高速公路車載式自適應(yīng)限速裝置的研究

宋文山 張 凱

(南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，江蘇 南京 210044)

0 引言

目前，我國(guó)正在加速建設(shè)高速公路氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，大量的高速公路氣象監(jiān)測(cè)站隨之投入使用?，F(xiàn)有的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)按照“監(jiān)測(cè)-預(yù)報(bào)-管理決策”的方式執(zhí)行。該方式在應(yīng)對(duì)一般大尺度、可預(yù)見性強(qiáng)的惡劣天氣時(shí)發(fā)揮了重要作用[1]，但在應(yīng)對(duì)尺度較小、突發(fā)性較強(qiáng)的惡劣天氣時(shí)，往往暴露出系統(tǒng)反應(yīng)遲緩、控制精度差等缺陷。在交通管理中，只有采取合理的限速方法和限速值，使駕駛員的行為變得更加一致，才能保障道路的安全與暢通[2]。針對(duì)不同的交通狀態(tài)和環(huán)境條件采取不同的限速策略，不僅可以有效地增加高速公路的通行能力、減少行程時(shí)間，還能減少事故的發(fā)生并降低駕駛員的駕駛強(qiáng)度[3]。

針對(duì)現(xiàn)有道路氣象預(yù)警系統(tǒng)的不足和實(shí)施高速公路變限速管理所面臨的困難，設(shè)計(jì)了一種新型車載式自適應(yīng)限速裝置;并以該車載裝置為基礎(chǔ)，綜合現(xiàn)有的高速公路氣象檢測(cè)系統(tǒng)以及信息網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建高速公路自適應(yīng)限速管理系統(tǒng)。車載裝置用來(lái)接收和分析行駛區(qū)域內(nèi)的實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)，并自動(dòng)設(shè)定與當(dāng)前路段環(huán)境相匹配的限速值，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛的行駛速度。同時(shí)，該裝置還可以監(jiān)督和記錄超速行駛行為，從而在惡劣的天氣條件下指導(dǎo)駕駛員安全駕駛。

1 系統(tǒng)概述

以車載限速裝置為基礎(chǔ)，綜合現(xiàn)有的高速公路自動(dòng)氣象站及高速公路管理信息網(wǎng)絡(luò)資源，構(gòu)成了高速公路自適應(yīng)限速管理系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 高速公路自適應(yīng)限速管理系統(tǒng)Fig.1 Adaptive speed limit management system of expressway

安裝在道路沿途的自動(dòng)氣象站能夠檢測(cè)溫度、濕度、能見度及降雨量等氣象數(shù)據(jù)，并以廣播的方式將信息發(fā)出。路過車輛所搭載的限速裝置接收到該區(qū)域內(nèi)的氣象信息，按照預(yù)設(shè)的“氣象條件-限速值”映射規(guī)則更新當(dāng)前的限速值。裝置內(nèi)的GPS模塊對(duì)車輛進(jìn)行全程測(cè)速，顯示實(shí)時(shí)車速并記錄所有的超速行為。當(dāng)修改限速值和車速過高時(shí)，裝置發(fā)出相應(yīng)的提示和告警。在入口站，工作站PC向車載限速裝置寫入上路信息(包含車輛基本信息和入口站信息等);到達(dá)出口站時(shí)，工作站PC從車載裝置中讀出上路信息以及超速記錄等信息。在車輛的行駛過程中，車載限速裝置將發(fā)揮指導(dǎo)和監(jiān)督的作用。

2 硬件結(jié)構(gòu)

車載式自適應(yīng)限速裝置主要由單片機(jī)及存儲(chǔ)單元、GPS模塊、無(wú)線通信單元、顯示與告警單元組成，可實(shí)現(xiàn)速度監(jiān)測(cè)、自動(dòng)調(diào)整限速、告警提示以及信息的交換和存儲(chǔ)等功能。裝置的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車載裝置功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Functional structure of the vehicle-mounted device

2.1 單片機(jī)及存儲(chǔ)單元

車載裝置采用MSP430F149單片機(jī)作為控制核心。MSP430系列單片機(jī)是一種性能優(yōu)越的單片機(jī)，它針對(duì)小型化便攜式設(shè)備的應(yīng)用需求，對(duì)功耗進(jìn)行優(yōu)化;多時(shí)鐘能夠降低功耗，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。這一改進(jìn)對(duì)于依靠電池供電的車載設(shè)備而言非常重要。MSP430F149是一款16位的精簡(jiǎn)指令集(RISC)單片機(jī)，相比8位單片機(jī)，它在性能方面有了很大提升。其具有較強(qiáng)的計(jì)算能力，能夠?qū)崟r(shí)處理GPS數(shù)據(jù)、分析氣象數(shù)據(jù)和調(diào)整限速值。單片機(jī)及存儲(chǔ)單元電路原理圖如圖3所示。

圖3 單片機(jī)及存儲(chǔ)單元電路原理圖Fig.3 Principle of the circuitry of MCU and storage unit

圖3中，X1為32 768 Hz的外部低頻晶體振蕩器，它為片內(nèi)輔助系統(tǒng)提供時(shí)鐘基準(zhǔn);X2為8 MHz的高頻晶體振蕩器，它為片內(nèi)主系統(tǒng)提供時(shí)鐘基準(zhǔn)，保證單片機(jī)低耗高效工作。R1、R2、C1和電鍵Reset構(gòu)成單片機(jī)的復(fù)位電路。AT24C02為電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)芯片，可存儲(chǔ)2 048 B數(shù)據(jù)，用來(lái)存放工作站錄入的信息和行駛過程中的超速記錄，從而保證存儲(chǔ)的信息掉電不消失。

2.2 GPS與無(wú)線通信模塊

GPS模塊GS-92m用來(lái)實(shí)現(xiàn)車速檢測(cè)和車輛定位功能，無(wú)線通信模塊CC1100用來(lái)實(shí)現(xiàn)車載裝置與自動(dòng)氣象站之間的信息交互。GPS與無(wú)線通信模塊接口電路原理圖如圖4所示。

圖4 GPS與無(wú)線通信模塊接口電路原理圖Fig.4 Principle of the interface circuitry of GPS and wireless communication module

GS-92m模塊擁有20個(gè)衛(wèi)星信號(hào)通道，在熱啟動(dòng)模式下，平均定位時(shí)間僅需1 s;在冷啟動(dòng)模式下，平均定位為為42 s。模塊的圓周定位誤差小于10 m，測(cè)速精度為0.1 m/s、測(cè)速范圍為0～515 m/s，該定位和測(cè)速精度可滿足高速公路車輛測(cè)速的要求。該模塊小巧輕便，外觀尺寸僅為15 mm×13 mm×2 mm，質(zhì)量為3 g，內(nèi)部集成了SIRF3的外圍電路，只需4根導(dǎo)線即可與單片機(jī)系統(tǒng)連接。GS-92m工作于3.3 V電壓下，數(shù)據(jù)輸入(RD)、輸出(TD)引腳分別與MSP430單片機(jī)的 P3.4、P3.5引腳相接。GS-92m 與單片機(jī) MSP430 采用相同的串行通信標(biāo)準(zhǔn)，波特率為9 600 bit/s，具有8位有效數(shù)據(jù)位、1位停止標(biāo)志位，無(wú)校驗(yàn)位。

無(wú)線收發(fā)模塊基于CC1100芯片，內(nèi)部集成了射頻發(fā)射器、射頻接收器、PLL頻率合成器以及可編程控制電路等多種功能模塊。該芯片在433 MHz免執(zhí)照頻段工作，接收靈敏度典型值為－110 dBm，可自動(dòng)校準(zhǔn)接收和發(fā)送頻率，最高通信速度可達(dá)78.6 kbit/s。CC1100的主要工作參數(shù)可通過其串口編程設(shè)定，使用靈活方便。CC1100芯片提供3種數(shù)據(jù)編碼方式和多種微控制器接口方式。

采用CC1100與少量外圍元件，再配合一個(gè)微控制器，便可組成一個(gè)完整高效的射頻(radio frequenay，RF)收發(fā)系統(tǒng)。該射頻模塊使用標(biāo)準(zhǔn)的8針扁平電纜連接，1、8號(hào)引腳為電源引腳，2～7號(hào)引腳依次對(duì)應(yīng)CC1100芯片的 RSSI、PALE、PDATA、PCLK、DCLK、DIO 數(shù)據(jù)和控制管腳。

2.3 顯示與告警單元

顯示單元主要由6只共陰極數(shù)碼管構(gòu)成，6只數(shù)碼管分為A、B兩組。其中，A組顯示當(dāng)前限速值，B組顯示實(shí)時(shí)車速。由于MSP430F149是一款低功耗的單片機(jī)，其I/O端口的驅(qū)動(dòng)能力十分有限，所以在數(shù)碼管的段選信號(hào)、位選信號(hào)與 MCU之間增加了2片74HC573芯片，用作緩沖驅(qū)動(dòng)，這樣既可以正常驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，又可以保護(hù)MCU的I/O端口不會(huì)因電流過大而損毀。

顯示及告警單元電路原理圖如圖5所示。

圖5 顯示及告警單元電路原理圖Fig.5 Principle of the circuitry of display and alarm unit

告警單元由蜂鳴器和紅色LED電路組成，使用一個(gè)PNP型三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。如果P6.7端口輸出高電平，PNP三極管將導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲;如果 P6.7端口輸出低電平，PNP三極管截止，則蜂鳴器被關(guān)閉。通過對(duì)定時(shí)器編程可驅(qū)動(dòng)P6.7輸出不同占空比的PWM波，就可以讓蜂鳴器發(fā)出不同的音調(diào)和節(jié)奏。定時(shí)器也可以驅(qū)動(dòng)LED按照不同的節(jié)奏閃爍。車速越快，越接近當(dāng)前限速值，蜂鳴器發(fā)出的音調(diào)就越高、節(jié)奏越快、紅色的LED閃爍越迅速，從而有效地提醒駕駛員控制車速。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 限速裝置程序主流程

車載式自適應(yīng)限速裝置的工作程序主要由工作站服務(wù)子程序、GPS測(cè)速子程序、氣象數(shù)據(jù)接收與限速值自設(shè)定子程序和超速判斷及告警子程序組成。當(dāng)車輛駛?cè)敫咚俟窌r(shí)，入口站子系統(tǒng)向車載限速裝置錄入車輛基本信息與入口站編號(hào)，發(fā)送指令啟動(dòng)限速裝置的GPS及顯示模塊。

在車輛行駛過程中，GPS每秒更新一次當(dāng)前車速及定位信息，刷新數(shù)碼管顯示的車速。超速判斷子程序比較實(shí)測(cè)車速與當(dāng)前限速值后，根據(jù)差值大小作出不同的告警響應(yīng)。如果確定為超速，則生成超速行為條目。該條目包含超速時(shí)的車速、限速值和位置坐標(biāo)等信息。

在經(jīng)過高速公路氣象站時(shí)，車載裝置接收氣象信息，按照映射規(guī)則，自動(dòng)調(diào)整并刷新數(shù)碼管顯示的當(dāng)前限速值。當(dāng)車輛抵達(dá)高速公路出口站時(shí)，車載裝置響應(yīng)工作站設(shè)備指令消息，將車輛基本信息、入口編號(hào)以及超速記錄發(fā)送給相應(yīng)的工作站設(shè)備。當(dāng)信息發(fā)送完成后，車載裝置關(guān)機(jī)，后續(xù)收費(fèi)及處罰等工作由出口站子系統(tǒng)完成。

3.2 GPS 數(shù)據(jù)處理

車載裝置選用的GS-92m模塊可輸出GPGGA、GPGSA、GPRMC等多種格式的GPS數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)需要選擇所需輸出數(shù)據(jù)的格式和頻率。GPRMC為最小GPS數(shù)據(jù)格式，其定義為：$ GPRMC，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞，＜7＞，＜8＞，＜9＞，＜10＞，＜CR＞。

各數(shù)據(jù)段具體定義如下。

① 標(biāo)準(zhǔn)定位時(shí)間：hhmmss.sss。

②定位狀態(tài)：A=數(shù)據(jù)可用、V=數(shù)據(jù)不可用。

③ 緯度：ddmm.mmmm。

④ 緯度區(qū)分：北緯=N、南緯=S。

⑤ 經(jīng)度：dddmm.mmmm。

⑥ 經(jīng)度區(qū)分：東經(jīng)=E、西經(jīng)=W。

⑦ 相對(duì)位移速度：0.0 ～1 851.8 knots。

⑧ 相對(duì)位移方向：000.0 ～359.9°。

⑨ 日期：ddmmyy。

⑩度數(shù)。

?＜CR＞為回車符，標(biāo)志著一條GPRMC語(yǔ)句的結(jié)束。

對(duì)GS-92m模塊進(jìn)行編程，選擇每秒輸出一條GPRMC語(yǔ)句。該語(yǔ)句包含了限速裝置所需的速度和定位信息。GPRMC數(shù)據(jù)從P3.5引腳輸入到MSP430單片機(jī)，通過中斷響應(yīng)的方式完成對(duì)GPS數(shù)據(jù)的解析操作。

圖6 GPS數(shù)據(jù)解析程序流程圖Fig.6 Flowchart of GPS data analyzing program

GPS數(shù)據(jù)解析程序流程如圖6所示。GPS數(shù)據(jù)解析程序首先識(shí)別GPRMC語(yǔ)句頭“$GPRMC”，然后判斷數(shù)據(jù)是否有效，若為無(wú)效數(shù)據(jù)則拋棄。對(duì)于有效數(shù)據(jù)(即定義的第二個(gè)字段為字母A)，則依次讀取第三、第四字段并存入變量Latitude，讀取第五、第六字段并存入變量Longitude，第七字段值即為當(dāng)前車速值。速度值單位為knots(節(jié))，將速度值按1 knots≈1.85 km/h換算取整后，存入變量 speed，再將該值發(fā)送到數(shù)碼管B組顯示。最后比較車速與限速值的大小，如果車速超過當(dāng)前限速值，則調(diào)用超速處理子程序。

3.3 氣象數(shù)據(jù)接收及限速值設(shè)定

車載限速裝置的一個(gè)主要功能是接收自動(dòng)氣象站的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣象數(shù)據(jù)，經(jīng)分析計(jì)算后得到當(dāng)前天氣條件下的合理限速值，從而及時(shí)應(yīng)對(duì)大霧沙塵、強(qiáng)降雨和持續(xù)高溫等局部突發(fā)性惡劣天氣造成的不利影響。自動(dòng)氣象站將采集到的能見度(以可視距離表示)、溫度、降雨量等氣象信息按規(guī)定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行封裝，然后傳遞給CC1100向廣播地址發(fā)送。攜帶了車載限速裝置的車輛在經(jīng)過該廣播覆蓋的路段時(shí)，都可以接收到自動(dòng)氣象站發(fā)出的信息。

自動(dòng)氣象站發(fā)出的消息內(nèi)容定義為：

$HMM;＜Num＞;＜VR＞;＜Temp＞;＜RpD＞;＜CR＞。氣象數(shù)據(jù)消息以$HMM字符串開頭，表示其后為有效的氣象信息，字符串字段之間以“;”分隔。各字段的定義如下。

①Num為自動(dòng)氣象站統(tǒng)一編號(hào)，數(shù)值范圍為0～999。

②VR(visual range)為可視距離，表示范圍為0～999 m，分為5個(gè)等級(jí)：A(＞500)、B(200～500)、C(100～200)、D(50～100)和E(0～50)。

③RpD(rainfall per day)為日降雨量，表示范圍為0～99 mm，分為Normal(0～25)和Heavy(＞25)兩個(gè)等級(jí)。

④ Temp為環(huán)境溫度，數(shù)值范圍為0～99，對(duì)應(yīng)實(shí)際溫度為－20～+79℃，分為Cold(0～30)、Normal(30～70)和Hot(70～99)三個(gè)等級(jí)。

⑤ ＜CR＞為回車符，標(biāo)志著一條消息的結(jié)束。

氣象站和車載裝置均按照此定義對(duì)氣象信息進(jìn)行封裝和解析。車載裝置在接收到氣象消息后，首先在 Addr-list中查找消息中的 Num。如存在該Num，則拋棄這條氣象信息，避免重復(fù)接收同一氣象站信息;如果沒有該Num，則繼續(xù)后續(xù)的分析處理。車載限速裝置解析數(shù)據(jù)后，映射相應(yīng)的限速規(guī)則并調(diào)整當(dāng)前限速值，將新得到的限速值存入Limit中。最后更新數(shù)碼管A組顯示，通過聲音和燈光的方式提醒駕駛員限速值已修改。限速調(diào)整子程序流程如圖7所示。

圖7 限速調(diào)整程序流程圖Fig.7 Flowchart of GPS data analyzing program

限速規(guī)則的設(shè)定綜合考慮了天氣條件對(duì)車輛性能、路面狀態(tài)、駕駛員心理等多方面的影響，并結(jié)合司乘人員及交通管部門理經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)參考了《道路交通安全法實(shí)施條例》的相關(guān)規(guī)定[4－5]。對(duì)于道路氣象條件與安全車速的關(guān)系問題，陳勇[6]、程國(guó)柱[7]、王超[8]和王喆[9－10]等人作了深入的研究。本文設(shè)計(jì)的車載裝置所執(zhí)行的限速規(guī)則主要包含以下10條。

①If(VR is E)then(Limit is 20);

②If(VR is D)and(Temp is Cold)then(Limit is 20);

③If(VR is D)and(RpD is Normal)and(Temp is Normal)then(Limit is 40);

④If(VR is C)and(RpD is Heavy)then(Limit is 40);

⑤If(VR is C)and(Temp is Cold)then(Limit is 40);

⑥If(VR is C)and(RpD is Normal)and(Temp is Normal)then(Limit is 60);

⑦If(VR is B)and(RpD is Heavy)then(Limit is 80);

⑧If(VR is B)and(RpD is Normal)then(Limit is 100);

⑨If(VR is A)and(Temp is Hot)then(Limit is 100);

⑩If(VR is A)and(Temp is Normal)then(Limit is120)。

3.4 告警提示程序

限速裝置將GPS所測(cè)得的實(shí)時(shí)車速與調(diào)整后的當(dāng)前限速值進(jìn)行比較，首先計(jì)算限速差值ΔV=VLVt，其中，VL為當(dāng)前限速值，Vt為GPS模塊實(shí)測(cè)的車輛行駛速度;然后根據(jù)ΔV大小作出相應(yīng)響應(yīng)。告警操作表如表1所示。

表1 告警操作表Tab.1 Alarming operations

車載裝置通過蜂鳴器和指示燈階段性的聲光變化，提醒駕駛員及時(shí)調(diào)整車速，以保障行車安全。超速記錄的每一條目包含的信息有：條目順序編號(hào)、時(shí)間、實(shí)測(cè)車速、當(dāng)前限速值、實(shí)測(cè)GPS坐標(biāo)信息、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)以及Addr-list中最新的Num。根據(jù)超速記錄條目，即可確定每次超速行為發(fā)生時(shí)車輛的行駛速度和位置信息，以及限速值及其來(lái)源(地址表中最新Num所代表的自動(dòng)氣象站)。通過記錄持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，既可以對(duì)超速行為的惡劣程度進(jìn)行定量分析，又可避免一次超速多次記錄占用太多儲(chǔ)存空間的問題。超速記錄條目包含了交通管理部門對(duì)超速行為進(jìn)行核查及處罰所需的必要信息。

3.5 工作站信息交互

當(dāng)車輛駛?cè)敫咚俟啡肟谡緯r(shí)，工作人員將車牌號(hào)、車輛類型、駕駛員證件、駛?cè)霑r(shí)刻入口站編號(hào)以及初始限速值等基本信息錄入到車載限速裝置中，同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況，通過寫入命令字控制限速裝置關(guān)閉變限速功能，從而全程執(zhí)行初始的限速標(biāo)準(zhǔn)。信息錄入成功后，隨即開啟GPS測(cè)速模塊和相關(guān)程序，將限速裝置交給駕駛員隨車運(yùn)行。

當(dāng)車輛到達(dá)出口站時(shí)，駕駛員將限速裝置交給工作人員，工作站PC首先從車載裝置中讀取入口工作站編錄的基本信息并計(jì)算行車?yán)锍?，如果存在違章記錄，則根據(jù)記錄的內(nèi)容對(duì)違章行為采取相應(yīng)的處罰措施;然后復(fù)位車載限速裝置設(shè)置，清除記錄信息、斷電關(guān)機(jī);最后整理信息，統(tǒng)一編排之后錄入高速公路管理信息系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的車載式自適應(yīng)限速裝置，可根據(jù)各路段的實(shí)時(shí)氣象信息，自動(dòng)設(shè)定與行車環(huán)境相適應(yīng)的限速值，從而保障高速公路全天候的行車安全、提高通行效率。該裝置是對(duì)現(xiàn)有道路氣象信息系統(tǒng)功能的拓展，是實(shí)施高速公路變限速管理的有效工具。針對(duì)惡劣天氣的不利影響，應(yīng)用該裝置組建高速公路可變限速管理系統(tǒng)，可彌補(bǔ)現(xiàn)有管理辦法尺度過大、反應(yīng)滯后等不足，從而促進(jìn)高速公路管理向智能化、精細(xì)化發(fā)展。

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