高速公路智能匝道預警系統的設計與應用

摘要：文章針對高速公路匝道區域的交通安全問題，設計并實施應用了一套智能匝道預警系統。該系統融合雷達與視頻檢測裝置，精準捕捉車輛行為和交通流態，通過BLE Mesh無線網絡控制警示燈群閃爍和顏色的變化，實時對行駛車輛進行預警。系統初步測試于賀西高速文竹匝道入口，與以往對比能有效提升匝道交通安全和效率，為智慧交通系統的未來發展奠定了基礎。

關鍵詞：匝道預警；雷視融合；BLE Mesh；車輛檢測

中圖分類號：U491.1+4

0 引言

在現代社會中，高速公路作為重要的交通基礎設施，承載著人們日常出行和貨物運輸的重要使命。截至2022年底，我國高速公路里程已達17.7×104 km［1］。高速公路的暢通與安全不僅直接關系到個人的出行體驗，更關乎國家的經濟繁榮和社會穩定。

在高速公路上遇到特殊天氣狀況時，交通事故的風險會明顯增加。尤其是在匝道路段出現濃霧導致能見度降低，駕駛者可能會因視線模糊而難以判斷后方車輛的位置，也難以識別交通警示標志和防護欄，從而出現判斷和操作的失誤，導致追尾、撞擊護欄等交通事故的發生。為了降低事故的發生率，保障駕駛員和乘客的生命安全，需要加強預警系統的應用。

隨著科技的迅速發展，全球交通網絡日益密集，現已進入智能交通系統的新時代，其中智慧高速公路是一項引人矚目的創新。智慧高速公路的發展已經在全球范圍內取得了巨大的成功，通過運用先進的技術手段，不僅提高了高速公路的安全性和流通性，還為駕駛員和交通管理部門提供了前所未有的實時信息。我國智慧公路建設已基本形成集感知、辨析、云控、管理、服務于一體的通用架構［2］。

本研究旨在設計一套智能匝道預警系統，增強高速公路匝道區域的交通安全。本次設計的系統融合尖端的雷達和視頻檢測設備，采用數據分析和通信技術，聯動控制各類設備設施，實現實時監測匝道交通狀況的功能，并為司機發出潛在危險警告，為公路匝道口安全駕駛提供更為精準和個性化的決策誘導。

1 發展現狀及存在問題

1.1 發展現狀

在高速公路智慧化業務場景中，智能匝道預警系統是一個備受關注的領域。早期的高速公路智能匝道預警系統主要依賴于靜態交通標志和路標，如匝道彎曲和速度限制標識。這些系統提供了基本的信息，但對于快速變化的交通狀況缺乏靈活性。20世紀70年代，雷達技術開始應用于高速公路交通管理。雷達系統可以檢測車輛的速度，但其獲取的信息仍具有局限性。為了實現全面的交通管理功能，20世紀90年代以后，高速公路開始采用攝像頭進行實時監測。這些攝像頭可以提供更多的信息，如車輛類型和道路條件，但仍然需要人工干預來解釋數據。隨著感知技術和物聯網技術的普及，智能匝道預警系統的感知和通信能力均得到了改善。這使得系統能夠更快速、更精準、可靠地監測交通情況和預測潛在危險。過去，智能匝道預警系統的應用相對有限，而現在，越來越多的國家和地區開始在高速公路上部署這些系統，政府和交通管理部門也提供了政策支持，推動了這一領域的快速發展。

1.2 存在問題

近年來，數據融合和深度學習等技術的應用使得高速公路智能匝道預警系統變得更加智能。系統能夠實時分析感知數據，識別潛在的危險情況，并發出自動化警告。楊正飛［3］基于路側攝像機和毫米波雷達，利用改進YOLOv5和DeepSORT算法對車輛進行檢測與跟蹤，融合多傳感器設計了車輛防碰撞預警系統，使駕駛員有足夠的時間采取措施，從而減少事故發生的可能性。目前眾多交通系統結合雷達、視頻、傳感器等多種技術，可實時監測匝道上的交通狀況和駕駛員行為［4］，提前預警潛在危險，并將預警信息展示在遠處可變情報板上，從而顯著提高高速公路匝道區域的安全性。

可變情報板是交通管理系統中的一種重要預警工具，用于實時傳遞交通、天氣或其他緊急信息。盡管其在提高交通安全和效率方面起到了關鍵作用，但在實際運營中仍存在一些問題，例如：高質量的可變情報板及其相關的控制和通信系統可能需要較高的初期投資和運營成本；如果情報板上的信息過于復雜或頻繁變化，可能會分散駕駛員的注意力，從而增加交通事故的風險；在強光、雨、霧等天氣條件下，可變情報板的可讀性降低，駕駛員難以識別信息；在緊急情況下，情報板信息更新存在延時性，無法提供即時警示，存在安全隱患。

2 改進方法及設計

為了緩解高速公路匝道區域頻發的交通事故和控制成本，本研究構建了一套基于車輛檢測技術與智能預警燈光提示機制的智能匝道預警系統。該系統由車輛檢測裝置和智能預警提示設備兩部分組成，智能預警系統概念如圖1所示。在行車道和匝道兩側的防護欄上安裝智能匝道預警系統，當系統監測到行車道和匝道有車輛即將到達并道口時，防護欄上的智能警示燈將變為紅燈閃爍，提示兩側行駛的車輛有車通過，注意減速避讓。本次研發的系統主要作用于夜間或者能見度較低時，并可為駕駛人員提供清晰的道路輪廓，指引駕駛人員安全通行。

車輛檢測裝置依托雷達與視頻融合技術，對車輛速度、距離和位置等關鍵參數進行實時監測，隨后將相關數據傳輸至智能預警提示設備。智能預警提示設備由路燈集中控制器、智能警示燈兩部分組成，路燈集中控制器主要負責根據接收到的命令控制智能警示燈的啟動和閃爍頻次，而智能警示燈則用于向匝道車輛進行提示，必要時在低可見度條件下描繪道路輪廓，使駕駛員提前做出反應。

本系統利用實時傳感技術和數據分析，可以即時捕捉交通狀況、氣象變化和駕駛員行為的細微變化，從而提供更為準確和個性化的燈光警告。與僅提供靜態信息的情報板相比具有動態性、實時性和靈活性。這種即時反應能力不僅可以幫助駕駛員更快速地識別和應對潛在危險，而且可以顯著提升交通安全，降低事故風險，同時優化交通流動性，實現更為高效和安全的高速公路運行。

2.1 車輛檢測裝置的設計

車輛檢測裝置的主要任務是實時監測車輛的速度、距離和位置等關鍵參數，并將相關指令傳輸至智能預警提示設備。該裝置的優勢在于集成了雷達和視頻融合技術，以實現更為全面和高效的交通監控和預警功能。

雷達裝置通過發射電磁波并接收其反射波信號來捕獲車輛的位置和速度數據，從而能夠在任何光照和天氣條件下實時準確地追蹤車輛或其他移動物體的動態。本設計中選用77GHz的ARS408毫米波雷達作為感知傳感器，其高精度的目標追蹤和距離測量功能可以有效地檢測車輛的速度、距離和運動方向。視頻端的設備由極低照度Sony imx 482圖像傳感器和特制鏡頭組合而成，并以海思HI3559AV100芯片為算法處理中心，利用YOLOv5深度神經網絡來識別車輛種類、車道偏移和駕駛員行為等關鍵信息。

毫米波雷達感知到的數據為高階語義信息，而視頻捕獲的圖像信息是由像素點所組成的。為了將兩種信息進行融合，本設計在YOLOv5卷積神經網絡的基礎上引入了雷達注意力模塊。該模塊通過卷積層處理雷達投影圖，得到適配于網絡各個中間階段的比例輸入，并借助基于Sigmoid函數的柔性注意力機制，與原始特征圖進行相乘，促進模型在不同層次上更加聚焦于特征圖的特定空間區域，從而更好地實現雷達視頻數據的融合。雷視數據融合流程如圖2所示。這種高效的雷達和視頻數據整合方法，不僅顯著提升了系統的感知能力和數據精確度，還賦予了系統深度分析和準確識別潛在危險情況的能力，為高速公路交通安全提供了有力的技術保障。

2.2 智能預警提示設備的設計

智能預警提示設備是利用設置在公路兩側的智能警示燈為在途車輛提供安全引導。本次設計的智能預警提示設備由路燈集中控制器和智能警示燈兩部分組成。

路燈集中控制器主要負責對車輛檢測裝置傳輸的控制信號做出響應，并管理各個智能警示燈的狀態。該控制器利用低功耗、網絡穩定性高且可以承接大規模設備網絡的BLE Mesh無線技術與其他智能警示燈進行通信。由于BLE Mesh技術具備自組織和自修復的網絡屬性，即便在節點數量較多的情況下，仍然能保證通信和數據傳輸的高效性，大大增強了網絡的靈活性和可擴展性。此外，為確保與車輛檢測裝置的穩定數據傳輸，路燈集中控制器選用了具有強抗干擾能力的RS485通訊鏈路來完成數據傳輸。

智能警示燈設計著重于實施對匝道來往車輛的預警提醒功能，致力于增強道路安全性和流暢性。智能警示燈配置了BLE Mesh無線技術，通過利用管理泛洪方式將消息傳輸至遠端設備，從而實現路燈集中控制器對智能警示燈群的可靠控制。在能源管理方面，智能警示燈采用光伏充電板對電池進行充電，降低供電成本，也凸顯了其環保和可持續性。此外，為了實現明確、可見的警示效果，警示燈還采用了高亮度和低能耗的LED燈具，能在霧天或其他照明不足的環境下實現警示和誘導的作用，智能警示燈實物如圖3所示。智能預警提示設備的整體設計體現了技術創新與環保理念的結合，為現代化高速公路的智慧管理提供了新的設計方案。

3 試驗測試

為了進一步驗證系統的實用性，分別在實驗室和匝道入口進行試驗測試。實驗室主要測試系統的數據準確性、延遲、光伏充電情況以及傳輸距離等參數。匝道入口主要對系統進行整體性測試。

在實驗室進行的測試表明，運用BLE Mesh技術的智能預警提示設備在空曠地形下能穩定傳輸達200 m，并在有遮擋的環境中維持了120 m的零丟包穩定連接，突顯了設備在各種地理和環境條件下的優越傳輸穩定性和距離覆蓋能力。智能警示燈的光伏充電板即使在多云或陰天也能高效轉化太陽能，達到約70%的最大充電效率；在陽光充足的情況下，只需5 h即可充滿，能持續穩定運行＞100 h。車輛檢測裝置的雷達與視頻數據在雨、霧和夜間表現出色，時間對齊精度為±2 ms，空間偏移僅±5 cm，具有多場景魯棒性。該裝置能準確識別并追蹤車輛突然變道或急加速的情況，檢測準確率高達92.6%。其對突發事件的平均反應時間為135 ms，≤300 ms，從數據捕獲到結果輸出的總延遲時間平均為820 ms。綜上所述，智能匝道預警系統的實驗室測試展現了其檢測精確性和響應實時性。

為了對智能匝道預警系統進行整體性測試，在賀西高速公路（昭蒙路）文竹匝道十字入口實施實驗測試。在路段中，每隔30 m部署一臺智能警示燈，并在每個匝道匯聚處前300 m部署車輛檢測裝置和路燈集中控制器。在實際測試中，駕駛員可以明顯感受到在接近匝道口時得到了更為準確和及時的提示。當有車輛準備通過入口時，智能警示燈會通過特定的信號模式提醒駕駛員，使他們可以提前做好準備和調整，避免潛在的危險和沖突。對前方交通狀況的清晰提示，大大提高了駕駛員的安全感，保障了匝道口的有序運行。此外，系統的BLE Mesh通信技術也確保了命令和信息的快速、穩定傳輸，使得整個網絡能夠高效地響應各種交通狀況，展示出極高的靈活性和可靠性。

測試結果表明，智能匝道預警系統的各項功能均滿足系統的設計要求。在賀西高速（昭蒙路）文竹匝道入口的整體測試中，系統實現了交通管理的智能化和綠色化，不僅提升了道路的安全性和運行效率，也為未來智慧交通系統的發展提供了有力的支撐和示例。

4 結語

本文基于雷達與視頻融合技術，設計應用了高速公路智能匝道預警系統。該系統能夠準確監測匝道處的車輛動態，并向匝道車輛提供動態預警。相較于傳統監控手段，本系統大幅減少了可能出現的誤報和漏報情況。同時，BLE Mesh通信技術賦予了系統高效和穩定的數據傳輸能力，確保了在大規模網絡環境下仍能保持低延遲和高可靠性，從而完成燈群警示效果。此外，考慮在高速公路環境中環保和節能的需求，本系統通過集成光伏充電模塊，實現綠色、可持續的能源解決方案，減輕了對傳統電力網絡的依賴，同時也降低了系統的運行成本。

在賀西高速公路（昭蒙路）文竹匝道的實際應用中，該系統被證明能夠有效地提升道路安全性和交通效率。駕駛員在接近匝道口時能夠得到更為及時和準確的預警提示，極大地提升了行車安全意識和預防交通事故的能力。

綜上所述，本研究所提出的高速公路智能匝道預警系統不僅具備實用性和可靠性，還突顯了現代交通管理系統在技術創新和綠色環保方面的追求和實踐，為未來智慧交通系統的研究和應用奠定了堅實的基礎。

參考文獻

［1］中華人民共和國交通運輸部.2022年交通運輸行業發展統計公報［EB/OL］.https：//xxgk.mot.gov.cn/2020/jigou/zhghs/202306/t20230615_3847023.html，2023-06-16.

［2］楊 超，曹更永，楊 松，等.智慧高速公路評價指標體系研究［J］.綜合運輸，2023，45（8）：47-51.

［3］楊正飛.高速公路匝道出口車輛防碰撞預警系統［D］.西安：長安大學，2023.

［4］李耀華，王俊棟，張 偉.業務驅動的智慧高速應用場景分析［C］.2023世界交通運輸大會（WTC2023）論文集（下冊），2023.

收稿日期：2024-03-21

基金項目：中央引導地方科技發展專項“廣西智慧道路機電系統新技術綜合平臺建設”（編號：桂科ZY20111015）

作者簡介：譚鄧宏（1982—），工程師，研究方向：嵌入式系統和硬件設計、數字圖像處理、雷達信號處理。