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摘要：当处于由复杂的气象环境作用下导致的恶劣天气时，道路交通事故发生概率会急剧上升，道路交通安全保障面临重大挑战。目前尽管我国已经初步实现了道路安全预警设备部署，如传统雾灯、突起路标和警示灯等，但这些措施并不能完全避免在大雾天气中发生的追尾和二次事故。为了更好地应对这一挑战，本文研发了一套面向团雾多发地带的“雾感智控系统”，该系统融合了能见度传感技术和多种先进控制策略，以能见度感知为核心，通过控制算法实现多设备联动控制，为雾天行车提供了全方位安全防护。该系统经过实际道路安装测试，结果表明该系统在低能见度环境下可以有效的为驾驶人员及时提供预警信息，显著提高了目标道路的交通安全性和车辆通过效率，有效减少了交通事故发生的可能性。

关键词：智能控制系统、交通安全保障、团雾检测、能见度感知

Abstract：When in the bad weather caused by the complex meteorological environment， the probability of road traffic accidents will rise sharply， and road traffic safety is facing major challenges. At present， although we have initially realized the deployment of road safety early warning equipment， such as traditional fog lights， raised road signs and warning lights， these measures cannot completely avoid rear-end and secondary accidents in foggy weather. In order to better cope with this challenge， this paper has developed a set of fog sensing intelligent control system for the fog-prone areas. The system integrates visibility sensing technology and a variety of advanced control strategies. With visibility sensing as the core， the multi-device linkage control is realized through the control algorithm， which provides a comprehensive safety protection for fog driving. The system has been installed and tested on the actual road. The results show that the system can effectively provide early warning information for drivers in a low visibility environment， significantly improve the traffic safety and vehicle passing efficiency of the target road， and effectively reduce the possibility of traffic accidents.

Key words：Intelligent control system， Traffic safety， Fog detection， Visibility perception

0 引 言

能见度表示为具有正常视觉的人能看到物体的最大距离，是气象观测中的关键指标之一，同时与人们的日常生活紧密相关。由于强降雨、大雾等恶劣天气造成的低能见度情况对多种交通运输方式及市民日常出行带来诸多不利影响，严重的甚至会导致交通事故，严重威胁人员安全。因此，开展道路能见度监测及交通预警措施研究对保障道路交通安全具有重要意义。

能见度的测量最初采用的是目测方式，其带有较强的主观性，不能保证测量的准确性。随着光学仪器的不断发展，目前主要的观测方法是使用能见度仪来监测大气中的能见度情况及其变化。该仪器能够测定大气的透明度或消光系数，再根据能见度的计算公式，得出具体的能见度数值[2]。基于不同的测量机制，交通气象领域目前普遍采用的能见度监测工具大致分为四类：前向散射式能见度仪、透射式能见度仪、基于数字摄像的能见度识别技术以及激光雷达能见度仪[3]。利用自动化技术的能见度仪在稳定性和测量精度上都明显超越了人工观测方法，其不仅可以增加能见度观测的数据密度，还为能见度的预测和预警提供了更加详实的数据支持[4]。

1 基本原理

1.1 能见度测量原理

能见度测量是基于大气中颗粒物的散射和吸收效应。大气中的颗粒物，如水滴、雾霾、尘埃等，会对光线产生散射和吸收作用，从而降低光线的强度和传播距离。这就是能见度降低的原因。能见度测量的基本原理可以用以下公式来描述：

其中，代表能见度，是常数（通常取3.912），而则是大气的消光系数。

消光系数可以表示为散射系数和吸收系数的和：

散射系数表示光线在传播过程中被颗粒物散射的强度，而吸收系数表示光线在传播过程中被颗粒物吸收的强度。消光系数越大，能见度就越低。[5]

现代的能见度测量设备通常使用激光或LED作为光源，结合光电传感器来测量散射光线的强度。这些设备能够实时监测能见度的变化，并根据测量结果实时为交通、航空保障等领域提供所需信息，数据传输安全高效。

1.2 前散射式能见度仪测量原理

前散射式能见度仪是本文研发系统中采用的能见度仪类型，其测量原理基于光线在大气中的散射特性，当光线通过含有颗粒物的大气时，如水滴、雾霾和尘埃等，这些颗粒物会使光线发生散射。前散射式能见度仪通过测量在一个特定前向角度上的散射光线强度进行分析，获取当前环境能见度数值。

在前散射式能见度仪中，一个光源向前方发射光线，而一个接收器则以一定的角度，通常是在20°至50°之间，接收从大气中散射回来的光线。在这种特定的前向角度上，大气中颗粒物对光线的散射具有很好的敏感性，同时对气溶胶的变化相对不敏感，因此这种方法对于能见度测量是非常有效的。图1展示了前向散射仪用于探测能见度的工作原理。通过测量在该前向角度上的散射光线的强度，可以推断出大气中的颗粒物浓度。结合颗粒物对光线的散射和吸收特性，前散射式能见度仪可以计算出消光系数，再进一步得到能见度的值。

一般情况下，只要选取合适的散射角度，散射的光信号与散射系数之间的关系就可以认为是线性的。基于这一理念，Beuttel 和Breuer在1949年推出了第一款前向散射式的能见度仪[6]。自从上世纪70年代，我国开始对这类能见度仪进行研究。在2016年，彭鹏通过分析气溶胶的散射相函数和角函数，并通过使用不同的散射角度进行能见度测量结果对比，确定了测量能见度时的理想散射角度为35°[7]。

2 雾感智控系统设备介绍

本文中构建的雾感智控系统采用“一感四控”的模式运行，其主体包括环境信息感知设备与多种预警控制设备。主要工作流程为基于能见度仪所输出的数据，对当前环境中雾浓度进行判定，并以此为基础控制其它联动设备进行工作，产生不同的效果，其它联动设备包括可变限速标志显示屏、预警信息屏、语音警示播报器、智能诱导雾灯。

2.1 传感器设备

雾感智控系统中采用的核心传感器设备为能见度仪。在经过前期一系列测试实验后选定ASHUR-VD930系列能见度仪为系统的核心环境监测设备，用于监测当前环境下的能见度值。其利用前散射技术通过测量悬浮颗粒和降水粒子的前向散射光来工作。当气溶胶或降水粒子穿过采样区时，其散射光被接收器探测并转化为电信号。这些信号经处理后可以得到当前的气溶胶散射系数和降水粒子的信息。通过进一步的分析，仪器可以实时提供能见度值和降水强度，并将数据使用RS-232串行通信传输数据。考虑实际应用环境及供电需求，该设备选取了耐腐蚀材料并进行了内部防水处理。能见度仪与控制器共同安装在同一立杆上，采用太阳能作为其主要电源，供电方式节能环保。

2.2 控制设备

2.2.1 预警信息屏

该系统采用LED显示屏实时展示当前天气状况。在低能见度环境下，显示屏可通过红色字体对驾驶员提供视觉预警信息，提高驾驶员注意力，确保安全驾驶。同时，显示屏还可以向驾驶员传递天气、交通流量和路况信息，有效地指引和疏导交通，提高道路使用效率。

测试路段配置了多块LED警示屏，这些屏幕具备高可见性、低耗电、低热量、长寿命和快速信息更新等特点，其有效显示区域面积为960mm*1280mm，显示颜色包括红、黄、绿三色屏，同样采取太阳能供电方式，设备实物图如下：

2.2.2 智能诱导雾灯

智能诱导雾灯是为了解决雾天行车安全问题而设计的创新装置。该雾灯以对称方式布置在道路的两侧，灯之间的距离可根据实际道路条件进行调整。雾灯通过红外感知技术实现设备间通信。当车辆驶过，红外信号会被中断，系统会迅速识别车辆位置并在相应位置点亮红色警示灯，为后续车辆提供清晰的行车轨迹提示。这种即时的警示方式使得跟随的车辆可以及时调整行驶状态，避免与前车过近。当车辆通过特定区域后，警示灯会自动熄灭。这种设计不仅帮助驾驶员判断与前车的距离，还能通过观察警示灯的亮度和频率，大致了解前方车流状况，从而做出更加明智的驾驶决策。

其在测试路段的布设位置位于道路两侧，纵向布设间距50m。该设备具有亮度高、坚固耐用、可调光线、防追尾警示等特点。道路实际安装效果图如下：

2.2.3 可变限速屏

可变限速显示屏是一种高效的交通管理工具，它结合了现代显示技术和智能传感系统，为驾驶员提供实时的行车速度建议。其核心优势在于能够动态地根据路况和环境条件调整推荐速度，从而确保交通流畅并最大程度地减少事故风险。该显示屏采用LED显示技术，光线明亮醒目，显示内容清晰。高度的可见性有利于驾驶员迅速识别并响应屏幕上的速度建议，及时调整行车速度，从而达到诱导和指引交通流的效果。

测试路段借用原有卡口杆件，配置两块1500mm*1500mm可变限速屏。可以根据天气可见程度、交通情况来提出最合适的限速值，随时更改数值。常规天气下可变限速标屏显示限速80，雾天天气和浓雾天气分别调整为60与40。道路实际安装图如下：

2.2.4 语音播报系统

为实现对驾驶员的多感官提醒，进一步降低雾天行车风险，本文中开发的雾感智控系统添加了语音播报功能模块。该模块与预警信息屏配置在一块功能板上，受同一主控制器控制，主要作用是将预警信息屏上的信息通过声音的方式传递给车辆驾驶员，提醒其注意周围行车环境，安全驾驶。语音播报系统在天气状况良好的情况下处于静默状态，当天气状况有雾时，语音播报系统通过雷达检测来车后同步播报屏幕内的提示内容，提醒车辆驾驶员注意周围行车环境。

测试路段将语音播报系统置于两个预警信息屏内，根据不同的天气状态，语音播报系统处于静默或在车辆通过时同步播报屏幕上提示的文字内容，有智能播报、低功耗的优点，对车辆驾驶员可以起到良好的预警作用。

3 雾感智控系统运行模式

雾感智控系统首先通过能见度传感器感知当前天气状态，然后能见度传感器用其自身的处理器通过RS232或RS485通讯线缆接口将数据发送给控住主机，控制主机根据当前的能见度值对其他设备进行相应模式的联动控制。预警信息屏根据接收到的不同指令显示相应的文字信息，实时发布天气信息和警示信息，同时语音播报系统对预警信息屏上的文字进行语音提醒，可变限速信息屏切换为对应当前天气状况的限速数值。通过声音和视觉信息结合，对车辆驾驶人员进行多感官提醒，使其注意周围行车环境，合理控制车速，保持前后车距，为交通安全进一步提供保障。具体运行系统如下图所示。

4 雾感智控系统功能模式测试与结果

雾感智能控制系统是一种智能化的交通管理系统，可以根据不同的天气状况和交通情况，灵活地切换多种工作模式，以满足交通安全引导和事故预防的需求。主控制器会根据能见度传感器获取的数据，控制其他硬件部分按照相应的工作模式运行。其主要包括：晴天模式、雾天模式、浓雾模式及施工管控模式，整个系统的设计实现了预警、降速、控距、安全和引导等功能，控制更为智能高效。

4.1 测试路段选取

针对本文研究的雾感控制系统，实际测试路段选取西海岸新区滨海大道风河大桥，该路段全长约500m，日常交通流量较大，是青岛西海岸新区的主要跨海大桥之一，且由于该段大桥位于入海口附近，全段空气湿度较大，易产生团雾现象，存在着较大的交通安全威胁，因此选取该路段作为雾感智控系统的测试路段，能较好的测试本文研发的雾感智控系统各项功能，为结果分析提供充分的数据来源，相应的测试结果更具有代表意义。

4.2 系统模式功能及测试结果

4.2.1 晴天模式

当控制主机接收到能见度仪传感器数据判断检测为晴天时，预警信息屏（信息发布单元）滚动播放“黄岛交警雾感智控系统（黄色）；不超员，不超速（黄色）；不疲劳驾驶（黄色）；不饮酒驾驶（黄色）”等一些文字提醒车辆驾驶员遵守道路行驶法律法规，安全驾驶车辆。语音警示播报单元静默，可变限速标志联动单元显示当前路段最高限速值，智能诱导雾灯不闪烁。

选取天气情况处于晴朗的情况下进行测试观察，结果如下图所示，雾感智控系统功能测试结果正常，各模块工作正常运行，预警信息屏为车辆驾驶员提供交通安全提示信息，字体清晰醒目，可变限速显示数字80，语音警示和智能诱导雾灯处于待机低功耗状态，测试结果符合预期状态，测试通过。

4.2.2 雾天模式

当控制主机接收到能见度仪传感器数据判断检测为薄雾时，预警信息屏（信息发布单元）滚动播放“雾（红色）；前方有雾，减速慢行（红色）”，语音警示单元联动播报信息发布单元的显示文字，可变限速标志联动单元显示限速60，智能诱导雾灯单元进入诱导模式，黄色诱导灯自动开启，将道路轮廓标识清楚，使车辆驾驶员能更清楚的掌握周围驾驶环境，提高交通道路安全系数。具体实现如下图所示。

选取天气情况处于有雾的情况下进行测试观察，结果如下图所示，雾感智控系统功能测试结果正常，各模块工作正常运行，预警信息屏正常显示有雾状态下的提醒文字，语音播报系统对预警信息屏上的文字在有来车时正常播报，可变限速显示数字60，智能诱导雾灯黄色诱导灯开启，增强道路轮廓。测试结果符合预期状态，测试通过。

4.2.3 浓雾模式

当控制主机接收到能见度仪传感器数据判断检测为浓雾时，预警信息屏（信息发布单元）滚动播放“雾（红色）；前方大雾，减速慢行（红色）”，语音警示单元联动播报信息发布单元的显示文字，可变限速标志联动单元显示限速40，智能诱导雾灯单元进入防追尾警示模式，根据无车辆经过，分为预警模式与尾迹模式，开启预警模式时，黄色诱导灯闪烁；尾迹模式时，车经过的诱导灯会由黄色变成红色，并会随着车辆的行驶，跟随车辆移动改变不同位置的诱导灯颜色，使得后方车辆在浓雾的天气条件下也能合理掌握与前车距离，具体实现如下图所示。

选取天气情况处于浓雾的情况下进行测试观察，结果如下图所示，雾感智控系统功能测试结果正常，各模块工作正常运行，预警信息屏正常显示浓雾雾状态下的提醒文字，语音播报系统对预警信息屏上的文字在有来车时正常播报，可变限速显示数字40，智能诱导雾灯进入防追尾警示模式，在雾灯区域内有车辆经过的前后一段距离内红灯开启。测试结果符合预期状态，测试通过。

5 结论

本文开发的雾感智控系统为团雾高发区的道路交通安全保障提供了一种新的解决方案，该系统以环境信息感知为基础，智能控制算法为核心，涵盖团雾检测、低能见度下的交通指引、事故预防等功能模块。这套系统能够根据实际环境状态自动调整调用或切换预警信息屏、可变限速指示、语音播报内容和智能雾灯开闭等模块，确保驾驶员及时获取清晰的道路状况信息。

在系统软硬件设计的基础上，本文进一步开展了道路实际测试，以团雾多发的风河大桥作为目标测试路段，完成设备部署，分别检验了系统在晴天、雾天及浓雾环境下的运行效果，相应测试结果符合预期。通过道路交通情况统计，自该系统投入使用以来，该路段因恶劣天气导致的重大交通事故次数降低为零，有效地证明了该系统的实用性和可靠性。

参考文献

[1]刘一贤. 面向交通安全的去雾图像清晰化技术研究[D].西南科技大学，2018.

[2]王惠颖. 不同环境下多类型能见度仪观测对比试验及分析研究[D].南京信息工程大学，2022.

[3]王惠颖，祖繁，袁成松等.前散式和透射式能见度仪的综合观测试验及对比分析[J].气象科学，2022，42（02）：225-234.

[4]冉金玉，刘姣.DNQ1/V35前向式散射能见度仪的日常维护及故障分析[J].北京农业，2015（12）：192-193.

[5]魏鑫，孙峰.高距离分辨率检测技术在能见度测量中的应用[J].光学与光电技术，2016，14（01）：85-89.

[6]林晗.安全智能诱导及防撞预警系统在政永高速公路的应用[J].福建交通科技，2021（03）：97-103.

[7]Koschmieder H.Atmospheric haze and visbility [J] Naturwissenschaften，1938，26：521-528.

[8]李春亮，曲来世，张勇，等能见度测量技术100问[M].北京气象出版社，2009.

作者简介：牛佳鑫 （1997.11- ），女 ，汉族 ，山西晋城，  硕士，学生 ，研究方向：单片机应用、嵌入式软件

张光圣（1984.11- ），男，汉族，山东青岛，本科，在职，研究方向：嵌入式软件、物联网

薛 超 （1989.10-）女 ，汉族，山东青岛，本科，在职，研究方向：通讯、物联网

王东坤（1987.10-），男，汉族，山东青岛，本科，研究方向：网络、计算机维护，

王恒彦（1979.5- ），男，满族，山东青岛，大专，在职，研究方向：计算机应用与维护