營狀況及現場調查情況，最終在龍灘梁隧道至穿巖洞隧道之間（樁號K5+660—K9+126），以及老寨坪隧道至龍灘梁隧道之間（樁號K10+182—K11+082），總長約2 km（全斷面4幅）路段布置智能霧燈誘導設施。系統現場效果如圖6所示。

圖6 系統現場效果圖

較之傳統的誘導方式，該系統具有以下優點：a）實現了對霧區道路（尤其是封閉式高速公路霧區路段）內車輛的安全引導，可有效減少車輛在低能見度時安全事故的發生，在山區高速團霧突發狀況下，道路能見度急速降低，該系統的“道路輪廓強化策略”可使駕駛人員在無法識別道路標線的情況下，依據路側誘導設備發光形成的“燈帶”，保持在車道內安全行駛，可有效避免因可視條件差而誤撞護欄的交通事故；b）該系統在防追尾模式下，前車經過所形成的“紅色警示帶”，可迫使后車駕駛員主動調整車速，實時提醒后車應與前車保持在黃色誘導設備所確定的動態安全距離范圍內行駛，該系統利用誘導設備發出的黃/紅燈光頻閃速率的變化來刺激駕駛人員的視覺神經，緩解駕駛人員疲勞程度，減輕駕駛員霧天行駛的緊張感，可有效防止追尾事故的發生；c）該系統包含的硬件設備能見度分析儀、誘導設備、控制器等均布設在高速公路兩側，以道路能見度值和車輛行駛軌跡來進行預警或警示狀態的分析、判斷和指令控制，具有硬件組成簡單、數據交互量小、易于實現、可復制性強的優點。

4 結語

工程應用表明，高速公路尤其是山區高速引入智能霧燈誘導系統后，可有效減少因大霧天引發的追尾等惡性交通事故，同時，在團霧等極端霧天條件下（能見度不小于50 m），仍能確保高速公路不封路，保持正常通行，保證了高速公路在極端天氣條件下的營運能力，實現了霧區道路行駛車輛由自主安全控制向引導控制的轉變，促進了道路通行安全、高效化發展。