高速公路汽車連環相撞事故預警系統的設計與實現

梁子龍，徐 偉，謝 芬，劉守印

（華中師范大學 湖北 武漢 430079）

隨著經濟的發展，我國汽車數量和高速公路里程數逐年增加。高速公路汽車行駛速度速度快、流量大的特點，在給人們帶來便利的同時，也因其事故頻率高、波及范圍廣，給人們生命財產造成巨大的安全隱患。

據統計截至2011年底，全國的機動車保有量為2.25億輛，其中汽車1.06億輛。2011年我國新增公路通車里程7.14萬km，其中新增高速公路1.10萬km，截至2011年底，我國高速公路總里程達8.5萬km。在汽車和公路數量不斷增加的同時，高速公路汽車連環相撞事故也頻頻發生，例如2011年7月11日，京港澳（京珠）高速公路北行樂昌梅花段發生6車連環追尾交通事故，造成4人死亡、26人受傷。

在諸多交通事故中，高速公路汽車連環相撞事故以其發生頻率高、波及車輛多、造成傷害大而顯得尤為突出。因此，為了進一步減少此類事故的發生，最大限度地保護人民生命財產不受損失，以新的思路提出基于傳感器的事故檢測、短距離無線通信與GPRS通信聯合預警的設計和實現方案。

1 方案介紹

目前已有的車輛安全預警系統大多基于測距技術。通過紅外線、超聲波、激光雷達和毫米波雷達等技術可以實現車輛間距離的測量和保持，當車距小于一定閾值時，發出預警信號，或者在自動巡航駕駛系統中，用于車距的保持[1]。另一些新型的基于多車自組網絡的蟻群式車輛預警方案，則是通過單車GPS數據獲取及多車之間數據交互來實現車輛距離的測量和保持[2]。基于雷達測距的的系統一般成本較高，且易受天氣等環境因素影響；而基于GPS數據交互測距的系統通常數據通信量大，網絡不穩定，測距可靠性低。針對這些問題及為了進一步減少汽車連環相撞的發生，本文提出了一種新的方案，即先利用傳感器進行事故檢測，然后在一定區域內實現事故實時播報預警，同時利用GPS[3－9]和GPRS通信方式實現事故定位，以達到事故被及時處理的目的。

汽車連環相撞事故發生的一個主要原因就是駕駛員對事故信息的缺乏，反應時間不足。當前方發生了事故，行駛在后方的車輛不能及時獲取該事故信息，從而不能及時采取措施，而導致連環事故的發生。為了減少這種連環相撞事故的發生，本方案采用了下述機制：

如圖1所示，當車輛A在行駛中突然發生事故時，車載預警系統能夠通過傳感器及時檢測出發生的事故，并使用短距離無線通信和GPRS兩種方式實施報警。首先車輛A通過短距離無線通信的方式向周圍車輛發出報警信號，行駛在A車后方的車輛B收到該報警信號后，就可以及時采取措施，避免與A車發生碰撞，同時B車根據收到信息跳數級別來確定是否將自己作為中繼，轉發該報警信號。這樣通過中繼轉發可以實現更大區域內的事故預警，從而避免連環相撞事故的發生。當車輛A向周圍車輛發出預警信號時，它同時會通過GPS和GPRS向公路管理中心發出事故定位、時間等信息，使事故能夠得到及時處理，交通得到疏散。

圖1 系統功能演示圖Fig.1 Diagram of system function demo

2 系統硬件原理設計

本系統采用單片CC2530芯片作為主控制器，它由一個增強型8051核與一個2.4G頻段的射頻核構成。該增強型8051核與標準的8051核相比速度更快（前者每個指令周期是一個時鐘，而后者為12個時鐘），數據指針和中斷源也相對增多。而2.4G頻段的射頻核具有16個可選的頻率通道，默認采用IEEE802.15.4中規定的調制格式和幀格式，同時它可以進行具備硬件支持的空閑信道評估、幀過濾、幀校驗、CSMA/CA處理等操作。它的最遠通信距離可以達到100 m左右，加上功放芯片CC2591可以達到1 000 m左右。因此通過中繼轉發的方式，利用該芯片可以實現幾公里范圍內的無線信號預警。

系統的事故檢測部分由一個三維加速度傳感器和一個陀螺儀來完成。加速度傳感器LIS3LV02DQ和陀螺儀ITG-3200可以準確測量汽車行駛狀態，及時檢測車輛側翻、碰撞、追尾等事故的發生。這些傳感器通過IIC總線與主控芯片通信。GPS模塊CT-3631采用SIRF star III高性能GPS芯片組，追蹤靈敏度達到-159 dBm，它具有20條信道，定位精度達到10 m（2D RMS），當使用WWAS時精度可達到3m（2D RMS）。它能夠為系統提供車輛的位置、速度、方向以及事故日期、時間等信息。GSM模塊使用華為的EM310來實現，利用標準的AT指令就能夠將GPS數據及報警信息通過GPRS的通信方式發送到公路管理中心，實現事故的報告及交通的及時舒緩。

系統的整體硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖Fig.2 Block diagram of system hardware

3 系統軟件流程設計

系統事故檢測是由加速度傳感器和陀螺儀來完成的。將加速度傳感器和陀螺儀所采集的數據經過校準及滑動窗口濾波后，與車輛行駛狀態門限值相比較，來判斷車輛所處的狀態。系統經過車輛狀態的測量，可判斷正碰，側碰，側翻等事故。如果發生事故，則通過近距離無線通信立即發送報警信號，實現對其他車輛的預警，同時本車通過LED、蜂鳴器等進行聲光報警及GPRS報警。當車輛收到其他車輛發送來的報警信號時，立即會發出聲光報警，同時根據接收信息中的轉發跳數來決定是否作為中繼，繼續轉發該報警信號。對于重復收到已經接收過的轉發報警信息，系統將予以過濾，不做處理。由于信道共享，當報警信號轉發過程中可能發生信道沖突，程序中采用了CSMA/CA機制，用來進行沖突避免。

系統的簡化軟件流程圖如圖3所示。

圖3 系統程序流程圖Fig.3 Flow chart of system software

4 設計實現與測試

圖4為系統原型設計的實物圖，經過軟硬件調試及實際測試，系統能夠實現車輛事故的檢測、對周圍車輛的預警及向公路管理部門的報告事故信息等功能。

圖4 系統設計實物圖Fig.4 Implementation diagram of system design

由于不同類型的車輛因車輛重量、動力性能、操控性能等因素的不同，事故門限值參數也不盡相同。在限定的實驗條件下，筆者采用了最高時速在10 km/h、重量為4 kg的模型車對事故門限進行了相應的測試，并確定軟件程序中事故檢測的門限值，目前系統可以準確檢測出小車正碰、側碰、側翻和急速轉彎等危險情況。當然對于實際的生產和應用，事故門限值的測試還有待進一步完善。

系統的反應時間是衡量一個預警系統有效性的重要參量，對于本系統的反應時間，根據具體程序執行過程估算，忽略電磁波傳輸時間，得到最大系統反應時間為5 ms左右，即從前方汽車狀態超過事故門限值起，到后面車輛收到該報警信號并發出聲光報警的時間。一般車輛追尾碰撞時間約為0.2 s左右，相比系統反應時間有很大的余量，因此系統可以實現事故的實時預警，為駕駛員提供盡可能多的反應時間。

對于短距離無線通信預警，由于信道共享，當兩輛汽車同時轉發報警信息時，就會發生信道沖突，因此系統引入了CSMA/CA（載波偵聽多路訪問/沖突避免）機制。對于該機制的測試過程如下：準備一個事故源節點、一個驗證節點、三至四個中繼節點。將所有中繼節點放在源節點和驗證節點的中間同一位置，這樣當源節點發送報警信息時，中繼節點會幾乎同時收到該報警信息并同時轉發該信息，在將驗證節點接收到的數據通過串口傳到上位機，可以看到事故源節點地址及此跳的中繼節點地址。由于CSMA/CA機制的實現，在驗證節點每次都可以正常接收到經過中繼節點轉發的源節點的報警信息。

另外，經過測試，GPS定位及GSM通信報警均也可以正常實現，測定GPS定位精度在10 m以內（參考谷歌地球坐標），GSM的報警內容包括事故的經度、緯度、時間、日期及事故類型等。

5 結束語

系統主要分為兩個方面：事故檢測部分和事故預警部分。攜帶本系統的車輛，在行駛中發生了追尾或側翻等事故時，系統能夠及時檢測出車輛事故，通過短距離無線通信和GPRS通信兩種方式發出報警信號。一方面使行駛在其后方的車輛及時收到報警信息，采取相應措施，避免連環相撞事故的發生；另一方面通知交通管理部門，及時處理事故，疏散交通。本系統是一種新型多車聯合事故預警方案，融合了傳感技術、短距離無線通信、GPS技術、GPRS通信等，針對高速公路連環相撞事故有很好的預防效果，其功能滿足實際需求，具備可觀的市場前景，對于其應用和推廣可以進一步加強。

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