基于Ad-Hoc的高速公路低能見度主動誘導(dǎo)系統(tǒng)研究

邵利軍

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

近年來高速公路的迅猛發(fā)展，為經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。與此同時，在霧、雪、大雨、霧霾等低能見度氣象條件下，極易發(fā)生交通事故，給高速公路安全運營帶來了極大隱患。

能見度是反映大氣透明度的一個指標(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，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，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能見度主要有兩個方面的影響：一是濃霧導(dǎo)致光線強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)和背景之間對比度的降低。

在正常情況下，汽車駕駛?cè)藛T行車過程中超過90%的外界信息是依賴視覺獲取的，在能見度良好的情況下保持足夠的安全車距對行車安全意義重大。低能見度氣象條件對高速公路行車安全的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

a）獲取準(zhǔn)確路況信息困難，雨、雪、霧、霧霾等天氣能見度會顯著地降低，使得駕駛員難以看清道路前方和道路周圍的情況，行車視線距離也大大縮短，導(dǎo)致對路面標(biāo)志、標(biāo)線、交通安全設(shè)施以及行人和周圍車輛的辨識困難，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）對路面附著系數(shù)的影響，在雨、雪、霧、霧霾等低能見度氣象條件下，由于空氣中的水氣與路面積灰、塵土相結(jié)合，導(dǎo)致汽車輪胎與路面的附著系數(shù)大大減小，從而使得制動距離加長、車輛易發(fā)生側(cè)滑、跑偏等現(xiàn)象。

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

d）易發(fā)生二次事故，對于突發(fā)的低能見度氣象災(zāi)害，駕駛員通常會采取降速措施來規(guī)避風(fēng)險，而在低能見度情況下前車的突然減速，會導(dǎo)致后車駕駛員因視線不清，剎車不及時而發(fā)生追尾相撞，導(dǎo)致多車連環(huán)相撞等二次事故的發(fā)生。

高速公路低能見度主動發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)不同于現(xiàn)有的道路交通安全設(shè)施，其能在能見度降低時通過可變信息標(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速度以及安全車距，且能夠在低能見度區(qū)域顯示道路輪廓，減輕駕駛員的視覺疲勞，降低心理壓力，提高行車安全。因此，研究高速公路低能見度主動發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)對高速公路安全運營具有重要意義。

1 低能見度主動發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)

低能見度主動發(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)、主動發(fā)光誘導(dǎo)子系統(tǒng)等組成的系統(tǒng)集成。低能見度主動發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)能夠在低能見度區(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）、能見度信息、道路交通信息，并能在低能見度條件下，指示道路輪廓，推薦道路限速值、安全車距、優(yōu)選行車線路等等[2]。

主動發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)施包括誘導(dǎo)霧燈、主動發(fā)光輪廓標(biāo)、主動發(fā)光突起路標(biāo)、可變情報板、可變限速標(biāo)志、能見度檢測器、車輛檢測器、氣象檢測器等。主動發(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。在低能見度等氣象災(zāi)害發(fā)生時，主動誘導(dǎo)設(shè)施可根據(jù)實時氣象條件和道路交通狀況改變其顯示形態(tài)提高低能見度氣象條件下的視線誘導(dǎo)。

2 基于Ad-Hoc的低能見度主動發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)

2.1 Ad-Hoc無線網(wǎng)絡(luò)

Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種不依賴于固定基礎(chǔ)設(shè)施的、自組織的無線網(wǎng)絡(luò)，其組網(wǎng)靈活、便捷，不受時間以及空間限制。網(wǎng)絡(luò)結(jié)點既是普通終端具有路由器功能，可以自由移動、隨時加入或者退出網(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無線網(wǎng)絡(luò)的主動發(fā)光誘導(dǎo)設(shè)施主要由3部分組成。

2.2.1 主動發(fā)光節(jié)點單元

主動發(fā)光節(jié)點單元布設(shè)于高速公路低能見度區(qū)域道路兩側(cè)，由紅、黃雙基色高亮度LED發(fā)光單元、太陽能供電模塊、控制模塊、不銹鋼防護外殼、支撐元件等構(gòu)成，其中控制模塊集成Ad-Hoc無線通信單元，霧區(qū)內(nèi)的Ad-Hoc節(jié)點單元自組成網(wǎng)，接受網(wǎng)關(guān)節(jié)點轉(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

網(wǎng)關(guān)節(jié)點一般設(shè)置于低能見度區(qū)域的中間位置，在普通主動發(fā)光節(jié)點單元的基礎(chǔ)上增設(shè)Ad-Hoc網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)節(jié)點是聯(lián)系本地控制器和主動發(fā)光節(jié)點單元的紐帶，網(wǎng)關(guān)節(jié)點將本地控制器的控制命令發(fā)送至節(jié)點單元，并將節(jié)點單元的工作狀態(tài)反饋至本地控制器。通過配置，網(wǎng)關(guān)單元可同時作為普通節(jié)點單元使用。

2.2.3 本地控制器

本地控制器可視霧區(qū)現(xiàn)場外供電情況采用既有電源供電或者采取太陽能供電方式。本地控制器配置無線收發(fā)模塊，通過網(wǎng)關(guān)模塊實現(xiàn)控制指令的下發(fā)。本地控制器實時采集氣象傳感器、能見度傳感器、車流量傳感器的檢測數(shù)據(jù)，并將上述數(shù)據(jù)通過有線或者無線傳輸方式上傳至高速公路路段監(jiān)控中心監(jiān)控計算機。本地控制器可根據(jù)車流量、能見度、氣象等數(shù)據(jù)形成本地控制方案，實現(xiàn)對主動發(fā)光節(jié)點單元的控制。

2.3 系統(tǒng)特點

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

a）無中心 作為一個對等式的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中除網(wǎng)關(guān)節(jié)點外所有節(jié)點單元地位平等，沒有嚴格的控制中心。每個節(jié)點單元在無線數(shù)據(jù)的傳輸過程中既充當(dāng)普通終端單元處理報文數(shù)據(jù)又作為路由中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)各種消息。

b）自組織 由于典型的低能見度區(qū)域縱向長度可達數(shù)百米甚至數(shù)公里，如果通過架設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施，則需要布設(shè)大量的無線接入點（AP）?；贏d-Hoc的無線網(wǎng)絡(luò)布設(shè)無需依賴于大量固定基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。在任意環(huán)境中，當(dāng)節(jié)點單元開機后，就能通過相關(guān)自適應(yīng)算法迅速地發(fā)現(xiàn)相鄰節(jié)點，并與之建立無線通信鏈路，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)運營周期。

c）多跳路由 作為一個可以靈活拓展的網(wǎng)絡(luò)，基于Ad-Hoc的無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?？梢允怯蓭讉€、幾百個、甚至上萬個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點單元構(gòu)成，因此當(dāng)某一個節(jié)點單元要與其無線覆蓋區(qū)域之外的節(jié)點單元進行通信時，需要借助于中繼節(jié)點進行報文轉(zhuǎn)發(fā)，與有線網(wǎng)絡(luò)的多跳方式不同，所有的中繼節(jié)點均為普通的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點單元，而非專用的路由交換類設(shè)備，可實現(xiàn)靈活組網(wǎng)。

d）網(wǎng)絡(luò)動態(tài)拓撲 作為一個動態(tài)拓撲網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點單元可以隨意地加入或者離開網(wǎng)絡(luò)，加之低能見度區(qū)域周圍環(huán)境的影響以及節(jié)點無線信號的互相干擾等因素，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)處于不斷的變化中。主動發(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的主動發(fā)光誘導(dǎo)設(shè)施在發(fā)生故障時，可自適應(yīng)改變網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)的可靠性。而基于固定基礎(chǔ)設(shè)施接入的無線網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生故障時，整個網(wǎng)絡(luò)將陷于癱瘓，基于Ad-Hoc的無線網(wǎng)絡(luò)可通過布置多個網(wǎng)關(guān)節(jié)點，通過配置，當(dāng)一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)生故障時，可迅速啟用備用網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)系統(tǒng)的無縫切換。

e）節(jié)點能量受限 主動誘導(dǎo)設(shè)施地處高速公路低能見度區(qū)域，如果采用外供電方式布線困難且工程成本巨大，一般采用太陽能和蓄電池組合方式供電。主動誘導(dǎo)設(shè)施之間典型布置間距為30～100 m，與基于無線接入點的網(wǎng)絡(luò)不同，基于Ad-Hoc的主動誘導(dǎo)設(shè)施節(jié)點單元只需較小的發(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的低能見度主動誘導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成

基于Ad-Hoc的低能見度主動誘導(dǎo)系統(tǒng)主要由太陽能供電的雙基色可調(diào)亮度LED節(jié)點單元、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、本地控制器、車流量檢測器、氣象檢測器、能見度檢測器、可變情報板、監(jiān)控攝像機以及位于路段監(jiān)控中心的控制軟件構(gòu)成。基于Ad-Hoc的低能見度主動誘導(dǎo)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

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

3.2 基于Ad-Hoc的低能見度主動誘導(dǎo)系統(tǒng)功能

基于Ad-Hoc的低能見度主動誘導(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度檢測器、車流量檢測器、氣象檢測器等傳感器的檢測數(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)布功能通過監(jiān)控軟件發(fā)布，監(jiān)控軟件通過分析處理氣象數(shù)據(jù)、能見度數(shù)據(jù)、車流量數(shù)據(jù)形成遠程誘導(dǎo)控制方案，并將控制方案發(fā)送至本地控制器，遠程誘導(dǎo)控制方案的優(yōu)先級高于本地控制方案，當(dāng)遠程監(jiān)控計算機故障或本地控制器與遠程監(jiān)控計算機之間通信中斷時，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)動可變情報板、可變限速標(biāo)志發(fā)布相應(yīng)誘導(dǎo)信息。

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

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

表1 低能見度主動誘導(dǎo)系統(tǒng)控制策略

4 結(jié)論

基于Ad-Hoc無線網(wǎng)絡(luò)的低能見度主動發(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度氣象條件下事故的發(fā)生率，保障行車安全。與此同時，低能見度氣象條件下的行車安全涉及到人、車、路、環(huán)境等多方面的因素，只有多方面考慮，綜合應(yīng)對，才能達到事半功倍的效果。