高速公路施工區防闖入主動預警系統開發

于會江 李曉琦 胡帥

摘 要：高速公路施工占用路段的車道數和車道寬度減少，需要車輛在施工上游進行換道，易造成該路段擁堵，嚴重時可能誘發交通事故。因此為保證高速路施工路段維修人員及駕駛人的安全，研發出施工區防闖入主動預警系統。該系統通過分析毫米波雷達采集的實時數據來描述車輛行駛軌跡，并采用滾動動態窗格的方法剔除虛假目標，并對車輛軌跡進行了短期預測，建立了早期預警機制。在車輛存在闖入意圖時對施工人員進行及時疏散，這對于降低施工區交通事故率及事故后的生命財產損失具有重要意義。

關鍵詞：主動預警;數據采集;剔除假目標;滑動軌跡窗格;施工區

中圖分類號：U495? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2022）09-0097-04

0 引言

由于車輛沖入施工區造成駕駛員和施工人員受傷的案例數不勝數。2020年9月，在東呂高速發生一起交通事故，一名高速公路施工人員被撞傷;2015年1月17日，一輛溫州牌照的白色路虎車闖入諸永高速溫州施工區，致1名施工人員受傷;2013年8月7日，一輛本田轎車途經S33松陽段時，斜插進施工區，致后排乘客死亡;2013年7月18日，一輛重型牽引車在京臺高速徐州段闖入施工區，致2人死亡。

隨著車輛闖入高速公路施工區安全事故的頻頻報道，高速公路施工區防闖入問題已經成為國內外學者關注的焦點問題。于英等人利用概率統計的方法對高速公路施工的數據進行分析，研究如何科學合理地使用和布設交通安全設施，組織最優安全施工，提出養護施工安全對策和措施，力求減少養護施工對道路交通的影響，確保道路養護施工安全[1]。孟祥海等人通過采集和分析處理高速公路半幅封閉施工區和單向超車道封閉施工區合流段和施工區段的車型，車速，車頭時距等基于車輛個體的交通參數數據，提出了基于避免碰撞時間（TTC）的追尾沖突數計算方法和基于避免碰撞減速度（DRAC）的追尾風險度計算方法[2]。王延博利用物聯網技術，構建云-邊-端一體架構的施工安全預警平臺，實現了施工現場海量信息的實時獲取以及數據共享，施工現場安全的動態、智能預警[3]。鄧超將ZigBee技術和BIM技術集成應用于工程施工安全預警管理中，設計開發了一種實時的施工安全預警系統，將以人為主的管理方式轉變而以人網結合的監管方式，提高了監管效率，有效地降低了事故發生率[4]。吳彪等人以交通流平均速度，平均車道占有率及速度變異系數等宏觀交通流參數表征施工區行車風險。綜合考慮通行能力和交通安全等因素，給出4種高速公路施工區提前警告區域限速標志設置方案。4車道高速公路行車道封閉養護施工時，提前警告區在原60 km/h限速標志的基礎上，增設80 km/h限速標志的方案較為有效[5]。Qin Jian et al提出了一種對鐵路施工人員和車輛進行預警的軟硬件系統，該系統通過檢測車輛與工人之間的距離進行預警[6]。Zhong Hua et al設計了一種基于紅外的建筑工作區預警系統，這是一種測試和通信方面比較傳統的入侵檢測系統[7]。Je Jin Park通過虛擬駕駛模擬器和駕駛員偏好調查，發現73%的被調查者偏好熒光橙色的導向標志，其研究結果為保證高速公路和一般道路上道路作業區的交通安全，提高交通流效率，預防交通事故提供了有效數據[8]。

針對施工區上游車輛行駛速度高、車流量大、且存在駕駛人疲勞分心等現狀，在有齊全警戒、提示標志的條件下，以保證交通安全和施工安全為目標，提出一種高速路施工區防闖入主動預警裝備，識別可能沖入施工區的上游車輛，在施工區上游對駕駛人進行預警，并將車輛闖入施工區意圖信息提供給道路施工人員，降低高速公路過往車輛闖入施工區發生交通事故的概率。

1 系統硬件

施工區防闖入主動預警系統，主要應用于高速公路施工區，將雷達與聲光報警器1置于施工區上游200 m處，施工區放置報警器2，雷達可以持續監測上游車輛的速度、距離、車道等信息，并通過算法分析車輛是否具有沖入施工區的可能，如果有，便會及時通過報警器2提醒施工人員進行撤離，同時報警器1也會提醒駕駛員謹慎駕駛，注意前方施工區。本系統裝置主要由毫米波電子掃描雷達（ESR）、嵌入式工控機、聲光報警器、鋰離子移動電源、CAN總線服務器、RS485總線服務器和穩壓電路組成。利用ESR采集施工區占用車道上游車輛運動信息，并對目標車輛的速度、距離、車道等信息進行分析，預測可能沖入施工區域的車輛。對施工人員進行疏散，減少施工區發生交通事故的概率。同時，當高速公路上發生交通事故時，若不能及時提醒后方車輛進行避讓，很容易發生二次事故，造成更加嚴重的后果。當發生輕微事故時，將本產品置于事故現場上游，來提醒上游車輛司機前方發生事故，注意避讓，從而減少二次事故的發生。

高速公路車輛闖入施工區智能預警系統包括數據采集模塊、數據傳輸模塊、數據處理模塊、數據轉換模塊、報警數據輸出模塊等五個模塊組成。這五個模塊合稱為系統架構，系統架構包括硬件架構和軟件架構如圖1所示。

施工區防闖入主動預警實物在行李箱中的擺放位置關系如圖2所示：移動電源輸出220 V給穩壓電源、工控機和顯示器，開關電源輸出12 V給CAN服務器和毫米波雷達;毫米波雷達輸出端口接入CAN服務器的CAN1接口端，CAN服務器的以太網端接入工控機;當識別出車輛存在闖入風險時，工控機通過485服務器向報警器發送指令生成控制策略，控制策略驅動高功率喇叭預警和爆閃警示燈向駕駛人和施工人員發送預警信息。

探測障礙物的ESR是高頻電子掃描雷達，發射波段為76～77 GHz，同時具有中距離（Middle Range）和遠距離（Long Range）的掃描能力，體積大小為：130 mm×90 mm×39 mm。ESR雷達測量范圍包括短距離（角度范圍±45°，測距60 m）和長距離（角度范圍±10°，測距175 m）兩種，能夠同時實現多個目標的連續追蹤，且其對煙塵、霧擁有較強穿透能力。單個ESR雷達可提供中距離寬覆蓋范圍和高分辨率長距離功能，中距離寬視角不僅可以發現鄰近車道側向切入的車輛，而且可以識別交叉在大車間的車輛和行人。長距離可提供精確的距離和速度數據，強大的目標區分能力，最多可識別64個目標。

語音報警器本身自帶12個報警音調，可根據報警器放置的不同場景選擇不同的報警內容。通過USB添加或更換MP3語音文件，需將報警器通過USB接線和電腦連接，共有30級音量，最高可達120 dB報警音量，聲音傳播范圍廣，報警效果好，可在室外使用密封性較好防水防震。LED燈柱節能減耗使用壽命長久，可使用廠家配置的遙控器調節音量大小，也可以在python上編寫的報警指令控制音量閃爍燈，如指令01 10 00 10 00 05 0A 00 03 00 10 01 02 00 02 02 01 0C 68含義為設置警示燈和報警音打開，音量為 16 級，第1個文件夾第2曲目，單曲同步播放，警示燈爆閃。

CAN通訊協議主要描述設備之間的信息傳遞方式。CAN轉以太網設備是一款CAN與網絡設備通信的設備，實現CAN數據與工控機的數據通信。其內部集成了兩路CAN接口和一路EtherNet接口以及TCP/IP 協議棧。使用戶可以輕松完成 CAN-bus網絡和EtherNet網絡的互連互通，進一步拓展CAN-bus網絡的范圍。CANET200在實現CAN與以太網數據通信的基礎上增加一路串口功能。該串口獨立于CAN工作，可以實現串口設備與以太網的數據交互。串口為RS485通信方式，通信距離更遠，傳輸能力更強。

2 系統軟件

2.1 數據采集

通過查閱ESR雷達說明之后，利用Python軟件初步完成了對雷達數據的顯示程序，并連接好設備進行了實驗，可以顯示采集的原始雷達數據如圖3所示。由于采用多普勒測速原理，默認的速度值會有一個很小的波動值。CAN轉以太網服務器監聽設定的端口并等待TCP/IP客戶端連接。CAN設備發送的數據將通過CAN設備透明傳輸給所有鏈接成功的客戶端。

在毫米波雷達采集數據前需將CANET200網口用網線連接電腦網口，電腦IP和USR-CANET200的IP設置同一網段。CANET200默認IP是192.168.0.7。因此電腦設置靜態IP：192.168.0.X，其中X在100～200間取值，子網掩碼 255.255.255.0，網關192.168.0.1。用CANET200設置CAN服務器的配置參數。圖4表示毫米波雷達接收數據流程圖。

2.2 數據處理

首先，使用CANalyst-II分析儀，查找數據傳輸過程中是否存在丟失或其他問題，通過USB連接線將CANalyst-II分析儀與PC的USB接口相連，運行工具軟件USB-CAN Tool.exe測試程序，測試之后并沒有找到問題。

然后，為了排除雷達本身有問題，另外又換了激光雷達進行實驗，得到的數據結果基本沒有變化，之后又聯系了雷達公司的技術人員，討論交流了遇到的困難，在其幫助下，使用了ESR-DV可以清晰的觀察到雷達所測到的車輛目標，其中矩形框表示觀察到的目標，白色矩形框表示靜止的車輛目標，紅色矩形框表示駛來的目標，綠色矩形框表示離去的目標，將觀察到的目標ID，相對速度、距離、角度輸出到視圖窗口下面，可以方便實時觀察輸出的數據是否符合道路上車輛經過的實際情況。

根據雷達數據解析代碼的計算公式，以速度字段為例，將16進制的雷達原始數據轉換成常用的10進制數。

2.3 決策控制

施工區防闖入智能預警裝備中的毫米波雷達采集施工區上游200 m內道路上車輛與預警裝備之間的相對速度、距離和角度信息，從而獲取車輛的行駛軌跡。然后使用預警算法來確定它是否為入侵，是否應向工人發出警告，算法計算檢測到的車輛在行駛軌跡內的平均加速度。根據車輛在當前時刻的橫向位置，判斷車輛所在的車道是否為施工封閉的車道。若車輛所在的車道是施工封閉的車道，則根據車輛行駛軌跡，判斷車輛是否存在沖入施工區的風險。若車輛所在的車道不是施工封閉的車道，即車輛在可通行車道上行駛。若存在車輛闖入風險，則啟動語音告警和爆閃警示燈，快速疏散施工人員。如果沒有，工人就不會得到警報。

獲取道路上某一車輛的行駛軌跡，并計算該車輛在所述行駛軌跡內的平均加速度an，按照式（1）進行：

（1）

其中，車輛在tn時刻的位置為（xn，yn），車速為vn;在下一時刻t'n的位置為（x'n，y'n），車速為v'n。

計算車輛距離所述風險識別模塊的縱向距離和橫向距離，如式（2）所示：

（2）

其中，xn為車輛距離毫米波雷達的縱向距離，yn為車輛距離毫米波雷達的橫向距離;d為車輛距離毫米波雷達的距離，α為車輛與毫米波雷達的夾角;然后根據車輛與車道邊界的橫向距離，和與高速公路施工區防闖入智能預警裝備的縱向距離，判斷車輛在道路中所處的車道是否為施工封閉車道。

行駛在封閉車道上游的車輛，其闖入施工區的意圖可通過下述條件研判：

當車速vn超過80 km/h，與毫米波雷達的縱向距離xn<120 m，xn<-TTC*vn時，認為該車輛存在沖入施工區域的風險;在本文中TTC為施工區從施工區跑到安全區所需時間閾值，TTC越短，施工人應急反應越快，碰撞可能性越小。

（3）

其中l為車身長度，m。

高速公路施工區防闖入智能預警裝備對施工區作業人員的預警，如圖5所示，按照如下步驟進行。

3 系統測試

購置系統所需配件，包括用于語音告警的報警器，方便室外實驗測試的大功率移動電源，設計購置安裝已有設備的置物架以及行李箱等，再根據高音喇叭協議編制報警程序以及界面顯示程序，并在南校區東院校門口馬路旁做了初步實驗測試，可以監測到路過車輛，并且當車輛速度達到一定值時可以驅動報警器報警。在路邊測試時，界面可以顯示目標的距離、速度和角度，其中目標0和目標1的速度分別為81.91 m/s和-0.05 m/s，可以判斷為假目標，不會觸發報警器報警，其中64個目標都可以通過界面按鈕設置觀察到它們的距離、速度和角度，目標的距離、速度和角度的變化可以通過圖像曲線實時觀察到。

對界面程序進行了優化，使得整體更加美觀，且能更直觀的顯示實測所得到的信息。但路測時我們發現，高音喇叭在報警時，其在界面上的顯示有出入，對于檢測到需要報警的ID，在“是否真實目標”和“是否報警”欄中不能同時顯示“Yes”，于是對界面程序進行了進一步的優化處理，優化后該問題得到了解決，并且能在采集數據過程中可以實時轉換到有效目標的界面，觀察探測到的有效目標的距離，速度和角度。

4 結語

高速公路車輛闖入施工區智能預警系統，實時地將雷達檢測、數據傳輸、數據解析、虛假目標的剔除和真目標軌跡的關聯、主動安全預警算法和語音播報結合起來為高速公路維互施工人員提供安全保障。后期研究將提升預警設備的智能化程度，能夠識別車輛緊急換道意圖。

參考文獻

[1] 于英，王敏，金明新，等.高速公路養護施工區安全特性的研究[J].中外公路， 2007， 27（6）： 186-189.

[2] 孟祥海，徐漢清，王浩，等.基于TTC及DRAC的高速公路施工區追尾沖突研究[J].交通信息與安全，2012，30（6）：6-10.

[3] 王延博，徐蒼博，祁巖.施工安全動態智能預警平臺設計與應用[J].建筑機械化，2021，42（9）：80-84.

[4] 鄧超.ZigBee與BIM技術融合的施工安全預警系統研究[D].武漢：武漢科技大學，2020.

[5] 吳彪，許洪國，戴彤焱，等.高速公路施工區提前警告區域限速方案風險評價[J].合肥工業大學學報：自然科學版，2013， 36（11）：1295-1299.

[6] QIN Jian. Solution of Safety Earning Warning Protection System for Railway Operating Workers and Vehicles Based on Beidou[J].Railway Computer Application， 2017（9）：2412-2422.

[7] Zhong Hua，LI Lu.Design and Application of Safety Early Warning System in Expressway Operation Area[J].SCIENCE AND TECHNOLOGY OF JILIN COMMUNICATIONS， 2013（2）： 12-17.

[8] Park J J ， Seo I K ， Lee G Y . Evaluation of the Expressway Work Zone Guidance Systems Using a Virtual Driving Simulator[J].KSCE Journal of Civil Engineering，2021，25（4）：1446-1454.