摘要：文章介紹了一種基于毫米波雷達檢測技術(shù)實現(xiàn)的高速公路交通路況感知與安全預(yù)警系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方案。該方案具備對道路車輛行駛狀態(tài)的實時監(jiān)測、行駛安全的風(fēng)險評估、安全預(yù)警與信息發(fā)布等功能，達到了提升高速公路運營管理水平與服務(wù)能力，降低道路突發(fā)路況引起的交通安全事故發(fā)生概率的目的。

關(guān)鍵詞：高速公路；毫米波雷達；路況感知；道路安全預(yù)警

中文分類號：U491.1+4A622074

0引言

交通出行安全一直以來都是人們最關(guān)心的問題之一，更是交通運輸管理部門日常管理工作的重心。隨著我國公路路網(wǎng)建設(shè)的基本形成與經(jīng)濟發(fā)展的持續(xù)增長，道路交通運輸服務(wù)保障能力逐漸飽和，交通出行需求日益增長，交通擁堵、惡劣天氣等原因引發(fā)的交通事故隨之增多，交通安全形勢越來越嚴峻。據(jù)統(tǒng)計，公路上發(fā)生的事故多為會車事故、超車事故、停車事故、彎道事故和追尾事故等，且最容易造成人員死亡［1］。由于高速公路的特性，當發(fā)生事故后，若后方車輛存在超載、車速過快、視線受氣候影響、事故現(xiàn)場設(shè)置警戒不當?shù)仍?，往往還會導(dǎo)致更嚴重的二次事故發(fā)生。因此，設(shè)計出一套可以實時掌握道路路況信息，并能夠?qū)Φ缆沸旭傊械能囕v進行有效預(yù)警與引導(dǎo)，避免路況突變使司機無法提前預(yù)知并及時采取避讓措施導(dǎo)致交通意外事故發(fā)生的交通安全管理預(yù)警系統(tǒng)，對保障高速公路行車安全順暢，提升道路運營管理水平與救援效率，為民眾出行提供優(yōu)質(zhì)的通行服務(wù)等方面有著十分現(xiàn)實的意義。

在智慧交通的發(fā)展背景下，學(xué)者們對交通事故智能預(yù)警系統(tǒng)、交通事故應(yīng)急處理平臺等方面開展了研究與應(yīng)用，并取得了較好的效果。文金朝等［2］根據(jù)光的干涉原理和Φ-OTDR原理，提出一種基于光纜振動的高速公路護欄碰撞告警方法，以此為基礎(chǔ)設(shè)計出高速公路護欄碰撞告警系統(tǒng)，碰撞點定位檢測誤差為10 m范圍內(nèi)。農(nóng)昭光等［3］提出了一套適應(yīng)廣西雨霧特殊天氣條件，具有能見度檢測、智能誘導(dǎo)、多元化控制、無人值守等功能的高速公路霧天智能誘導(dǎo)系統(tǒng)，增加高速公路雨霧天氣行車安全性和舒適性，降低事故發(fā)生概率。

綜上，學(xué)者們在交通事故檢測與預(yù)警引導(dǎo)方面做了較廣泛的研究，但在獲取交通事故前的路況信息，并對潛在危險隱患進行風(fēng)險分析、安全預(yù)警，主動預(yù)防事故發(fā)生的技術(shù)處理方面存在不足。因此，本文提出了一種基于毫米波雷達的高速公路交通路況感知與安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計方案，通過在道路兩側(cè)分布式安裝防撞護欄，可準確檢測到車輛運動狀態(tài)的毫米波雷達，實現(xiàn)高速公路車輛通行路況信息實時監(jiān)測功能，并通過后臺數(shù)據(jù)服務(wù)器建立的道路安全風(fēng)險模型進行路況數(shù)據(jù)處理與安全風(fēng)險評估，以及道路安全實時監(jiān)管與預(yù)測，同時與高速公路設(shè)置的信息情報板、道路輪廓誘導(dǎo)指示燈進行聯(lián)動預(yù)警，及時提醒司乘人員注意，從而有效避免交通意外事故發(fā)生，保證道路的行車安全與暢通。

1系統(tǒng)整體設(shè)計方案

高速公路交通路況感知與安全預(yù)警系統(tǒng)主要由安裝在公路護欄兩側(cè)的分布式毫米波雷達路況監(jiān)測單元、路況信息發(fā)布與預(yù)警系統(tǒng)單元、后臺管理系統(tǒng)軟件單元等構(gòu)成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

1.1交通路況感知單元

交通路況感知單元主要分布設(shè)置在道路兩側(cè)護欄上，實現(xiàn)對交通路況的感知監(jiān)測。目前，公路交通路況監(jiān)測內(nèi)容主要包括交通流量、交通擁堵、交通路面狀態(tài)、光線條件、氣候狀況等信息集合［4］。這些信息可以通過交通流量計、氣象儀、能見度測試儀等儀器設(shè)備進行檢測判斷，其技術(shù)方案也較為成熟完善，在高速公路建設(shè)項目中已得到了較為廣泛的應(yīng)用?？紤]到交通事故多發(fā)的路段往往是車輛由快速路駛?cè)霌矶戮徯械穆范危缭训莱鋈肟诼范?、事故擁堵、違停等路段。因此，車道上的車輛行駛狀態(tài)是交通路況感知的重要參數(shù)，是道路安全預(yù)警的重要評判指標。車輛狀態(tài)可以通過地感線圈、地磁、毫米波雷達、視頻、紅外線等［5］進行檢測。地感線圈、地磁檢測精度較高，但需要破壞路面，施工及維護成本較高；視頻與紅外容易受光線和現(xiàn)場環(huán)境氣候的影響，對安裝位置要求較高；毫米波雷達在霧、雪、雨等常見天氣下均能正常工作，即使在比較惡劣的環(huán)境下也能保持一定的性能水平，且安裝調(diào)試方式簡單。因此，采用毫米波雷達對車道車輛狀態(tài)進行監(jiān)測，對交通路況狀態(tài)的感知較其他路況檢測傳感器有著明顯的優(yōu)勢。

1.2路況發(fā)布與預(yù)警單元

路況發(fā)布與預(yù)警單元主要用于提醒司乘人員前方路段路況信息，起到警示的作用。實現(xiàn)方式包括分布式聯(lián)網(wǎng)LED誘導(dǎo)指示燈、道路LED可變情報板、道路語音廣播、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公眾號等載體。

1.3系統(tǒng)管理軟件單元

系統(tǒng)管理軟件單元設(shè)置在監(jiān)控中心，由數(shù)據(jù)服務(wù)器、路況信息顯示大屏及系統(tǒng)管理軟件等組成，是整個系統(tǒng)的大腦中樞。系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器在獲取道路交通路況感知單元傳輸回來的路況信息數(shù)據(jù)后，通過建立的風(fēng)險分析模型，對系統(tǒng)路網(wǎng)的交通流量進行計算與擁堵風(fēng)險預(yù)測分析。路況信息顯示大屏實時顯示當前路況信息與發(fā)展趨勢，實現(xiàn)路況信息數(shù)據(jù)的可視化功能。系統(tǒng)管理軟件主要提供對路段上的交通路況感知單元、路況發(fā)布與預(yù)警單元進行注冊管理，并根據(jù)管理預(yù)案進行路況預(yù)警信息的編輯與發(fā)布。

2系統(tǒng)的硬件實施方案

由上述系統(tǒng)整體設(shè)計方案可知，系統(tǒng)硬件主要由交通路況感知單元、路況信息發(fā)布與預(yù)警單元兩大部分?？紤]到氣象檢測儀、道路LED可變情報板、道路語音廣播系統(tǒng)為高速公路已建系統(tǒng)，為避免重復(fù)投資，系統(tǒng)軟件只需與其完成進行數(shù)據(jù)接口聯(lián)通，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制功能即可，無須再另行設(shè)計。因此，硬件設(shè)備只需設(shè)計毫米波雷達交通路況感知部分與LED誘導(dǎo)指示燈部分。系統(tǒng)硬件設(shè)計原理如圖2所示。由于LED誘導(dǎo)指示燈與雷達感知處理電路分布式安裝在道路兩側(cè)護欄上，為方便系統(tǒng)的安裝與維護，故將二者一體化集成設(shè)計。

2.1毫米波雷達模塊

為提高道路路況檢查范圍，降低投資建設(shè)成本，系統(tǒng)采用24 G的FMCW毫米波雷達模塊進行設(shè)計。該雷達模塊采用鋸齒波調(diào)制方式，對檢測目標擁有較高的距離分辨率和速度分辨率，可以實現(xiàn)對動態(tài)或者靜態(tài)的機動車進行快速捕獲與觸發(fā)，并可通過模塊自帶的串口輸出檢測區(qū)域內(nèi)目標的距離與速度，數(shù)據(jù)檢測周期為10 Hz，檢測距離≥20 m，最多可同時檢測24個目標車輛，發(fā)射功率為3 db時，垂直視角24°，水平視角80°，功耗為0.68 W，滿足系統(tǒng)實時道路車輛狀態(tài)檢測的路況感知功能。由于雷達模塊與控制電路為一體化設(shè)計，為了簡化電路、降低成本，本方案選用TTL接口的異步串口通信的雷達模塊。模塊實物圖及與MCU的電路接口如圖3所示。

2.2RGB三色LED燈組

LED燈組由紅綠藍三種顏色的LED燈芯片組成，通過調(diào)節(jié)各芯片的灰度值可控制告警誘導(dǎo)燈的顏色。為了提高警示效果，降低電路功耗，LED燈組還需進行菲尼爾透鏡的外殼設(shè)計。RGB三色燈組采用LED PWM專用驅(qū)動芯片HTR3236進行設(shè)計。HTR3236為一款36路的PWM型的LED驅(qū)動芯片，通過I2C接口與MCU控制器進行通信，單路可實現(xiàn)256級的LED燈灰度控制。電路中分別選用12顆高亮的紅綠藍LED組成三色矩陣，通過HTR3236輸出的PWM值實現(xiàn)紅黃綠橙藍多種告警顏色。

2.3語音播報電路模塊

語音播報電路模塊主要用于播報監(jiān)控中心下發(fā)的語音告警信息，為了方便今后對系統(tǒng)的擴展升級，語音播報電路采用TTS語音引擎的語音合成芯片SYN6658進行設(shè)計，語音芯片通過SPI接口接收待合成的文本數(shù)據(jù)，實現(xiàn)文本信息到語音信號播放轉(zhuǎn)換。

2.44G通信模塊

4G通信模塊采用了SIM800C GSM/GPRS無線通信，主要實現(xiàn)系統(tǒng)硬件與系統(tǒng)后臺服務(wù)器軟件進行數(shù)據(jù)交換通信的功能，通過異步串行接口與主控MCU進行連接，采用AT控制指令完成移動4G網(wǎng)絡(luò)接入與數(shù)據(jù)傳輸功能，具有操作控制簡單，通信速度快、網(wǎng)絡(luò)頻譜寬、通信靈活等特點。

2.5MCU系統(tǒng)電路模塊

本設(shè)計方案采用的MCU芯片為主流的STM32f10x系列32位嵌入式CUP，主要負責整個系統(tǒng)硬件子模塊的工作邏輯、執(zhí)行系統(tǒng)軟件操作命令，是整個硬件系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)MCU軟件設(shè)計工作主流程如圖4所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計方案

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用前后端分離的架構(gòu)，方便系統(tǒng)的升級與維護。系統(tǒng)軟件的功能框架如圖5所示。前端為用戶操作處理軟件，主要是完成用戶對系統(tǒng)的信息配置與管理功能；后臺軟件功能主要是建立與硬件設(shè)備、服務(wù)公眾號平臺的數(shù)據(jù)接口，進行數(shù)據(jù)交互與設(shè)備控制指令發(fā)送，同時將接收到的路況信息數(shù)據(jù)進行存儲、處理，對風(fēng)險類型進行分析計算，識別當前風(fēng)險等級與發(fā)展趨勢，并將結(jié)果反映至前端軟件，根據(jù)前端軟件設(shè)置的風(fēng)險控制策略內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的控制。

4系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

在本系統(tǒng)設(shè)計方案中，影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵是雷達對道路感知的能力。為此，通過在試驗路段安裝樣機分別進行如下內(nèi)容的檢測試驗。

4.1系統(tǒng)目標檢測能力測試

現(xiàn)場分別記錄了無車存在至同時存在5輛車的情景數(shù)據(jù)，每種情景數(shù)據(jù)記錄10組。測試中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)出現(xiàn)了2次多捕獲、1次少捕獲的記錄，準確率為95%。[JP]多捕獲的情景均為區(qū)域內(nèi)的大貨車檢測出2個目標，少捕獲則是發(fā)生在大貨車與小車并行通過檢測區(qū)域?qū)е侣z，見下頁表1。

4.2系統(tǒng)目標位置檢測能力測試

車輛分別位于應(yīng)急車道、行車道1、行車道2、超車道時，記錄系統(tǒng)檢測出目標的車道位置數(shù)據(jù)，如下頁表2所示。目標車輛所在的車道位置是通過雷達測量目標與模塊之間的距離進行計算判斷的，記錄數(shù)據(jù)準確率100%，說明方案中雷達模塊的測距精度可以滿足方案要求。

4.3系統(tǒng)目標速度檢測能力測試

控制測試車輛時速，分別以5～120 km/h，間隔5 km的時速通過測試點雷達檢測區(qū)域，并記錄系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)，如下頁表3所示。通過表3測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：雷達在低速區(qū)域的測速精度較低，當測量速度低于30 km/h時，測速精度低于0.9；雷達在高速區(qū)域的測速精度較高，當速度達到55 km/h以上時，測速精度可以達到0.99。

綜合上述測試數(shù)據(jù)可見，系統(tǒng)在目標檢測、位置定位性能方面表現(xiàn)較好，但受到遮擋時會影響檢測結(jié)果。在速度檢測方面，30 km/h以下的低速測速結(jié)果不夠理想，測速精度均低于0.9。鑒于本方案的雷達檢測主要用于檢測道路是否擁堵，當車流速度較低時，測速精度對判斷系統(tǒng)是否擁堵影響不大，因此系統(tǒng)所選的雷達模塊性能可以滿足設(shè)計要求。

5結(jié)語

高速公路交通路況感知與安全預(yù)警系統(tǒng)主要通過獲取道路車輛動態(tài)的感知數(shù)據(jù)進行路況分析與預(yù)測，并對道路行車安全風(fēng)險預(yù)警與信息進行發(fā)布，及時告知司乘人員注意前方交通路況變化，能夠有效地避免因路況突變處置不及時而引發(fā)的交通事故。該系統(tǒng)已在南友高速公路吳圩段開展應(yīng)用測試，成效良好。該系統(tǒng)的性能具備優(yōu)化升級的空間，設(shè)計方案具備成本低、項目安裝部署簡單等特點，對應(yīng)用雷達感知路況應(yīng)用方面具備一定的參考價值。

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作者簡介：馬品成（1986—），工程師，主要從事高速公路機電工程建設(shè)與管理工作。