智慧道釘在高速公路上的應(yīng)用

喬翠仙 蘇愛斌 潘洪強 覃維業(yè)

摘要：文章介紹了智慧道釘?shù)慕M成結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)原理，并通過南寧沙井至吳圩高速公路上智慧道釘?shù)膶嶋H應(yīng)用，驗證了有效部署智慧道釘，可以全面感知道路交通與環(huán)境狀況、提供精準(zhǔn)行車導(dǎo)引功能及軟隔離，對異常交通行為、交通事件檢測、定位與告警，還可進行公路智能養(yǎng)護預(yù)警。智慧高速公路運營單位可利用這些交通流信息來改善交通管理、提升交通安全。

關(guān)鍵詞：智慧高速；交通監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：U491.5A531793

0引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展以及城市化進程的不斷加速，我國建成了全球最大的高速公路網(wǎng)絡(luò)，截至2020年底，我國高速公路總里程約為16萬km，為國家經(jīng)濟建設(shè)和人民生活帶來極大便利。在新基建的浪潮下，高速公路智慧化建設(shè)面臨前所未有的機遇，未來10年，高速公路建設(shè)將以安全、安心為目標(biāo)，向偏重精細運營管理服務(wù)的方向發(fā)展。如果把智慧高速公路看作一個能思考、會表達的“人”，那么對行駛車輛（數(shù)量和速度）、道路情況的實時感知就是智慧高速公路的“眼睛和耳朵”，在加強道路感知能力建設(shè)的過程中，也面臨很多挑戰(zhàn)和痛點，如采用視頻+毫米波雷達（激光雷達）等感知手段的建設(shè)和維護成本高，難以實現(xiàn)大范圍覆蓋，無法形成有效的管控誘導(dǎo)閉環(huán)。

而智慧道釘建設(shè)成本低，可根據(jù)高速公路標(biāo)高線的間距（8～15 m）進行大規(guī)模的鋪設(shè)，同時利用道釘內(nèi)部多樣性的檢測單元，包括已經(jīng)集成的車流檢測、光敏檢測、振動檢測、溫度檢測，能夠及時地掌握和了解道路運行狀態(tài)和信息。另外，利用無線低功耗局域網(wǎng)的組合形式，既能服務(wù)于行駛的車輛還可以為管理部門提供遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。智慧道釘提供的車道級視覺誘導(dǎo)能夠有效提升低能見度下的視距及車道輪廓，并能夠提供伴隨式信息服務(wù)，對提升交通安全及車道級精細化交通管控也有重大作用。在英國，主動發(fā)光突起路標(biāo)的應(yīng)用日益廣泛，在超過 85% 的縣和公路局的路網(wǎng)上都在一個或者多個位置得到部署，多個當(dāng)?shù)氐缆饭芾聿块T匯報，沿每個車道線部署主動發(fā)光突起路標(biāo)后，相關(guān)路段的夜間交通事故降低了70%以上。進一步的統(tǒng)計數(shù)據(jù)證實，英國南威爾士的夜間事故減少了72%；在英國諾福克，總體事故頻率從每年的7.3起減少到2.3起，重大事故比率從36%減少到0。在南非的烏倫迪和梅爾莫斯之間，在R66公路上安裝主動發(fā)光突起路標(biāo)前7個月，記錄了88起嚴(yán)重的夜間事故，造成27人死亡，在該地安裝太陽能主動發(fā)光突起路標(biāo)后的12個月內(nèi)，這條路沒有記錄到夜間事故。另外，在荷蘭的N200高速上部署主動發(fā)光突起路標(biāo)后，車輛碰撞頻率或嚴(yán)重程度也急劇下降。顯而易見，主動發(fā)光突起路標(biāo)在顯著減少道路事故方面起到了積極作用。由此可見，智慧道釘可以面向未來交通，可提供覆蓋全高速路網(wǎng)的低成本感知方案，為無人駕駛提供道路基礎(chǔ)信息，為車輛提供亞車道級的定位。

1智慧道釘

1.1個體結(jié)構(gòu)組成

智慧道釘由兩大部分組成：（1）前端的感知單元，利用內(nèi)置的傳感器和處理器，能夠感知車流量、車速、駐停、道路積水、結(jié)冰情況；（2）通信技術(shù)，可以通過藍牙技術(shù)無縫銜接，也可利用局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)通信功能，實現(xiàn)道釘之間、道釘與平臺之間的信息交互，以及道釘與車輛的信息交互。如圖1所示。

1.2系統(tǒng)組成

通過在高速公路廣泛部署低成本的集成多種傳感器的具有通信功能的物聯(lián)網(wǎng)智慧道釘產(chǎn)品，實時獲取路況信息，包括對車道級車流量、車速、車型、車輛位置等交通信息的實時精準(zhǔn)感知，構(gòu)建交通流的數(shù)字孿生系統(tǒng)，對異常交通事件進行精準(zhǔn)監(jiān)測與判斷，結(jié)合道釘智能燈光顯示功能，實現(xiàn)車道級通行誘導(dǎo)、交通預(yù)警、交通事故警示等。

全路段的精準(zhǔn)監(jiān)測，以云控數(shù)據(jù)平臺為基礎(chǔ)構(gòu)建交通數(shù)字孿生系統(tǒng)，提升智能交通系統(tǒng)高效管理、提供交通與環(huán)境態(tài)勢的精準(zhǔn)監(jiān)測、識別和態(tài)勢預(yù)測，為交通決策提供科學(xué)依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。如圖2所示。

1.3檢測原理

以一定速度在道路上行駛的車輛，會擾動局部磁場，可以將該車輛看作是一個磁偶極子［1］。對一個正在駕駛的車輛建立其運動模型，其離散狀態(tài)空間模型車輛［2］的分析如下：由此建立一個原點為（0，0，0）磁感應(yīng)器的笛卡爾三維坐標(biāo)系。考慮到車輛沿直線在x軸上以速度vk（vk>0）行駛，初始點為（x0，y0，z0），所以有vk=vx。x0初始化為負值，同時是第一個引起磁擾動的點，y0初始化為0，z0初始化為一個小的非負值，表示傳感器安裝在路側(cè)，相應(yīng)的與車輛間有一定的距離。經(jīng)過時間t（t>0），車輛的位置變?yōu)椋▁0+vx·t，y0，z0）。車輛的磁矩表示為mk=（mxmymz），基于傳感器的表示如下：

以上為第五級多項式，至少存在一組t的解，使[SX（]B[]t[SX）]=0。相應(yīng)的，存在一個t使得Bx達到最大或者最小值，在圖形中，已驗證為極大或極小值。對于By和Bz的派生式，類似于Bx。

現(xiàn)在式（12）～（14）給出了時間與行駛中車輛磁場擾動之間的關(guān)系。如果將模型與時間t組合，可以計算出以上相應(yīng)的參數(shù)。存在t0使Bx=0，即f（t）=0。對于不同的速度，參數(shù)t0也不同，其是實時獲取過濾掉噪音的交通數(shù)據(jù)參數(shù)，反映了x軸的初始與Bx=0時的間隔。給定t0，與車輛的行駛速度相關(guān)聯(lián)，對應(yīng)地可以構(gòu)建計算出車輛速度。

通過以上分析，-[SX（]x0[]vx[SX）]可以反映車輛隨時間的磁震動，而t0對應(yīng)不同的車型。所以，不同車型的車速可以通過時間-磁擾動變化向量建立，從而實現(xiàn)對車型的識別和車速的測量。

2部署應(yīng)用

2.1部署范圍

如圖3所示，1號主干道、2號主干道分別為那洋和沙井方向，設(shè)計時速為120 km/h，待部署區(qū)域單向全長1 km，雙向八車道，智慧道釘間隔按8 m安裝，部署2排，兩邊車道部署在邊緣白色實線外3～5 cm處。

2.2樞紐互通方案

2.2.1分流區(qū)

如圖4所示，在分流區(qū)部署智慧道釘，利用其燈光指示功能，可以實現(xiàn)車道級道路輪廓強化指示功能。讓行駛車輛及早發(fā)現(xiàn)行駛車道輪廓，提前做好駛出高速公路的變道準(zhǔn)備，對駛出高速公路的車輛進行車道誘導(dǎo)。

2.2.2合流區(qū)

如圖5所示，對合流區(qū)主道右側(cè)車道與匝道上車輛行駛狀況的實時精準(zhǔn)感知，通過人工智能算法，精準(zhǔn)預(yù)判合流區(qū)域發(fā)生并道交通事故的可能性，并通過該位置智慧道釘燈光顏色與閃爍頻率的變化，進行燈光預(yù)警，通知該區(qū)域的車輛駕駛員，有效控制車速和匯入時刻，避免發(fā)生交通事故。

2.2.3導(dǎo)流線碾壓檢測

通過智慧道釘在導(dǎo)流區(qū)的有效部署，可以檢測過往車輛是否碾壓導(dǎo)流線，若路段內(nèi)實線被頻繁碾壓，道路管理者可根據(jù)需求對標(biāo)志線進行優(yōu)化調(diào)整，為交通管理提供參考依據(jù)。

3結(jié)語

智慧道釘在南寧沙井至吳圩高速公路上發(fā)揮著重要作用，其能提供低成本感知方案，為高速公路科學(xué)管控提供科學(xué)支撐，有著良好的應(yīng)用前景。

（1）道路交通與環(huán)境狀況全面感知。智慧道釘沿車道線部署，可以低成本實現(xiàn)車速、車型、行車軌跡、位置、環(huán)境溫度等交通、環(huán)境信息的全面精準(zhǔn)實時感知。

（2）車道級強化示廓與軟隔離。智慧道釘可為雨霧等惡劣環(huán)境的安全通行，提供精準(zhǔn)行車導(dǎo)引功能；對交通事故、道路施工等出現(xiàn)的部分路段車道封閉的情況，可以通過智慧道釘?shù)臒艄飧婢δ埽崆斑M行車道級軟隔離，有效降低交通事故率。

（3）異常交通行為、交通事件檢測、定位與告警。通過智慧道釘對車輛通過事件的檢測，結(jié)合數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與融合算法，可實現(xiàn)車輛的速度、位置、軌跡的實時感知及車輛駛停、超速、緩行、逆行、變道等異常交通行為及事件的精確監(jiān)測與判斷，并可通過云控數(shù)據(jù)平臺端，直觀方便地顯示與彈屏告警，為交通事故的快速響應(yīng)處理提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

（4）公路智能養(yǎng)護預(yù)警。基于智慧道釘全面感知的大數(shù)據(jù)，可對不同路段、車道或斷面進行車型、車流量等不同維度的統(tǒng)計與分析，可實現(xiàn)對道路健康狀況趨勢變化的精確估算和預(yù)警，有效提高道路養(yǎng)護效率，減少養(yǎng)護成本。結(jié)合云控數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)基于上述數(shù)據(jù)的分類統(tǒng)計與分析，為高速公路的智能化管理、維護提供有效數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻

［1］Szymon Gontarz，Przemyslaw Szulim，Jaroslaw Senko，et al.Use of magnetic monitoring of vehicles for proactive strategy development［J］. Transportation research，2015（52）：102-115.

［2］Feng Yimeng，Mao Guoqiang，Chen Bo，et al.MagMonitor： Vehicle Speed Estimation and Vehicle Classification Through A Magnetic Sensor［J］. IEEE transactions on intelligent transportation systems，2022，23（2）：1 311-1 322.

基金項目：廣西重點研發(fā)計劃項目“智慧高速車路一體技術(shù)研究與示范項目”（編號：桂科AB21196008）

作者簡介：喬翠仙（1988—），工程師，主要從事高速公路工程施工建設(shè)管理工作。