一种高速公路隧道进出口过渡段路面行车安全综合预警与反馈系统及方法与流程

本发明属于隧道工程技术领域，涉及一种高速公路隧道进出口过渡段路面行车安全综合预警与反馈系统及方法。

背景技术：

隧道是一个半封闭、空间狭小的管状结构物，隧道路面受雨水、太阳辐射、通风等影响较少；而隧道外路面受天气环境的影响较大。隧道内外环境的不同，致使隧道进出口过渡段车辆的行驶条件通常有以下四方面特点：隧道内外光线、空间感的变化，致使驾驶员在隧道进出口段的心理和生理发生了较大的变化；隧道内外受环境、通风性的不同影响，隧道内外路面经历不同的环境影响，造成隧道进出口行车环境的变化；隧道内外线形组合不同，如隧道群、桥隧、长大下坡与隧道的组合，易引起隧道进出口的频繁制动与刹车，使得车辆制动器有不同程度的热衰退现象，降低了车辆的制动效能；隧道内外设计车速不同，且较少进行分车型、分车道行驶，导致隧道进出口的车速离散性较大。隧道进出口的特殊行驶条件致使隧道进出口的行车安全事故明显高于隧道内部和隧道外部主线，成为公路交通事故黑点的主要路段。

基于隧道进出口过渡段行车安全性改善，目前国内学者主要对隧道进出口的照明、线形、车速、抗滑性等方面进行了研究，并提出了一些安全改善措施。同济大学在西部交通建设科技项目“公路隧道进出口运行安全研究”中，进行了隧道进出口运行安全影响因素的调查和分析、隧道进出口几何线形对行车安全的影响、隧道进出口过渡段照明条件的分析研究、隧道进出口过渡路面突变对安全的影响分析、隧道进出口安全性评价指标及安全评价方法五个专题研究。除此之外，彭其渊以“公路—驾驶员—车辆”仿真系统为手段，把材料交替位置、洞内路面附着系数、制动强度和加速度等作为试验变量，分析了这些因素对行驶力学稳定性的影响，建议沥青路面向洞内适当延伸可以显著增强车辆的稳定性。殷瑞华和朱光仪对隧道进出口平纵线形开展了研究，指出隧道线形设计原则是隧道服从路线，路隧结合，除此之外还要着重考虑地形、地质、水文条件。重庆交通大学在进行高速公路隧道限速研究时，得出平直路段与隧道、长大下坡与隧道、弯道与隧道、桥隧组合、隧道群的不同组合对隧道限速的影响。龙先军等从限速设置地点、限速路段、限速距离以及限速数值等方面分析了限速标志的设置位置。

现有技术关于隧道进出口过渡段的全方位预警系统研究较少，尤其对于洞口光线、能见度变化和结冰降雪后的路况预警方面所做工作较少。因此基于隧道进出口过渡段的洞口光线、能见度变化和结冰降雪后的路面状况的行车安全综合预警的研究工作亟需开展。

现有技术对于隧道进出口过渡段行车安全的研究，其预警与反馈机制较为独立。导致产生安全预警精确到位但处理措施无法及时跟进，安全处理措施健全但对路面状况信息掌握滞后的情况。因此，将预警与反馈系统相结合的措施显得至关重要。

在高速公路交通飞速发展的大前景下，行车安全问题越发重要，但突发恶劣天气影响着路面行车，尤其在山区高速公路段，隧道较多且自然环境条件极难预测，由于洞口光线、能见度变化和降雪结冰后较差的路面状况所引发的交通事故频频发生，给来往的通行车辆造成了极大的风险。因此，及时准确的将隧道公路状况向有关部门进行反馈，当光线变化较大或遭遇恶劣天气时能够及时准确向通行车辆进行预警具有至关重要的作用。因此，对高速公路隧道进出口过渡段路面与交通安全研究具有重要的理论和实践意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种针对高速公路隧道进出口过渡段路面与交通安全的预警系统及方法，基于隧道进出口过渡段的洞口光线、能见度变化和结冰降雪状况进行行车安全综合预警，并及时做出反馈，改善路况。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种高速公路隧道进出口过渡段路面行车安全综合预警与反馈系统，包括隧道洞口光线监测子系统、隧道洞口大雾能见度状况监测子系统、隧道进出口过渡段路面降雪凝冰监测子系统、数据综合处理系统、隧道进出口过渡段路面状况预警发布系统和安全措施反馈子系统；

隧道洞口光线监测子系统，用于实时监测隧道洞口光线并传输至数据综合处理系统；

隧道洞口大雾能见度状况监测子系统，用于实时监测隧道洞口大雾能见度并传输至数据综合处理系统；

隧道进出口过渡段路面降雪凝冰监测子系统，用于监测隧道进出口过渡段的湿度和温度以及路面的压力，并传输至数据综合处理系统；

数据综合处理系统，用于接收和处理隧道洞口光线监测子系统、隧道洞口大雾能见度状况监测子系统和隧道进出口过渡段路面降雪凝冰监测子系统传输的数据，得出光线状况、能见度状况、路面当前降雪凝冰状况，将得到的结果数据传输给隧道进出口过渡段路面状况预警发布系统，并开启安全措施反馈子系统；

隧道进出口过渡段路面状况预警发布系统，用于接收数据综合处理系统传输的数据，并将隧道进出口过渡段路面状况信息实时发布。

安全措施反馈系统，用于改善隧道进出口过渡段光线状况、能见度状况和路面降雪凝冰状况。

优选的，隧道洞口光线监测子系统包括布设在洞口洞壁上的光照强度传感器。

优选的，隧道洞口大雾能见度状况监测子系统包括设置在洞口外的光束发射器和布设在洞口洞壁上的光照强度传感器，光照强度传感器采集光束发射器发射的光束。

优选的，隧道进出口过渡段路面降雪凝冰监测子系统包括半埋设在路面下的压力监测装置以及安装在行车道两侧的湿度监测装置和温度检测装置。

进一步的，当数据综合处理系统接收到湿度和温度达到设定阈值后启动压力检测装置，压力检测装置将采集的压力传送给数据综合处理系统，数据综合处理系统计算得出当前隧道进出口过渡段路面降雪凝冰状况。

优选的，数据综合处理系统包括光线变化处理模块、能见度状况处理模块和降雪凝冰数据处理模块；

光线变化处理模块，用于接收隧道洞口光线监测子系统传送的数据，得出当前洞口光线状况；

能见度状况处理模块，用于接收隧道洞口大雾能见度状况监测子系统传送的数据，计算洞口能见度状况；

降雪凝冰数据处理模块，用于接收隧道进出口过渡段路面降雪凝冰监测子系统发送的数据，得出当前隧道进出口过渡段路面降雪凝冰状况。

优选的，隧道进出口过渡段路面状况预警发布系统包括电子信息公告板、交通管控中心系统输出模块和app输出模块。

优选的，安全措施反馈子系统包括光线变化反馈子系统、能见度状况反馈子系统和路面降雪凝冰反馈子系统；

光线变化反馈子系统包括布设在隧道进出口过渡段的应急照明装置；

能见度状况反馈子系统包括沿洞口截面内轮廓布设的照明灯具；

路面降雪凝冰反馈子系统包括埋设在隧道进出口过渡段路面内的加温装置。

优选的，路面降雪凝冰反馈子系统还包括设置在隧道进出口过渡段两侧的喷头，当数据综合处理系统检测到路面已有降雪结冰时输出信号触发喷头喷洒融雪剂。

一种高速公路隧道进出口过渡段行车安全综合预警与反馈方法，包括：

隧道洞口光线监测子系统实时监测隧道洞口光照强度并传输至数据综合处理系统；

隧道洞口大雾能见度状况监测子系统实时监测隧道洞口大雾能见度并传输至数据综合处理系统；

隧道进出口过渡段路面降雪凝冰监测子系统实时监测隧道进出口过渡段的湿度和温度以及路面的压力，并传输至数据综合处理系统；

数据综合处理系统根据接收到的数据处理得出光线状况、能见度状况、路面当前降雪凝冰概率或已降雪凝冰状况，将得到的结果数据传送给隧道进出口过渡段路面状况预警发布系统进行路况信息发布，并开启安全措施反馈子系统改善路况。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明形成一套较为全面的适用于高速公路隧道进出口过渡段预警系统，对隧道进出口过渡段的洞口光线状况、能见度状况和结冰降雪状况同时进行监测，实时发布预警信息，并及时做出反馈，改善路况，针对性强。本发明中将预警系统和反馈系统结合，能根据实时路况及时启动安全反馈设备和系统，有效改善路况，避免由于洞口光线、能见度变化和降雪结冰后较差的路面状况所引发的交通事故。

进一步的，通过电子信息公告板进行直观的现场视频图像显示，行车安全性更高。路面行车在进入隧道进出口过渡段前，就通过电子信息板得知隧道出入口路面综合情况，相比现行隧道进出口安全措施，能切实提高安全系数。预警发布系统还可将检测到的数据及时反馈到有关隧道公路管控部门和行车驾驶员手机app中，使得有关隧道公路管控部门能够及时掌握隧道公路的实际情况，做出有效准确的应对。克服现有技术中存在的缺少直观的现场视频图像显示，预警精度不高、针对性不强的缺陷，提高隧道进出口路段的行车安全性。可用于确立隧道进出口过渡段的行车安全程度，并可依据此成果开发相对应的应用软件，为驾乘者提供实时路况信息，促进交通安全，交通便捷。

附图说明

图1高速公路隧道进出口过渡段路面行车安全综合预警与反馈系统原理框图。

图2监测装置布设平面图。

图中，1为电子信息公告板，2为光束发射器，3为光照强度传感器，4为应急照明装置，5为湿度监测装置，6为温度监测装置，7为压力监测装置，8为喷头，9为隧道洞口截面。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明所述的高速公路隧道进出口过渡段路面行车安全综合预警与反馈系统，包括隧道洞口光线监测子系统、隧道洞口大雾能见度状况监测子系统、隧道进出口过渡段路面降雪凝冰监测子系统、数据传输系统、数据综合处理系统、隧道进出口过渡段路面状况预警发布系统、安全措施反馈子系统以及电路和供电系统。本发明监测装置布设平面图如图2所示，具体介绍如下。

隧道洞口光线监测子系统，包括布设在洞口洞壁上的光照强度传感器3，用于实时监测洞口光线变化并通过数据传输系统传输至数据综合处理系统。

隧道洞口大雾能见度状况监测子系统，包括设置在洞口外道路两侧的光束发射器2和布设在洞口洞壁上的光照强度传感器3，用于实时监测隧道洞口大雾能见度状况并通过数据传输系统反馈给数据综合处理系统。通过光照强度传感器3接收的光束发射器2的反射光束光强即可得出当前隧道洞口光线衰减情况，进而推测大雾能见度。

隧道进出口过渡段路面降雪凝冰监测子系统，包括预先半埋设在路面下的压力监测装置7以及安装在行车道两侧的湿度监测装置5和温度检测装置6，用于接收、收集隧道进出口过渡段的湿度和温度值以及路面压力，并通过数据传输系统传输至数据综合处理系统。

数据综合处理系统，用于接收和处理隧道洞口光线监测子系统、隧道洞口大雾能见度状况监测子系统和隧道进出口过渡段路面降雪凝冰监测子系统发送的整个路面的监测数据，得出光线变化状况、能见度状况、路面当前降雪凝冰概率或已降雪凝冰状况，将得到的结果数据传送给隧道进出口过渡段路面状况预警发布系统，并开启安全措施反馈子系统。

数据综合处理系统包括光线变化处理模块、能见度状况处理模块、降雪凝冰数据处理模块，分别与光线监测子系统、大雾能见度状况监测子系统、路面降雪凝冰监测子系统信号相连。

光线变化处理模块与光线监测子系统信号相连，接收隧道洞口光线监测子系统传送的数据，判断当前洞口光线是否光强较低或者洞口光照强度传感器检测到光强大幅度降低至平均水平之下并在一定时间内持续稳定输出一个较低值。在判断洞口光强是否较低时：见《公路隧道照明设计细则jtgtd702-01-2014》，天空面积百分比、洞口朝向和洞外环境均会影响、不同季节也会有调整。针对具体高速公路隧道洞口，应参考其设计，给出相应阈值。例如细则中给出，一般的隧道，其实测值普遍在2300-3300cd/m²，削竹式洞门隧道洞外亮度通常在2500cd/m²左右，端墙式洞门隧道洞外亮度通常在3000cd/m²左右，由此洞口光强较低可认为亮度相应降低500-1000cd/m²，以此换算。

能见度状况处理模块通过数据传输系统与隧道洞口大雾能见度状况监测子系统相连，接收隧道洞口大雾能见度状况监测子系统传送的数据，通过光束发射器2发射光术后光照强度传感器3接收到的光强，计算当前洞口能见度状况指标。

降雪凝冰数据处理模块与隧道进出口过渡段路面降雪凝冰监测子系统相连，接收隧道进出口过渡段路面降雪凝冰监测子系统发送的数据。压力监测装置7与湿度监测装置5和温度检测装置6均信号相连，当湿度和温度达到设定阈值后启动压力检测装置7，压力检测装置7采取半埋设方式，当湿度和温度达到结冰条件并检测到持续存在的压力，则路面存在降雪或结冰状况。具体的，湿度监测装置5和温度检测装置6将采集的湿度和温度数据传送给降雪凝冰数据处理模块，当降雪凝冰数据处理模块判断湿度和温度达到设定阈值后启动压力检测装置7，压力检测装置7采集的压力传送给降雪凝冰数据处理模块，降雪凝冰数据处理模块通过编写算法处理压力监测装置7、温度监测装置6、湿度监测装置5传递的数据，得出当前隧道进出口过渡段路面降雪凝冰状况。所述阈值根据周边公路或其他道路设置路面以往结冰数据得出。一种实施方式是压力检测装置7间歇性测量，连续三次测量时均检测到压力存在，并且湿度温度满足结冰条件，则可认为路面结冰降雪。另一种实施方式是根据公路规定行车时速，计算出行车完整经过压力检测装置7的时间，不过这个时间间隔一般较短，当压力持续存在时间超过这个时间时，认为存在路面结冰降雪；可以认为在10-15s内持续稳定输出某一压力值认为存在路面结冰降雪。

隧道进出口过渡段路面状况预警发布系统，用于接收数据综合处理系统传输的数据，并将隧道进出口过渡段路面状况信息实时发布。包括电子信息公告板1、交通管控中心系统输出模块和app输出模块，多方输出，实时更新。

安全措施反馈系统，包括光线变化反馈子系统、能见度状况反馈子系统、路面降雪凝冰反馈子系统。

光线变化反馈子系统，包括布设在洞口过渡段的应急照明装置4，当光线变化处理模块检测到洞口光强变化值大于某一阈值或当前光强低于某一阈值后，触发开启应急照明装置。

能见度状况反馈子系统，包括沿洞口截面内轮廓布设的照明灯具，当能见度状况处理模块检测到洞口能见度指标较低时，触发开启灯具照明。照明灯具采用钠灯，其光线穿透性较强；也可用led灯，节能高效。

路面降雪凝冰反馈子系统，包括埋设在隧道进出口过渡段路面内的加温装置和喷头，当降雪凝冰数据处理模块检测到路面降雪凝冰概率较大时，输出信号触发路面内埋设的加温装置；当路面已有降雪结冰时输出信号至喷头8，触发自动喷洒融雪剂，以改善路况。

本发明高速公路隧道进出口过渡段路面行车安全综合预警与反馈系统的工作原理如图1所示，具体介绍如下。

洞口光线预警及反馈实现方式为洞口安设的光照强度传感器实时监测洞口附近光照强度，当低于某一阈值(即对应天气突变造成剧烈明暗变化或天黑亮度低的情况)或者洞口光照强度传感器检测到光强大幅度降低至平均水平之下并在一定时间内持续稳定输出一个较低值，即触发开启洞口及洞内应急照明灯具。

洞口大雾能见度状况预警及反馈实现方式为距离隧道洞口一定距离的光束发射装置向洞壁定点位置安设的光照强度传感器发射光束，实时监测，当所接收光照强度低于某一阈值时，触发开启洞口上的强穿透照明灯具。

路面降雪凝冰预警及反馈实现方式为在行车道两侧安装湿度检测装置和温度检测装置，当所测湿度和温度值达到结冰临界时，启动行车道上预先半埋设的压力检测装置，若监测到长期稳定的压力值，则可认为路面存在降雪、凝冰状况，触发开启喷发融雪融冰剂，改善路面状况。

路面状况预警发布实现方式为将当前从监测预警子系统经综合数据处理系统处理后的路况数据实时多方输出，一方面传输至距洞口合适距离安设的电子信息公告板，一方面传输至交通管控中心服务器，亦可经相关线路将数据上传至云服务器，实时发布至行车驾驶员手机app中。

采用的装置说明

1、湿度监测装置采用传感器dht11，用于检测隧道环境湿度。

特点：(1)可以检测周围环境的湿度和温度；

(2)湿度测量范围：20％-95％(0度-50度范围)，湿度测量误差：+-5％；

(3)温度测量范围：0度-50度，度测量误差：+-2度；

(4)输出形式：数字输出。

2、risym光敏电阻传感器加5v继电器模块，用于区分隧道外部光线变化。当光照强度低于阀值时，继电器闭合输出对应信号，隧道照明随之变化。

特点：(1)用光敏电阻感应光线强度，自带继电器，直接控制负载；

(2)使用宽电压lm393比较器；

(3)模块在环境光线超过设定的阀值时，继电器吸合，公共端与常开端接通，当外界环境光线低于设定阀值时，继电器断开，公共端与常闭端接通。

4、压力监测装置采用陶瓷振动传感器，用于检测路面结冰，当路面结冰时，压力传感器持续输出信号，单片机接收并处理。

特点：(1)产品实物与硬币一般大小，方便使用；

(2)检测灵敏度高，模拟信号输出。

5、红外光电对射传感器，用于检测车辆是否通过，与继电器配合可以控制隧道进出口的灯光。

特点：红外光对射感应传感器是一种利用光电感应原理的传感器，其物体不限于金属，该传感器具有探测距离远，可调节测量范围。

6、12v0.5a开关电压器，配合自制5v稳压电路用于系统供电。