道路行车安全智能诱导系统的开发与应用

　交通运输是国民经济发展的基础，是社会生产、流通、分配、消费各环节正常运转和协调发展的先决条件，对保障国民经济持续健康快速发展、改善人民生活和促进国防现代化建设等具有十分重要的作用。 
　　随着国民经济的发展，其中的公路客、货运输量在逐年不断地增加，公路客运量、公路货运量在综合运输体系中所占比重越来越大。据统计，2006年公路完成客运量184.4亿人次，旅客周转量10136亿人公里；公路完成货运量146亿吨，货物周转量9647亿吨公里。为了适应飞速发展的国民经济，对客货运输量不断增加的需求和满足全国1亿多辆机动车的方便出行，我国加大了交通基础设施的建设投入，公路建设速度迅猛增加，到“十一五”末，全国公路总里程将达到230万公里,其中高速公路将达到6.5万公里。提高公路的通行能力，增强对交通环境劣化的应变能力，保证公路安全、高效、畅通的正常运营，已成为全社会十分关注的问题。
　　1 道路行车环境劣化对安全、管理与经济效益的挑战
　　在道路行车中，受到了道路行车环境劣化(如恶劣天气、人为事故、突发事件等)的影响，经常导致公路运行不畅，甚至完全关闭。
　　全世界范围内道路行车都受到了来自环境劣化对安全的严重挑战。
　　其中，在恶劣天气中雾天已成为影响高速公路安全运行的头号公害，每当有雾天出现，交通事故频发，不少多雾地区只能关闭交通，不仅给公路管理部门或经营性公司带来经济损失，还大大削弱了公路的通行能力，造成货物不能及时运达，严重影响社会生产，雾天发生的交通事故也直接给人类生命财产带来了巨大损失。
　　如美国每年因浓雾而引起的道路交通事故损失高达3亿美元以上，人员生命财产受到严重威胁，而不得不采取车辆减速行驶乃至封闭道路的应急措施。
　　美国2002年5月23日，加利特县100多辆汽车因浓雾天气在马里兰州68号州际公路发生连环相撞事件，至少造成2人死亡，36人受伤；
　　2002年美国当地时间11月3日早间，洛杉矶南部大雾弥漫，造成长海滩的一段高速公路上近200辆汽车、卡车连环相撞，道路堵塞数小时，并有几十人在相撞中受伤，其中9人情况危急；
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　　2001年国内不少地区统计雾天交通事故日均40多起，气象部门指出高速公路区域临时封闭交通，车辆集中发动机怠速运行污染度加剧，大气中悬浮颗粒增多，增加雾的滞留时间；
　　2006年10月12日，沪宁高速南京镇江段内，下了秋天第一场大雾，从凌晨4时许至上午9时，宁镇两地联手封闭全长91.3km的高速5h；
　　2006年11月3日，受浓雾袭击影响，成绵、成渝、成雅、成乐、成温邛等四川省内12条高速相继关闭，其中不少高速公路为全线关闭，关闭时间最长的达到近9h；
　　2007年3月某日早晨，阿联酋的迪拜地区曾因大雾导致200余辆车相撞烧毁。
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　　此外，来自不遵守交通规则的人为事故，和类似于洪水、滑坡、塌方等突发事件对交通安全的破坏性影响更是不胜枚举，造成了极大的社会资源和人的生命财产损失。
　　每每遇到上述普遍存在、而又伴有大量随机因素劣化的道路行车环境，乃至于道路形成了实际通行能力的下降，以及将造成或已经造成了极大的社会资源和人的生命财产损失时，迅速对事件中或处于与事件相干边缘的交通参与体(人、车、货)实行有效诱导，对于缓解实际事件的发生，以及降低事件的损失成本，将具有十分重要而又积极的现实意义。
　　2 实现道路行车安全智能化诱导的基本研究
　　2.1基本思路
　　众所周知，在交通工程领域的交通工程主要包括交通安全设施、监控设施、通信设施、收费设施、照明设施、服务设施、环保设施等。以往在高速公路管理中对交通安全设施主要强调标志、标线、视线诱导标、护栏、防眩板等静态的交通设施为主；而对监控设施则包括了几乎所有反映动态的交通设施。
　　由于，没有从设施种类的功能性定位上加以区分，使得原有的监控系统不能包罗万象，
　　从诸如气象信息的收集、收费站点图像的采集、车辆分类、交通流量统计、路政与警车巡逻的动态，及至可变情报板的设置、路政与警车巡逻的调度、医院与汽修厂的联络、各级指挥中心的协调等不一而足。使得现实中的高速公路监控系统大量投入经费配置各类信息采集装置(以视频摄像头占绝大多数的——各种检测器件)，信息处理装置(各种配套计算机和服务器)，和信息发布装置(可变LED情报板、各种显示屏或显示器等)。然而，被人们忽略了最重要的一点是：不能在现场直接为交通参与者提供有效服务，乃是行同虚设，即使配置更多更先进的监控设施，也难以发挥其良好的社会效益和投资单位的经济收益。而监控管理部门在发生道路行车环境劣化，尤其引发交通事件时，心理上也就难以推脱莫名的自责。
　　因此，从交通工程设施的功能定位出发，重新调整各类设施的功能着眼点，让各类设施在各自恰当的定义下实现应有的功能，是统筹发挥交通工程设施效能的关键所在。特别对交通安全设施打破强调静态功能为主的思路，引入“数字交通”技术，将会在动态交通安全设施上实现质的飞跃。显然，“道路行车安全智能诱导系统”是首先进入我们视线的全新的交通安全设施之一，将是智能交通领域的一项务实的创新与发展。
　　2.2基本功能的定义与监控系统的区别
　　由于我国高速公路的交通工程技术标准是以借鉴国外早期的实例与规范起步的，与近年来快速发展的新技术对接没有实现或很不完善，需要调整的内容有待于实践和开发的不断总结和充实。
　　从交通工程设施的功能定位出发，交通安全设施应当是以减少交通事故的发生或减轻交通事故的严重程度为目的，主要包括能给交通参与者(通常指处于道路行车环境中的驾乘人员和现场巡查管理人员)提供道路交通信息，对视线起诱导作用，对车辆运行轨迹出现异常时起适当的保护作用的一系列装备或设施；而监控系统应当是以规范交通秩序、调节交通流量、为交通工程设施维护和应急事件处置提供管理平台为目的，主要包括能给交通管理者与决策层提供交通秩序、交通流量信息，对调节交通秩序及交通工程设施维护和应急事件处置预案进行决策或公布的一系列装备或设施。
　　简言之，交通安全设施是主要为交通参与者提供现场服务的信息、诱导与防护设施；监控系统是主要为交通管理者与决策层提供外场服务的信息、监视与控制设施。
　　而当前科学技术的发展和普及，尤其“数字交通”理念的产生，使得交通工程中的交通安全设施、监控设施、通信设施、收费设施、照明设施、服务设施、环保设施等组成系统间，形成了互相交融的局面，尽管其中各个系统之间形式上的差别(都由数字或电子、机电技术产品构成)在逐步减少，但是从交通工程设施的功能定位出发，各类设施在各自恰当的“定义”下应当实现的功能，仍然是有着十分明晰的区别。按功能定位统筹发挥各系统的实际功能，开发新的产品应用技术和设定符合客观规律的管理规则，不断拓展应用领域，从而收获潜在的巨大社会效益和经济收益，是体现或领略“数字交通”风采的关键所在。
　　2.3实现道路行车安全智能化诱导的可行性
　　如前所述，虽然交通工程中的交通安全设施、监控设施、通信设施、收费设施、照明设施、服务设施、环保设施等组成系统间，形成了互相交融的局面，其中各个系统之间形式上的差别越来越小，模糊概念地无限制扩展监控系统的涵盖面，只能不恰当地进一步加重监控系统的“负担”，导致管理规则上的混乱，和业已庞大的管理软件与设施的不堪重负。因此，从区分交通工程设施的功能定位出发，细化各类设施应当实现的功能范围，使得各类设施在独立实施各自“明确的”功能条件下，成为一个个相对独立的“闭环系统”， 引入 “数字交通” 技术，在各类系统之间实现“无缝链接”，将是我们分析“道路行车安全智能化诱导的可行性”的重要基础。
　　道路行车安全智能化诱导的主要目的：当遇到普遍存在、而又伴有大量随机因素劣化的道路行车环境时，以及道路实际通行能力明显下降，将造成或已经造成了极大的社会资源和人的生命财产损失时，迅速对事件中或处于与事件相干边缘的交通参与体(人、车、货)实行有效诱导，从而缓解实际事件的发生和降低事件的损失成本。为完成这一主要目的，与之相对应的是构建一种能符合上述要求的系统。而实现这一目标的基本流程应当包括如下环节，如图1所示。
　　图1 自成“闭环体系”的道路行车安全智能化诱导基本流程
　　道路行车安全智能诱导系统之间及与其他系统的“无缝链接”形式如图2所示。
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　　图2 道路行车安全智能诱导系统之间及与其它系统的“无缝链接”示意图
　　对于道路行车安全智能诱导系统而言，它是自身带有电源的独立闭环系统，系统作用范围内的道路行车环境劣化事件将通过人工现场输入、专业人员控制性遥控作业输入、处于事件现场的环境识别控制装置智能输入形式，完成对诱导设施的分类控制；并通过数字信息转换、接受、输出模块，完成对处于事件中或与事件相干边缘的系统进行必要的数字信息转换，同时按设定的软件控制程序进行数字化输出，实现与相关(由用户协议约定)的系统之间的无缝链接；事件中或与事件相干边缘的系统，亦通过数字信息转换、接受、输出模块，接收来自于另一事件中或与事件相干边缘的系统传出的数字化信息，及时完成对诱导设施的分类控制。
　　目前，风能电站或太阳能电站等技术，可为这样的无人值守系统提供动力源；基于LED发光技术的各种显示器件，及其它诸如电声器件，可为户外的诱导设施提供充足的诱导标识信号；多年来各行业针对不同环境劣化开展的系列研究，已促成了各类传感技术的长足发展，光机电一体化的技术整合，为系统提供了可借鉴的多功能人工、智能控制装置技术储备；日益发展与普及的数字通信技术，可成为最通用和最成熟的数字信息转换、接受、输出模块；早期已日臻成熟的计算机编程与控制软件，为实现无缝链接提供了最可靠的操作技术。因此，实现道路行车安全智能化诱导不仅是现实的，也是可行的；同时纵观每当遇到普遍存在、而又伴有大量随机因素劣化的道路交行车环境，使道路实际通行能力下降，严重危及人的生命财产和极大的社会资源浪费现象，实现道路行车安全智能化诱导更是十分迫切的，又是十分必要的。
　　3 道路行车安全智能诱导系统的开发与试验
　　3.1基本原理与构成
　　显然，道路行车安全智能诱导系统由其功能定位为动态的交通安全设施之一，根据其被赋予所要完成的主要任务和基本流程的特点，利用多项专利技术构建最实用且又简洁的系统，是我们提出本文命题的最主要任务。
　　系统基本原理及装置工作原理和关键技术如图3所示。
　　限速警告系统
　　环境条件 智能识别系统 智能控制系统 行车动态警示系统
　　导航标识系统
　　图3 系统的基本原理
　　太阳能 充放电 蓄电 - ○○ ○○ - 蓄电 充放电 太阳能
　　极 板 电 路 池组 + ○○ ○○ + 池组 电 路 极 板
　　- 信号灯组 -
　　传感装置 输出控制器 输出控制器 传感装置
　　图4 识别与控制装置及诱导设施工作原理框图
　　当今高速公路交通中，道路行车环境劣化中的雾天是影响高速公路安全运行的头号公害。每当有雾天气出现，交通事故频发，不少多雾地区只能关闭交通，不仅影响大众出行的公共利益，也给公路管理部门或经营性公司带来经济损失，大大削弱了高速公路的综合优势。而且因雾天发生的交通事故也给公路旅行者，甚至救援者的生命财产带来了巨大损失。道路行车安全智能化诱导系统的研究以适应雾天等低能见度条件作为系统的最典型应用环境。
　　控制
　　雾度 电 雾度放大 电信号
　　成雾物理变量 传感 执 控制器 (同上)
　　器Ⅰ 行 :
　　元 
　　件 
　　Ⅱ光 放大 开
　　其它物理变量 路传 关 
　　感器 控制器 
　　图5 系统典型应用中的关键技术工作原理框图
　　系统主要利用成雾时的各相关物理变量因素，及雾对光的散射原理，自动切换并组合模拟电信号的变化，使集成电路进入相关阈值的判定。系统采用太阳能为动力源，加上储能技术提供动力，驱动多功能视觉诱导信号灯给出多种状态的输出，并且配有自我维护、防生物干扰防护功能。
　　诱导设施除图5所示主动工作的灯组和限速显示器外，根据需要还可配置供现场管理者发布管理信息(Y)和实际交通参与人员危机应急处置(S)，以及和管理中心实现信息互动(YK)的多功能诱导显示屏，其工作原理如图6所示。
　　3.2特点
　　本系统充分利用了雾的物理特性，提出了一种电子与光学、机械系统控制方案，并采用一系列集成技术，可以扩展至对雨、沙尘暴天气的应用，引用了多项国家专利技术，具有高科技产品的特点和功能。
　　(1)可以分段自动识别雾、雨、沙尘暴、烟等有碍驾驶人员视线的行车环境，适时开启或关闭位于行车道两侧的诱导灯组；
　　(2)在出现或消除有碍驾驶人员视线的行车环境时，分段给出预警限速或解除禁令；
　　(3)整个系统的应用以绿色能源为动力，和高速公路环境协调一致；
　　(4)所有结构为确保安全,均采用坚固轻型设计，力求减少给行车事故带来二次伤害；
　　(5)采用本项目技术后，可取代现有反光诱导器；
　　(6)可根据车辆动态给出相应指示信号(如行车和驻车)；
　　(7)可对传感器内部实现自我维护，并具备防生物干扰的防护功能；
　　(8)可恰当地给出远距离预警信号；
　　(9)可实现与相关系统的无缝链接，以及与管理中心的远程互动；
　　(10)诱导体系可分级授权使用——管理中心享有最高使用权限(对所有诱导设施实行互动)、现场管理者享有优先使用权限(对多功能诱导显示屏实行有限操作)、其他交通参与者享有应急使用权(仅对多功能诱导显示屏的报警进行操作)。
3.3基于实地应用的试验研究 
　　2004年6月起至2005年7月，结合沪宁高速公路的拓宽工程，在镇——宁支线的4K—10K路段，从应用的角度出发，对道路行车安全智能诱导系统(以下简称“诱导系统”)的技术方案可行性，及如何配置“诱导系统”，进行了一系列的实验性试验研究，研究的主要内容如下。
　　3.3.1雾及其雾天对视认性与对高速公路行车的影响
　　(1)雾的形成特征；
　　(2)雾天的视认性；
　　(3)对高速公路行车的主要影响。
　　3.3.2雾天行车动态条件下诱导信号的特性要求
　　(1)诱导信号色别与频率的选择；
　　(2)诱导信号的布置间距选择；
　　(3)诱导信号图案的比较与选择；
　　(4)预警距离的选择。
　　3.3.3验证“诱导系统”的现行技术方案可行性
　　(1)系统能源匹配状态试验，验证是否满足连续工作时间的要求；
　　(2)雾天时的系统开启灵敏度试验，验证是否满足自动控制要求；
　　(3)相关气象条件下的系统工作性能试验，包括雨、雪等天气条件下的系统工作性能试验；
　　(4)特定气象条件下的模拟试验，包括烟与沙尘的模拟试验。
　　3.3.4研究高速公路配置“诱导系统”的技术条件
　　(1)通过沪宁高速公路沿线环境气候特性的研究，以实验的方式确定沪宁地区沿线恰当的系统开启气象阈值；
　　(2)研究合适的系统安装形成，包括与道路中设施的各种可能变化相适应的布线方案；
　　(3)总结诱导灯具的安装参数，包括高度、转角、俯(仰)角；
　　(4)探讨合适的基本配置单元长度，标准配置单元和基本分段的合理性，并做出恰当的配置分类和选择。
　　3.3.5探索性地试验“诱导系统”应用中需增强的功能
　　(1)重要设施地段的光控技术可行性试验；
　　(2)试验“系统”工作时实现信息远程传输互动的可能性。
　　4 CSZ-I道路(行车安全)智能诱导系统的应用前景
　　4.1系统简介
　　笔者公司以自主知识产权技术所有方的身份，参加了沪宁高速公路的拓宽工程，在镇——宁支线的4K—10K路段进行的对道路行车安全智能诱导系统的实验性试验研究，推出了CSZ-I道路(行车安全)智能诱导系统。
　　CSZ-I道路(行车安全)智能诱导系统是一种使用绿色电源，用于高速公路在不良视线条件下(如雨、雾、烟、尘等)，行车智能化管理的视(听)觉导航系统。目前该系统已拥有两项国家发明专利证书和两项实用新型专利证书，以及又新申报并受理一项发明、一项实用新型专利，产品运用了多项专利技术，生产工艺先进、结构紧凑、布局合理、安全实用。
　　4.1.1主要用途
　　系统在面对行车方向上提供红色主动发光的限速禁令，和沿道路两侧的交通设施上装置诱导灯。
　　其间可以据外界视觉条件智能化及时开启，并按道路轮廓提供红色频闪视觉诱导信号，按行车状态提供黄色频闪视觉警示信号，和按驻车状态提供黄色固定视觉警示信号，给驾驶人员或其他工作人员有益的提示。
　　从而有效缓解在高速公路上行车中因交通量大、速度快，又处于遇有不良视线条件(如雨、雾、烟、尘)时，驾驶员因视觉能见度欠佳，对道路轮廓识别不当与前方行车动态不明，造成车辆操作判断失误，而引发的交通事故。进而有效增加高速公路通行日与营运收入。
　　系统可通过无线传输形式实现远程互动，同时可供其他现场交通参与人员应急使用。
　　4.1.2主要特点
　　(1)自动识别。由雾天传感控制装置智能识别不同的外界条件，适时给出控制信号；
　　(2)分段开启。以两公里为单元分段设置本系统，适合于不同的诱导状态；
　　(3)有效疏导。多种视觉信号分类授权，有效疏导行车间的相互影响；
　　(4)保障通行。具有适宜的限速与预警距离，便于提前采取适当措施；
　　(5)环保协调。采用太阳能供电，配套先进的储能技术，减少污染和维护工作量；
　　(6)经济实用。除关键部分采用进口件外，其余将按专利技术要求在国内分功能与总成集成，可按实际需求取舍用于不同场合；
　　(7)管理互动。可实现远程信息共享和诱导设施的管理互动，还可兼顾现场交通参与者的有限互动。
　　4.2系统主要参数
　　循环寿命：500次。 
　　工作条件：-40℃～60℃。 
　　输入状态：雨、雾、尘。 
　　输出状态：零、单回路、双回路 智能控制对象：道路行车能见距离。
　　静态功能：限速显示、道路轮廓显示。
　　动态功能：行车显示、驻车显示、多功能信息显示(均据用户需要配置)。
　　其它功能：防生物与自我维护。
　　成雾最大预警距离：2～4km。 
　　驻车最大预警距离：30m。
　　远程信息传输距离：不限(据用户需要配置)。
　　4.3应用前景分析
　　(1)传感控制装置单独应用，为重点路段适时提供警示或限速禁令及其它疏导性指示标志；
　　(2)传感控制装置加装远程传输装置，与现有路段SOS通讯线路链接，为监测中心提供气象信息指示，可大面积实行预警预告；
　　(3)仅使用整个诱导系统主导功能——道路轮廓与预警信号单独应用，为不良天气条件下的道路通行提供保障措施；
　　(4)整个诱导系统，主导功能与动、静信号及多功能显示屏联合应用，为全面提升道路通行，减少追尾事故的发生提供技术支撑；
　　(5)整个诱导系统加装远程传输装置，与SOS通讯线路链接，为监测中心提供远程信息传输，实现道路系统全程畅通和全程信息预警、调度的互动；
　　(6)从逐步形成高速公路网及国家重要地区的全天候行车系统出发，其应用范围可优先考虑如下场所：
　　*高速公路环绕城市边缘的出入口段；
　　*特大立交枢纽处；
　　*地势低洼、临近湖泊、河流的大降水量地段；
　　*重要的港区通道；
　　*边远地区重要经济繁华(或国防)路段；
　　*大型汽车渡口引导段；
　　*多雾地区的主干线；
　　*其它重要示范实验路段等。
　　4.4实施方案例
　　诱导系统的前期研究受到了有关方面的关注，最初被列入国科发财字【2005】300号项目时，称之为“高速公路雾天行车智能导航装置研究与开发”， 曾经设想布设近14km的实验路段，并编制了初步实施方案如图7所示，其中计划引入两套外场气象设备进行对比试验。目前方案正处于前期落实中。
　　5 结束语
　　我们注视到当前国际上先进发达国家在ITS领域里的投入。我们期待高速公路营运管理与安全管理部门率先介入，关注并推进这一先进的交通安全辅助管理系统的普及与应用，让道路行车安全管理工作效能与社会、经济效益得到更进一步的提升！
　　*本文撰稿过程中，采纳了江苏宁沪高速公路股份有限公司的早期试验研究课题成果，和国科发财字【2005】300号项目课题组的技术报告的相关信息
　　《卫星与网络》杂志社供稿