智慧道钉在高速公路上的应用

乔翠仙 苏爱斌 潘洪强 覃维业

摘要：文章介绍了智慧道钉的组成结构、系统原理，并通过南宁沙井至吴圩高速公路上智慧道钉的实际应用，验证了有效部署智慧道钉，可以全面感知道路交通与环境状况、提供精准行车导引功能及软隔离，对异常交通行为、交通事件检测、定位与告警，还可进行公路智能养护预警。智慧高速公路运营单位可利用这些交通流信息来改善交通管理、提升交通安全。

关键词：智慧高速；交通监测；物联网

中图分类号：U491.5A531793

0引言

随着我国经济的快速发展以及城市化进程的不断加速，我国建成了全球最大的高速公路网络，截至2020年底，我国高速公路总里程约为16万km，为国家经济建设和人民生活带来极大便利。在新基建的浪潮下，高速公路智慧化建设面临前所未有的机遇，未来10年，高速公路建设将以安全、安心为目标，向偏重精细运营管理服务的方向发展。如果把智慧高速公路看作一个能思考、会表达的“人”，那么对行驶车辆（数量和速度）、道路情况的实时感知就是智慧高速公路的“眼睛和耳朵”，在加强道路感知能力建设的过程中，也面临很多挑战和痛点，如采用视频+毫米波雷达（激光雷达）等感知手段的建设和维护成本高，难以实现大范围覆盖，无法形成有效的管控诱导闭环。

而智慧道钉建设成本低，可根据高速公路标高线的间距（8～15 m）进行大规模的铺设，同时利用道钉内部多样性的检测单元，包括已经集成的车流检测、光敏检测、振动检测、温度检测，能够及时地掌握和了解道路运行状态和信息。另外，利用无线低功耗局域网的组合形式，既能服务于行驶的车辆还可以为管理部门提供远程监测数据，从而实现物联网应用。智慧道钉提供的车道级视觉诱导能够有效提升低能见度下的视距及车道轮廓，并能夠提供伴随式信息服务，对提升交通安全及车道级精细化交通管控也有重大作用。在英国，主动发光突起路标的应用日益广泛，在超过 85% 的县和公路局的路网上都在一个或者多个位置得到部署，多个当地道路管理部门汇报，沿每个车道线部署主动发光突起路标后，相关路段的夜间交通事故降低了70%以上。进一步的统计数据证实，英国南威尔士的夜间事故减少了72%；在英国诺福克，总体事故频率从每年的7.3起减少到2.3起，重大事故比率从36%减少到0。在南非的乌伦迪和梅尔莫斯之间，在R66公路上安装主动发光突起路标前7个月，记录了88起严重的夜间事故，造成27人死亡，在该地安装太阳能主动发光突起路标后的12个月内，这条路没有记录到夜间事故。另外，在荷兰的N200高速上部署主动发光突起路标后，车辆碰撞频率或严重程度也急剧下降。显而易见，主动发光突起路标在显著减少道路事故方面起到了积极作用。由此可见，智慧道钉可以面向未来交通，可提供覆盖全高速路网的低成本感知方案，为无人驾驶提供道路基础信息，为车辆提供亚车道级的定位。

1智慧道钉

1.1个体结构组成

智慧道钉由两大部分组成：（1）前端的感知单元，利用内置的传感器和处理器，能够感知车流量、车速、驻停、道路积水、结冰情况；（2）通信技术，可以通过蓝牙技术无缝衔接，也可利用局域网和广域网通信功能，实现道钉之间、道钉与平台之间的信息交互，以及道钉与车辆的信息交互。如图1所示。

1.2系统组成

通过在高速公路广泛部署低成本的集成多种传感器的具有通信功能的物联网智慧道钉产品，实时获取路况信息，包括对车道级车流量、车速、车型、车辆位置等交通信息的实时精准感知，构建交通流的数字孪生系统，对异常交通事件进行精准监测与判断，结合道钉智能灯光显示功能，实现车道级通行诱导、交通预警、交通事故警示等。

全路段的精准监测，以云控数据平台为基础构建交通数字孪生系统，提升智能交通系统高效管理、提供交通与环境态势的精准监测、识别和态势预测，为交通决策提供科学依据与数据支持。如图2所示。

1.3检测原理

以一定速度在道路上行驶的车辆，会扰动局部磁场，可以将该车辆看作是一个磁偶极子［1］。对一个正在驾驶的车辆建立其运动模型，其离散状态空间模型车辆［2］的分析如下：由此建立一个原点为（0，0，0）磁感应器的笛卡尔三维坐标系。考虑到车辆沿直线在x轴上以速度vk（vk>0）行驶，初始点为（x0，y0，z0），所以有vk=vx。x0初始化为负值，同时是第一个引起磁扰动的点，y0初始化为0，z0初始化为一个小的非负值，表示传感器安装在路侧，相应的与车辆间有一定的距离。经过时间t（t>0），车辆的位置变为（x0+vx·t，y0，z0）。车辆的磁矩表示为mk=（mxmymz），基于传感器的表示如下：

以上为第五级多项式，至少存在一组t的解，使[SX（]B[]t[SX）]=0。相应的，存在一个t使得Bx达到最大或者最小值，在图形中，已验证为极大或极小值。对于By和Bz的派生式，类似于Bx。

现在式（12）～（14）给出了时间与行驶中车辆磁场扰动之间的关系。如果将模型与时间t组合，可以计算出以上相应的参数。存在t0使Bx=0，即f（t）=0。对于不同的速度，参数t0也不同，其是实时获取过滤掉噪音的交通数据参数，反映了x轴的初始与Bx=0时的间隔。给定t0，与车辆的行驶速度相关联，对应地可以构建计算出车辆速度。

通过以上分析，-[SX（]x0[]vx[SX）]可以反映车辆随时间的磁震动，而t0对应不同的车型。所以，不同车型的车速可以通过时间-磁扰动变化向量建立，从而实现对车型的识别和车速的测量。

2部署应用

2.1部署范围

如图3所示，1号主干道、2号主干道分别为那洋和沙井方向，设计时速为120 km/h，待部署区域单向全长1 km，双向八车道，智慧道钉间隔按8 m安装，部署2排，两边车道部署在边缘白色实线外3～5 cm处。

2.2枢纽互通方案

2.2.1分流区

如图4所示，在分流区部署智慧道钉，利用其灯光指示功能，可以实现车道级道路轮廓强化指示功能。让行驶车辆及早发现行驶车道轮廓，提前做好驶出高速公路的变道准备，对驶出高速公路的车辆进行车道诱导。

2.2.2合流区

如图5所示，对合流区主道右侧车道与匝道上车辆行驶状况的实时精准感知，通过人工智能算法，精准预判合流区域发生并道交通事故的可能性，并通过该位置智慧道钉灯光颜色与闪烁频率的变化，进行灯光预警，通知该区域的车辆驾驶员，有效控制车速和汇入时刻，避免发生交通事故。

2.2.3导流线碾压检测

通过智慧道钉在导流区的有效部署，可以检测过往车辆是否碾压导流线，若路段内实线被频繁碾压，道路管理者可根据需求对标志线进行优化调整，为交通管理提供参考依据。

3结语

智慧道钉在南宁沙井至吴圩高速公路上发挥着重要作用，其能提供低成本感知方案，为高速公路科学管控提供科學支撑，有着良好的应用前景。

（1）道路交通与环境状况全面感知。智慧道钉沿车道线部署，可以低成本实现车速、车型、行车轨迹、位置、环境温度等交通、环境信息的全面精准实时感知。

（2）车道级强化示廓与软隔离。智慧道钉可为雨雾等恶劣环境的安全通行，提供精准行车导引功能；对交通事故、道路施工等出现的部分路段车道封闭的情况，可以通过智慧道钉的灯光告警功能，提前进行车道级软隔离，有效降低交通事故率。

（3）异常交通行为、交通事件检测、定位与告警。通过智慧道钉对车辆通过事件的检测，结合数据关联与融合算法，可实现车辆的速度、位置、轨迹的实时感知及车辆驶停、超速、缓行、逆行、变道等异常交通行为及事件的精确监测与判断，并可通过云控数据平台端，直观方便地显示与弹屏告警，为交通事故的快速响应处理提供精准数据。

（4）公路智能养护预警。基于智慧道钉全面感知的大数据，可对不同路段、车道或断面进行车型、车流量等不同维度的统计与分析，可实现对道路健康状况趋势变化的精确估算和预警，有效提高道路养护效率，减少养护成本。结合云控数据平台，实现基于上述数据的分类统计与分析，为高速公路的智能化管理、维护提供有效数据支撑。

参考文献

［1］Szymon Gontarz，Przemyslaw Szulim，Jaroslaw Senko，et al.Use of magnetic monitoring of vehicles for proactive strategy development［J］. Transportation research，2015（52）：102-115.

［2］Feng Yimeng，Mao Guoqiang，Chen Bo，et al.MagMonitor： Vehicle Speed Estimation and Vehicle Classification Through A Magnetic Sensor［J］. IEEE transactions on intelligent transportation systems，2022，23（2）：1 311-1 322.

基金项目：广西重点研发计划项目“智慧高速车路一体技术研究与示范项目”（编号：桂科AB21196008）

作者简介：乔翠仙（1988—），工程师，主要从事高速公路工程施工建设管理工作。