基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路智能行車誘導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉丁貝 王丹 孟強(qiáng) 時(shí)恒心

摘 要：高速公路在氣候惡劣、夜間等能見度差的情況下容易發(fā)生較為嚴(yán)重的交通事故。針對(duì)高速公路交通事故頻發(fā)及現(xiàn)有技術(shù)落后的問題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，首先搭建高速公路智能行車誘導(dǎo)系統(tǒng)的體系架構(gòu)，明確系統(tǒng)中主要組成部分的功能;然后給出系統(tǒng)控制平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集方案，并設(shè)計(jì)系統(tǒng)在不同能見度條件下智能行車誘導(dǎo)系統(tǒng)的工作模式。設(shè)計(jì)的智能行車誘導(dǎo)系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以更及時(shí)、更精確、更全面地采集各類道路信息，結(jié)合云計(jì)算可以快速做出交通運(yùn)行決策，為物聯(lián)網(wǎng)在高速公路智能行車誘導(dǎo)系統(tǒng)上的應(yīng)用提供了一種具體的設(shè)計(jì)思路，能一定程度上推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通安全領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。

關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng);行車誘導(dǎo)系統(tǒng);GPRS;高速公路;云計(jì)算;交通安全

中圖分類號(hào)：TP277;U492文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）07-00-02

0 引 言

道路安全[1]是城市發(fā)展過程中的一個(gè)重要挑戰(zhàn)，特別是在高速公路環(huán)境下，由于車輛速度較快，易在夜間、大霧天氣發(fā)生較為嚴(yán)重的行車事故，危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全。目前，我國(guó)高速公路交通誘導(dǎo)主要使用的依然是傳統(tǒng)的誘導(dǎo)設(shè)施，包括突起路標(biāo)、閃爆燈、警示燈、輪廓標(biāo)等，智能化程度低，缺乏協(xié)作機(jī)制。由于無法對(duì)實(shí)時(shí)地交通信息進(jìn)行發(fā)布，所以傳統(tǒng)方法運(yùn)行效果相對(duì)較差[2]。物聯(lián)網(wǎng)[3]技術(shù)的發(fā)展為降低事故發(fā)生率提供了一種研究思路。通過整合云計(jì)算[4]、大數(shù)據(jù)[5]、機(jī)電設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)通信等多項(xiàng)技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)道路交通狀態(tài)的實(shí)時(shí)判定和交通數(shù)據(jù)的融合處理，進(jìn)而做出相應(yīng)的交通運(yùn)行決策。然而，當(dāng)前主要的交通誘導(dǎo)除了在進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)存在成本過高、維護(hù)不便的問題之外，系統(tǒng)整體對(duì)網(wǎng)絡(luò)配置要求較高，應(yīng)用場(chǎng)景受到限制[6]。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)誘導(dǎo)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程無線控制，提高誘導(dǎo)系統(tǒng)智能化程度，本文充分利用已經(jīng)較為成熟、覆蓋面較廣的蜂窩網(wǎng)絡(luò)[7]，構(gòu)建一種支持遠(yuǎn)程控制、提供豐富數(shù)據(jù)接口的智能行車誘導(dǎo)系統(tǒng)。通過在高速公路車道兩側(cè)部署誘導(dǎo)燈標(biāo)節(jié)點(diǎn)，為駕駛?cè)藛T實(shí)時(shí)提供當(dāng)前行車指引信息，同時(shí)，利用覆蓋面較大的蜂窩網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)上行/下行傳輸。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能行車誘導(dǎo)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要由4部分組成，由上至下分別是：智能控制平臺(tái)、協(xié)調(diào)器、誘導(dǎo)燈標(biāo)和傳輸網(wǎng)絡(luò)。其中，傳輸網(wǎng)絡(luò)可細(xì)分為兩部分，分別是控制平臺(tái)同協(xié)調(diào)器間的通信網(wǎng)絡(luò)和控制平臺(tái)同外部應(yīng)用間的通信網(wǎng)絡(luò)。

智能控制平臺(tái)包括控制端、服務(wù)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心。作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，控制端借助因特網(wǎng)為用戶提供數(shù)據(jù)接口，方便用戶實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制;同時(shí)，通過與服務(wù)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心相連接，控制端能夠?qū)τ缮现料?由下至上的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和存儲(chǔ);此外，借助蜂窩網(wǎng)絡(luò)，控制端能夠?qū)⒂脩裘畎l(fā)送至誘導(dǎo)燈標(biāo)節(jié)點(diǎn)，完成誘導(dǎo)燈標(biāo)顯示的變更和維護(hù)。

協(xié)調(diào)器作為路側(cè)基站，借助蜂窩網(wǎng)絡(luò)同控制平臺(tái)進(jìn)行通信，同時(shí)，還可對(duì)一定范圍內(nèi)的誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯總管理。從設(shè)備硬件角度看，由于需要支持GPRS調(diào)制解調(diào)[8]，協(xié)調(diào)器比誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)能耗稍大;從系統(tǒng)角色角度看，協(xié)調(diào)器在一定范圍內(nèi)的誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)頭節(jié)點(diǎn)的角色，控制平臺(tái)發(fā)送的控制命令經(jīng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)。此外，考慮到協(xié)調(diào)器的通信帶寬，為了防止協(xié)調(diào)器同誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁堵，本文摒棄常見的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9]，通過為節(jié)點(diǎn)分配

16 bit的地址信息，實(shí)現(xiàn)一種多跳的數(shù)據(jù)傳輸[10]。

誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)位于路段兩旁，配備LED發(fā)光單元。發(fā)光單元除了能夠強(qiáng)化道路輪廓，還可對(duì)車輛行駛行為進(jìn)行主動(dòng)誘導(dǎo)，并對(duì)追尾事故進(jìn)行警示。根據(jù)《中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》，裝在道路兩側(cè)的誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)可利用節(jié)點(diǎn)發(fā)出的紅、黃光信號(hào)幫助駕駛?cè)藛T判斷前方道路狀況（路寬、線性、邊界位置等）和前方車輛狀況（車速、車距、數(shù)量等），警示誘導(dǎo)車輛安全行駛。為此，系統(tǒng)中誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)中的每個(gè)LED單元均可發(fā)出紅、黃兩種顏色的燈光。另外，誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)支持太陽能和電池兩種供電方式。

考慮到覆蓋范圍，同時(shí)為了方便誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的部署，控制平臺(tái)與協(xié)調(diào)器間的通信網(wǎng)絡(luò)采用的是通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS），控制平臺(tái)與外部應(yīng)用間的通信網(wǎng)絡(luò)則使用因特網(wǎng)。這樣，對(duì)用戶而言，控制平臺(tái)與協(xié)調(diào)器間的通信連接可視為透明。

2 系統(tǒng)工作方式設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)智能行車誘導(dǎo)系統(tǒng)強(qiáng)化道路輪廓、誘導(dǎo)車輛行駛行為，并對(duì)突發(fā)事故進(jìn)行警示的目的，首先給出控制平臺(tái)需要采集的系統(tǒng)中誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，然后設(shè)計(jì)一種包含4種模式的誘導(dǎo)系統(tǒng)工作方式。

2.1 控制平臺(tái)數(shù)據(jù)采集方案

智能控制平臺(tái)通過向協(xié)調(diào)器發(fā)送命令改變誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的顯示狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)道路中行駛車輛的實(shí)時(shí)誘導(dǎo)。為此，需要對(duì)誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行采集。控制平臺(tái)采集的誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)信息如表1所示，其主要包括誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息和顯示狀態(tài)信息。關(guān)閉命令用于平臺(tái)對(duì)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程控制，行駛方向?qū)傩钥墒蛊脚_(tái)同時(shí)完成對(duì)不同行駛方向上車輛的控制和管理。

2.2 智能行車誘導(dǎo)系統(tǒng)工作方式

智能行車誘導(dǎo)系統(tǒng)通過設(shè)立4種工作模式，完成對(duì)高速公路交通運(yùn)行效率和安全等級(jí)的提升。運(yùn)行過程中，首先由配備光線采集模塊的誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)對(duì)路段能見度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后將此數(shù)據(jù)利用協(xié)調(diào)器上傳至控制中心，由控制中心對(duì)能見度等級(jí)進(jìn)行判定，并確定當(dāng)前路段應(yīng)進(jìn)行的模式改變或維持。4種工作模式分別是：

（1）安全模式。安全模式下，當(dāng)前路段能見度大于500 m，此時(shí)，控制平臺(tái)發(fā)送關(guān)閉控制命令，誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)關(guān)閉LED發(fā)光單元，系統(tǒng)低功耗運(yùn)行，不對(duì)交通參與者做出提示。

（2）道路輪廓強(qiáng)化模式。道路輪廓強(qiáng)化模式下，當(dāng)前路段能見度大于400 m，小于500 m，此時(shí)，誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)持續(xù)顯示黃色燈光，為駕駛?cè)藛T提供當(dāng)前路段的線性引導(dǎo)。通過強(qiáng)化道路的輪廓，輔助駕駛?cè)藛T在較差光線條件下完成安全駕駛。

（3）行車誘導(dǎo)模式。行車誘導(dǎo)模式下，當(dāng)前路段能見度大于200 m，小于400 m，此時(shí)，路段光照條件較差，誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)同步、持續(xù)以30次/min的頻率閃爍黃燈，在為駕駛?cè)藛T提供道路輪廓的同時(shí)，提示其降速行駛，保證行車安全。

（4）車距控制模式。車距控制模式下，當(dāng)前路段能見度小于200 m，此時(shí)，路段光照條件極差，有必要對(duì)道路上車輛間距進(jìn)行控制。這一模式包含兩種情形：當(dāng)前路段無車輛駛過，則誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)同步、持續(xù)以60次/min的頻率閃爍黃燈;當(dāng)前路段有車輛駛過，則該車后50 m距離內(nèi)的誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)均顯示紅色燈光，形成車輛尾跡。由誘導(dǎo)節(jié)點(diǎn)燈光形成的車輛尾跡沿車輛移動(dòng)方向同車輛一起移動(dòng)，同時(shí)警示后車避免駛?cè)胛槽E區(qū)域，防止發(fā)生追尾。車距控制模式下有車輛駛過時(shí)的車距控制方式如圖2所示。

3 結(jié) 語

本文首先構(gòu)建一種高速公路環(huán)境下智能行車誘導(dǎo)系統(tǒng)的體系架構(gòu)，明確系統(tǒng)中的主要組成，然后給出系統(tǒng)的工作方式，針對(duì)道路輪廓強(qiáng)化、行車誘導(dǎo)、車距控制問題進(jìn)行設(shè)計(jì)。未來將結(jié)合真實(shí)高速公路場(chǎng)景，對(duì)所述智能行車誘導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試。

參 考 文 獻(xiàn)

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