基于Raspberry Pi的潮汐車道智能調節系統

李子博， 肖廣兵

(南京林業大學 汽車與交通工程學院， 南京 210037)

0 引 言

隨著中國國民經濟的快速發展，城市化進程的不斷加速，部分大中型城市出現了潮汐式交通擁堵[1]。潮汐車道作為解決潮汐式交通擁堵的一種有效方法，能根據路段上的實時交通流特征改變可變車道的行駛方向，充分提高道路利用率與通行能力[2]。傳統潮汐車道固定車道變更時間節點與使用時段、人工搬挪中央隔離柵欄，嚴重制約了潮汐車道使用效率與安全保障，國內對潮汐車道的研究主要集中在規劃設計，運行效果評估預測[3]。而對于潮汐車道的車道轉換、自動控制、協同管理等具體系統設計與配套硬件整合的相關研究較為欠缺[4]，未能形成一套完整的系統設計與配套硬件整合，達到充分提高潮汐車道使用效率的目標。

本文設計了一種基于Raspberry Pi的潮汐車道智能調節系統。在智能化高效操作的背景下，系統以無線通訊完成實時數據傳輸，通過硬件模塊感知行駛車輛與環境信息，監測道路交通量信息；通過數據分析處理，機械運動控制，最終實現潮汐車道適時自動調節與換道自動告警，進而解決傳統潮汐車道固定的車道變更時間節點與使用時段、人工搬挪中央隔離柵欄等問題，充分提高潮汐車道的使用效率與安全保障。

1 系統設計

系統以Raspberry Pi處理器為核心，支持兩種潮汐車道智能調節模式，如圖1所示。

自動調節模式觸發情景為系統車流量監測模塊監測到相向方向車流量差值達到閾值，處理控制模塊發出自動調節指令并上傳交管部門。半自動調節模式觸發情景為系統收到交管部門調節授權，處理控制模塊發出自動調節指令。

2 硬件設計

基于Raspberry Pi的潮汐車道智能調節系統，由車流量監測模塊、環境感知模塊、供電模塊、處理控制模塊、機械運動模塊、無線通訊模塊等組成。搭載Raspberry Pi的處理控制模塊為系統核心，供電模塊為系統各模塊提供電力，無線傳輸模塊支持系統間各模塊的數據信息傳輸，完成潮汐車道智能調節。

圖1 系統結構圖

2.1 供電模塊設計

系統中，處理控制模塊采用1.8 V～3.3 V直流電壓，車流量監測模塊采用12 V交流電壓與1.3 V～12 V直流電壓，通訊模塊采用3.3 V～5 V直流電壓，環境感知模塊采用1.5 V～6 V直流電壓，警示預告模塊采用1.2 V～4.0 V直流電壓，機械運動模塊采用12 V交流電壓。

供電模塊選用由MAX15301電源管理芯片和SH79F165單片機控制的獨立光伏發電系統，太陽能電池板在MPPT控制下完成直流變換，進而將光伏陣列輸出的電能存儲在蓄電池組中[5]，蓄電池組提供穩定的12 V直流電壓，供電模塊電路如圖2所示。主供電系統與所有模塊聯通，其逆變裝置組將12 V直流電壓轉化為供各模塊使用的不同直流與交流電壓，當處理控制模塊發出自動調節指令，主供電系統啟動，以支持整個系統完成調節進程；輔助供電系統與車流量監測，處理控制，無線通信模塊聯通，其逆變裝置組將12 V直流電壓轉化為供3個模塊使用的不同直流與交流電壓，輔助供電系統全時段運行，維持系統車流量監測，處理決策，無線通信模塊運轉。

圖2 供電模塊電路

2.2 車流量監測模塊

車流量監測模塊選用車流量檢測雷達，該雷達采用TMS320VC5502信號處理芯片。通過在監測點安裝微波雷達,對多個車道車輛進行探測,統計車流量信息。與感應線圈檢測與視頻檢測相比，它的優點是安裝和維護時不會影響交通,單個雷達可以檢測多個車道的車流量信息，全天候工作，不受惡劣天氣影響。車流量檢測雷達電路如圖3所示。

圖3 車流量檢測雷達電路

2.3 環境感知模塊

環境感知模塊具體采用OV10635低功率，高分辨率，高動態范圍CMOS圖像傳感器。該傳感器選取了超低EMI信號傳輸的雙向FPD—LinkⅢ串行/解串器實現傳輸距離遠，信號質量穩定，傳輸速率1Gbit/s以上高清數字圖像的高速傳輸[6]。通過CMOS圖像傳感器，可以準確快速地獲取當前道路環境信息，行駛車輛信息等，通過無線通訊模塊將信息發送至處理控制模塊進行數據分析，為處理器精確計算隔離柵欄移動時間，移動方向，移動速度與運動路徑提供支持；同時保證高清數字圖像同步至交管部門監控畫面，實現對自動調節進程的實時監控，充分確保自動調節進程的高效性與安全性。CMOS圖像傳感器電路如圖4所示。

圖4 CMOS圖像傳感器電路

2.4 處理控制模塊

處理控制模塊選用Raspberry Pi Model B，樹莓派(Raspberry Pi)是一種微型電腦，其價格低、功耗小、功能多樣，可運行Linux 操作系統，具有多種接口，可支持5G應用，在無線傳感網絡領域已得到廣泛應用[7]。各項性能指標滿足系統實際應用的要求，其電路圖如圖5所示。

圖5 Raspberry Pi Model B 電路

2.5 無線通訊模塊

無線通訊模塊選用ZigBee，這是一種基于標準的遠程監控、控制和傳感器網絡應用技術，主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備，可以同時面向通信雙方實現信息交互[8]。

ZigBee模塊采用CC2530芯片，其在2.4GHz ISM頻帶中工作，能夠支持 ZigBee PRO 標準、ZigBee 2006 及 IEEE 802.15.4 ，可實現2Mb/s的信息傳遞速率[9]。ZigBee模塊可滿足系統各模塊間信息數據快速傳遞的需要，確保車流量、車速、車道占有率信息、當前道路環境信息、行駛車輛信息等可以快速反饋至處理控制模塊Raspberry Pi上位機管理系統，完成數據處理。解算出隔離柵欄移動方向，移動速度與運動路徑的準確數據，確?？刂菩盘柨焖賯鬏斨翙C械運動模塊與警示預告模塊。ZigBee模塊可滿足系統與交管部門的實時數據傳輸。ZigBee無線通訊模塊電路如圖6所示。

2.6 機械運動模塊

機械運動模塊選用以ULN2003為驅動的芯片，受單片機AT89C51控制的四相步進電機為隔離柵欄下的車輪組提供動力。單片機接收解算出隔離柵欄移動方向，移動速度與運動路徑的數字信號，步進電機在AT89C51的控制下，數字控制信號轉化成與之相對應的角位移或直線位移，可以實現隔離柵欄位置快速準確地調整。相對于鋪設專用的導軌或配置拉鏈車，該配置方案結構簡單，維護成本低，安全性更高。

3 系統軟件設計

軟件設計選用 Visual Basic 6.0，搭建潮汐車道車流量監測與自動調節系統的界面，主界面如圖7所示。

系統界面各窗口，可實現對實時各車道車流量、車速、車道占有率的信息獲取，實時道路環境監控畫面同步，潮汐車道調節，設備運行情況監測，車流量歷史大數據統計以及軟件界面設置等功能。輔助管理者在系統半自動調節模式下作出換道決策。

通過車流量監測雷達，兩個中段監測點實時傳輸不同方向車流量信息，不同方向平均車速信息，全段道路的平均通過時間信息；兩個路口監測點實時傳輸不同方向三個轉向車流量信息，路口車流總匯入車流量與總駛離車流量，如圖8、圖9所示。同時，軟件提供擁堵預測情況分析功能，可開啟擁堵自動提醒。

圖6 ZigBee無線通訊模塊電路

圖7 軟件主界面

圖8 中段車流量監測

圖9 路口車流量監測

如圖10為該路段車流量歷史大數據統計，普通用戶可通過查看近來幾日全時段的車流量歷史大數據，結合當前的車流量數據信息，決定是否經行該路段，以避免遭遇擁堵。管理人員可通過調閱近來幾個月的車流量大數據歷史，分析計算，為潮汐車道智能調節系統半自動調節模式下設置最優調節時間節點，提高車道使用效率。

通過回傳的高清實時監控畫面，交管部門可以預估判斷是否會有潮汐交通擁堵出現，同時也可直觀了解道路交通量是否已超過路段吞吐極限?？蓪崟r掌握隔離柵欄調節時的具體情況，若畫面顯示存在安全隱患，可人工干預柵欄自動調節進程，實時監控畫面如圖11所示。

圖10 車流量歷史大數據統計

圖11 實時監控畫面

該系統半自動調節模式主要由管理人員通過界面操作實現，車道變更調節界面如圖12所示。在向系統發布調節授權前，可對布置在各車道的系統模塊設備運行情況進行自檢，若檢測完畢系統運行無異常，可發布調節授權，使系統完成半自動模式下的隔離柵欄調節，必要時可人工干預系統警示預告持續時間。也覺對各車道系統模塊設備自動檢測，若發現異常情況則實時彈出窗口顯示。

圖12 車道變更調節

4 結束語

本文設計的潮汐車道智能調節系統以Raspberry Pi處理器為為核心，以無線通訊模塊實現數據信息傳輸，通過硬件模塊對車流量、當前道路環境、行駛車輛等信息實時監測，經過數據分析處理，確定隔離柵欄移動時間，移動方向，移動速度與運動路徑數據，進而控制完成潮汐車道智能調節。該系統結構簡明緊湊，性價比高，符合實際情景，可以提高潮汐車道的使用效率與安全保障，具備可行性。