邵利軍

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

近年來(lái)高速公路的迅猛發(fā)展，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。與此同時(shí)，在霧、雪、大雨、霧霾等低能見(jiàn)度氣象條件下，極易發(fā)生交通事故，給高速公路安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了極大隱患。

能見(jiàn)度是反映大氣透明度的一個(gè)指標(biāo)，取決于目標(biāo)物體和背景之間的亮度差異。當(dāng)自然光在霧、雨、雪中穿行時(shí)，光小部分被吸收，大部分被空氣中各種顆粒散射。在雨、雪、霧等氣象條件下觀察光線中的道路和障礙物時(shí)，在障礙物外表面和路面的亮度上，需加上光束散射的亮度（稱(chēng)為模糊亮度）[1]。

式中：Bb為背景亮度；B0為目標(biāo)亮度；b為模糊亮度；K為目標(biāo)與背景之間的實(shí)際反差；K1為霧中感受到目標(biāo)和背景之間的反差。

由式（1）和式（2）可以看出，濃霧等惡劣氣象條件對(duì)能見(jiàn)度主要有兩個(gè)方面的影響：一是濃霧導(dǎo)致光線強(qiáng)度減弱引起背景和目標(biāo)表面亮度的下降；二是由于光線被散射導(dǎo)致目標(biāo)和背景之間對(duì)比度的降低。

在正常情況下，汽車(chē)駕駛?cè)藛T行車(chē)過(guò)程中超過(guò)90%的外界信息是依賴(lài)視覺(jué)獲取的，在能見(jiàn)度良好的情況下保持足夠的安全車(chē)距對(duì)行車(chē)安全意義重大。低能見(jiàn)度氣象條件對(duì)高速公路行車(chē)安全的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

a）獲取準(zhǔn)確路況信息困難，雨、雪、霧、霧霾等天氣能見(jiàn)度會(huì)顯著地降低，使得駕駛員難以看清道路前方和道路周?chē)那闆r，行車(chē)視線距離也大大縮短，導(dǎo)致對(duì)路面標(biāo)志、標(biāo)線、交通安全設(shè)施以及行人和周?chē)?chē)輛的辨識(shí)困難，在不能保證足夠安全距離的情況下，極易發(fā)生交通事故。

b）對(duì)路面附著系數(shù)的影響，在雨、雪、霧、霧霾等低能見(jiàn)度氣象條件下，由于空氣中的水氣與路面積灰、塵土相結(jié)合，導(dǎo)致汽車(chē)輪胎與路面的附著系數(shù)大大減小，從而使得制動(dòng)距離加長(zhǎng)、車(chē)輛易發(fā)生側(cè)滑、跑偏等現(xiàn)象。

c）對(duì)駕駛員心理的影響，在低能見(jiàn)度氣象條件下，駕駛員在行車(chē)過(guò)程中必須保持精力高度集中，容易造成疲勞駕駛，與此同時(shí)，駕駛員的心理也會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，容易導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。

d）易發(fā)生二次事故，對(duì)于突發(fā)的低能見(jiàn)度氣象災(zāi)害，駕駛員通常會(huì)采取降速措施來(lái)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，而在低能見(jiàn)度情況下前車(chē)的突然減速，會(huì)導(dǎo)致后車(chē)駕駛員因視線不清，剎車(chē)不及時(shí)而發(fā)生追尾相撞，導(dǎo)致多車(chē)連環(huán)相撞等二次事故的發(fā)生。

高速公路低能見(jiàn)度主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)不同于現(xiàn)有的道路交通安全設(shè)施，其能在能見(jiàn)度降低時(shí)通過(guò)可變信息標(biāo)志發(fā)布誘導(dǎo)信息，提醒廣大司乘人員保持安全的行車(chē)速度以及安全車(chē)距，且能夠在低能見(jiàn)度區(qū)域顯示道路輪廓，減輕駕駛員的視覺(jué)疲勞，降低心理壓力，提高行車(chē)安全。因此，研究高速公路低能見(jiàn)度主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)高速公路安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義。

1 低能見(jiàn)度主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)

低能見(jiàn)度主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)是一套由信息采集子系統(tǒng)、信息處理子系統(tǒng)、信息發(fā)布子系統(tǒng)、主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)子系統(tǒng)等組成的系統(tǒng)集成。低能見(jiàn)度主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)能夠在低能見(jiàn)度區(qū)域以聲、光、電等的形式向廣大司乘人員提供合適的誘導(dǎo)信息，包括氣象信息（雨、雪、霧、道路結(jié)冰、大風(fēng)、霧霾、溫度、濕度等）、能見(jiàn)度信息、道路交通信息，并能在低能見(jiàn)度條件下，指示道路輪廓，推薦道路限速值、安全車(chē)距、優(yōu)選行車(chē)線路等等[2]。

主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)施包括誘導(dǎo)霧燈、主動(dòng)發(fā)光輪廓標(biāo)、主動(dòng)發(fā)光突起路標(biāo)、可變情報(bào)板、可變限速標(biāo)志、能見(jiàn)度檢測(cè)器、車(chē)輛檢測(cè)器、氣象檢測(cè)器等。主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)設(shè)施一般采用低功率、可調(diào)光的LED發(fā)光器件制成。在低能見(jiàn)度等氣象災(zāi)害發(fā)生時(shí)，主動(dòng)誘導(dǎo)設(shè)施可根據(jù)實(shí)時(shí)氣象條件和道路交通狀況改變其顯示形態(tài)提高低能見(jiàn)度氣象條件下的視線誘導(dǎo)。

2 基于Ad-Hoc的低能見(jiàn)度主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)

2.1 Ad-Hoc無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種不依賴(lài)于固定基礎(chǔ)設(shè)施的、自組織的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其組網(wǎng)靈活、便捷，不受時(shí)間以及空間限制。網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)既是普通終端具有路由器功能，可以自由移動(dòng)、隨時(shí)加入或者退出網(wǎng)絡(luò)，能夠自組織、自修復(fù)，在野外環(huán)境、軍事、物聯(lián)網(wǎng)、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[3]。

2.2 設(shè)施構(gòu)成

基于Ad-Hoc無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)設(shè)施主要由3部分組成。

2.2.1 主動(dòng)發(fā)光節(jié)點(diǎn)單元

主動(dòng)發(fā)光節(jié)點(diǎn)單元布設(shè)于高速公路低能見(jiàn)度區(qū)域道路兩側(cè)，由紅、黃雙基色高亮度LED發(fā)光單元、太陽(yáng)能供電模塊、控制模塊、不銹鋼防護(hù)外殼、支撐元件等構(gòu)成，其中控制模塊集成Ad-Hoc無(wú)線通信單元，霧區(qū)內(nèi)的Ad-Hoc節(jié)點(diǎn)單元自組成網(wǎng)，接受網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的控制指令，并將自身工作狀態(tài)反饋至本地控制器。

2.2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一般設(shè)置于低能見(jiàn)度區(qū)域的中間位置，在普通主動(dòng)發(fā)光節(jié)點(diǎn)單元的基礎(chǔ)上增設(shè)Ad-Hoc網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是聯(lián)系本地控制器和主動(dòng)發(fā)光節(jié)點(diǎn)單元的紐帶，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將本地控制器的控制命令發(fā)送至節(jié)點(diǎn)單元，并將節(jié)點(diǎn)單元的工作狀態(tài)反饋至本地控制器。通過(guò)配置，網(wǎng)關(guān)單元可同時(shí)作為普通節(jié)點(diǎn)單元使用。

2.2.3 本地控制器

本地控制器可視霧區(qū)現(xiàn)場(chǎng)外供電情況采用既有電源供電或者采取太陽(yáng)能供電方式。本地控制器配置無(wú)線收發(fā)模塊，通過(guò)網(wǎng)關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)控制指令的下發(fā)。本地控制器實(shí)時(shí)采集氣象傳感器、能見(jiàn)度傳感器、車(chē)流量傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并將上述數(shù)據(jù)通過(guò)有線或者無(wú)線傳輸方式上傳至高速公路路段監(jiān)控中心監(jiān)控計(jì)算機(jī)。本地控制器可根據(jù)車(chē)流量、能見(jiàn)度、氣象等數(shù)據(jù)形成本地控制方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)主動(dòng)發(fā)光節(jié)點(diǎn)單元的控制。

2.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

基于Ad-Hoc自組無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，具有以下幾個(gè)方面的技術(shù)特點(diǎn)：

a）無(wú)中心 作為一個(gè)對(duì)等式的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中除網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)外所有節(jié)點(diǎn)單元地位平等，沒(méi)有嚴(yán)格的控制中心。每個(gè)節(jié)點(diǎn)單元在無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程中既充當(dāng)普通終端單元處理報(bào)文數(shù)據(jù)又作為路由中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)各種消息。

b）自組織 由于典型的低能見(jiàn)度區(qū)域縱向長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)百米甚至數(shù)公里，如果通過(guò)架設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施，則需要布設(shè)大量的無(wú)線接入點(diǎn)（AP）?；贏d-Hoc的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)布設(shè)無(wú)需依賴(lài)于大量固定基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。在任意環(huán)境中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)單元開(kāi)機(jī)后，就能通過(guò)相關(guān)自適應(yīng)算法迅速地發(fā)現(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)，并與之建立無(wú)線通信鏈路，完成組網(wǎng)。方便靈活的組織形式使得網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模、形態(tài)不受約束。節(jié)約了投資成本、縮短了建設(shè)運(yùn)營(yíng)周期。

c）多跳路由 作為一個(gè)可以靈活拓展的網(wǎng)絡(luò)，基于Ad-Hoc的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?？梢允怯蓭讉€(gè)、幾百個(gè)、甚至上萬(wàn)個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)單元構(gòu)成，因此當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)單元要與其無(wú)線覆蓋區(qū)域之外的節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行通信時(shí)，需要借助于中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，與有線網(wǎng)絡(luò)的多跳方式不同，所有的中繼節(jié)點(diǎn)均為普通的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)單元，而非專(zhuān)用的路由交換類(lèi)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)。

d）網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)?作為一個(gè)動(dòng)態(tài)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)單元可以隨意地加入或者離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，加之低能見(jiàn)度區(qū)域周?chē)h(huán)境的影響以及節(jié)點(diǎn)無(wú)線信號(hào)的互相干擾等因素，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)處于不斷的變化中。主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)設(shè)施地處高速公路沿線環(huán)境，要經(jīng)受室外雨、雪、高溫、嚴(yán)寒、大風(fēng)、沙塵等惡劣工作環(huán)境，部分設(shè)備不可避免要發(fā)生故障，基于Ad-Hoc的主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)設(shè)施在發(fā)生故障時(shí)，可自適應(yīng)改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)的可靠性。而基于固定基礎(chǔ)設(shè)施接入的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將陷于癱瘓，基于Ad-Hoc的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)布置多個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)配置，當(dāng)一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，可迅速啟用備用網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)縫切換。

e）節(jié)點(diǎn)能量受限 主動(dòng)誘導(dǎo)設(shè)施地處高速公路低能見(jiàn)度區(qū)域，如果采用外供電方式布線困難且工程成本巨大，一般采用太陽(yáng)能和蓄電池組合方式供電。主動(dòng)誘導(dǎo)設(shè)施之間典型布置間距為30～100 m，與基于無(wú)線接入點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)不同，基于Ad-Hoc的主動(dòng)誘導(dǎo)設(shè)施節(jié)點(diǎn)單元只需較小的發(fā)射功率即可完成通信數(shù)據(jù)交換，節(jié)約了大量的能源，延長(zhǎng)了設(shè)施的使用壽命[4]。

3 結(jié)構(gòu)及控制策略

3.1 基于Ad-Hoc的低能見(jiàn)度主動(dòng)誘導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成

基于Ad-Hoc的低能見(jiàn)度主動(dòng)誘導(dǎo)系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能供電的雙基色可調(diào)亮度LED節(jié)點(diǎn)單元、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、本地控制器、車(chē)流量檢測(cè)器、氣象檢測(cè)器、能見(jiàn)度檢測(cè)器、可變情報(bào)板、監(jiān)控?cái)z像機(jī)以及位于路段監(jiān)控中心的控制軟件構(gòu)成?；贏d-Hoc的低能見(jiàn)度主動(dòng)誘導(dǎo)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于Ad-Hoc的低能見(jiàn)度主動(dòng)誘導(dǎo)系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 基于Ad-Hoc的低能見(jiàn)度主動(dòng)誘導(dǎo)系統(tǒng)功能

基于Ad-Hoc的低能見(jiàn)度主動(dòng)誘導(dǎo)系統(tǒng)主要包括信息采集和誘導(dǎo)信息發(fā)布兩大功能。信息采集功能由本地控制器周期地采集能見(jiàn)度檢測(cè)器、車(chē)流量檢測(cè)器、氣象檢測(cè)器等傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)，一方面本地控制器依據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)算法形成本地控制方案，控制誘導(dǎo)設(shè)施根據(jù)不同的能見(jiàn)度、交通流量、氣象信息執(zhí)行不同的誘導(dǎo)方案；另一方面本地控制器將所采集到傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至位于高速公路路段監(jiān)控中心的監(jiān)控軟件。誘導(dǎo)信息發(fā)布功能通過(guò)監(jiān)控軟件發(fā)布，監(jiān)控軟件通過(guò)分析處理氣象數(shù)據(jù)、能見(jiàn)度數(shù)據(jù)、車(chē)流量數(shù)據(jù)形成遠(yuǎn)程誘導(dǎo)控制方案，并將控制方案發(fā)送至本地控制器，遠(yuǎn)程誘導(dǎo)控制方案的優(yōu)先級(jí)高于本地控制方案，當(dāng)遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)故障或本地控制器與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間通信中斷時(shí)，執(zhí)行本地控制方案。位于路段監(jiān)控中心的監(jiān)控軟件聯(lián)動(dòng)可變情報(bào)板、可變限速標(biāo)志發(fā)布相應(yīng)誘導(dǎo)信息。

3.3 基于Ad-Hoc的低能見(jiàn)度主動(dòng)誘導(dǎo)系統(tǒng)控制策略

及時(shí)準(zhǔn)確的誘導(dǎo)信息是保障高速公路低能見(jiàn)度氣象條件下行車(chē)安全的有效途徑。通過(guò)可變情報(bào)板發(fā)布道路實(shí)時(shí)氣象信息、能見(jiàn)度信息、行車(chē)誘導(dǎo)信息，讓廣大司乘人員及時(shí)了解前方雨、雪、霧等天氣的道路、交通和事故狀況。通過(guò)可變限速標(biāo)志提示安全行車(chē)速度，通過(guò)主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)標(biāo)志提示道路輪廓[5]?；贏d-Hoc的低能見(jiàn)度主動(dòng)誘導(dǎo)系統(tǒng)控制策略如表1所示。

表1 低能見(jiàn)度主動(dòng)誘導(dǎo)系統(tǒng)控制策略

4 結(jié)論

基于Ad-Hoc無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的低能見(jiàn)度主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)組網(wǎng)方便、靈活、快捷，能適應(yīng)大規(guī)模主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)設(shè)施的部署，且能節(jié)約工程成本、提高設(shè)備使用壽命。系統(tǒng)的部署能有效地降低低能見(jiàn)度氣象條件下事故的發(fā)生率，保障行車(chē)安全。與此同時(shí)，低能見(jiàn)度氣象條件下的行車(chē)安全涉及到人、車(chē)、路、環(huán)境等多方面的因素，只有多方面考慮，綜合應(yīng)對(duì)，才能達(dá)到事半功倍的效果。