基于ZigBee的高速公路霧區(qū)主動(dòng)誘導(dǎo)系統(tǒng)研究

趙宏偉

（山西省交通科學(xué)研究院 山西省公路智能監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030006）

0 引言

濃霧對(duì)高速公路行車(chē)安全構(gòu)成的危害給人們生命財(cái)產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)重大損失。目前我國(guó)對(duì)濃霧天氣采取的預(yù)防措施較為被動(dòng)，主要是限制進(jìn)入高速公路的車(chē)輛通行，以增加車(chē)輛之間的距離，減少事故的發(fā)生。這種方法的缺點(diǎn)是不能全線控制車(chē)輛，無(wú)法顯示前方車(chē)輛的距離，只能依靠司機(jī)來(lái)估計(jì)距離前方車(chē)輛的距離。雖然在入口處拉大車(chē)距，但隨著時(shí)間的推移，由于各車(chē)車(chē)速不一致，極易造成車(chē)輛追尾事故發(fā)生。另外，在能見(jiàn)度低于50 m時(shí)，采取封道的措施，將導(dǎo)致車(chē)輛改道，增加國(guó)省道路壓力，導(dǎo)致地方道路擁堵[1]。

同時(shí)，由于高速公路的通行能力大大降低，使得建設(shè)成本較高的高速公路無(wú)法達(dá)到預(yù)期效益。與此同時(shí)，收費(fèi)廣場(chǎng)和路邊停放的大量車(chē)輛，不僅給收費(fèi)站和道路的安全管理帶來(lái)巨大壓力，而且也會(huì)帶來(lái)一定的社會(huì)負(fù)面影響。

根據(jù)調(diào)查，我國(guó)的相關(guān)科研院所一直在研究公路霧區(qū)的交通誘導(dǎo)和監(jiān)測(cè)預(yù)警的研究。目前的解決方案是在道路兩側(cè)每隔一定距離設(shè)置帶有黃色LED誘導(dǎo)燈的被動(dòng)式誘導(dǎo)裝置。車(chē)輛駛?cè)腱F區(qū)以后，雖然可以有效地提示司機(jī)進(jìn)入霧區(qū)，提醒司機(jī)提高警惕，但是由于濃霧影響造成的低能見(jiàn)度，使得司機(jī)無(wú)法估計(jì)前方車(chē)輛的距離，盲目跟進(jìn)很容易造成車(chē)輛追尾事故發(fā)生。

霧區(qū)主動(dòng)誘導(dǎo)系統(tǒng)采用分布式控制技術(shù)對(duì)交通和道路氣象環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，以入侵探測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)自動(dòng)識(shí)別駛?cè)腱F區(qū)檢測(cè)范圍的車(chē)輛，實(shí)現(xiàn)低能見(jiàn)度環(huán)境下的道路智能引導(dǎo)、動(dòng)態(tài)尾跡跟蹤預(yù)警等功能，可以降低交通事故的發(fā)生率。

1 系統(tǒng)組成

高速公路霧區(qū)主動(dòng)誘導(dǎo)系統(tǒng)是由多種監(jiān)控設(shè)備、技術(shù)和控制軟件構(gòu)成。一般采取動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)探測(cè)器對(duì)駛?cè)腱F區(qū)的車(chē)輛作為移動(dòng)物體進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，控制道路兩側(cè)輪廓指示標(biāo)，對(duì)處于霧區(qū)行駛的車(chē)輛實(shí)行誘導(dǎo)，從而保障在不封道的情況下車(chē)輛正常行駛。

高速公路霧區(qū)主動(dòng)誘導(dǎo)系統(tǒng)分為氣象環(huán)境檢測(cè)子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、車(chē)輛檢測(cè)子系統(tǒng)、控制中心子系統(tǒng)、信息發(fā)布5套子系統(tǒng)和1套綜合監(jiān)控軟件。高速公路霧區(qū)主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 高速公路霧區(qū)主動(dòng)誘導(dǎo)系統(tǒng)

其中，氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠精確、及時(shí)地監(jiān)測(cè)道路環(huán)境狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)大霧的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)為管理員提供現(xiàn)場(chǎng)車(chē)輛行駛情況和霧區(qū)道路交通狀況的實(shí)時(shí)圖像信息，對(duì)發(fā)生異常狀況的區(qū)域?qū)嵤┮曨l監(jiān)控，并且能夠與車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合。控制中心根據(jù)接收到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)選擇合適的控制策略，選擇不同的管理方案，開(kāi)啟現(xiàn)場(chǎng)引導(dǎo)系統(tǒng)，并通過(guò)一些多功能輪廓指示標(biāo)發(fā)布動(dòng)態(tài)預(yù)警信息給司機(jī)，提供本車(chē)或前方車(chē)輛的通行信息，提醒司機(jī)減速慢行，進(jìn)而有效避免霧區(qū)追尾事故。

2 基于ZigBee的霧區(qū)主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)

2.1 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗、低成本的無(wú)線通訊技術(shù)。每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立子節(jié)點(diǎn)無(wú)線連接。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以支持最多31個(gè)傳感器和受控設(shè)備，每個(gè)傳感器和受控設(shè)備可以有8種不同的接口方式，可以采集和傳輸數(shù)字量和模擬量。整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)不僅可以“無(wú)限”擴(kuò)展開(kāi)來(lái)，而且還可以與現(xiàn)有的其他各種網(wǎng)絡(luò)連接[2]。因此ZigBee技術(shù)是未來(lái)近距離通信技術(shù)的發(fā)展方向。

2.2 基于ZigBee的主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用靜態(tài)樹(shù)狀組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在道路兩側(cè)均勻鋪設(shè)振動(dòng)傳感器、磁傳感器等作為樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)的終端葉子節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)接受葉子節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)和通過(guò)傳感器采集監(jiān)測(cè)到的車(chē)輛信息，然后將監(jiān)測(cè)到的信息通過(guò)無(wú)線信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送到臨近的路由器節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器上。協(xié)調(diào)器為全功能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，具備協(xié)調(diào)器的能力，主要作用是組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、接受路由節(jié)點(diǎn)和葉子節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)[3]，接收路由節(jié)點(diǎn)和葉子節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將收集到的信息通過(guò)打包處理，采用GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸?shù)娇刂浦行牡男盘?hào)處理主機(jī)，最終完成整個(gè)系統(tǒng)的信息采集。組網(wǎng)方式如圖2所示。

2.3 車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車(chē)輛檢測(cè)子系統(tǒng)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的主動(dòng)誘導(dǎo)系統(tǒng)的核心，承擔(dān)數(shù)據(jù)采集的主要工作。工作過(guò)程如下：終端節(jié)點(diǎn)采集檢測(cè)范圍內(nèi)的地球磁場(chǎng)擾動(dòng)信號(hào)，并實(shí)時(shí)處理，得到車(chē)輛信息。然后將車(chē)輛的狀態(tài)、時(shí)間值等信息通過(guò)無(wú)線通訊的方式發(fā)送給信號(hào)處理主機(jī)。信號(hào)處理主機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算接收到的終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的車(chē)輛信息后，將這些信息結(jié)合控制中心發(fā)來(lái)的控制策略，為整個(gè)系統(tǒng)調(diào)整相應(yīng)的控制策略提供依據(jù)。信號(hào)傳輸流程如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)的靜態(tài)組網(wǎng)方式

圖3 車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)傳輸流程示意圖

車(chē)輛的鐵物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致磁傳感器的磁場(chǎng)變化，傳感器內(nèi)的磁場(chǎng)變化經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換最終以電壓值的形式顯示出來(lái)。因此，我們可以通過(guò)檢測(cè)磁傳感器輸出的電壓波形來(lái)判斷車(chē)輛的行駛方向。

當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入磁傳感器的磁場(chǎng)檢測(cè)區(qū)域時(shí)，磁力線受到車(chē)輛的鐵磁物質(zhì)的影響，從偏向車(chē)輛的一側(cè)檢測(cè)到一個(gè)較弱的磁場(chǎng)，隨著車(chē)輛的靠近，磁場(chǎng)越來(lái)越強(qiáng)，輸出的電壓值由偏向負(fù)方向，恢復(fù)并偏向正方向；當(dāng)車(chē)輛沿著相反方向行駛時(shí)情況與此相反[4]。

通過(guò)磁阻傳感器可以很方便地測(cè)算出車(chē)輛速度，具體實(shí)施如下：在道路兩側(cè)安裝兩個(gè)磁阻傳感器節(jié)點(diǎn)1和2，相互距離為L(zhǎng)，采樣周期時(shí)間同步。為了保證兩個(gè)磁阻傳感器對(duì)車(chē)輛的感測(cè)是相同的，兩個(gè)磁阻傳感器的磁軸方向與車(chē)輛的行駛方向一致，車(chē)輛行駛過(guò)距離路程所需的時(shí)間，就是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)感測(cè)到的車(chē)輛信息的時(shí)間差，因此可通過(guò)車(chē)輛行駛所需的時(shí)間和車(chē)輛駛過(guò)路程，并根據(jù)一定的算法測(cè)算出車(chē)輛的行駛速度。

2.4 上位機(jī)軟件及控制策略設(shè)計(jì)

終端傳感器節(jié)點(diǎn)作為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備，確保數(shù)據(jù)的可靠性和有效性，然后根據(jù)采集的波形曲線選擇合適的算法從中提取出車(chē)輛狀態(tài)信息。將這些參數(shù)信息與控制中心預(yù)先設(shè)定的控制策略相比較，發(fā)出保持車(chē)距、超速警報(bào)等控制信號(hào)，系統(tǒng)軟件功能如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件功能圖

終端傳感器節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后通過(guò)ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到信號(hào)處理主機(jī)。經(jīng)過(guò)一定的濾除雜波和消除雜音處理后，將接收到的數(shù)據(jù)包拆解，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別處理，并提取有用信息。信號(hào)處理流程如圖5所示。

圖5 信號(hào)處理流程

上位機(jī)軟件平臺(tái)根據(jù)數(shù)據(jù)和判斷結(jié)果進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控，通過(guò)設(shè)置控制策略和控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)定制化控制，控制策略如下:

a）誘導(dǎo)模式 適用于天氣晴朗、能見(jiàn)度在200～500 m的環(huán)境下，主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)標(biāo)志（黃燈）按中等頻率同步閃爍。

b）預(yù)警模式 適用于霧/雨/雪天氣、能見(jiàn)度在100～200 m的環(huán)境，主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)標(biāo)志（黃燈）按高頻率同步閃爍提供行車(chē)主動(dòng)誘導(dǎo)。

c）霧霾模式 適用于霧霾天氣、能見(jiàn)度在50～100 m的環(huán)境，主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)標(biāo)志（黃燈）按高頻率最高亮度透霧同步閃爍提供行車(chē)主動(dòng)誘導(dǎo)，當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)后，其后面3組（默認(rèn)）預(yù)警燈（紅燈）也按高頻率最高亮度透霧同步閃爍，給后面車(chē)輛提供前方有車(chē)信號(hào)，使其保持車(chē)輛的安全行車(chē)間距，減少追尾事故發(fā)生[5]。

3 結(jié)論

本文簡(jiǎn)要闡述了基于ZigBee的霧區(qū)主動(dòng)發(fā)光誘導(dǎo)系統(tǒng)的組網(wǎng)方式，在此基礎(chǔ)上介紹了車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)，包括車(chē)輛行駛方向的判別檢測(cè)和車(chē)速估計(jì)方法，并對(duì)上位機(jī)軟件系統(tǒng)的系統(tǒng)功能和信號(hào)處理流程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，最后提出了霧區(qū)主動(dòng)誘導(dǎo)系統(tǒng)的控制策略。應(yīng)用效果表明，本系統(tǒng)可有效降低交通事故的發(fā)生率，保障大霧天氣下的行車(chē)安全。