基于GPS的高速公路主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)與自動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)*

楊 瑩，賈 磊

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

基于GPS的高速公路主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)與自動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)*

楊 瑩，賈 磊

(山西省交通科學(xué)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(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)極大隱患。因此，研發(fā)一套基于GPS授時(shí)的低能見(jiàn)度氣象條件下高速公路主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)與自動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)車輛智能引導(dǎo)、路形顯示、車距警示、動(dòng)態(tài)尾跡跟蹤等功能。詳細(xì)設(shè)計(jì)了智能誘導(dǎo)單元的硬件部分、上位機(jī)軟件控制平臺(tái)及控制策略，并給出了其控制流程圖及軟件界面圖。選擇團(tuán)霧多發(fā)路段進(jìn)行實(shí)地安裝，應(yīng)用效果明顯，有效降低了事故發(fā)生率。

GPS授時(shí)；低能見(jiàn)度；主動(dòng)誘導(dǎo)；防撞預(yù)警

0 引言

我國(guó)高速公路事業(yè)快速發(fā)展，給社會(huì)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)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(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)極大隱患，據(jù)交通管理部門統(tǒng)計(jì)，我國(guó)道路交通事故中因能見(jiàn)度低導(dǎo)致的交通事故每年都接近10%。目前針對(duì)低能見(jiàn)度氣候現(xiàn)象，一般采取交通管制來(lái)保障行車安全，但交通管制對(duì)各路段造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響難以估算，另外在交通管制前已經(jīng)進(jìn)入高速公路的車輛仍面臨著行車安全隱患，團(tuán)霧等惡劣天氣發(fā)生的隨機(jī)性更是讓交管部門束手無(wú)策[1-3]。

本文介紹一種低能見(jiàn)度高速公路主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)及防撞預(yù)警系統(tǒng)，旨在通過(guò)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(lái)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(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)為惡劣天氣環(huán)境下智慧高速大數(shù)據(jù)平臺(tái)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(shí)的低能見(jiàn)度氣象條件下高速公路主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)與自動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高速公路關(guān)鍵路段能見(jiàn)度(如事故多發(fā)路段、隧道出入口、高速收費(fèi)站口、橋梁、匝道入口等)、車速、交通流等信息，并通過(guò)一定的控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)通行車輛智能引導(dǎo)、路形顯示、盲點(diǎn)黑點(diǎn)提示、車距警示、動(dòng)態(tài)尾跡跟蹤等功能。系統(tǒng)由氣象傳感模塊、智能誘導(dǎo)模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理器、遠(yuǎn)程控制上位機(jī)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(cè)能見(jiàn)度、氣象(雨、雪等)等信息為整個(gè)系統(tǒng)提供控制依據(jù)；智能誘導(dǎo)單元由微處理器、車輛檢測(cè)器、LED誘導(dǎo)燈驅(qū)動(dòng)模塊、433 MHz遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸模塊、GPS授時(shí)模塊及雙電源供電模塊組成，可實(shí)現(xiàn)車輛檢測(cè)、LED燈控制、GPS授時(shí)、無(wú)線傳輸?shù)裙δ埽蛊渚邆渲悄苡布A(chǔ)，通過(guò)自適應(yīng)無(wú)線組網(wǎng)接收主控模塊控制命令進(jìn)行主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)和自動(dòng)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(guò)與遠(yuǎn)程上位機(jī)軟件、智能誘導(dǎo)單元、氣象傳感模塊等進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，確保各項(xiàng)控制指令可正確下達(dá)到智能控制單元，同時(shí)智能控制單元的狀態(tài)可實(shí)時(shí)回傳給上位機(jī)軟件平臺(tái)；遠(yuǎn)程控制上位機(jī)軟件為滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控使用，既能夠?qū)崟r(shí)按一定規(guī)則控制輪廓指示標(biāo)，又能夠設(shè)置控制策略和控制參數(shù)，實(shí)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(shí)傳達(dá)預(yù)警信息便于司機(jī)提前做好應(yīng)急準(zhǔn)備。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 智能誘導(dǎo)單元硬件設(shè)計(jì)

智能誘導(dǎo)單元由微處理器、車輛檢測(cè)器、LED誘導(dǎo)燈驅(qū)動(dòng)模塊、433 MHz遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸模塊、GPS授時(shí)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(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU，并嵌入128/256 KB的高速FLASH存儲(chǔ)器，128 bit寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行，完全滿足業(yè)務(wù)需求。車輛檢測(cè)器采用地磁車檢器，用來(lái)檢測(cè)是否有車輛通過(guò)，是否需要觸發(fā)智能誘導(dǎo)單元工作。LED誘導(dǎo)燈驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)LED燈特性采用恒流驅(qū)動(dòng)電路，由于采用雙電源供電，采用可以AC/DC輸入、無(wú)電解電容的驅(qū)動(dòng)電路。433 MHz遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸模塊，通過(guò)無(wú)線自組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)智能誘導(dǎo)單元相互間的數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)線數(shù)據(jù)鏈單節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑為120 m。GPS授時(shí)模塊接受北斗一號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)出的時(shí)鐘脈沖信號(hào)來(lái)校正智能誘導(dǎo)單元中微處理器的時(shí)鐘，使所有智能誘導(dǎo)單元的時(shí)間準(zhǔn)確同步，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中所有的誘導(dǎo)燈同步閃爍。雙電源供電模塊為智能誘導(dǎo)單元提供多種供電選擇，既可以通過(guò)利用光能實(shí)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(guò)接入市電滿足智能誘導(dǎo)單元的供電需求[4-6]。

智能誘導(dǎo)單元的控制流程圖如圖2所示，能見(jiàn)度采集儀采集的能見(jiàn)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(guò)與上位機(jī)軟件平臺(tái)交互確定控制策略，控制策略通過(guò)433 MHz遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸模塊下發(fā)到每個(gè)智能誘導(dǎo)單元的微處理器中。當(dāng)車輛檢測(cè)器檢測(cè)到有車輛通過(guò)時(shí)，微處理器執(zhí)行控制策略驅(qū)動(dòng)LED誘導(dǎo)燈發(fā)出誘導(dǎo)信號(hào)。GPS授時(shí)模塊校正微處理器的時(shí)鐘，雙電源供電模塊為整個(gè)智能誘導(dǎo)單元供電。

3 軟件平臺(tái)及控制策略設(shè)計(jì)

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

(1)手動(dòng)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(dǎo)模式、預(yù)警模式、霧霾模式、事故模式、道路輪廓強(qiáng)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(zhǎng)度，開(kāi)啟或關(guān)閉車檢器等。

圖2 智能誘導(dǎo)單元控制流程圖

圖3 軟件平臺(tái)界面

預(yù)置模式時(shí)各個(gè)模式的控制策略為：

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

②預(yù)警模式：適用于霧/雨/雪天氣、能見(jiàn)度不高的環(huán)境，其誘導(dǎo)燈(黃燈)按60次/min同步閃爍提供行車主動(dòng)誘導(dǎo)，當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)后，其后面3組(默認(rèn))預(yù)警燈(紅燈)亮起，給后面車輛提供前方有車信號(hào)，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(jiàn)度低的環(huán)境，其誘導(dǎo)燈(黃燈)按120次/min最高亮度透霧同步閃爍提供行車主動(dòng)誘導(dǎo)，當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)后，其后面3組(默認(rèn))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(hào)，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(guò)往車輛減速，減少二次事故發(fā)生。

⑤道路輪廓強(qiáng)化模式：適用于天氣晴朗、能見(jiàn)度高的夜間，其誘導(dǎo)燈(黃燈)常亮，強(qiáng)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(jiàn)度高的白天，此時(shí)誘導(dǎo)燈(黃燈)、預(yù)警燈(紅燈)均關(guān)閉。

(2)自動(dòng)模式的界面如圖4所示，能見(jiàn)度和當(dāng)前工作狀態(tài)每?jī)煞昼姼乱淮危部梢允謩?dòng)點(diǎn)擊按鈕來(lái)獲取。能見(jiàn)度只有在數(shù)據(jù)預(yù)處理控制器連接到能見(jiàn)度儀的情況下獲取的數(shù)據(jù)才正確，如果沒(méi)有連接能見(jiàn)度儀，獲取的能見(jiàn)度值為無(wú)效值。

圖4 自動(dòng)模式軟件界面

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

實(shí)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(duì)行車安全極為不利，根據(jù)實(shí)際需要安裝了一套低能見(jiàn)度氣象條件下高速公路主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)與自動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提供霧、雨、夜、雪等低能見(jiàn)度環(huán)境氣象信息及車速、交通流等信息，自動(dòng)或手動(dòng)控制道路兩旁多功能輪廓指示標(biāo)進(jìn)行智能引導(dǎo)，上位機(jī)軟件平臺(tái)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(jī)的平安出行提供了保障，安裝前后的效果對(duì)照?qǐng)D如圖5所示。

圖5 實(shí)施前后系統(tǒng)對(duì)照?qǐng)D

5 結(jié)論

本文研發(fā)一套基于GPS授時(shí)的低能見(jiàn)度氣象條件下高速公路主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)與自動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)。通過(guò)GPS授時(shí)模塊來(lái)校正智能誘導(dǎo)單元中微處理器的時(shí)鐘，使所有智能誘導(dǎo)單元的時(shí)間準(zhǔn)確同步，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中所有的誘導(dǎo)燈同步閃爍。上位機(jī)軟件平臺(tái)可較為方便地進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控，既能夠按一定規(guī)則實(shí)時(shí)控制輪廓指示標(biāo)，又能夠設(shè)置控制策略和控制參數(shù)進(jìn)行定制化控制。選擇團(tuán)霧多發(fā)路段進(jìn)行實(shí)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(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)可為惡劣天氣環(huán)境下智慧高速大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐與服務(wù)。

[1] 衛(wèi)明,李愛(ài)民,吳兌.高速公路霧區(qū)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)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(jì)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(shí)系統(tǒng)研制[D].北京:北京郵電大學(xué),2008.

[5] 周立功.ARM 微控制器基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)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(dǎo)系統(tǒng)遠(yuǎn)距離供電設(shè)計(jì)[J].中國(guó)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(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)與自動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)J.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(21)：29-31.

山西省交通廳科技項(xiàng)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(jī)電產(chǎn)品研發(fā)、軟件系統(tǒng)開(kāi)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(jī)電產(chǎn)品研發(fā)、軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。