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巍泰技术微波雷达在平交路口预警及智能交通等相关领域的应用

2021-10-12 阅读 510

平交路口汇集了来自多个方向的交通,是道路使用者转换行驶路线的枢纽,在道路网系统中居于核心地位,也是交通事故集中地段,主要原因是各种机动车、非机动车、行人穿行其中,驾驶员在通过交叉口时要在短时间内完成一系列复杂的操作,包括读取交通指示、遵循交通控制、实施转向、避开行人和非机动车等,每一个操作的失误都可能导致交通事故的发生,尤其是在大流量、事故多、安全隐患突出的国省道干线公路沿线与支路的平交路口,其中支路包括县乡道与农村小路等。根据2017~2019年农村公路交通事故数据统计,全国50%的交通事故发生在农村。


日前,一些地方公路平交路口接连发生车辆碰撞事故,造成严重人员伤亡。从事故调查情况看,此类事故普遍发生在乡村道与国省道的平交路口。对此公安部交通管理局发出交通安全预警提示,并要求各地公安交管部门进一步加强公路平交路口交通秩序管理和交通违法查纠,协调会同相关部门采取必要措施改善公路平交路口交通安全条件。此外,全国部分地区也陆续印发了公路平交路口安全提升工程实施方案。


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图1. 我国某省关于印发《全省农村公路平交路口安全提升工程实施方案》的通知截图


一、平交路口安全隐患与改善措施


1、通行能力受限


平交路口多且滥,严重影响了主干道的通行能力。近年来,随着我国道路建设步伐的加快,很多国、省道都通到了边远乡村,在农村地区,由于农业生产和农民出行的需要,数不胜数的乡间小道与国、省道形成了许许多多的平交路口,特别是在穿村路段,沿线的每一条大小胡同几乎都与主干道形成了平交路口,加之又无必要的道路交通安全设施,人、畜与过往车辆争道抢行现象严重,不但影响了主干道的通行能力,而且交通安全隐患特别突出,极易发生交通事故。


2、安全设施匮乏


缺乏必要的道路交通安全设施,导致交通冲突严重。一般来说,在城市的平交路口道路交通安全设施都比较健全,但在广大农村地区的平交路口,道路交通安全设施少而又少,许多平交路口甚至连个必要的路口标志都没有,加之一些新修建的道路状况较好、视野开阔,驾驶人易麻痹,极易导致车辆超速行驶,平交路口处事故发生率也偏高。


3、路况环境恶劣


路口内空间狭小,容易造成交通拥堵。有些平交路口,路口内空间狭小,左转与对面直行同时亮绿灯时,致使两条车流冲突,但是有时一条车道的车辆还没有走完,信号灯已经变了,而此时另外一条车道的车辆也开始涌进路口内,以致与其他方向的车辆相互干扰通行,有时数个方向的车辆都被挤在路口内,造成交通拥堵。而在一些没有红绿灯的狭小平交路口,因争道抢行而造成的交通拥堵则更为严重。


4、视觉盲区存在


视觉盲区,成为平交路口的"隐形杀手"。在城区,平交路口四角的广告牌、违法停放的大型车辆等都能够不同程度地遮挡过往交通参与者的视线,成为视觉盲区。在农村地区,特别是在穿村路段的平交路口,四角的房屋、树木以及农民堆放的草垛、杂物等也都能形成一定范围的盲区,稍不留神就会引发交通事故。


因此,平交路口交通安全改善的关键是对交通参与者进行合理分流与事件预警,尽量减少和分散各种潜在的交通冲突。首要任务是对平交路口安全状况做出准确的诊断与预警,如完善车道标线、人行横道线、导向箭头等标志线;设置让行标志、警示宣传标牌、路侧警示桩(柱)等警示交通标志;修剪绿化带、清理路侧障碍物,增加照明设施,改善行车视距;设置减速丘、震荡标线、测速雷达等控速设施;完善信号灯或隔离、过街等安防设施,管控路口通行秩序;增设具备车辆行人检测声光警告提示等功能的平交路口智能预警系统,引导车辆及行人安全通行等。


其中,采用路口智能预警系统等先进科技装备对补偿进入交叉口范围内机动车驾驶员、行人、非机动车驾驶员的视距,减少视觉盲区,降低平交路口安全隐患意义重大。巍泰技术(武汉)有限公司弯道与路口预警雷达WTR-510与WTR-511融合控制系统组成的平交路口智能预警系统,可分别对150m与80m检测区域内的各类型机动车辆、非机动车辆进行全天候长距离检测,并分析来车方向、来车距离、行驶速度等;检测准确度高,抗干扰能力强,检测结果不受温度与气候条件影响;低电平信号输出,功耗低,性价比高,可支持太阳能供电,并同时检测多个车道;安装维护简单,不需要中断交通。此外,还可根据用户需求,对即将进入路口或正在通过斑马线的行人进行实时检测与预警反馈,便于提醒区域内机动车驾驶员及时避让。


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图2. 弯道与路口预警雷达在平交路口预警中的现场应用


当雷达检测到主路或支路车辆驶向路口时,会将检测结果传输至系统控制芯片,系统控制芯片发送指令给相应LED显示屏或屏显式语音播报器,通过跃动/醒目的字幕告知提醒区域内即将驶入路口的车辆驾驶员,如红色"左/右侧来车"、"主/支路来车"等字幕,并显示来车实时速度。甚至可通过语音播报告知车辆驾驶员注意避让车辆。同理,对于没有信号灯控制的平交路口,为保障路口行人过街的安全,同样需要雷达对路口行人进行实时检测与预警反馈,预警显示屏显示红色"行人过街"等字幕,提前告知机动车驾驶员前方区域有行人过街,注意减速让行,必要时停车让行。


二、平交路口预警微波雷达应用示例


由于城市平交路口道路交通安全设施相对健全,广大农村地区平交路口设施相对匮乏而事故频发。因此,本节仅展示基于巍泰技术弯道与路口预警微波雷达检测技术的智能预警系统在国省道与县乡道、农村小路平交路口交通安全预警中的应用示例:


1、十字平交路口


相对于一般路段而言,十字交叉口由于车流转向而引起车流之间的冲突、交汇、分流等车流运行行为,使十字交叉口的交通特性比较复杂,是交通事故多发点之一。


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图3-1. 县乡道与国省道十字平交路口安全预警示例

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图3-2. 农村小路与国省道十字平交路口安全预警示例


2、T型平交路口


T型平交路口作为农村公路与国省道平交路口中的较常见类型,一般为主要公路与县乡道或公路两旁的企事业单位、居民小区、村庄等生活性道路形成的T型节点,也是交通事故多发点之一。


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图4-1. 县乡道与国省道T型平交路口安全预警示例

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图4-2. 农村小路与国省道T型平交路口安全预警示例


3、Y型平交路口


Y型平交路口是主路与支路交角为锐角(钝角)交叉口,其缺点是车辆转向舒适度差、车辆行车视距不足,通行能力、交通安全性均低于其他三岔路口。以下为锐角Y型平交路口交通安全预警示例。


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图5-1. 县乡道与国省道Y型平交路口安全预警示例

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图5-2. 农村小路与国省道Y型平交路口安全预警示例


4、X型平交路口


X型平交路口是典型的异型平交路口,由于路口内空间狭小、行车视距不良、道路渠化不合理、相应的交通安全设施缺乏等因素,容易导致交通事故。


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图6-1. 县乡道与国省道X型平交路口安全预警示例

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图6-2. 农村小路与国省道X型平交路口安全预警示例


三、平交路口预警微波雷达技术原理


如上应用示例所示,平交路口智能预警系统是一种设置平交路口附近,通过采集主路与支路车辆行驶状态,或路口行人过街状态数据,向车辆驾驶员发布预警、引导、控制信息的系统。其中,巍泰技术弯道与路口预警雷达主要功能就是检测车辆或行人的存在、方向、位置与速度等。简单来说,就是利用微波雷达技术所具有的测速、测距与测角功能实现所需信息的实时检测,为平交路口智能预警系统的运行提供可靠的数据来源。


微波雷达是利用工作频率在0.3~300GHz,波长1mm~10cm之间的电磁波探测目标的电子设备,雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波,由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。其测速、测距与测角原理如下:


1、测速


雷达测速通常采用连续波方式,利用多普勒效应,通过采集回波信号的频率和发射信号频率之间的差值fd,就可以求出目标的径向速度vr,计算公式如下:


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其中,c是光速,f0是中心频率。


2、测距


雷达测距采用FMCW,即调频连续波方式。调频连续波是一种受调制的连续波,其主要表现为频率随时间变化,时域信号如图:


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图7. 时域信号图


调频连续波通过发射机发出,在经过τ时间后被接收机接收,接收到的信号与本振有Sτ的频差,调频连续波收发示意图如下:


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图8. 调频连续波收发示意图


接收时间τ,满足以下公式:


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其中,d是雷达到被测目标的距离,c是光速。


接收信号与本振的频差Sτ,满足:


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其中,S是调频连续波扫频斜率,B是扫频带宽,Τc是扫频周期。


根据傅里叶变化理论,观测窗口(Τ)可以分辨超过1/Τ Hz的频率分量,因此距离分辨率需满足:


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因此距离分辨率dres,仅取决于线性调频脉冲扫频的带宽B,满足如下公式:


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3、测角


雷达系统可以通过多天线估算反射信号的角度,该角度也称为到达角(AoA)。


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图9. 雷达到达角示意图


雷达的最大角视场由雷达可以估算最大的到达角来界定。两个间隔Ι的天线的最大视场:


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由此可以推出±90°的视场角需要两个天线间隔Ι=λ/2 。


雷达角度测算原理示意图如下:


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图10. 雷达测角示意图


由距离差引起的两个接收天线信号的相位差为:


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其中,d为两个天线的间距,θ为目标到雷达的角度,λ为发射频率的波长。


四、平交路口预警微波雷达功能特性


1、高精度高分辨


距离分辨率指雷达区分两个相邻物体的能力,分辨率越高,能识别的最小距离就越小。通过前述的测距原理,雷达的距离分辨率为:


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距离分辨率随带宽增加而提高。24GHz下的ISM频段有200MHz带宽,77GHz下的SRR频段可提供高达4GHz的扫描带宽。因此与24GHz雷达相比,77GHz雷达有更高的测距精度,能更好地应用于高精度的场景中。


2、多车道多目标


采用阵列雷达天线实现对多个目标实时检测和跟踪,可以同时检测车辆的位置、速度、运动方向,结合先进的雷达目标跟踪算法,可同时对多个目标进行测速、测距、测角,并对其运动轨迹进行实时记录跟踪。


3、抗干扰低误报


雷达通过天线发射和接收目标信号,相较光学器件受干扰的可能性大大降低。此外,有多种措施能尽量减少干扰信号进入接收机。如提高天线增益,可提高雷达接收信号的信噪比;控制天线波束的覆盖与扫描区域可以减少雷达照射干扰;采用窄波束天线不仅可以获得高的天线增益,还能增大雷达的自卫距离、提高能量密度,还可以减少地面反射的影响,减小多径的误差,提高跟踪精度;当采用阵列接收天线时,可通过调整各个阵列单元信号的幅度与相位,在多个干扰方向上构成天线波瓣的零点,从而减少接收干扰信号的强度。


4、全天候全天时


受制于光学的物理特性,激光雷达、红外与视频等在雨雪、沙尘等极端天气环境下,工作可靠性会受到影响。微波雷达能全天候全天时工作,在暴雨、大雪、漆黑及空气污染等恶劣环境条件下也能提供高可靠性的探测。此外,微波雷达能够"看穿"墙壁、户外绿化带等其他物体,这是激光雷达、红外与视频所不具备的能力。


五、微波雷达技术在其他领域的应用


微波雷达早期被应用于军事领域,随着雷达技术的发展与进步,微波雷达传感器开始应用于智能交通管理、道路安全预警、汽车电子等民用领域,物位与物液检测等工业领域。除以上平交路口智能预警辅助外,巍泰技术其他雷达产品在智能交通管理与其他道路安全预警领域同样有着广泛应用。


1、卡口测速雷达


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图11. 卡口测速雷达工作示意图


巍泰技术(武汉)有限公司平板型测速雷达TBR-100基于窄波束微波测速原理,可对400km/h速度范围内的行驶车辆速度进行准确检测,测速精度为-4~0km/h,解决了系统测速不准和异常速度的问题;触发精准,触发位置精度小于1m;抓拍车辆位置的一致性高,克服了车辆种类和车辆行驶的多样性,除了能够抓拍车道上正常行驶的车辆外,还具备抓拍跨线行驶及逆向行驶车辆的功能,单车道车辆抓拍率高达99%;同时,具有较好的环境适应性与稳定性,能够适应温度变化和湿度变化较大的室外工作环境。


目前,TBR-100已通过公安部安全与警用电子产品质量检测中心检验评定,并获得《计量器具型式批准证书》与国家测速仪型式评价实验室(公安)的《计量器具型式评价报告》,可作为交通管理部门在高速公路、城际公路、城市干线公路、城乡低等级公路等交通事故多发地段进行违法超速抓拍取证的依据。


2、移动测速雷达


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图12. 移动测速雷达工作示意图


巍泰技术(武汉)有限公司交通信息检测侧装微波雷达TBR-310融合高清摄像机、控制抓拍主机、后备电源蓄电池等设备集成的便携式测速一体机,可实现交警移动抓拍违法超速车辆的需求。TBR-310集成24.15GHz单片微波集成电路技术与先进的信号处理技术,可实现超速车辆的精准触发抓拍,抓拍率高达99%,具有触头、触尾、双触、持续等多种触发方式,误拍率低;测速精度高,调试简易、稳定性高,可探测1~4个车道多个车辆目标,具备车道划分、抗多车并行干扰等功能;环境适应性强,其检测性能不受光照、灰尘、雨雪等外界环境干扰。对降低固定测速设备不完善路段、事故多发路段的交通事故率,控制超速行为发生意义重大。


3、车速反馈屏雷达


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图13. 车速反馈屏现场测速反馈侧视图


车速反馈屏的技术核心部分是车速反馈雷达,对实时反馈来车速度,提醒司机不要超速并将车速降到安全范围起到至关重要的作用。车速反馈雷达一般是采用微波雷达技术实现的,其检测区域大约为车速反馈屏前部30m到150m的范围内,这也是雷达波所能覆盖到的区域。巍泰技术(武汉)有限公司车速反馈仪雷达TBR-300测速反馈仪雷达TBR-510与TBR-511基于微波技术原理与测速算法,可适应多种环境,不受天气、光照强度影响,分别准确检测200m、150m与80m的来车速度,并可直接与LED显示屏连接,将检测结果输出至显示屏,连接方式简单,安装维护方便。可广泛应用于高速公路、城市道路、国省道路、县乡道路等各等级公路,产业园区、住宅区、学校、医院周边,弯道、隧道等需要进行速度提醒控制的区域。


4、智能交通信息检测雷达


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图14. 智能交通信息检测雷达工作示意图


根据城市道路环境特点与应用需求,巍泰技术(武汉)有限公司基于多普勒效应测速技术与FMCW原理测距技术,推出了可检测车速、车流量与平均车速的侧向安装(侧装)交通流量监测雷达TBR-540,以及可以准确检测车速、平均速度、车流量、车型、车道占有率、车头时距、交通拥堵情况、车辆逆行状况等交通基本信息的正向安装(顶装)的广域多目标雷达WTR-470交通流量计雷达WTR-422。其中,WTR-470与WTR-422均采用了毫米波技术原理,可分别检测双向6车道与8个车道上的128个目标车辆的深度信息,并进行实时跟踪,具有不受光、热、雾、烟、灰尘等外界环境因素的影响,抗干扰能力强,环境适应性好,全天候不间断工作的特性。


基于以上微波雷达测速测距功能,在多个路段上安装多个微波车辆检测器,通过这些微波车辆检测器可以不断地获取大量连续的动态交通数据,这些数据可为研究道路交通状态的时空变化规律奠定重要基础。


5、弯道会车预警雷达


巍泰技术(武汉)有限公司弯道与路口预警雷达WTR-510与WTR-511基于微波雷达多普勒效应测速原理,可分别对150m与80m检测区域内的各类型机动车辆、非机动车辆进行全天候长距离检测,并分析来车方向、来车距离、行驶速度等;检测准确度高,抗干扰能力强,检测结果不受温度与气候条件影响;低电平信号输出,功耗低,性价比高,可支持太阳能供电,并同时检测多个车道;安装维护简单,不需要中断交通。


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图15. 弯道会车预警系统与弯道预警雷达工作示意图


当雷达检测到来车时,速度反馈屏会显示来车实时速度,并通过与对向弯道会车预警系统的联动,发送来车预警信号给对向弯道会车预警系统,对向弯道会车预警系统收到预警信号后显示红色"前方来车"字幕,警示灯爆闪黄光,同时语音警报响起"前方来车,请减速慢行"。通过弯道会车预警屏(预警系统),驾驶员在进入弯道前就能了解到前方对向/盲区车道上的车辆行驶信息,与自己的车辆速度,对驾驶员有警示和提示的作用,从而有效提醒驾驶员减速,谨慎驾驶通过弯道。常规状态下,弯道会车预警LED屏显示绿色"弯道慢行"字幕,警示司机前方弯道,小心慢行。


6、行人过街预警雷达


巍泰技术(武汉)有限公司行人监测雷达WTR-830可实现无交通信号灯控制的人行横道线处行人过街状态检测,为车辆驾驶员提供及时可靠地预警数据支撑。WTR-830采用FMCW体制,综合运用数字波束合成等技术,具有测距精度高,测角分辨率高及虚警率低等优点;可对25m监测区域内的过街行人进行准确监测、精确定位与稳定跟踪,并支持监测区域设置,人车分类监测、越界监测、进入/离开区域监测,行人速度、数量与方位监测等;具备低电平控制信号输出功能,可联动路侧发光警示、智控装置等,实现人行横道线处行人过街状态信息输出,支持多场景、多环境下的人员监测、人数统计与安防预警等。


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图16. 行人过街预警系统与行人过街预警雷达工作示意图


当雷达检测到行人将要进入或正在通过斑马线时,将检测结果传输至系统控制芯片,系统控制芯片发送指令给相应的主动发光交通标志/发光警示装置等(LED显示屏、LED示警桩、LED地灯等)路侧设施,通过醒目文字、警示灯频闪、灯光变色等方式向车辆驾驶员发送远距离强警示信息,便于驾驶员提前采取相应的让行措施。


7、雾区车辆尾迹警示雷达


根据JT/T 1032-2016标准要求:防追尾警示模式中的车辆检测模块最大检测距离不小于20m,检测准确率不低于95%。巍泰技术(武汉)有限公司雾区车辆检测雷达WTR-560与WTR-561基于微波雷达技术原理,可实现对雾天、雨雪天、夜间等低能见度环境中动态和静态目标车辆进行的快速捕捉和警示灯光触发;无须敷设电缆、无须破坏道路及路面侧装结构、无须增加附加立杆或横杆,安装施工方便;连接方式简单,可直接与灯光预警系统连接;检测距离可达25m,检测精准、零误报;不受风、光照、温度、浓雾变化等外界环境因素干扰,并可穿透烟、灰尘和雾等准确识别跟踪目标车辆,帮助实现雾区车辆防追尾预警。


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图17. 雾区智能行车诱导系统与雾区车辆检测雷达工作示意图


当无车辆通过时,诱导装置的黄色诱导灯同步闪烁,红色警示灯处于关闭状态;当雷达检测到车辆通过时,触发上游特定组诱导装置的红色警示灯点亮,形成红色尾迹提示后车:前方有车辆存在以及前后跟驰车辆的安全行车间距。此时,其他诱导装置的黄色诱导灯同步闪烁,当车辆向前行驶经过下一组诱导装置时,红色尾迹会与车辆动态同步前移。


巍泰技术(武汉)有限公司作为专业微波/毫米波雷达传感器解决方案提供商,在智能交通管理与道路安全预警等相关领域有着十年以上的产品研发、制造与应用经验。公司研发生产的微波/毫米波雷达传感器产品包括卡口测速雷达、移动测速雷达、车速反馈屏雷达、智能交通信息检测雷达、弯道会车预警雷达、路口哨兵预警雷达、行人过街预警雷达、雾区车辆尾迹警示雷达等近30款。此外,公司凭借长期的技术沉淀、良好的产品性能,已获得国内外众多知名企业的认可与广阔的市场应用。


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