邵利军

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

近年来高速公路的迅猛发展，为经济社会可持续发展奠定了良好的基础。与此同时，在雾、雪、大雨、雾霾等低能见度气象条件下，极易发生交通事故，给高速公路安全运营带来了极大隐患。

能见度是反映大气透明度的一个指标，取决于目标物体和背景之间的亮度差异。当自然光在雾、雨、雪中穿行时，光小部分被吸收，大部分被空气中各种颗粒散射。在雨、雪、雾等气象条件下观察光线中的道路和障碍物时，在障碍物外表面和路面的亮度上，需加上光束散射的亮度（称为模糊亮度）[1]。

式中：Bb为背景亮度；B0为目标亮度；b为模糊亮度；K为目标与背景之间的实际反差；K1为雾中感受到目标和背景之间的反差。

由式（1）和式（2）可以看出，浓雾等恶劣气象条件对能见度主要有两个方面的影响：一是浓雾导致光线强度减弱引起背景和目标表面亮度的下降；二是由于光线被散射导致目标和背景之间对比度的降低。

在正常情况下，汽车驾驶人员行车过程中超过90%的外界信息是依赖视觉获取的，在能见度良好的情况下保持足够的安全车距对行车安全意义重大。低能见度气象条件对高速公路行车安全的影响主要表现在以下几个方面：

a）获取准确路况信息困难，雨、雪、雾、雾霾等天气能见度会显著地降低，使得驾驶员难以看清道路前方和道路周围的情况，行车视线距离也大大缩短，导致对路面标志、标线、交通安全设施以及行人和周围车辆的辨识困难，在不能保证足够安全距离的情况下，极易发生交通事故。

b）对路面附着系数的影响，在雨、雪、雾、雾霾等低能见度气象条件下，由于空气中的水气与路面积灰、尘土相结合，导致汽车轮胎与路面的附着系数大大减小，从而使得制动距离加长、车辆易发生侧滑、跑偏等现象。

c）对驾驶员心理的影响，在低能见度气象条件下，驾驶员在行车过程中必须保持精力高度集中，容易造成疲劳驾驶，与此同时，驾驶员的心理也会产生较大的波动，容易导致交通事故的发生。

d）易发生二次事故，对于突发的低能见度气象灾害，驾驶员通常会采取降速措施来规避风险，而在低能见度情况下前车的突然减速，会导致后车驾驶员因视线不清，刹车不及时而发生追尾相撞，导致多车连环相撞等二次事故的发生。

高速公路低能见度主动发光诱导系统不同于现有的道路交通安全设施，其能在能见度降低时通过可变信息标志发布诱导信息，提醒广大司乘人员保持安全的行车速度以及安全车距，且能够在低能见度区域显示道路轮廓，减轻驾驶员的视觉疲劳，降低心理压力，提高行车安全。因此，研究高速公路低能见度主动发光诱导系统对高速公路安全运营具有重要意义。

1 低能见度主动发光诱导系统

低能见度主动发光诱导系统是一套由信息采集子系统、信息处理子系统、信息发布子系统、主动发光诱导子系统等组成的系统集成。低能见度主动发光诱导系统能够在低能见度区域以声、光、电等的形式向广大司乘人员提供合适的诱导信息，包括气象信息（雨、雪、雾、道路结冰、大风、雾霾、温度、湿度等）、能见度信息、道路交通信息，并能在低能见度条件下，指示道路轮廓，推荐道路限速值、安全车距、优选行车线路等等[2]。

主动发光诱导系统设施包括诱导雾灯、主动发光轮廓标、主动发光突起路标、可变情报板、可变限速标志、能见度检测器、车辆检测器、气象检测器等。主动发光诱导设施一般采用低功率、可调光的LED发光器件制成。在低能见度等气象灾害发生时，主动诱导设施可根据实时气象条件和道路交通状况改变其显示形态提高低能见度气象条件下的视线诱导。

2 基于Ad-Hoc的低能见度主动发光诱导系统

2.1 Ad-Hoc无线网络

Ad-Hoc网络是一种不依赖于固定基础设施的、自组织的无线网络，其组网灵活、便捷，不受时间以及空间限制。网络结点既是普通终端具有路由器功能，可以自由移动、随时加入或者退出网络，能够自组织、自修复，在野外环境、军事、物联网、经济等领域获得了广泛的应用[3]。

2.2 设施构成

基于Ad-Hoc无线网络的主动发光诱导设施主要由3部分组成。

2.2.1 主动发光节点单元

主动发光节点单元布设于高速公路低能见度区域道路两侧，由红、黄双基色高亮度LED发光单元、太阳能供电模块、控制模块、不锈钢防护外壳、支撑元件等构成，其中控制模块集成Ad-Hoc无线通信单元，雾区内的Ad-Hoc节点单元自组成网，接受网关节点转发的控制指令，并将自身工作状态反馈至本地控制器。

2.2.2 网关节点

网关节点一般设置于低能见度区域的中间位置，在普通主动发光节点单元的基础上增设Ad-Hoc网关模块，网关节点是联系本地控制器和主动发光节点单元的纽带，网关节点将本地控制器的控制命令发送至节点单元，并将节点单元的工作状态反馈至本地控制器。通过配置，网关单元可同时作为普通节点单元使用。

2.2.3 本地控制器

本地控制器可视雾区现场外供电情况采用既有电源供电或者采取太阳能供电方式。本地控制器配置无线收发模块，通过网关模块实现控制指令的下发。本地控制器实时采集气象传感器、能见度传感器、车流量传感器的检测数据，并将上述数据通过有线或者无线传输方式上传至高速公路路段监控中心监控计算机。本地控制器可根据车流量、能见度、气象等数据形成本地控制方案，实现对主动发光节点单元的控制。

2.3 系统特点

基于Ad-Hoc自组无线网络的主动发光诱导系统不同于传统的无线网络，具有以下几个方面的技术特点：

a）无中心 作为一个对等式的网络，网络中除网关节点外所有节点单元地位平等，没有严格的控制中心。每个节点单元在无线数据的传输过程中既充当普通终端单元处理报文数据又作为路由中继节点转发各种消息。

b）自组织 由于典型的低能见度区域纵向长度可达数百米甚至数公里，如果通过架设基础设施，则需要布设大量的无线接入点（AP）。基于Ad-Hoc的无线网络布设无需依赖于大量固定基础网络设施。在任意环境中，当节点单元开机后，就能通过相关自适应算法迅速地发现相邻节点，并与之建立无线通信链路，完成组网。方便灵活的组织形式使得网络的规模、形态不受约束。节约了投资成本、缩短了建设运营周期。

c）多跳路由 作为一个可以灵活拓展的网络，基于Ad-Hoc的无线网络的规模可以是由几个、几百个、甚至上万个网络节点单元构成，因此当某一个节点单元要与其无线覆盖区域之外的节点单元进行通信时，需要借助于中继节点进行报文转发，与有线网络的多跳方式不同，所有的中继节点均为普通的网络节点单元，而非专用的路由交换类设备，可实现灵活组网。

d）网络动态拓扑 作为一个动态拓扑网络，网络中的节点单元可以随意地加入或者离开网络，加之低能见度区域周围环境的影响以及节点无线信号的互相干扰等因素，导致网络的拓扑结构处于不断的变化中。主动发光诱导设施地处高速公路沿线环境，要经受室外雨、雪、高温、严寒、大风、沙尘等恶劣工作环境，部分设备不可避免要发生故障，基于Ad-Hoc的主动发光诱导设施在发生故障时，可自适应改变网络拓扑结构，增加了系统的可靠性。而基于固定基础设施接入的无线网络，当基础设施发生故障时，整个网络将陷于瘫痪，基于Ad-Hoc的无线网络可通过布置多个网关节点，通过配置，当一个网关节点发生故障时，可迅速启用备用网关，实现系统的无缝切换。

e）节点能量受限 主动诱导设施地处高速公路低能见度区域，如果采用外供电方式布线困难且工程成本巨大，一般采用太阳能和蓄电池组合方式供电。主动诱导设施之间典型布置间距为30～100 m，与基于无线接入点的网络不同，基于Ad-Hoc的主动诱导设施节点单元只需较小的发射功率即可完成通信数据交换，节约了大量的能源，延长了设施的使用寿命[4]。

3 结构及控制策略

3.1 基于Ad-Hoc的低能见度主动诱导系统构成

基于Ad-Hoc的低能见度主动诱导系统主要由太阳能供电的双基色可调亮度LED节点单元、网关节点、本地控制器、车流量检测器、气象检测器、能见度检测器、可变情报板、监控摄像机以及位于路段监控中心的控制软件构成。基于Ad-Hoc的低能见度主动诱导系统架构如图1所示。

图1 基于Ad-Hoc的低能见度主动诱导系统架构

3.2 基于Ad-Hoc的低能见度主动诱导系统功能

基于Ad-Hoc的低能见度主动诱导系统主要包括信息采集和诱导信息发布两大功能。信息采集功能由本地控制器周期地采集能见度检测器、车流量检测器、气象检测器等传感器的检测数据，一方面本地控制器依据所获得的数据通过算法形成本地控制方案，控制诱导设施根据不同的能见度、交通流量、气象信息执行不同的诱导方案；另一方面本地控制器将所采集到传感器数据发送至位于高速公路路段监控中心的监控软件。诱导信息发布功能通过监控软件发布，监控软件通过分析处理气象数据、能见度数据、车流量数据形成远程诱导控制方案，并将控制方案发送至本地控制器，远程诱导控制方案的优先级高于本地控制方案，当远程监控计算机故障或本地控制器与远程监控计算机之间通信中断时，执行本地控制方案。位于路段监控中心的监控软件联动可变情报板、可变限速标志发布相应诱导信息。

3.3 基于Ad-Hoc的低能见度主动诱导系统控制策略

及时准确的诱导信息是保障高速公路低能见度气象条件下行车安全的有效途径。通过可变情报板发布道路实时气象信息、能见度信息、行车诱导信息，让广大司乘人员及时了解前方雨、雪、雾等天气的道路、交通和事故状况。通过可变限速标志提示安全行车速度，通过主动发光诱导标志提示道路轮廓[5]。基于Ad-Hoc的低能见度主动诱导系统控制策略如表1所示。

表1 低能见度主动诱导系统控制策略

4 结论

基于Ad-Hoc无线网络的低能见度主动发光诱导系统组网方便、灵活、快捷，能适应大规模主动发光诱导设施的部署，且能节约工程成本、提高设备使用寿命。系统的部署能有效地降低低能见度气象条件下事故的发生率，保障行车安全。与此同时，低能见度气象条件下的行车安全涉及到人、车、路、环境等多方面的因素，只有多方面考虑，综合应对，才能达到事半功倍的效果。