高速公路汽車連環(huán)相撞事故預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

梁子龍，徐 偉，謝 芬，劉守印

（華中師范大學(xué) 湖北 武漢 430079）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國汽車數(shù)量和高速公路里程數(shù)逐年增加。高速公路汽車行駛速度速度快、流量大的特點，在給人們帶來便利的同時，也因其事故頻率高、波及范圍廣，給人們生命財產(chǎn)造成巨大的安全隱患。

據(jù)統(tǒng)計截至2011年底，全國的機動車保有量為2.25億輛，其中汽車1.06億輛。2011年我國新增公路通車?yán)锍?.14萬km，其中新增高速公路1.10萬km，截至2011年底，我國高速公路總里程達8.5萬km。在汽車和公路數(shù)量不斷增加的同時，高速公路汽車連環(huán)相撞事故也頻頻發(fā)生，例如2011年7月11日，京港澳（京珠）高速公路北行樂昌梅花段發(fā)生6車連環(huán)追尾交通事故，造成4人死亡、26人受傷。

在諸多交通事故中，高速公路汽車連環(huán)相撞事故以其發(fā)生頻率高、波及車輛多、造成傷害大而顯得尤為突出。因此，為了進一步減少此類事故的發(fā)生，最大限度地保護人民生命財產(chǎn)不受損失，以新的思路提出基于傳感器的事故檢測、短距離無線通信與GPRS通信聯(lián)合預(yù)警的設(shè)計和實現(xiàn)方案。

1 方案介紹

目前已有的車輛安全預(yù)警系統(tǒng)大多基于測距技術(shù)。通過紅外線、超聲波、激光雷達和毫米波雷達等技術(shù)可以實現(xiàn)車輛間距離的測量和保持，當(dāng)車距小于一定閾值時，發(fā)出預(yù)警信號，或者在自動巡航駕駛系統(tǒng)中，用于車距的保持[1]。另一些新型的基于多車自組網(wǎng)絡(luò)的蟻群式車輛預(yù)警方案，則是通過單車GPS數(shù)據(jù)獲取及多車之間數(shù)據(jù)交互來實現(xiàn)車輛距離的測量和保持[2]?；诶走_測距的的系統(tǒng)一般成本較高，且易受天氣等環(huán)境因素影響；而基于GPS數(shù)據(jù)交互測距的系統(tǒng)通常數(shù)據(jù)通信量大，網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，測距可靠性低。針對這些問題及為了進一步減少汽車連環(huán)相撞的發(fā)生，本文提出了一種新的方案，即先利用傳感器進行事故檢測，然后在一定區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)事故實時播報預(yù)警，同時利用GPS[3－9]和GPRS通信方式實現(xiàn)事故定位，以達到事故被及時處理的目的。

汽車連環(huán)相撞事故發(fā)生的一個主要原因就是駕駛員對事故信息的缺乏，反應(yīng)時間不足。當(dāng)前方發(fā)生了事故，行駛在后方的車輛不能及時獲取該事故信息，從而不能及時采取措施，而導(dǎo)致連環(huán)事故的發(fā)生。為了減少這種連環(huán)相撞事故的發(fā)生，本方案采用了下述機制：

如圖1所示，當(dāng)車輛A在行駛中突然發(fā)生事故時，車載預(yù)警系統(tǒng)能夠通過傳感器及時檢測出發(fā)生的事故，并使用短距離無線通信和GPRS兩種方式實施報警。首先車輛A通過短距離無線通信的方式向周圍車輛發(fā)出報警信號，行駛在A車后方的車輛B收到該報警信號后，就可以及時采取措施，避免與A車發(fā)生碰撞，同時B車根據(jù)收到信息跳數(shù)級別來確定是否將自己作為中繼，轉(zhuǎn)發(fā)該報警信號。這樣通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)可以實現(xiàn)更大區(qū)域內(nèi)的事故預(yù)警，從而避免連環(huán)相撞事故的發(fā)生。當(dāng)車輛A向周圍車輛發(fā)出預(yù)警信號時，它同時會通過GPS和GPRS向公路管理中心發(fā)出事故定位、時間等信息，使事故能夠得到及時處理，交通得到疏散。

圖1 系統(tǒng)功能演示圖Fig.1 Diagram of system function demo

2 系統(tǒng)硬件原理設(shè)計

本系統(tǒng)采用單片CC2530芯片作為主控制器，它由一個增強型8051核與一個2.4G頻段的射頻核構(gòu)成。該增強型8051核與標(biāo)準(zhǔn)的8051核相比速度更快（前者每個指令周期是一個時鐘，而后者為12個時鐘），數(shù)據(jù)指針和中斷源也相對增多。而2.4G頻段的射頻核具有16個可選的頻率通道，默認采用IEEE802.15.4中規(guī)定的調(diào)制格式和幀格式，同時它可以進行具備硬件支持的空閑信道評估、幀過濾、幀校驗、CSMA/CA處理等操作。它的最遠通信距離可以達到100 m左右，加上功放芯片CC2591可以達到1 000 m左右。因此通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)的方式，利用該芯片可以實現(xiàn)幾公里范圍內(nèi)的無線信號預(yù)警。

系統(tǒng)的事故檢測部分由一個三維加速度傳感器和一個陀螺儀來完成。加速度傳感器LIS3LV02DQ和陀螺儀ITG-3200可以準(zhǔn)確測量汽車行駛狀態(tài)，及時檢測車輛側(cè)翻、碰撞、追尾等事故的發(fā)生。這些傳感器通過IIC總線與主控芯片通信。GPS模塊CT-3631采用SIRF star III高性能GPS芯片組，追蹤靈敏度達到-159 dBm，它具有20條信道，定位精度達到10 m（2D RMS），當(dāng)使用WWAS時精度可達到3m（2D RMS）。它能夠為系統(tǒng)提供車輛的位置、速度、方向以及事故日期、時間等信息。GSM模塊使用華為的EM310來實現(xiàn)，利用標(biāo)準(zhǔn)的AT指令就能夠?qū)PS數(shù)據(jù)及報警信息通過GPRS的通信方式發(fā)送到公路管理中心，實現(xiàn)事故的報告及交通的及時舒緩。

系統(tǒng)的整體硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Block diagram of system hardware

3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計

系統(tǒng)事故檢測是由加速度傳感器和陀螺儀來完成的。將加速度傳感器和陀螺儀所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過校準(zhǔn)及滑動窗口濾波后，與車輛行駛狀態(tài)門限值相比較，來判斷車輛所處的狀態(tài)。系統(tǒng)經(jīng)過車輛狀態(tài)的測量，可判斷正碰，側(cè)碰，側(cè)翻等事故。如果發(fā)生事故，則通過近距離無線通信立即發(fā)送報警信號，實現(xiàn)對其他車輛的預(yù)警，同時本車通過LED、蜂鳴器等進行聲光報警及GPRS報警。當(dāng)車輛收到其他車輛發(fā)送來的報警信號時，立即會發(fā)出聲光報警，同時根據(jù)接收信息中的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)來決定是否作為中繼，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該報警信號。對于重復(fù)收到已經(jīng)接收過的轉(zhuǎn)發(fā)報警信息，系統(tǒng)將予以過濾，不做處理。由于信道共享，當(dāng)報警信號轉(zhuǎn)發(fā)過程中可能發(fā)生信道沖突，程序中采用了CSMA/CA機制，用來進行沖突避免。

系統(tǒng)的簡化軟件流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖Fig.3 Flow chart of system software

4 設(shè)計實現(xiàn)與測試

圖4為系統(tǒng)原型設(shè)計的實物圖，經(jīng)過軟硬件調(diào)試及實際測試，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛事故的檢測、對周圍車輛的預(yù)警及向公路管理部門的報告事故信息等功能。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計實物圖Fig.4 Implementation diagram of system design

由于不同類型的車輛因車輛重量、動力性能、操控性能等因素的不同，事故門限值參數(shù)也不盡相同。在限定的實驗條件下，筆者采用了最高時速在10 km/h、重量為4 kg的模型車對事故門限進行了相應(yīng)的測試，并確定軟件程序中事故檢測的門限值，目前系統(tǒng)可以準(zhǔn)確檢測出小車正碰、側(cè)碰、側(cè)翻和急速轉(zhuǎn)彎等危險情況。當(dāng)然對于實際的生產(chǎn)和應(yīng)用，事故門限值的測試還有待進一步完善。

系統(tǒng)的反應(yīng)時間是衡量一個預(yù)警系統(tǒng)有效性的重要參量，對于本系統(tǒng)的反應(yīng)時間，根據(jù)具體程序執(zhí)行過程估算，忽略電磁波傳輸時間，得到最大系統(tǒng)反應(yīng)時間為5 ms左右，即從前方汽車狀態(tài)超過事故門限值起，到后面車輛收到該報警信號并發(fā)出聲光報警的時間。一般車輛追尾碰撞時間約為0.2 s左右，相比系統(tǒng)反應(yīng)時間有很大的余量，因此系統(tǒng)可以實現(xiàn)事故的實時預(yù)警，為駕駛員提供盡可能多的反應(yīng)時間。

對于短距離無線通信預(yù)警，由于信道共享，當(dāng)兩輛汽車同時轉(zhuǎn)發(fā)報警信息時，就會發(fā)生信道沖突，因此系統(tǒng)引入了CSMA/CA（載波偵聽多路訪問/沖突避免）機制。對于該機制的測試過程如下：準(zhǔn)備一個事故源節(jié)點、一個驗證節(jié)點、三至四個中繼節(jié)點。將所有中繼節(jié)點放在源節(jié)點和驗證節(jié)點的中間同一位置，這樣當(dāng)源節(jié)點發(fā)送報警信息時，中繼節(jié)點會幾乎同時收到該報警信息并同時轉(zhuǎn)發(fā)該信息，在將驗證節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)通過串口傳到上位機，可以看到事故源節(jié)點地址及此跳的中繼節(jié)點地址。由于CSMA/CA機制的實現(xiàn)，在驗證節(jié)點每次都可以正常接收到經(jīng)過中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的源節(jié)點的報警信息。

另外，經(jīng)過測試，GPS定位及GSM通信報警均也可以正常實現(xiàn)，測定GPS定位精度在10 m以內(nèi)（參考谷歌地球坐標(biāo)），GSM的報警內(nèi)容包括事故的經(jīng)度、緯度、時間、日期及事故類型等。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)主要分為兩個方面：事故檢測部分和事故預(yù)警部分。攜帶本系統(tǒng)的車輛，在行駛中發(fā)生了追尾或側(cè)翻等事故時，系統(tǒng)能夠及時檢測出車輛事故，通過短距離無線通信和GPRS通信兩種方式發(fā)出報警信號。一方面使行駛在其后方的車輛及時收到報警信息，采取相應(yīng)措施，避免連環(huán)相撞事故的發(fā)生；另一方面通知交通管理部門，及時處理事故，疏散交通。本系統(tǒng)是一種新型多車聯(lián)合事故預(yù)警方案，融合了傳感技術(shù)、短距離無線通信、GPS技術(shù)、GPRS通信等，針對高速公路連環(huán)相撞事故有很好的預(yù)防效果，其功能滿足實際需求，具備可觀的市場前景，對于其應(yīng)用和推廣可以進一步加強。

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