楊 瑩，賈 磊

(山西省交通科學研究院，山西 太原 030006)

基于GPS的高速公路主動發(fā)光誘導與自動防撞預(yù)警系統(tǒng)*

楊 瑩，賈 磊

(山西省交通科學研究院，山西 太原030006)

極端惡劣天氣和霧霾氣象的經(jīng)常發(fā)生，給高速公路運營安全帶來極大隱患。因此，研發(fā)一套基于GPS授時的低能見度氣象條件下高速公路主動發(fā)光誘導與自動防撞預(yù)警系統(tǒng)，可實現(xiàn)車輛智能引導、路形顯示、車距警示、動態(tài)尾跡跟蹤等功能。詳細設(shè)計了智能誘導單元的硬件部分、上位機軟件控制平臺及控制策略，并給出了其控制流程圖及軟件界面圖。選擇團霧多發(fā)路段進行實地安裝，應(yīng)用效果明顯，有效降低了事故發(fā)生率。

GPS授時；低能見度；主動誘導；防撞預(yù)警

0 引言

我國高速公路事業(yè)快速發(fā)展，給社會帶來顯著的經(jīng)濟效益。近幾年，極端惡劣天氣和霧霾氣象的經(jīng)常發(fā)生，給高速公路運營安全帶來極大隱患，據(jù)交通管理部門統(tǒng)計，我國道路交通事故中因能見度低導致的交通事故每年都接近10%。目前針對低能見度氣候現(xiàn)象，一般采取交通管制來保障行車安全，但交通管制對各路段造成的經(jīng)濟損失和社會影響難以估算，另外在交通管制前已經(jīng)進入高速公路的車輛仍面臨著行車安全隱患，團霧等惡劣天氣發(fā)生的隨機性更是讓交管部門束手無策[1-3]。

本文介紹一種低能見度高速公路主動發(fā)光誘導及防撞預(yù)警系統(tǒng)，旨在通過智能化設(shè)備的建設(shè)，提升惡劣行車環(huán)境下的道路感知管控能力來減輕警力不足的困惑，降低一次事故避免二次事故的發(fā)生，提高道路通行效率，全力保障駕乘人員的生命和財產(chǎn)安全，同時為惡劣天氣環(huán)境下智慧高速大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐與服務(wù)。

1 系統(tǒng)組成

本文研發(fā)了一套基于GPS授時的低能見度氣象條件下高速公路主動發(fā)光誘導與自動防撞預(yù)警系統(tǒng)，通過實時監(jiān)測高速公路關(guān)鍵路段能見度(如事故多發(fā)路段、隧道出入口、高速收費站口、橋梁、匝道入口等)、車速、交通流等信息，并通過一定的控制算法實現(xiàn)對通行車輛智能引導、路形顯示、盲點黑點提示、車距警示、動態(tài)尾跡跟蹤等功能。系統(tǒng)由氣象傳感模塊、智能誘導模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理器、遠程控制上位機軟件、預(yù)警信息顯示屏等組成。圖1所示為該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。氣象傳感模塊主要監(jiān)測能見度、氣象(雨、雪等)等信息為整個系統(tǒng)提供控制依據(jù)；智能誘導單元由微處理器、車輛檢測器、LED誘導燈驅(qū)動模塊、433 MHz遠距離無線傳輸模塊、GPS授時模塊及雙電源供電模塊組成，可實現(xiàn)車輛檢測、LED燈控制、GPS授時、無線傳輸?shù)裙δ埽蛊渚邆渲悄苡布A(chǔ)，通過自適應(yīng)無線組網(wǎng)接收主控模塊控制命令進行主動發(fā)光誘導和自動防撞預(yù)警；數(shù)據(jù)預(yù)處理器為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸紐帶，通過與遠程上位機軟件、智能誘導單元、氣象傳感模塊等進行數(shù)據(jù)通信，確保各項控制指令可正確下達到智能控制單元，同時智能控制單元的狀態(tài)可實時回傳給上位機軟件平臺；遠程控制上位機軟件為滿足遠程監(jiān)控使用，既能夠?qū)崟r按一定規(guī)則控制輪廓指示標，又能夠設(shè)置控制策略和控制參數(shù)，實現(xiàn)定制化控制；預(yù)警信息顯示屏為高速公路已有的各類顯示屏，及時傳達預(yù)警信息便于司機提前做好應(yīng)急準備。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 智能誘導單元硬件設(shè)計

智能誘導單元由微處理器、車輛檢測器、LED誘導燈驅(qū)動模塊、433 MHz遠距離無線傳輸模塊、GPS授時模塊及雙電源供電模塊組成。微處理器采用ARM處理器的LPC2114 芯片，一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU，并嵌入128/256 KB的高速FLASH存儲器，128 bit寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行，完全滿足業(yè)務(wù)需求。車輛檢測器采用地磁車檢器，用來檢測是否有車輛通過，是否需要觸發(fā)智能誘導單元工作。LED誘導燈驅(qū)動模塊根據(jù)LED燈特性采用恒流驅(qū)動電路，由于采用雙電源供電，采用可以AC/DC輸入、無電解電容的驅(qū)動電路。433 MHz遠距離無線傳輸模塊，通過無線自組網(wǎng)方式實現(xiàn)智能誘導單元相互間的數(shù)據(jù)傳輸，無線數(shù)據(jù)鏈單節(jié)點覆蓋半徑為120 m。GPS授時模塊接受北斗一號導航衛(wèi)星發(fā)出的時鐘脈沖信號來校正智能誘導單元中微處理器的時鐘，使所有智能誘導單元的時間準確同步，從而實現(xiàn)系統(tǒng)中所有的誘導燈同步閃爍。雙電源供電模塊為智能誘導單元提供多種供電選擇，既可以通過利用光能實現(xiàn)本系統(tǒng)能源供給的自給自足，適用于野外作業(yè)，又可以通過接入市電滿足智能誘導單元的供電需求[4-6]。

智能誘導單元的控制流程圖如圖2所示，能見度采集儀采集的能見度數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)預(yù)處理器中，數(shù)據(jù)預(yù)處理器通過與上位機軟件平臺交互確定控制策略，控制策略通過433 MHz遠距離無線傳輸模塊下發(fā)到每個智能誘導單元的微處理器中。當車輛檢測器檢測到有車輛通過時，微處理器執(zhí)行控制策略驅(qū)動LED誘導燈發(fā)出誘導信號。GPS授時模塊校正微處理器的時鐘，雙電源供電模塊為整個智能誘導單元供電。

3 軟件平臺及控制策略設(shè)計

上位機軟件平臺可較為方便地進行遠程設(shè)備監(jiān)控，既能夠?qū)崟r按一定規(guī)則控制輪廓指示標，又能夠設(shè)置控制策略和控制參數(shù)進行實現(xiàn)定制化控制。系統(tǒng)的上位機軟件平臺界面如圖3所示，上位機系統(tǒng)控制分為手動控制與自動控制兩種。

(1)手動控制有兩種模式：預(yù)置模式和自定義模式。預(yù)置模式為預(yù)先設(shè)置好工作模式，又分為誘導模式、預(yù)警模式、霧霾模式、事故模式、道路輪廓強化模式和關(guān)閉模式；自定義模式可以根據(jù)不同環(huán)境定義各種不同的工作狀態(tài),如：頻率、亮度、尾長度，開啟或關(guān)閉車檢器等。

圖2 智能誘導單元控制流程圖

圖3 軟件平臺界面

預(yù)置模式時各個模式的控制策略為：

①誘導模式：適用于天氣晴朗、能見度高的環(huán)境，其誘導燈(黃燈)按60次/min同步閃爍，給行駛車輛主動誘導的一種模式。

②預(yù)警模式：適用于霧/雨/雪天氣、能見度不高的環(huán)境，其誘導燈(黃燈)按60次/min同步閃爍提供行車主動誘導，當車輛經(jīng)過后，其后面3組(默認)預(yù)警燈(紅燈)亮起，給后面車輛提供前方有車信號，使其保持車輛的安全行車間距，減少追尾事故發(fā)生。

③霧霾模式：適用于霧霾天氣、能見度低的環(huán)境，其誘導燈(黃燈)按120次/min最高亮度透霧同步閃爍提供行車主動誘導，當車輛經(jīng)過后，其后面3組(默認)預(yù)警燈(紅燈)也按120次/min最高亮度透霧同步閃爍，給后面車輛提供前方有車信號，使其保持車輛的安全行車間距，減少追尾事故發(fā)生。

④事故模式：適用于發(fā)生事故后，其預(yù)警燈(紅燈)按120次/min同步閃爍，提示過往車輛減速，減少二次事故發(fā)生。

⑤道路輪廓強化模式：適用于天氣晴朗、能見度高的夜間，其誘導燈(黃燈)常亮，強化道路輪廓的一種模式。

⑥關(guān)閉模式：適用于天氣晴朗、能見度高的白天，此時誘導燈(黃燈)、預(yù)警燈(紅燈)均關(guān)閉。

(2)自動模式的界面如圖4所示，能見度和當前工作狀態(tài)每兩分鐘更新一次，也可以手動點擊按鈕來獲取。能見度只有在數(shù)據(jù)預(yù)處理控制器連接到能見度儀的情況下獲取的數(shù)據(jù)才正確，如果沒有連接能見度儀，獲取的能見度值為無效值。

圖4 自動模式軟件界面

4 現(xiàn)場應(yīng)用

實施高速公路走廊地形起伏大，毗鄰河流，部分路段處于狹窄的溝谷地帶，空氣潮濕，常態(tài)性地出現(xiàn)大霧天氣，對行車安全極為不利，根據(jù)實際需要安裝了一套低能見度氣象條件下高速公路主動發(fā)光誘導與自動防撞預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提供霧、雨、夜、雪等低能見度環(huán)境氣象信息及車速、交通流等信息，自動或手動控制道路兩旁多功能輪廓指示標進行智能引導，上位機軟件平臺內(nèi)置5種控制策略供用戶選擇。系統(tǒng)安裝后大大降低了該段高速公路的事故發(fā)生率，為司機的平安出行提供了保障，安裝前后的效果對照圖如圖5所示。

圖5 實施前后系統(tǒng)對照圖

5 結(jié)論

本文研發(fā)一套基于GPS授時的低能見度氣象條件下高速公路主動發(fā)光誘導與自動防撞預(yù)警系統(tǒng)。通過GPS授時模塊來校正智能誘導單元中微處理器的時鐘，使所有智能誘導單元的時間準確同步，從而實現(xiàn)系統(tǒng)中所有的誘導燈同步閃爍。上位機軟件平臺可較為方便地進行遠程設(shè)備監(jiān)控，既能夠按一定規(guī)則實時控制輪廓指示標，又能夠設(shè)置控制策略和控制參數(shù)進行定制化控制。選擇團霧多發(fā)路段進行實地安裝，取得了很好的應(yīng)用效果，有效降低了事故發(fā)生率，全力保障駕乘人員的生命和財產(chǎn)安全，同時可為惡劣天氣環(huán)境下智慧高速大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐與服務(wù)。

[1] 衛(wèi)明,李愛民,吳兌.高速公路霧區(qū)預(yù)測預(yù)報與監(jiān)控系統(tǒng)[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2] 張志勇.高速公路霧區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計初探[J].山西交通科技,2007,22(1):65-66.

[3] 劉志宏．高速公路霧區(qū)通行智能解決方案[J].交通工程,2006,22(11):64-66.

[4] 王文瑜．基于北斗衛(wèi)星的授時系統(tǒng)研制[D].北京:北京郵電大學,2008.

[5] 周立功.ARM 微控制器基礎(chǔ)與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社，2005.

[6] 李海新,馮雯,馮永寬.龍巖漳龍高速公路霧區(qū)誘導系統(tǒng)遠距離供電設(shè)計[J].中國交通信息化,2011(5)：127-128.

Highway active light guidance and anti-collision warning system based on GPS

Yang Ying，Jia Lei

(Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan 030006，China)

Bad weather and fog haze bring a lot of hidden trouble to the safe operation of highway.Therefore，this article developed a set of highway active guiding and collision warning system in low-visibility conditions based on GPS timing，which can realize intelligent vehicle guidance，road shows，distance alarm，dynamic wake tracking，etc.In this paper，the hardware of the intelligent guiding unit，software control platform and control strategy were designed in detail.And the control flow chart and software interface were also given.The system has been installed in fog prone sections，and has reduced the incidence of the accident effectively.

GPS timing; low visibility; active guidance; collision warning

TP273+.5

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.21.009

楊瑩，賈磊.基于GPS的高速公路主動發(fā)光誘導與自動防撞預(yù)警系統(tǒng)J.微型機與應(yīng)用，2017,36(21)：29-31.

山西省交通廳科技項目(2017-1-9)

2017-04-01)

楊瑩(1988-)，通信作者，女，碩士，助理工程師，主要研究方向：交通領(lǐng)域機電產(chǎn)品研發(fā)、軟件系統(tǒng)開發(fā)。E-mail：yangying880418@163.com。

賈磊(1986-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：交通領(lǐng)域機電產(chǎn)品研發(fā)、軟件系統(tǒng)開發(fā)。