李政興

（山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

由于自然狀況以及地理?xiàng)l件的不同，高速公路很多路段偶有濃霧出現(xiàn)，造成路面能見度低，極易帶來重大交通事故，給生命財(cái)產(chǎn)帶來重大損失。大霧到來時(shí)，路面能見度降低，有時(shí)連道路的輪廓也難以看清。此時(shí)，高速公路管理部門通常可以采取交通管制措施來限制車輛通行或者進(jìn)行路段封閉，因此造成的經(jīng)濟(jì)損失以及社會影響難以估算。在交通管制前已進(jìn)入高速公路的車輛仍存在著較大的安全隱患。此外團(tuán)霧的發(fā)生更是令人防不勝防。因此，高速公路智能霧區(qū)誘導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用成為高速公路主管部門、系統(tǒng)集成商以及設(shè)備廠商的研究熱點(diǎn)。

目前我國高速公路應(yīng)用了多種高速公路霧區(qū)誘導(dǎo)系統(tǒng)，但它們有一個(gè)問題，即由于通常的霧區(qū)面積較大，高速公路兩側(cè)的霧燈數(shù)量多，霧燈閃爍頻率雖一致，但做到同步很困難，導(dǎo)致駕駛員眼花繚亂，混淆駕駛員的視界，使駕駛員眼睛疲勞，隱藏著危險(xiǎn)。

北斗衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)的高速公路霧區(qū)智能誘導(dǎo)系統(tǒng)[1]，針對霧燈閃爍的同步問題，將其單向授時(shí)模塊作為系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)組成

高速公路霧區(qū)智能誘導(dǎo)系統(tǒng)包含雨霧冰雪傳感器，用以檢測雨霧冰雪等惡劣天氣狀況，在能見度不好或惡劣天氣狀況出現(xiàn)時(shí)，霧區(qū)誘導(dǎo)系統(tǒng)會自動啟動，此后前方的信息發(fā)布屏?xí)碥囻{駛員發(fā)布信息“前方有霧，謹(jǐn)慎駕駛”以提示駕駛員。同時(shí)在高速公路兩側(cè)的護(hù)欄板上，間隔15 m安裝的黃色誘導(dǎo)燈會按預(yù)設(shè)的頻率發(fā)光閃爍，把道路的輪廓以及走向清晰地顯示出來，保證駕駛員對道路的識別，保障行車安全。

高速公路霧區(qū)智能誘導(dǎo)系統(tǒng)包括霧區(qū)誘導(dǎo)燈控制器、信息發(fā)布屏、LED誘導(dǎo)燈以及安裝在監(jiān)控室內(nèi)的控制軟件和控制計(jì)算機(jī)，如圖1所示。

圖1 1 km高速公路霧區(qū)智能誘導(dǎo)系統(tǒng)圖

1 km的長度作為霧區(qū)智能誘導(dǎo)系統(tǒng)的最小單元。每個(gè)單元由4個(gè)霧區(qū)誘導(dǎo)燈控制器和雙向共4條誘導(dǎo)燈帶組成，其中誘導(dǎo)燈控制器由太陽能供電，每條誘導(dǎo)燈帶含71盞誘導(dǎo)燈，燈燈間距為15 m，誘導(dǎo)燈帶總長度為1 050 m。誘導(dǎo)燈由誘導(dǎo)燈控制器供電，誘導(dǎo)燈控制器對誘導(dǎo)燈進(jìn)行控制以對所有誘導(dǎo)燈進(jìn)行開關(guān)操作及頻閃同步。誘導(dǎo)燈控制器位于每條誘導(dǎo)燈帶的中間，根據(jù)霧區(qū)范圍大小可以進(jìn)行多個(gè)單元的拼接。在霧區(qū)前方1～2 km處配備有一塊信息發(fā)布屏，用來在車輛進(jìn)入前對駕駛員進(jìn)行提示。

霧區(qū)智能誘導(dǎo)系統(tǒng)里的信息發(fā)布屏以及多個(gè)誘導(dǎo)燈控制器之間的距離不超過2 km。它們之間通過無線傳輸方式進(jìn)行信息傳遞，與監(jiān)控室里上位機(jī)的信息傳遞則是通過GPRS實(shí)現(xiàn)。在霧區(qū)誘導(dǎo)系統(tǒng)里，每個(gè)誘導(dǎo)燈控制器以及信息發(fā)布屏內(nèi)均包含1個(gè)無線傳輸模塊，而GPRS模塊以及雨霧冰雪傳感器整個(gè)系統(tǒng)只需設(shè)置一套即可。

高速公路外場設(shè)備供電[2]是一直以來的施工難點(diǎn)，該系統(tǒng)選用太陽能供電系統(tǒng)進(jìn)行集中供電，在附近選取太陽能資源較好的地方建造小型太陽能供電系統(tǒng)，也可以采用遠(yuǎn)程直流供電方式由就近的收費(fèi)站或服務(wù)區(qū)提供交流220 V電源，并根據(jù)當(dāng)?shù)氐娜照諘r(shí)間來計(jì)算太陽能電池板的面積以及蓄電池的容量。

2 霧區(qū)誘導(dǎo)燈

霧區(qū)誘導(dǎo)燈外徑82 mm，中心凸起，與平面呈5°角，可增大駕駛員視角。誘導(dǎo)燈由19支φ5黃色發(fā)光二極管組成，按1/4的占空比驅(qū)動約需0.4 W的功率。誘導(dǎo)燈的總亮度達(dá)到了285～380 CD，壽命可達(dá)70 000 h以上。LED誘導(dǎo)燈的外殼采用高強(qiáng)度的ABS工程塑料，通過安裝卡板直接插到護(hù)欄板，在安裝卡板下邊有2個(gè)防盜銷釘。該誘導(dǎo)燈施工簡單，安裝方便。

3 霧區(qū)誘導(dǎo)燈控制器

霧區(qū)誘導(dǎo)燈控制器[3]由北斗衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)、LED誘導(dǎo)燈驅(qū)動模塊、微處理器系統(tǒng)、雨霧冰雪傳感器模塊以及光電感器模塊、遠(yuǎn)距離無線傳輸系統(tǒng)和太陽能供電模塊等組成。

微處理器系統(tǒng)采用了STM32F107微處理器，STM32F107微處理器基于ARM Cortex—M3內(nèi)核，具有較低成本、較高性能、較低能耗的優(yōu)點(diǎn)。它包含10個(gè)定時(shí)器、2個(gè)12位AD（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、2個(gè)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器、2個(gè)12C接口、5個(gè)USART接口、3個(gè)SPI端口以及數(shù)字音頻接口 IIS。另外，STM32F107擁有全速 USB（OTG）接口，兩路CAN2.0B接口，以及以太網(wǎng)10／100MAC模塊。光電傳感器用來接收亮度信息，雨霧冰雪傳感器用來接收氣象信息。當(dāng)檢測到亮度不夠或雨霧冰雪等天氣時(shí)，由微處理器控制驅(qū)動點(diǎn)亮LED誘導(dǎo)燈，并具體確定其閃爍頻率。北斗一號衛(wèi)星發(fā)出時(shí)鐘脈沖信號給北斗衛(wèi)星授時(shí)模塊用來校正霧區(qū)誘導(dǎo)燈控制器中微處理器的時(shí)鐘，確保全部霧區(qū)誘導(dǎo)燈控制器的時(shí)間同步，保證所有的誘導(dǎo)燈能夠進(jìn)行同步閃爍。

整個(gè)系統(tǒng)[4-5]根據(jù)霧區(qū)范圍的實(shí)際情況包含1、2個(gè)雨霧冰雪傳感器。每個(gè)誘導(dǎo)燈控制器里均需包含1個(gè)北斗衛(wèi)星授時(shí)模塊。每個(gè)誘導(dǎo)燈控制器應(yīng)包含1個(gè)無線傳輸模塊來實(shí)現(xiàn)控制器之間的信息傳遞?？刂破鞯脑砜驁D見圖2。

圖2 霧區(qū)誘導(dǎo)系統(tǒng)控制器原理框圖

4 信息發(fā)布屏

在霧區(qū)前方1～2 km處設(shè)置1塊信息發(fā)布屏。信息發(fā)布屏每面4個(gè)字，分辨率為32（寬）×32（高），點(diǎn)間距為20 ram，顯示區(qū)域?yàn)?60 mm（寬）×1 280 mm（高），亮度大于 5 000 cd／m2，最遠(yuǎn)視距大于200 m，采用雙面雙色顯示。每塊信息屏配置1個(gè)GPRS模塊以及1個(gè)遠(yuǎn)距離無線傳輸模塊。信息發(fā)布屏同樣也可以視情況在市電供電或太陽能供電中選擇一種合適的供電方式。

5 結(jié)語

中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）由空間段、地面段和用戶段3部分組成，其中空間段包括北斗定位衛(wèi)星，地面段指地面控制中心為主的地面部分，用戶段指北斗用戶終端?？稍谌蚍秶鷥?nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具短報(bào)文通信能力，已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時(shí)能力，定位精度10 m，測速精度 0.2 m/s，授時(shí)精度10 ns，其定位精度與GPS相當(dāng)，和已有的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)一起，發(fā)揮“雙保險(xiǎn)”作用。北斗一號系統(tǒng)的基本功能包括：定位、通信（短消息）和授時(shí)。

綜合考慮功耗、體積、成本等因素，本系統(tǒng)中每個(gè)控制器負(fù)責(zé)驅(qū)動71個(gè)誘導(dǎo)燈，按相鄰誘導(dǎo)燈間距15 m計(jì)算，全長約1 km?？刂破鞯臄?shù)量可根據(jù)霧區(qū)范圍增大而增加。傳統(tǒng)方法在眾多誘導(dǎo)燈的同步頻閃上無能為力，采用北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的授時(shí)系統(tǒng)，可解決這一問題。該方案是一個(gè)操作簡單、成本低廉的較好的技術(shù)方案。