基于BDS的高速公路霧區(qū)智能誘導系統(tǒng)

李政興

（山西路橋建設集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

由于自然狀況以及地理條件的不同，高速公路很多路段偶有濃霧出現(xiàn)，造成路面能見度低，極易帶來重大交通事故，給生命財產帶來重大損失。大霧到來時，路面能見度降低，有時連道路的輪廓也難以看清。此時，高速公路管理部門通常可以采取交通管制措施來限制車輛通行或者進行路段封閉，因此造成的經濟損失以及社會影響難以估算。在交通管制前已進入高速公路的車輛仍存在著較大的安全隱患。此外團霧的發(fā)生更是令人防不勝防。因此，高速公路智能霧區(qū)誘導系統(tǒng)的應用成為高速公路主管部門、系統(tǒng)集成商以及設備廠商的研究熱點。

目前我國高速公路應用了多種高速公路霧區(qū)誘導系統(tǒng)，但它們有一個問題，即由于通常的霧區(qū)面積較大，高速公路兩側的霧燈數(shù)量多，霧燈閃爍頻率雖一致，但做到同步很困難，導致駕駛員眼花繚亂，混淆駕駛員的視界，使駕駛員眼睛疲勞，隱藏著危險。

北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)的高速公路霧區(qū)智能誘導系統(tǒng)[1]，針對霧燈閃爍的同步問題，將其單向授時模塊作為系統(tǒng)的時間基準。

1 系統(tǒng)組成

高速公路霧區(qū)智能誘導系統(tǒng)包含雨霧冰雪傳感器，用以檢測雨霧冰雪等惡劣天氣狀況，在能見度不好或惡劣天氣狀況出現(xiàn)時，霧區(qū)誘導系統(tǒng)會自動啟動，此后前方的信息發(fā)布屏會對來車駕駛員發(fā)布信息“前方有霧，謹慎駕駛”以提示駕駛員。同時在高速公路兩側的護欄板上，間隔15 m安裝的黃色誘導燈會按預設的頻率發(fā)光閃爍，把道路的輪廓以及走向清晰地顯示出來，保證駕駛員對道路的識別，保障行車安全。

高速公路霧區(qū)智能誘導系統(tǒng)包括霧區(qū)誘導燈控制器、信息發(fā)布屏、LED誘導燈以及安裝在監(jiān)控室內的控制軟件和控制計算機，如圖1所示。

圖1 1 km高速公路霧區(qū)智能誘導系統(tǒng)圖

1 km的長度作為霧區(qū)智能誘導系統(tǒng)的最小單元。每個單元由4個霧區(qū)誘導燈控制器和雙向共4條誘導燈帶組成，其中誘導燈控制器由太陽能供電，每條誘導燈帶含71盞誘導燈，燈燈間距為15 m，誘導燈帶總長度為1 050 m。誘導燈由誘導燈控制器供電，誘導燈控制器對誘導燈進行控制以對所有誘導燈進行開關操作及頻閃同步。誘導燈控制器位于每條誘導燈帶的中間，根據霧區(qū)范圍大小可以進行多個單元的拼接。在霧區(qū)前方1～2 km處配備有一塊信息發(fā)布屏，用來在車輛進入前對駕駛員進行提示。

霧區(qū)智能誘導系統(tǒng)里的信息發(fā)布屏以及多個誘導燈控制器之間的距離不超過2 km。它們之間通過無線傳輸方式進行信息傳遞，與監(jiān)控室里上位機的信息傳遞則是通過GPRS實現(xiàn)。在霧區(qū)誘導系統(tǒng)里，每個誘導燈控制器以及信息發(fā)布屏內均包含1個無線傳輸模塊，而GPRS模塊以及雨霧冰雪傳感器整個系統(tǒng)只需設置一套即可。

高速公路外場設備供電[2]是一直以來的施工難點，該系統(tǒng)選用太陽能供電系統(tǒng)進行集中供電，在附近選取太陽能資源較好的地方建造小型太陽能供電系統(tǒng)，也可以采用遠程直流供電方式由就近的收費站或服務區(qū)提供交流220 V電源，并根據當?shù)氐娜照諘r間來計算太陽能電池板的面積以及蓄電池的容量。

2 霧區(qū)誘導燈

霧區(qū)誘導燈外徑82 mm，中心凸起，與平面呈5°角，可增大駕駛員視角。誘導燈由19支φ5黃色發(fā)光二極管組成，按1/4的占空比驅動約需0.4 W的功率。誘導燈的總亮度達到了285～380 CD，壽命可達70 000 h以上。LED誘導燈的外殼采用高強度的ABS工程塑料，通過安裝卡板直接插到護欄板，在安裝卡板下邊有2個防盜銷釘。該誘導燈施工簡單，安裝方便。

3 霧區(qū)誘導燈控制器

霧區(qū)誘導燈控制器[3]由北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)、LED誘導燈驅動模塊、微處理器系統(tǒng)、雨霧冰雪傳感器模塊以及光電感器模塊、遠距離無線傳輸系統(tǒng)和太陽能供電模塊等組成。

微處理器系統(tǒng)采用了STM32F107微處理器，STM32F107微處理器基于ARM Cortex—M3內核，具有較低成本、較高性能、較低能耗的優(yōu)點。它包含10個定時器、2個12位AD（模數(shù)轉換器）、2個12位數(shù)模轉換器、2個12C接口、5個USART接口、3個SPI端口以及數(shù)字音頻接口 IIS。另外，STM32F107擁有全速 USB（OTG）接口，兩路CAN2.0B接口，以及以太網10／100MAC模塊。光電傳感器用來接收亮度信息，雨霧冰雪傳感器用來接收氣象信息。當檢測到亮度不夠或雨霧冰雪等天氣時，由微處理器控制驅動點亮LED誘導燈，并具體確定其閃爍頻率。北斗一號衛(wèi)星發(fā)出時鐘脈沖信號給北斗衛(wèi)星授時模塊用來校正霧區(qū)誘導燈控制器中微處理器的時鐘，確保全部霧區(qū)誘導燈控制器的時間同步，保證所有的誘導燈能夠進行同步閃爍。

整個系統(tǒng)[4-5]根據霧區(qū)范圍的實際情況包含1、2個雨霧冰雪傳感器。每個誘導燈控制器里均需包含1個北斗衛(wèi)星授時模塊。每個誘導燈控制器應包含1個無線傳輸模塊來實現(xiàn)控制器之間的信息傳遞?？刂破鞯脑砜驁D見圖2。

圖2 霧區(qū)誘導系統(tǒng)控制器原理框圖

4 信息發(fā)布屏

在霧區(qū)前方1～2 km處設置1塊信息發(fā)布屏。信息發(fā)布屏每面4個字，分辨率為32（寬）×32（高），點間距為20 ram，顯示區(qū)域為960 mm（寬）×1 280 mm（高），亮度大于 5 000 cd／m2，最遠視距大于200 m，采用雙面雙色顯示。每塊信息屏配置1個GPRS模塊以及1個遠距離無線傳輸模塊。信息發(fā)布屏同樣也可以視情況在市電供電或太陽能供電中選擇一種合適的供電方式。

5 結語

中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）由空間段、地面段和用戶段3部分組成，其中空間段包括北斗定位衛(wèi)星，地面段指地面控制中心為主的地面部分，用戶段指北斗用戶終端?？稍谌蚍秶鷥热旌?、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具短報文通信能力，已經初步具備區(qū)域導航、定位和授時能力，定位精度10 m，測速精度 0.2 m/s，授時精度10 ns，其定位精度與GPS相當，和已有的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)一起，發(fā)揮“雙保險”作用。北斗一號系統(tǒng)的基本功能包括：定位、通信（短消息）和授時。

綜合考慮功耗、體積、成本等因素，本系統(tǒng)中每個控制器負責驅動71個誘導燈，按相鄰誘導燈間距15 m計算，全長約1 km。控制器的數(shù)量可根據霧區(qū)范圍增大而增加。傳統(tǒng)方法在眾多誘導燈的同步頻閃上無能為力，采用北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的授時系統(tǒng)，可解決這一問題。該方案是一個操作簡單、成本低廉的較好的技術方案。