基于北斗的智能路標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計與模擬實現(xiàn)

陳明發(fā),鄧健,朱棪,阮華敏,郎晗笑

(廈門理工學(xué)院 計算機與信息工程學(xué)院,福建 廈門 361024)

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基于北斗的智能路標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計與模擬實現(xiàn)

陳明發(fā),鄧健,朱棪,阮華敏,郎晗笑

(廈門理工學(xué)院 計算機與信息工程學(xué)院,福建 廈門 361024)

針對當(dāng)前大城市中心道路的交通擁堵問題,基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)提供的車輛位置信息,設(shè)計并模擬實現(xiàn)了基于北斗的智能路標(biāo)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用車輛中北斗定位終端提供的位置信息與道路參數(shù)作為變量,基于車道占有率建立了道路的實時路況模型,并通過路標(biāo)的LED燈光顏色變換引導(dǎo)車流,最后,基于PC端與單片機的串口通信模擬了系統(tǒng)的運行流程。系統(tǒng)有效實施具有一定的實用價值。

交通擁堵;智能路標(biāo);北斗系統(tǒng);單片機

0 引 言

進入21世紀(jì),中國城鎮(zhèn)化、機動化進程不斷加快。截止至2015年,全國31個城市的汽車數(shù)量超過100萬輛,部分特大城市超過500萬輛。在這一大背景下,城市交通擁堵問題開始成為困擾中國大城市的普遍難題[1]。交通擁堵首先出現(xiàn)在北京、上海、廣州等特大城市,并在短短幾年間迅速蔓延至包括廈門在內(nèi)的百萬級人口城市,甚至一些中小城市也出現(xiàn)了嚴(yán)重的交通擁堵問題,且愈演愈烈。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou(COMPASS) Navigation Satellite System)是我國自行研究的,具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),利用智能路標(biāo)指示前方道路擁堵情況引導(dǎo)車輛改變行駛方向,進而疏導(dǎo)城市中心道路交通車流量,從而緩解城市交通擁堵問題。與傳統(tǒng)方式相比,該系統(tǒng)能夠在駕駛員不使用任何輔助工具的情況下幫助其以最大的交通舒適度到達目的地,更加直觀、便捷;此外,該系統(tǒng)也在一定程度上緩解了由道路建造布局不合理帶來的城市擁堵問題與部分道路利用率較低之間的矛盾,對政府交管部門解決城市交通問題具有參考價值。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)主要分為車載北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、控制中心服務(wù)器與智能路標(biāo)端三部分,如圖1所示,系統(tǒng)工作流程如下:

1) 車輛利用內(nèi)置北斗導(dǎo)航定位模塊進行實時定位;

2) 北斗模塊將車輛位置信息實時通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至控制中心服務(wù)器;

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計圖

3) 控制中心服務(wù)器上事先已儲存城市各道路的車道數(shù)與長度數(shù)據(jù),當(dāng)服務(wù)器接收到某一道路內(nèi)各車輛的位置信息時,將其與道路信息匹配后進行地圖顯示;

同時,服務(wù)器根據(jù)車輛位置信息計算當(dāng)前車道的實時車輛數(shù),分析路況信息,得出該道路上智能路標(biāo)端的LED燈顏色變換指令(與前方交叉路口個數(shù)相同),并將指令發(fā)送至該智能路標(biāo);

智能路標(biāo)上的單片機模塊執(zhí)行該指令,進行LED燈的顏色變換,引導(dǎo)車輛的行駛方向。

2 實時路況分析模型

道路擁堵是指實時交通量超過某條道路的交通容量時,超過部分滯留在道路上的交通現(xiàn)象。數(shù)據(jù)顯示,城市中心道路以小轎車居多,約占90%,故該算法以小轎車為參照標(biāo)準(zhǔn)對城市道路的擁堵情況進行判定。

采用車道占有率(即某條道路實時交通量與該道路車輛最大容納數(shù)之比)判定道路擁堵狀況。小轎車車身長度為3.6～4.4 m,寬度約為2.5 m.考慮到兩車間距的問題,設(shè)定車身平均長度I為5 m.由于道路的車道數(shù)不同,且同一車道僅限一輛車通行,故使用參數(shù)C作為車道系數(shù),單車道時C=1,雙車道C=2,以此類推。通過北斗系統(tǒng)獲取某條道路的實時交通量N,并根據(jù)道路長度L與N的關(guān)系,可得出道路占有率η:

η=N/(L×C/I)×100%，

(1)

將道路交通占有率分為三個等級(顏色),綠色表示通暢,藍色表示緩行,紅色表示擁堵,如表1所示。將計算得出的車道占有率η與表中各等級對應(yīng)指數(shù)進行比較,得到道路交通情況,從而改變路標(biāo)的LED燈為相應(yīng)顏色。

表1 車道占有率分級區(qū)間

3 基于C語言與串口通信的系統(tǒng)模擬實現(xiàn)

本系統(tǒng)結(jié)合車輛位置信息,對現(xiàn)有的路標(biāo)進行了智能化改造。通過安裝在距道路交叉路口50 m左右區(qū)域的路標(biāo),實時顯示前方各方向道路的信息與擁堵情況,引導(dǎo)車輛的行駛方向。基于北斗導(dǎo)航定位模塊結(jié)合亞米級車道定位終端實時獲取車輛位置信息,確保車輛位置的準(zhǔn)確性。

由于路車流量信息獲取難度較大等現(xiàn)實因素,本文對系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)境進行了模擬。該系統(tǒng)實現(xiàn)了PC端窗體程序與單片機模塊的串口通信,模擬道路車輛分布與智能路標(biāo)的燈光顏色變換。系統(tǒng)整體環(huán)境模擬如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)環(huán)境模擬圖

3.1 車載北斗導(dǎo)航定位終端

北斗定位模塊是本系統(tǒng)的核心組成部分,也是車載北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的中心。隨著導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展,車輛的定位精度已達到亞米級,可完全滿足車道定位的需求。市面現(xiàn)有的定位終端多已采用亞米級車道定位終端。亞米級車道定位終端具有體積小、重量輕、定位精度高等優(yōu)點,非常適用于轎車等小型車輛的定位。此外,基于CORS、RFID等技術(shù)與車道亞米級定位的需求相結(jié)合也保證了車載北斗導(dǎo)航定位終端的系統(tǒng)安全性與可實施性[2-4]。

3.2 控制中心道路交通情況模擬

系統(tǒng)使用C++語言編寫窗體程序,模擬控制中心發(fā)送道路信息與車流量數(shù)據(jù)。如圖3所示,當(dāng)車輛行駛至道路交叉路口前方50 m附近的智能路標(biāo)時,路標(biāo)通過嵌入的LED燈顏色變換實時顯示前方交叉道路的交通狀況。基于道路交通的實際情況,設(shè)置道路長度、道路數(shù)、實時交通量三個輸入變量與道路情況一個輸出變量,如圖4所示。

模擬輸入道路的長度、道路數(shù)與實時交通量,軟件根據(jù)實時路況分析模型判定當(dāng)前道路的交通情況并顯示,同時將三個方向的LED燈顏色變換指令發(fā)送至單片機,進行下一步操作。此外,為了更好地測試單片機的指令處理能力,系統(tǒng)設(shè)置了生成隨機數(shù)的方式定時自動循環(huán)發(fā)送,模擬車流量分布。控制中心模擬流程如圖5所示。

圖3 交通情況模擬圖

圖4 模擬參數(shù)設(shè)置圖

圖5 控制中心模擬流程圖

3.3 基于單片機的智能路標(biāo)顏色變換模擬

智能路標(biāo)端基于單片機模塊,通過對RGB燈的指令控制實現(xiàn)了路標(biāo)的顏色變換。該模塊采用STC90C516RD+作為單片機的核心芯片,用于模擬路牌顏色控制變換。

STC90C516RD+系列的單片機電路模塊由四部分組成，系統(tǒng)模塊,包括微控制器、復(fù)位電路、晶振電路,是STC90C516單片機系統(tǒng)的控制核心;電源模塊,由電源變壓器、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路構(gòu)成;輸入模塊,包括串口接口、電源開關(guān)、復(fù)位開關(guān)等;輸出模塊，由10個引腳輸出端、面包板電路和3個四腳共陽RGB-LED燈構(gòu)成。令3個RGB-LED燈的正極共接1個引腳,9個引腳連接其負(fù)極,從而控制串口電流的方向,改變燈光顏色，如圖6所示。

圖6 單片機整體模塊圖

在單片機與PC端的串口通信中:首先,PC端初始化創(chuàng)建窗體界面,模擬道路交通信息并把指令通過串口發(fā)送給單片機;其次,單片機初始化串口數(shù)據(jù),打開中斷函數(shù),令REN=1,SBUF開始接收指令(REN=0則不接收指令);最后根據(jù)得到的指令判斷執(zhí)行何種燈光變換操作。工作流程如圖7所示。

圖7 串口通信工作流程圖

此外,系統(tǒng)控制中心服務(wù)器每隔一定比特時間接收來自各車輛內(nèi)置的北斗模塊發(fā)出的位置信息,并利用實時路況分析模型進行道路擁堵狀況判定,將得到的顏色變換指令發(fā)送至智能路標(biāo)端,路標(biāo)端根據(jù)收到的指令完成顏色變換,從而完成一次系統(tǒng)運行的循環(huán)。智能路標(biāo)端的顏色變換如圖8所示。

圖8 智能路標(biāo)顏色變換圖(左:通暢; 中:擁堵;右:擁堵)

4 結(jié)束語

隨著科技的發(fā)展,車載導(dǎo)航的市場不斷擴大,越來越多的車輛內(nèi)置或自主安裝了車載導(dǎo)航儀,借助衛(wèi)星定位系統(tǒng)完成監(jiān)控的成本越來越低。本系統(tǒng)與傳統(tǒng)路標(biāo)相比,提出了基于智能路標(biāo)引導(dǎo)車輛行駛方向的方案。該方案利用車載北斗終端對道路的交通量進行實時監(jiān)測與判定,通過路標(biāo)內(nèi)置LED燈光顏色的實時變換顯示前方道路情況,引導(dǎo)車輛的行駛方向,達到了疏導(dǎo)車流、合理利用道路,緩解城市交通壓力的目的。隨著中國城市化進程的不斷加快,城市交通壓力日益增大,智能路標(biāo)系統(tǒng)僅對現(xiàn)有的路標(biāo)功能進行了豐富與完善,實現(xiàn)路標(biāo)的智能化,并未大范圍改變城市道路格局,在大型城市或中型城市的CBD周邊道路實用性較高。隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展,該系統(tǒng)可提高城市的道路利用率,緩解交通壓力,符合國家推進創(chuàng)新性城市建設(shè)的需要,具有廣泛的應(yīng)用前景[5]。

[1] 楊元喜.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進展、貢獻與挑戰(zhàn)[J].測繪學(xué)報,2010(1):1-6.

[2] 程飛翔,陳金鷹.基于北斗導(dǎo)航的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[J].信息通信,2014,133(1):37-38.

[3] 趙泰洋,郭成安,金明錄.一種基于RFID原理的交通信息獲取系統(tǒng)與車輛定位方法[J].電子與信息學(xué)報,2011(11):2612-2617.

[4] 王開峰,王建宇,汪登輝.基于CORS的車道級導(dǎo)航終端精度測試[C]//南京:江蘇省測繪地理信息學(xué)會,2014:12-14.

[5] 竇長江.北斗導(dǎo)航衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化研究[J].全球定位系統(tǒng),2006，31(5):46-48.

Design and Simulation of the Intelligent Road Sign System Based on BDS

CHEN Mingfa,DENG Jian,ZHU Yan,RUAN Huamin,LANG Hanxiao

(CollegeofComputerandInformationEngineering,XiamenUniversityofTechnology,Xiamen361024,China)

Based on the vehicle location information provided by the BeiDou Navigation Satellite System, the intelligent road marking system based on the BDS is designed and simulated to solve the traffic congestion in the central city road. The system uses the position information and road parameters provided by the BeiDou positioning terminal in the vehicle as variables, establishes a real-time traffic model of the road based on the lane occupancy, and guides the traffic flow through the LED color change of the signpost. Finally, based on PC and the serial communication of singlechip simulates the running flow of the system. The effective implementation of the system has a certain practical value.

Traffic congestion; intelligent road signs; BeiDou Satellite Navigation System; singlechip

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.013

2016-08-29

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(編號:201611062015)； 校高層次人才項目(編號:YKJ15036R)

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0059-04

陳明發(fā) (1995-),男,本科生,研究方向為GIS與3S集成應(yīng)用。

鄧健 (1981-),男,博士,副教授,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用研究。

朱棪 (1994-),男,本科生,研究方向為Android軟件開發(fā)設(shè)計與應(yīng)用。

聯(lián)系人: 陳明發(fā)E-mail:290066175@qq.com