智能雾灯诱导系统设计及应用

周宏福

（山西省交通信息通信有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

高速公路具有区域全封闭、车辆速度快、全立交的特点，自然气候条件对高速公路行车安全的影响比较突出，随着全国高速公路网建设完善，山区道路占比逐步加大，在湿度、温差、地形、地貌、海拔等多种因素的影响下，团雾现象容易发生，致使区域内道路能见度迅速降低。驾车人员无法预先得知信息，或得不到有效提示，车辆驶入雾区后由于能见度突然降低，极易导致交通事故的发生；而在快速行驶的高速公路上，又容易造成多车连环追尾的灾难性事故。我国每年因雾等恶劣天气影响造成的交通事故占事故总数的近1/4[1]。

贵州地处云贵高原高海拔地区，秋冬季节团雾易发、频发，对山区道路影响尤为明显，会使道路通行效率下降，并对行车安全带来了较大隐患。为了提高雾区道路的通行能力，传统做法是利用主动发光设备（如黄闪雾灯）对行驶车辆进行引导，其实现方式相对单一，对车辆的提醒未能实现智能化。本文以贵州省六盘水至威宁高速公路西联络线引入智能雾灯诱导系统作为应用案例，利用信息采集、处理控制等技术措施，通过道路轮廓识别、防追尾警示等智能诱导功能，实现对车辆的车距、车速等智能控制，在有效提高雾天道路通行率的同时，也可明显减少交通安全事故。

1 智能雾灯诱导系统组成

智能雾灯诱导系统主要由信息采集、信息传输、综合处理控制、路侧诱导和信息发布5个子系统构成。智能雾灯诱导系统示意图如图1所示。

图1 智能雾灯诱导系统示意图

1.1 信息采集子系统

信息采集子系统主要进行区域内能见度值、交通流量、实时视频监控等相关信息采集，为策略的制定提供数据支撑，也是执行诱导策略的依据。

1.1.1 气象信息采集

气象信息采集的内容包括：能见度值、现场视频等数据。其中通过能见度分析仪实时获取的能见度值是该子系统的核心数据信息，分析仪将每隔60 s更新能见度值。不同的能见度值经控制子系统处理后，可对路侧诱导设施、电子限速屏、可变情报板等设备发布相应的指令。

1.1.2 交通状况信息采集

交通状况信息采集的内容包括：交通流量、停车状态、行车速度等数据。数据的采集是通过高密度布设的内置于路侧诱导设施中的红外车检器对车辆运行轨迹进行动态跟踪，按照相应的数学算法实现，为各种诱导策略的执行提供数据支撑[2]。

1.2 信息传输子系统

信息传输子系统，主要由通信数据处理平台、高速公路光纤通讯接口、GPRS通讯模块及数据通讯服务器构成，构建了综合处理控制子系统和其他各子系统间的数据交互链路。

信息传输子系统分为2层传输结构。第1层，利用光纤构建信息采集子系统和控制子系统间的信息交互传输通道，用来传输信息采集子系统的相关数据、发送对诱导设施的控制指令、对诱导设施工作状态进行反馈等，各诱导设施间的信息交互则利用内置于诱导设施中的通信模块完成；第2层，利用光纤通信网络或GPRS网络，实现雾区路段与路段监控中心间的数据通讯。

1.3 综合处理控制子系统

综合处理控制子系统，由基于ARM的嵌入式平台和雾天行车管理软件组成，负责对雾区路段能见度值等雾况数据进行分析、处理和路侧诱导子系统的控制管理。

该子系统对采集子系统传输上来的交通流量、能见度值等现场实时数据进行计算分析，同时与雾天行车管理软件中预设的气象灾害类型、程度进行对比匹配后，形成不同的控制预案，进而对诱导设施、电子限速标志、可变情报板发布等前端设备发布相应的控制指令（如改变诱导设施的显示状态），控制整个诱导系统的正常运行。

1.4 路侧诱导子系统

路侧诱导子系统由控制器、诱导设施和无线通讯中继器组成。

诱导控制器负责同监控中心进行数据交换，并根据指令向诱导设施发布各种诱导策略；雾区诱导设施由LED诱导灯和车辆检测模块组成，安装在大雾易发、频发地段道路两侧的波形防护栏以及桥梁护栏上，车辆检测模块是基于C波段的雷达车辆检测器，内置于每一个诱导设施内。

诱导控制器收到监控中心控制命令后，向路段两侧布放的诱导设施发出转换数量、闪烁频率等指令，诱导设施通过内置红外线车辆检测器检测车辆通过状况，形成前后车辆需要保持的行车安全距离提示（红色显示距离），可对车辆进行实时诱导，从而加强大雾情况下行车安全距离的控制[3]。

1.5 信息发布子系统

信息发布子系统由安装在高速公路上的可变限速标志牌、可变情报板组成。雾天时，由综合处理控制子系统对雾区路段的能见度值等雾情数据进行及时的分析、判断、预警，通过信息发布子系统发布相应警示信息，使驾驶员及时掌握前方雾况信息，通过实时限制车速等控制手段保障行车安全。

2 智能雾灯诱导策略

大雾路段的能见度对车辆行驶过程中的车距、车速、可视距离等有较大影响。美国国家公路与运输工作者协会（AASHTO）和美国国家合作公路研究计划机构（NCHRP）进行了停车视距模型分析[4]，模型建立了车辆可视距离、车辆速度和车距三者之间的关系，两种停车视距模型分析显示驾驶员反应时间为2.5 s。在仿真实验的基础上，基于停车视距和交通标志识别距离，并结合不同道路纵坡，得出了雾天高速公路车距、车速控制值。智能雾灯诱导系统的应用能够有效提高车辆在雾区路段的可视距离，增加驾驶员的反应时间，可有效提醒车辆主动控制车距车速。

表1 AASHTO、NCHRP模型结果对比

根据实验数据，同时结合应用现场的使用环境和管理单位的实际需求，该系统将可视距离设定为3个区间值，为500 m、300 m和100 m，根据不同的能见度区间，可预设4种诱导策略，分别为：道路轮廓强化策略、主动诱导策略、防追尾警示策略和特情警告策略。

2.1 道路轮廓强化策略

当能见度大于500 m情况下，环境照度低于500 lux时，该系统执行道路轮廓强化策略，主动发光诱导设施呈黄色常亮状态，引导车辆前行。道路轮廓强化策略如图2、图3所示。

图2 道路轮廓强化示意图

图3 道路轮廓强化现场效果图

2.2 主动诱导策略

当能见度低于500 m，但大于300 m时，该系统执行主动诱导策略，主动发光诱导设施状态为黄色同步闪烁（频率30次/min），可变信息情报板发布“限速80 km/h”和“前方能见度低于500 m，请谨慎驾驶”信息，司机对诱导光带的可视距离在550～800 m。主动诱导策略如图4所示。

图4 主动诱导示意图

2.3 防追尾警示策略

当能见度低于300 m，但大于100 m时，该系统执行防追尾警示策略。此时，诱导设施显示为主动诱导状态，即为黄色同步闪烁（频率30次/min，占空比1∶1），可变信息标志发布“前方大雾，请跟随黄色诱导灯行驶”“前方大雾，限速80 km/h，请保持车距”等信息。当诱导设施内置的车辆检测器检测到有车辆通过（车辆通过检测断面）时，该车辆后方一定数量的诱导设施将变为红色同步闪烁状态（频率60次/min，占空比1∶1），形成红色警示带。红色警示带主要用来控制前后车辆跟驰距离，通常情况下，后面跟随车辆应在黄色诱导设施的引导下行驶，而不应进入红色警示带，以防跟驰距离太近，引发追尾事故。警示带的长度（即红色诱导设施数量）可根据能见度以及规定的安全行车距离进行设定。红色闪烁结束后，诱导设施将恢复黄色闪烁状态。防追尾警示策略如图5所示。

图5 防追尾警示示意图（单位：m）

2.4 特情警告策略

当能见度低于100 m时，该系统执行策略与“防追尾警示策略”类似，将执行主动诱导和防追尾警示策略。在“特情警告策略”触发状态下，主动发光诱导设施呈红色同步闪烁（频率60次/min，占空比1∶1），在“特情警告策略”未触发状态下，主动发光诱导设施呈黄色同步闪烁，闪烁频率将加快为60次/min，以进一步提高对驾驶员的感官刺激，给驾驶员充分的警示。

3 工程应用

该系统在贵州省六盘水至威宁高速公路西联络线进行了现场应用，该高速地处云贵高原山区间，海拔高、环境湿度大，是大雾、团雾的频发地带，也是安全事故易发路段。结合该路段运营状况及现场调查情况，最终在龙滩梁隧道至穿岩洞隧道之间（桩号K5+660—K9+126），以及老寨坪隧道至龙滩梁隧道之间（桩号K10+182—K11+082），总长约2 km（全断面4幅）路段布置智能雾灯诱导设施。系统现场效果如图6所示。

图6 系统现场效果图

较之传统的诱导方式，该系统具有以下优点：a）实现了对雾区道路（尤其是封闭式高速公路雾区路段）内车辆的安全引导，可有效减少车辆在低能见度时安全事故的发生，在山区高速团雾突发状况下，道路能见度急速降低，该系统的“道路轮廓强化策略”可使驾驶人员在无法识别道路标线的情况下，依据路侧诱导设备发光形成的“灯带”，保持在车道内安全行驶，可有效避免因可视条件差而误撞护栏的交通事故；b）该系统在防追尾模式下，前车经过所形成的“红色警示带”，可迫使后车驾驶员主动调整车速，实时提醒后车应与前车保持在黄色诱导设备所确定的动态安全距离范围内行驶，该系统利用诱导设备发出的黄/红灯光频闪速率的变化来刺激驾驶人员的视觉神经，缓解驾驶人员疲劳程度，减轻驾驶员雾天行驶的紧张感，可有效防止追尾事故的发生；c）该系统包含的硬件设备能见度分析仪、诱导设备、控制器等均布设在高速公路两侧，以道路能见度值和车辆行驶轨迹来进行预警或警示状态的分析、判断和指令控制，具有硬件组成简单、数据交互量小、易于实现、可复制性强的优点。

4 结语

工程应用表明，高速公路尤其是山区高速引入智能雾灯诱导系统后，可有效减少因大雾天引发的追尾等恶性交通事故，同时，在团雾等极端雾天条件下（能见度不小于50 m），仍能确保高速公路不封路，保持正常通行，保证了高速公路在极端天气条件下的营运能力，实现了雾区道路行驶车辆由自主安全控制向引导控制的转变，促进了道路通行安全、高效化发展。