基于ZigBee的高速公路霧區主動誘導系統研究

趙宏偉

（山西省交通科學研究院 山西省公路智能監測工程技術研究中心，山西 太原 030006）

0 引言

濃霧對高速公路行車安全構成的危害給人們生命財產和社會經濟帶來重大損失。目前我國對濃霧天氣采取的預防措施較為被動，主要是限制進入高速公路的車輛通行，以增加車輛之間的距離，減少事故的發生。這種方法的缺點是不能全線控制車輛，無法顯示前方車輛的距離，只能依靠司機來估計距離前方車輛的距離。雖然在入口處拉大車距，但隨著時間的推移，由于各車車速不一致，極易造成車輛追尾事故發生。另外，在能見度低于50 m時，采取封道的措施，將導致車輛改道，增加國省道路壓力，導致地方道路擁堵[1]。

同時，由于高速公路的通行能力大大降低，使得建設成本較高的高速公路無法達到預期效益。與此同時，收費廣場和路邊停放的大量車輛，不僅給收費站和道路的安全管理帶來巨大壓力，而且也會帶來一定的社會負面影響。

根據調查，我國的相關科研院所一直在研究公路霧區的交通誘導和監測預警的研究。目前的解決方案是在道路兩側每隔一定距離設置帶有黃色LED誘導燈的被動式誘導裝置。車輛駛入霧區以后，雖然可以有效地提示司機進入霧區，提醒司機提高警惕，但是由于濃霧影響造成的低能見度，使得司機無法估計前方車輛的距離，盲目跟進很容易造成車輛追尾事故發生。

霧區主動誘導系統采用分布式控制技術對交通和道路氣象環境進行監控，以入侵探測技術為基礎自動識別駛入霧區檢測范圍的車輛，實現低能見度環境下的道路智能引導、動態尾跡跟蹤預警等功能，可以降低交通事故的發生率。

1 系統組成

高速公路霧區主動誘導系統是由多種監控設備、技術和控制軟件構成。一般采取動態節點探測器對駛入霧區的車輛作為移動物體進行連續檢測，控制道路兩側輪廓指示標，對處于霧區行駛的車輛實行誘導，從而保障在不封道的情況下車輛正常行駛。

高速公路霧區主動誘導系統分為氣象環境檢測子系統、視頻監控子系統、車輛檢測子系統、控制中心子系統、信息發布5套子系統和1套綜合監控軟件。高速公路霧區主動發光誘導系統示意如圖1所示。

圖1 高速公路霧區主動誘導系統

其中，氣象環境監測系統能夠精確、及時地監測道路環境狀況，實現對大霧的實時監測與預報。視頻監控系統為管理員提供現場車輛行駛情況和霧區道路交通狀況的實時圖像信息，對發生異常狀況的區域實施視頻監控，并且能夠與車輛檢測系統相結合。控制中心根據接收到的監測數據選擇合適的控制策略，選擇不同的管理方案，開啟現場引導系統，并通過一些多功能輪廓指示標發布動態預警信息給司機，提供本車或前方車輛的通行信息，提醒司機減速慢行，進而有效避免霧區追尾事故。

2 基于ZigBee的霧區主動發光誘導系統

2.1 ZigBee無線網絡

ZigBee技術是一種短距離、低功耗、低成本的無線通訊技術。每一個ZigBee網絡節點可在自己信號覆蓋的范圍內，和多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立子節點無線連接。每個ZigBee網絡節點可以支持最多31個傳感器和受控設備，每個傳感器和受控設備可以有8種不同的接口方式，可以采集和傳輸數字量和模擬量。整個ZigBee網絡不僅可以“無限”擴展開來，而且還可以與現有的其他各種網絡連接[2]。因此ZigBee技術是未來近距離通信技術的發展方向。

2.2 基于ZigBee的主動發光誘導系統總體結構設計

本系統采用靜態樹狀組網結構，在道路兩側均勻鋪設振動傳感器、磁傳感器等作為樹狀網絡的終端葉子節點，路由節點接受葉子節點入網和通過傳感器采集監測到的車輛信息，然后將監測到的信息通過無線信號實時發送到臨近的路由器節點，并通過路由器節點轉發到無線網絡的中心節點協調器上。協調器為全功能網絡節點，具備協調器的能力，主要作用是組建一個網絡、接受路由節點和葉子節點入網[3]，接收路由節點和葉子節點發送來的數據并處理數據。網絡協調器將收集到的信息通過打包處理，采用GPRS網絡遠程傳輸到控制中心的信號處理主機，最終完成整個系統的信息采集。組網方式如圖2所示。

2.3 車輛檢測系統設計

車輛檢測子系統是整個網絡化的主動誘導系統的核心，承擔數據采集的主要工作。工作過程如下：終端節點采集檢測范圍內的地球磁場擾動信號，并實時處理，得到車輛信息。然后將車輛的狀態、時間值等信息通過無線通訊的方式發送給信號處理主機。信號處理主機實時計算接收到的終端節點發送來的車輛信息后，將這些信息結合控制中心發來的控制策略，為整個系統調整相應的控制策略提供依據。信號傳輸流程如圖3所示。

圖2 系統的靜態組網方式

圖3 車輛檢測系統信號傳輸流程示意圖

車輛的鐵物質會導致磁傳感器的磁場變化，傳感器內的磁場變化經過模數轉換最終以電壓值的形式顯示出來。因此，我們可以通過檢測磁傳感器輸出的電壓波形來判斷車輛的行駛方向。

當車輛進入磁傳感器的磁場檢測區域時，磁力線受到車輛的鐵磁物質的影響，從偏向車輛的一側檢測到一個較弱的磁場，隨著車輛的靠近，磁場越來越強，輸出的電壓值由偏向負方向，恢復并偏向正方向；當車輛沿著相反方向行駛時情況與此相反[4]。

通過磁阻傳感器可以很方便地測算出車輛速度，具體實施如下：在道路兩側安裝兩個磁阻傳感器節點1和2，相互距離為L，采樣周期時間同步。為了保證兩個磁阻傳感器對車輛的感測是相同的，兩個磁阻傳感器的磁軸方向與車輛的行駛方向一致，車輛行駛過距離路程所需的時間，就是兩個節點感測到的車輛信息的時間差，因此可通過車輛行駛所需的時間和車輛駛過路程，并根據一定的算法測算出車輛的行駛速度。

2.4 上位機軟件及控制策略設計

終端傳感器節點作為現場數據采集終端設備，確保數據的可靠性和有效性，然后根據采集的波形曲線選擇合適的算法從中提取出車輛狀態信息。將這些參數信息與控制中心預先設定的控制策略相比較，發出保持車距、超速警報等控制信號，系統軟件功能如圖4所示。

圖4 系統軟件功能圖

終端傳感器節點將監測到的數據經過模數轉換為電壓信號，然后通過ZigBee無線通信網絡發送到信號處理主機。經過一定的濾除雜波和消除雜音處理后，將接收到的數據包拆解，進而對數據進行識別處理，并提取有用信息。信號處理流程如圖5所示。

圖5 信號處理流程

上位機軟件平臺根據數據和判斷結果進行遠程設備監控，通過設置控制策略和控制參數進行實現定制化控制，控制策略如下:

a）誘導模式 適用于天氣晴朗、能見度在200～500 m的環境下，主動發光誘導標志（黃燈）按中等頻率同步閃爍。

b）預警模式 適用于霧/雨/雪天氣、能見度在100～200 m的環境，主動發光誘導標志（黃燈）按高頻率同步閃爍提供行車主動誘導。

c）霧霾模式 適用于霧霾天氣、能見度在50～100 m的環境，主動發光誘導標志（黃燈）按高頻率最高亮度透霧同步閃爍提供行車主動誘導，當車輛經過后，其后面3組（默認）預警燈（紅燈）也按高頻率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，減少追尾事故發生[5]。

3 結論

本文簡要闡述了基于ZigBee的霧區主動發光誘導系統的組網方式，在此基礎上介紹了車輛檢測系統，包括車輛行駛方向的判別檢測和車速估計方法，并對上位機軟件系統的系統功能和信號處理流程進行了詳細介紹，最后提出了霧區主動誘導系統的控制策略。應用效果表明，本系統可有效降低交通事故的發生率，保障大霧天氣下的行車安全。