桂柳高速公路改擴(kuò)建工程投影預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：U418.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wCcst.2025.04.013

文章編號(hào)：1673-4874（2025）04-0046-04

0 引言

隨著交通流量的持續(xù)增長(zhǎng)，高速公路的改擴(kuò)建工程日益增多，以滿足日益增長(zhǎng)的交通運(yùn)輸需求1。前人已經(jīng)對(duì)高速公路的安全預(yù)警系統(tǒng)展開(kāi)了包括基于傳統(tǒng)標(biāo)識(shí)牌、電子顯示屏等的預(yù)警方式研究。例如，王曉安等[2]基于團(tuán)霧對(duì)高速公路行車(chē)安全的影響分析，設(shè)計(jì)了山區(qū)高速公路團(tuán)霧路段的行車(chē)安全預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)發(fā)布團(tuán)霧信息，并通過(guò)顯示屏提示限速值，有效減少因團(tuán)霧導(dǎo)致的交通事故。孫文莉3提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速公路車(chē)輛安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)集成預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、智能化干預(yù)與事故處理，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警，有效提高了行車(chē)安全。陳克坦4提出高速公路車(chē)輛安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，利用傳感器數(shù)據(jù)和監(jiān)控信息實(shí)時(shí)分析車(chē)輛動(dòng)態(tài)，有效預(yù)測(cè)并預(yù)警潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，提升道路行駛安全。然而，針對(duì)高速公路改擴(kuò)建工程這一特殊場(chǎng)景，尤其是在復(fù)雜地形和多變施工環(huán)境中，如何通過(guò)投影技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效且具有針對(duì)性的預(yù)警還存在知識(shí)空白[5。通過(guò)分析駕駛員在高速行駛過(guò)程中的視覺(jué)注意力分布和信息接收特點(diǎn)，結(jié)合區(qū)域的實(shí)際情況，本文提出利用投影技術(shù)進(jìn)行預(yù)警信息傳遞的設(shè)想。該投影預(yù)警系統(tǒng)可以將警示標(biāo)志、引導(dǎo)信息等直接投射到施工路段的路面、周邊設(shè)施甚至車(chē)輛上，使駕駛員和施工人員能夠更加直觀地獲取信息。研究的預(yù)期結(jié)果是成功設(shè)計(jì)出一套實(shí)用的桂柳高速公路改擴(kuò)建工程投影預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)提高工程的交通安全性，減少交通事故和交通擁堵，為此類(lèi)工程交通預(yù)警提供一種新的有效解決方案。

1工程概況

泉州至南寧高速公路桂林至柳州段改擴(kuò)建工程起訖樁號(hào)為 K1119+717～K1221+025 路線全長(zhǎng)約100.898km，是《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃（2018一2030 年）》中“1環(huán)12橫13縱25聯(lián)\"的主骨架。項(xiàng)目位于泉南高速公路西南最西端，路線起點(diǎn)（K1119 + 789.801）位于桂林市西北方的桂林西樞紐互通，該樞紐互通銜接泉州至南寧高速公路G72和包頭至茂名高速公路G65，終點(diǎn)設(shè)鹿寨北樞紐互通與鹿寨至陽(yáng)朔高速公路銜接。項(xiàng)目按全部控制出入、全立交的雙向八車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改擴(kuò)建，設(shè)計(jì)速度為 120km/h ，瀝青混凝土路面，橋涵設(shè)計(jì)荷載為公路-I級(jí)，其他技術(shù)指標(biāo)按《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTGBOI一2014）執(zhí)行。全線采用雙向八車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)改擴(kuò)建。其中，起點(diǎn)至永福互通段 34.060km ，設(shè)計(jì)速度為 120km/h ，路基寬度為 42m ；永福互通至終點(diǎn)段67.409km，設(shè)計(jì)速度為 120km/h ，路基寬度為 41m

2投影預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了解決該工程支路主路相交視覺(jué)盲區(qū)問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)投影預(yù)警系統(tǒng)，并設(shè)置在服務(wù)區(qū)及停車(chē)區(qū)的出入口、互通合流區(qū)等。該系統(tǒng)依靠人工智能視頻分析掃描支路上臨近的車(chē)輛，對(duì)進(jìn)入識(shí)別區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的車(chē)輛向主路機(jī)動(dòng)車(chē)道投射預(yù)警信號(hào)，從而警示主路行駛車(chē)輛駕駛?cè)藛T，以防交通事故發(fā)生。同時(shí)，投影預(yù)警系統(tǒng)自帶藍(lán)、紅警示燈和信息提示屏，提前警示機(jī)動(dòng)車(chē)輛駕駛?cè)藛T降低車(chē)速，以防車(chē)速過(guò)快導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。投影預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

投影預(yù)警系統(tǒng)由智能網(wǎng)關(guān)、警示發(fā)布屏、警示投射燈、高清監(jiān)測(cè)一體機(jī)、氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)單元、網(wǎng)絡(luò)通信單元、供電單元、桿體等組成。其主要功能是基于高清監(jiān)測(cè)一體機(jī)提供的高清車(chē)道視頻流，利用人工智能分析進(jìn)行車(chē)輛預(yù)警分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)道來(lái)車(chē)檢測(cè)。采用夜間通過(guò)警示投射燈進(jìn)行地面投影、白天警示發(fā)布屏兩種方式進(jìn)行提示。同時(shí)提供并線道路違規(guī)停車(chē)、駐留行為語(yǔ)音提示功能。通過(guò)檢測(cè)當(dāng)前氣象環(huán)境參數(shù)，對(duì)即將并入主道車(chē)輛進(jìn)行預(yù)警提示。整套設(shè)備采用 4G/5G 和光纖通信方式保障設(shè)備通信穩(wěn)定可靠，供電采用市電供電和太陽(yáng)能供電相結(jié)合，保證設(shè)備供電穩(wěn)定。各個(gè)點(diǎn)位設(shè)備可以通過(guò)統(tǒng)一管理平臺(tái)進(jìn)行管理，查看當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)以及當(dāng)前安裝點(diǎn)位的氣象環(huán)境參數(shù)，還可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻查看道路擁堵情況、車(chē)禍、車(chē)輛違規(guī)駐留等智能預(yù)警提示。投影預(yù)警系統(tǒng)共設(shè)58處，其分別設(shè)置在桂林西樞紐互通4處、僚田樞紐互通12處、桂林服務(wù)區(qū)4處、池頭樞紐互通6處、蘇橋互通6處、永福互通6處、永福服務(wù)區(qū)4處、波寨服務(wù)區(qū)4處、波寨互通6處及黃冕互通6處。

圖1投影預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

投影預(yù)警系統(tǒng)主要由道路人工智能（ArtificialIntelli-gence，AI）監(jiān)測(cè)設(shè)備和統(tǒng)一管理平臺(tái)兩大部分構(gòu)成，各部分功能相互協(xié)作，形成預(yù)警系統(tǒng)。投影預(yù)警系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

道路AI監(jiān)測(cè)設(shè)備采用AI視頻流智能分析技術(shù)，能精準(zhǔn)分析并線車(chē)輛、違規(guī)停車(chē)等情況，通過(guò)地面投射和雙色文字向車(chē)輛及駕駛?cè)藛T預(yù)警。設(shè)備具備脫機(jī)、離線工作能力，可 7×24 h不間斷運(yùn)行，還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫濕度、風(fēng)速等氣象環(huán)境。其內(nèi)置高清攝像機(jī)和4G/5G無(wú)線傳輸模塊，有全景拍攝功能，可對(duì)事故多發(fā)路口全景監(jiān)控與錄像，異常情況及時(shí)上傳統(tǒng)一管理平臺(tái)。通信組網(wǎng)可選4G/5G 或光纖網(wǎng)絡(luò)，且能自檢網(wǎng)絡(luò)及功能模塊狀態(tài)并推送信息。

統(tǒng)一管理平臺(tái)功能豐富：可實(shí)現(xiàn)用戶多級(jí)管理，配置少于3個(gè)級(jí)別的用戶，按職責(zé)分配角色權(quán)限；設(shè)備管理涵蓋新增、添加和授權(quán)；通過(guò)GIS地圖能實(shí)時(shí)查看設(shè)備狀態(tài)、歷史記錄及環(huán)境參數(shù)，針對(duì)多種異常自動(dòng)預(yù)警；5G微基站管理支持批量等更新操作，數(shù)據(jù)可視化展示設(shè)備和點(diǎn)位情況；采用NewSQL數(shù)據(jù)庫(kù)保障數(shù)據(jù)一致性，支持多種查詢模式；以訪問(wèn)控制技術(shù)為核心的防控安全技術(shù)，可以防止網(wǎng)絡(luò)攻擊，還提供標(biāo)準(zhǔn)第三方接口協(xié)議。

3投影預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用分析

3.1系統(tǒng)整體性能驗(yàn)證

試驗(yàn)系統(tǒng)采用HDM-1080P高清監(jiān)測(cè)一體機(jī)，智能網(wǎng)關(guān)選用AIW-500型；警示發(fā)布屏為 LCD-70 型，警示投射燈選用LTS-300型；氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)單元采用MET-100型；網(wǎng)絡(luò)通信單元采用4G/5G模塊，型號(hào)為COM一500；供電單元包括市電和太陽(yáng)能兩種方式。系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)性測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖2投影預(yù)警系統(tǒng)功能模塊示意圖

圖3系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)性測(cè)試結(jié)果示意圖

如圖3（a）所示為系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果，在一個(gè)季度的測(cè)試過(guò)程中，共出現(xiàn)5次故障，每次故障的修復(fù)耗時(shí)分別為1.5h、1.2h、1.3h、2.1h和1.4h。經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到系統(tǒng)故障率為 0.35% ，月平均無(wú)故障時(shí)間為 717.5h 如圖3（b）所示為系統(tǒng)響應(yīng)性測(cè)試結(jié)果，在100次測(cè)試中，響應(yīng)時(shí)間在 500～900 ms波動(dòng)，平均響應(yīng)時(shí)間約為665ms。結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，故障率低且修復(fù)迅速，響應(yīng)速度快。

3.2投影預(yù)警效果

投影清晰度測(cè)試中，通過(guò)在不同距離和不同環(huán)境光條件下，用分辨率測(cè)試卡來(lái)測(cè)量投影畫(huà)面中文字、圖案等的清晰度。投影亮度和對(duì)比度測(cè)試中，使用亮度計(jì)和對(duì)比度測(cè)量?jī)x，在不同場(chǎng)景下測(cè)量投影畫(huà)面的亮度和對(duì)比度。投影預(yù)警的視覺(jué)效果指標(biāo)如圖4所示。

圖4投影預(yù)警視覺(jué)效果指標(biāo)示意圖

如圖4（a）所示為投影清晰度測(cè)試結(jié)果，隨著投影距離的增加，投影清晰度緩慢下降。當(dāng)投影距離為50m時(shí)，在晴天、雨天和夜間的投影清晰度分別為 87.6% F79.5% 和 82.9% 。如圖4（b）所示為投影亮度和對(duì)比度測(cè)試結(jié)果，夜間環(huán)境中，投影畫(huà)面的平均亮度為230lm，對(duì)比度 gt;1000：1 。結(jié)果表明，投影設(shè)備在不同天氣和環(huán)境下均能保持較高的清晰度和良好的亮度對(duì)比度表現(xiàn)。預(yù)警有效性測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

如圖5（a）所示為預(yù)警信息識(shí)別率測(cè)試結(jié)果，在晴天、雨天和夜間，預(yù)警信息識(shí)別率平均值分別為98. 3% 、91. 2% 和89. 6% 。如圖5（b）所示為預(yù)警信息準(zhǔn)確性測(cè)試結(jié)果，在晴天、雨天和夜間，預(yù)警信息識(shí)別率平均值分別為 99.5%.96.7% 和 92.5% 。結(jié)果表明，預(yù)警系統(tǒng)在不同天氣和時(shí)段下均表現(xiàn)出較高的識(shí)別率和準(zhǔn)確性。

3.3 工程應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證該投影預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，研究將其運(yùn)用于桂林至柳州段改擴(kuò)建工程中，基于58處投影預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，得到投影預(yù)警系統(tǒng)工程應(yīng)用效果如表1所示。

表1投影預(yù)警系統(tǒng)工程應(yīng)用效果表

由表1可知，年事故發(fā)生量從安裝前的311起下降到安裝后的263起，事故率同比下降17. 8% 。車(chē)輛平均行駛速度穩(wěn)定性從 67.9% 提升到了 83.3% ，說(shuō)明該系統(tǒng)有助于維持車(chē)輛行駛速度的穩(wěn)定。駕駛員平均違規(guī)行為次數(shù)由1.68次減少到0.82次，反映出系統(tǒng)對(duì)規(guī)范駕駛行為起到了積極作用。路網(wǎng)運(yùn)行暢通指數(shù)從0.9999378提升至0.9999493，系統(tǒng)誤報(bào)率為 1.9% ，雖然有一定的誤報(bào)情況，但在可接受范圍內(nèi)。綜合來(lái)看，該投影預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用效果良好。

4結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)桂林至柳州段改擴(kuò)建工程，提出投影預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。投影預(yù)警系統(tǒng)共設(shè)58處，分布于多個(gè)樞紐互通、服務(wù)區(qū)及互通處。系統(tǒng)由智能網(wǎng)關(guān)、警示發(fā)布屏等多個(gè)部分組成，主要功能包括利用人工智能分析車(chē)輛并預(yù)警、通過(guò)地面投射和警示發(fā)布屏提示、對(duì)氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)及多種違規(guī)行為進(jìn)行預(yù)警等。該系統(tǒng)整體穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果顯示，故障率僅為 0.35% ，月平均無(wú)故障時(shí)間高達(dá)717.5h，顯示出系統(tǒng)的高穩(wěn)定性和快速故障修復(fù)能力。夜間環(huán)境中的平均亮度達(dá)到 230m ，對(duì)比度 gt;1000：1. 預(yù)警有效性測(cè)試表明，系統(tǒng)在晴天、雨天和夜間的預(yù)警信息識(shí)別率平均值分別為 98.3%.91.2% 和89. 6% ，準(zhǔn)確性測(cè)試結(jié)果分別為99. 5% 、96. 7% 和 92.5% 。該投影預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，年事故發(fā)生量從311起降至263起，車(chē)輛平均行駛速度穩(wěn)定性從 67.9% 提升到83. 3% 。總體而言，該投影預(yù)警系統(tǒng)在提高高速公路安全性方面具有顯著效果，為解決支路主路相交視覺(jué)盲區(qū)問(wèn)題提供了有效方案。然而，該系統(tǒng)尚有改進(jìn)空間，在極端天氣條件下的識(shí)別率和準(zhǔn)確性仍有提升的可能。未來(lái)研究可考慮進(jìn)一步優(yōu)化算法和設(shè)備性能，以應(yīng)對(duì)更多復(fù)雜路況和惡劣氣候條件。

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