基于物聯網的高速公路智能行車誘導系統的設計

劉丁貝 王丹 孟強 時恒心

摘 要：高速公路在氣候惡劣、夜間等能見度差的情況下容易發生較為嚴重的交通事故。針對高速公路交通事故頻發及現有技術落后的問題，結合物聯網技術，首先搭建高速公路智能行車誘導系統的體系架構，明確系統中主要組成部分的功能;然后給出系統控制平臺的數據采集方案，并設計系統在不同能見度條件下智能行車誘導系統的工作模式。設計的智能行車誘導系統通過物聯網技術可以更及時、更精確、更全面地采集各類道路信息，結合云計算可以快速做出交通運行決策，為物聯網在高速公路智能行車誘導系統上的應用提供了一種具體的設計思路，能一定程度上推動物聯網技術在交通安全領域的研究與應用。

關鍵字：物聯網;行車誘導系統;GPRS;高速公路;云計算;交通安全

中圖分類號：TP277;U492文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）07-00-02

0 引 言

道路安全[1]是城市發展過程中的一個重要挑戰，特別是在高速公路環境下，由于車輛速度較快，易在夜間、大霧天氣發生較為嚴重的行車事故，危害人民生命財產安全。目前，我國高速公路交通誘導主要使用的依然是傳統的誘導設施，包括突起路標、閃爆燈、警示燈、輪廓標等，智能化程度低，缺乏協作機制。由于無法對實時地交通信息進行發布，所以傳統方法運行效果相對較差[2]。物聯網[3]技術的發展為降低事故發生率提供了一種研究思路。通過整合云計算[4]、大數據[5]、機電設施、網絡通信等多項技術手段，實現對道路交通狀態的實時判定和交通數據的融合處理，進而做出相應的交通運行決策。然而，當前主要的交通誘導除了在進行數據監測時存在成本過高、維護不便的問題之外，系統整體對網絡配置要求較高，應用場景受到限制[6]。

為了實現對誘導系統的遠程無線控制，提高誘導系統智能化程度，本文充分利用已經較為成熟、覆蓋面較廣的蜂窩網絡[7]，構建一種支持遠程控制、提供豐富數據接口的智能行車誘導系統。通過在高速公路車道兩側部署誘導燈標節點，為駕駛人員實時提供當前行車指引信息，同時，利用覆蓋面較大的蜂窩網絡完成系統數據上行/下行傳輸。

1 系統架構設計

智能行車誘導系統架構如圖1所示，主要由4部分組成，由上至下分別是：智能控制平臺、協調器、誘導燈標和傳輸網絡。其中，傳輸網絡可細分為兩部分，分別是控制平臺同協調器間的通信網絡和控制平臺同外部應用間的通信網絡。

智能控制平臺包括控制端、服務器和數據存儲中心。作為系統的數據中轉站，控制端借助因特網為用戶提供數據接口，方便用戶實現對系統的遠程控制;同時，通過與服務器和數據存儲中心相連接，控制端能夠對由上至下/由下至上的數據進行初步處理和存儲;此外，借助蜂窩網絡，控制端能夠將用戶命令發送至誘導燈標節點，完成誘導燈標顯示的變更和維護。

協調器作為路側基站，借助蜂窩網絡同控制平臺進行通信，同時，還可對一定范圍內的誘導節點進行匯總管理。從設備硬件角度看，由于需要支持GPRS調制解調[8]，協調器比誘導節點能耗稍大;從系統角色角度看，協調器在一定范圍內的誘導節點網絡中承擔頭節點的角色，控制平臺發送的控制命令經協調器節點轉發至誘導節點。此外，考慮到協調器的通信帶寬，為了防止協調器同誘導節點間網絡發生擁堵，本文摒棄常見的星型網絡拓撲結構[9]，通過為節點分配

16 bit的地址信息，實現一種多跳的數據傳輸[10]。

誘導節點位于路段兩旁，配備LED發光單元。發光單元除了能夠強化道路輪廓，還可對車輛行駛行為進行主動誘導，并對追尾事故進行警示。根據《中華人民共和國交通運輸行業標準》，裝在道路兩側的誘導節點可利用節點發出的紅、黃光信號幫助駕駛人員判斷前方道路狀況（路寬、線性、邊界位置等）和前方車輛狀況（車速、車距、數量等），警示誘導車輛安全行駛。為此，系統中誘導節點中的每個LED單元均可發出紅、黃兩種顏色的燈光。另外，誘導節點支持太陽能和電池兩種供電方式。

考慮到覆蓋范圍，同時為了方便誘導節點的部署，控制平臺與協調器間的通信網絡采用的是通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service，GPRS），控制平臺與外部應用間的通信網絡則使用因特網。這樣，對用戶而言，控制平臺與協調器間的通信連接可視為透明。

2 系統工作方式設計

為了實現智能行車誘導系統強化道路輪廓、誘導車輛行駛行為，并對突發事故進行警示的目的，首先給出控制平臺需要采集的系統中誘導節點的狀態信息，然后設計一種包含4種模式的誘導系統工作方式。

2.1 控制平臺數據采集方案

智能控制平臺通過向協調器發送命令改變誘導節點的顯示狀態，進而實現對道路中行駛車輛的實時誘導。為此，需要對誘導節點的信息進行采集?？刂破脚_采集的誘導節點信息如表1所示，其主要包括誘導節點的狀態信息和顯示狀態信息。關閉命令用于平臺對節點的遠程控制，行駛方向屬性可使平臺同時完成對不同行駛方向上車輛的控制和管理。

2.2 智能行車誘導系統工作方式

智能行車誘導系統通過設立4種工作模式，完成對高速公路交通運行效率和安全等級的提升。運行過程中，首先由配備光線采集模塊的誘導節點對路段能見度數據進行采集，然后將此數據利用協調器上傳至控制中心，由控制中心對能見度等級進行判定，并確定當前路段應進行的模式改變或維持。4種工作模式分別是：

（1）安全模式。安全模式下，當前路段能見度大于500 m，此時，控制平臺發送關閉控制命令，誘導節點關閉LED發光單元，系統低功耗運行，不對交通參與者做出提示。

（2）道路輪廓強化模式。道路輪廓強化模式下，當前路段能見度大于400 m，小于500 m，此時，誘導節點持續顯示黃色燈光，為駕駛人員提供當前路段的線性引導。通過強化道路的輪廓，輔助駕駛人員在較差光線條件下完成安全駕駛。

（3）行車誘導模式。行車誘導模式下，當前路段能見度大于200 m，小于400 m，此時，路段光照條件較差，誘導節點同步、持續以30次/min的頻率閃爍黃燈，在為駕駛人員提供道路輪廓的同時，提示其降速行駛，保證行車安全。

（4）車距控制模式。車距控制模式下，當前路段能見度小于200 m，此時，路段光照條件極差，有必要對道路上車輛間距進行控制。這一模式包含兩種情形：當前路段無車輛駛過，則誘導節點同步、持續以60次/min的頻率閃爍黃燈;當前路段有車輛駛過，則該車后50 m距離內的誘導節點均顯示紅色燈光，形成車輛尾跡。由誘導節點燈光形成的車輛尾跡沿車輛移動方向同車輛一起移動，同時警示后車避免駛入尾跡區域，防止發生追尾。車距控制模式下有車輛駛過時的車距控制方式如圖2所示。

3 結 語

本文首先構建一種高速公路環境下智能行車誘導系統的體系架構，明確系統中的主要組成，然后給出系統的工作方式，針對道路輪廓強化、行車誘導、車距控制問題進行設計。未來將結合真實高速公路場景，對所述智能行車誘導系統進行相關性能測試。

參 考 文 獻

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