公路平交路口車輛警示系統(tǒng)設(shè)計

張喆

摘要：公路平交路口車輛警示系統(tǒng)可應(yīng)用于安全隱患突出、事故多發(fā)易發(fā)的鄉(xiāng)村道路與干線公路平面交叉口。當(dāng)干線公路車輛行經(jīng)接入路口時，該系統(tǒng)能夠?qū)︵l(xiāng)村道路上的車輛、行人通過燈光、文字、語音等方式進(jìn)行實(shí)時預(yù)警，并對干線公路上的車輛進(jìn)行車速檢測和警示，從而降低路口事故發(fā)生率。本文介紹了該系統(tǒng)的功能需求和設(shè)計原理。并從關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)功能模塊等方面詳細(xì)介紹了警示系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。對項(xiàng)目的實(shí)施具有指導(dǎo)意義。

Abstract： The vehicle warning system for highway level crossings can be applied to the intersection of rural roads and trunk roads with prominent safety hazards and multiple accidents. When the trunk road vehicles pass through the intersection， the system can provide real-time warning to the vehicles and pedestrians on the country roads through lights， words， voices， etc.， and detect and warn the vehicles on the main roads to reduce the intersection accidents incidence. This article describes the functional requirements and design principles of the system. The function of the warning system is introduced in detail from the aspects of key technologies and system function modules. It has guiding significance for the implementation of the project.

關(guān)鍵詞：交通安全;車輛警示系統(tǒng);實(shí)時預(yù)警;平交路口;測速雷達(dá);疲勞駕駛;太陽能供電

Key words： traffic safety;vehicle warning system;real-time warning;level crossing;speed-measuring radar;fatigue driving;solar power supply

0? 引言

隨著我國汽車保有量的飛速增長，公路建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，公路交通安全問題也越來越引起大家的關(guān)注。目前國內(nèi)公路平交路口交通狀況較為混亂，特別是在鄉(xiāng)村路段，問題比較特出：

①我國幅員遼闊，鄉(xiāng)村范圍廣，道路長，形成鄉(xiāng)村道路和干線公路平面交叉口眾多的現(xiàn)象。

②傳統(tǒng)的交通警示系統(tǒng)需要鋪設(shè)電纜，成本非常的高，因此這些平交路口不能充分安裝交通警示系統(tǒng)。

③這些平交路口往往成為事故易發(fā)多發(fā)地段。

因此開發(fā)太陽能供電的公路平交路口警示系統(tǒng)特別有意義。該系統(tǒng)能夠充分考慮鄉(xiāng)村道路的特點(diǎn)，通過燈光，文字，聲音等多種形式對路口100米到150米范圍內(nèi)來往車輛和行人進(jìn)行檢測并提醒。同時該系統(tǒng)安裝便捷，不需要鋪設(shè)電纜，彌補(bǔ)了鄉(xiāng)村不能大量鋪設(shè)電纜的缺點(diǎn)。

由于鄉(xiāng)村道路環(huán)境復(fù)雜，對電子系統(tǒng)提出了苛刻的要求。因此在系統(tǒng)的設(shè)計中要充分考慮環(huán)境溫度冷熱溫差、下雨爆曬、動物撕咬、鳥類駐留等很多影響因素。同時在室內(nèi)調(diào)試、室外安裝、室外調(diào)試中要考慮環(huán)境因素的影響，確保系統(tǒng)可靠穩(wěn)定地工作。

1? 平交路口面臨的交通安全問題分析

1.1 平交路口交通安全隱患

近年來，隨著我國道路建設(shè)步伐的加快，很多國道、省道都通到了邊遠(yuǎn)鄉(xiāng)村。在鄉(xiāng)村地區(qū)，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)民出行的需要，數(shù)不勝數(shù)的鄉(xiāng)間小道與國道、省道形成了許許多多的平交路口。特別是在穿村路段，沿線的每一條大小胡同幾乎都與主干道形成了平交路口。如果沒有道路交通安全設(shè)施，人、畜與過往車輛就會出現(xiàn)爭道搶行現(xiàn)象，不但影響了主干道的通行能力，而且交通安全隱患特別突出，極易發(fā)生交通事故。平交路口是交通事故的多發(fā)地之一，有的平交路口甚至還被當(dāng)?shù)厝罕姺Q之為“死亡路口”。

大量的平交路口，還嚴(yán)重影響了主干道的通行能力。

一般來說，城市道路的電子警察等交通安全設(shè)施都比較健全。但在近郊和農(nóng)村地區(qū)，因種種原因，道路交通安全設(shè)施嚴(yán)重缺乏。加之一些新修建的道路狀況較好、視野開闊，也易麻痹駕駛?cè)?，極易導(dǎo)致車輛超速行駛。雖然部分路口裝有黃閃警示燈，但由于一直處于頻率固定的閃爍狀態(tài)，警示效果不佳，也很容易引起駕駛員的視覺疲勞，忽視前方有路口，使得路口處事故發(fā)生率偏高。另外在穿越村鎮(zhèn)路段的平交路口，四角的房屋、樹木以及農(nóng)民堆放的草垛、雜物等也造成了一定視覺盲區(qū)，存在較大的交通事故隱患。

相關(guān)職能部門針對我國當(dāng)前公路平交路口的交通安全狀況，積極探索實(shí)踐平交路口的整治措施，但碰到很多具體問題。首先就是成本問題，為解決平交路口的安全問題，需要安裝交通信號燈，但成本較高，一個路口需幾十萬。如果路口沒有電網(wǎng)供電，僅解決供電問題就要花費(fèi)10萬以上，資金成本高居不下。另外一個問題是，村鎮(zhèn)副干道車流量很小，安裝交通信號燈又大大降低了主干道的通行能力。

雖然近郊和鄉(xiāng)村的平交路口裝有黃閃燈，但只對主干道的車輛進(jìn)行警示，預(yù)防交通事故的綜合效果欠佳。

1.2 解決方案探討

從當(dāng)前平交路口的實(shí)際需要來看，需在路口設(shè)置減速梗、減速帶等交通安全設(shè)施。在農(nóng)村路段，在副干道上設(shè)置減速設(shè)施。在城區(qū)的出入口增加減速、慢行、限速等標(biāo)志。從行車速度上控制好平交路口的交通秩序;在穿村路段，設(shè)置路口標(biāo)志。在重要的平交路口要設(shè)置黃閃燈、警示牌等交通安全設(shè)施，以提醒交通參與者安全通過路口。

針對穿越村鎮(zhèn)的平交路口事故多發(fā)的現(xiàn)狀，有必要安裝平交路口交通警示系統(tǒng)，分別對主干道和副干道車輛、非機(jī)動車及行人進(jìn)行安全警示，最大限度降低交通事故發(fā)生率。

考慮到一些平交路口供電不到位的實(shí)際情況，應(yīng)首選太陽能和風(fēng)能供電，解決路口安全警示設(shè)備的能源供應(yīng)，并能維持設(shè)備長時間工作。

同時，系統(tǒng)應(yīng)采用智能識別技術(shù)，根據(jù)主干道車流量和車速情況，計算出合理的警示時間周期。既起到安全警示作用，又盡量不影響主干道通行能力。

另外，設(shè)備應(yīng)具備遠(yuǎn)程通訊能力，采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，上報即時的車流量和車速數(shù)據(jù)，便于交警部門掌握各路口的實(shí)際交通狀態(tài)。通過加裝監(jiān)控攝像機(jī)，全程記錄交通狀態(tài)信息，一旦發(fā)生交通事故，可以通過監(jiān)控視頻回放，為交通事故處理提供必要的技術(shù)支持。

通過以上措施，用技術(shù)手段加強(qiáng)平交路口的安全警示，讓副干道機(jī)動車和非機(jī)動車及時了解前方路口交通狀況，提前采取預(yù)防措施，降低交通事故發(fā)生率，使副干道對主干道通行能力的影響降至最低。

2? 平交路口車輛警示系統(tǒng)配置

2.1 警示系統(tǒng)配置

如圖1所示，平交路口車輛警示系統(tǒng)一共由4套警示裝置構(gòu)成。在構(gòu)成平交路口的干線公路雙向、鄉(xiāng)村道路雙向共4個點(diǎn)各安裝一套警示裝置。其中干線公路上的警示裝置包括黃閃燈、車速警示屏、測速雷達(dá)、太陽能板及蓄電池;鄉(xiāng)村道路上的警示裝置包括文字警示屏、喇叭、太陽能板及蓄電池。

2.2 警示系統(tǒng)功能

主路口雙向各有一個測速雷達(dá)。當(dāng)主路方向來車時，相應(yīng)的測速雷達(dá)發(fā)出信號，對應(yīng)的主路口控制器接收到雷達(dá)輸出的信號，發(fā)出表示有車的無線信號并驅(qū)動主路口的黃閃燈閃亮來提醒來車方向駕駛?cè)藛T。同時主路口的車速顯示屏還能顯示當(dāng)前機(jī)動車的行駛速度。輔路口1，2收到無線信號，輔路口的文字警示屏顯示相應(yīng)文字警示信息、喇叭播放警示語音，持續(xù)12秒。

主路口通過GPRS/GSM模塊和網(wǎng)絡(luò)相連，可把雷達(dá)測到的車輛數(shù)量和速度上傳到服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析。

在配裝攝像機(jī)并連接入網(wǎng)絡(luò)的情況下，可遠(yuǎn)程監(jiān)控路面交通狀況。

所有主輔路口的電池電壓及充電電流情況、黃閃燈的工作狀況都可以通過無線傳輸?shù)街髀房?，同時通過網(wǎng)絡(luò)和短信可把主輔路口的工作狀況告知管理人員。

文字警示內(nèi)容和語音警示消息可遠(yuǎn)程設(shè)置，滿足人性化管理需求。

功能具體要求如下：

①當(dāng)雷達(dá)檢測到干線公路上有車輛駛近交叉路口時（干線公路上距路口雙向100-150米區(qū)域?yàn)槔走_(dá)探測區(qū)）：

干線公路上的黃閃燈開始閃爍，車速顯示屏顯示車輛時速，提醒干線公路上的駕駛員前方有路口，需謹(jǐn)慎駕駛、安全通行。

鄉(xiāng)村道路上的警示屏?xí)⒓达@示警示文字，交替閃爍，提醒行人、車輛注意避讓。顯示內(nèi)容根據(jù)干線公路上行駛車輛的情況自動切換：若相對觀察者左方有來車，顯示“左方來車”/“?！?相對觀察者右方有來車，顯示“右方來車”/“?！?若雙向都有來車，顯示“雙向有車”/“?！薄?/p>

②當(dāng)連續(xù)15秒時間內(nèi)無車輛駛?cè)敫删€公路上的雷達(dá)探測區(qū)內(nèi)，鄉(xiāng)村道路上的警示屏顯示內(nèi)容變?yōu)椤皽p速慢行”和“停”交替閃爍，提醒行人、車輛注意觀察路況，謹(jǐn)慎通行。

③鄉(xiāng)村道路上的喇叭可以播放語音報警，警示屏同步工作，可以遠(yuǎn)程控制喇叭開關(guān)時間段和設(shè)置音量。

④選配功能：該系統(tǒng)能監(jiān)控主干道車流量和車輛行駛速度等信息，通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器。

3? 關(guān)鍵技術(shù)及運(yùn)用

平交路口警示系統(tǒng)以我國道路交通通暢工程和預(yù)防事故兩個迫切需要為基礎(chǔ)，以物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、雷達(dá)測速、新能源和移動互聯(lián)網(wǎng)+等前衛(wèi)技術(shù)，構(gòu)筑平交路口安全警示和管理系統(tǒng)，來提升平交路口的安全，確保交通暢通。本項(xiàng)目運(yùn)用了多項(xiàng)國內(nèi)領(lǐng)先水平的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 無線通訊

平交路口四個方向的設(shè)備通過無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，大大降低了電纜鋪設(shè)和施工安裝難度，也減少了對路面的破壞。

主干道兩個方向各采用一個測速雷達(dá)對路面車輛進(jìn)行監(jiān)測，包括車速，并根據(jù)車速情況確定安全預(yù)警開始時間和結(jié)束時間。

整個系統(tǒng)由兩套主干道設(shè)備和兩套副干道設(shè)備構(gòu)成，這四套設(shè)備通過433MHz無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。其中一套主干道設(shè)備實(shí)現(xiàn)管理和協(xié)調(diào)的功能，一方面指揮其他三套設(shè)備的正常工作和故障信息搜集，另一方面，它還要通過GPRS或3G通訊模塊短信和遠(yuǎn)端的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，上傳平交路口車流量信息和設(shè)備狀態(tài)信息，并接收來自遠(yuǎn)端服務(wù)器的控制指令。

該無線通訊安全穩(wěn)定，技術(shù)組網(wǎng)方便，抗干擾能力強(qiáng)，調(diào)試簡單，維護(hù)方便。

3.2 互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器架設(shè)和軟件開發(fā)

通過引入互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，采集的交通流數(shù)據(jù)實(shí)時上傳到服務(wù)器。實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和平交路口安全警示設(shè)備的互聯(lián)互通，為大數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)。

隨著國內(nèi)平交路口系統(tǒng)安裝量不斷增加，這些數(shù)據(jù)對交警部門來說有著較高的分析和決策意義，數(shù)據(jù)的價值也隨之提高。當(dāng)數(shù)據(jù)量足夠多時，大數(shù)據(jù)分析也成為可能。

3.3 多種警示及控制技術(shù)

為了最大限度方便交警使用該產(chǎn)品，本項(xiàng)目設(shè)計了多種黃閃頻率控制技術(shù)、車速實(shí)時顯示、文字標(biāo)語提示、語音提示、手機(jī)短信控制和網(wǎng)絡(luò)控制功能，以滿足交警在各種情況下的使用要求。

3.4 電源管理

系統(tǒng)要求在無法充電的天氣條件下，電池連續(xù)工作時間超過144小時。這對電源系統(tǒng)的設(shè)計是一大考驗(yàn)。為了便于安裝和使用，系統(tǒng)要求較小的體積，導(dǎo)致電池體積相應(yīng)縮小。這就需要在系統(tǒng)設(shè)計中尋找平衡點(diǎn)，對設(shè)備功耗進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計。

系統(tǒng)還配備了光亮度傳感器，能根據(jù)使用場合的實(shí)際戶外光亮度，自動調(diào)節(jié)LED顯示屏的工作電流，以智能化方式降低系統(tǒng)功耗。

3.5 抗惡劣環(huán)境

傳統(tǒng)的路口信號燈系統(tǒng)安裝需要開挖路面、頂桿穿越馬路、布線等復(fù)雜工作，還需要解決供電問題，成本高昂。所以，村鎮(zhèn)平交路口地段不可能大量安裝傳統(tǒng)信號燈。

平交路口警示系統(tǒng)不需要鋪設(shè)電纜，采用太陽能解決供電問題。但由于產(chǎn)品在野外使用，防水設(shè)計至關(guān)重要。我國幅員遼闊，各地溫差極大，既有嚴(yán)寒也有酷暑。由于設(shè)備長期放置燈桿上，因此對產(chǎn)品的可靠性提出了很高的要求。

4? 系統(tǒng)功能模塊及實(shí)現(xiàn)

平交路口車輛警示系統(tǒng)電氣部分有主干道和副干道之分。兩者的控制模塊比較相近。主要有三部分組成：

電源：負(fù)責(zé)太陽能對蓄電池的充電，以及對整個控制系統(tǒng)的供電控制。是整個系統(tǒng)穩(wěn)定工作的有效保障。

主控：對周圍設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理控制。負(fù)責(zé)測速信號接收，警示信號輸出（黃閃燈，車速提示牌，文字警示屏，喇叭等）。

通訊：完成與其他三個干道以及和主服務(wù)器的通信。

4.1 電源板

電源板在平交路口車輛警示系統(tǒng)中對電源進(jìn)行管理。

系統(tǒng)要求在無法充電的天氣條件下，電池連續(xù)工作時間超過144小時。因此整個設(shè)計采用了低功耗模式，自動調(diào)節(jié)LED顯示屏的工作電流，以智能化方式降低系統(tǒng)功耗。

主芯片采用瑞薩的MCU。

其具有較低的消耗電流（CPU：66μA/ MHz，待機(jī)（STOP）：230 nA）和43.2 DMIPS（32 MHz）的高性能模式。

同時它還有片內(nèi)振蕩器，數(shù)據(jù)閃存，A/D轉(zhuǎn)換器等。內(nèi)置安全功能（檢測硬件非法操作的功能），使其能夠高效穩(wěn)定運(yùn)行。從而實(shí)現(xiàn)了充放電的智能控制：具有過充、過放、電子短路、過載保護(hù)、獨(dú)特的防反接保護(hù)等全自動控制。

電源板采用了具有MPPT功能的高效充電電路，所有控制邏輯單元全部采用工業(yè)級芯片，能在寒冷、高溫、潮濕環(huán)境運(yùn)行自如。

原理圖如圖2所示。

4.2 主控板

主控板是平交路口車輛警示系統(tǒng)的核心。主控板電路包括電源輸入、MCU、GSM模塊、雷達(dá)測速模塊等。完整的電路原理圖見圖3。下面主要介紹一下這些模塊的功能設(shè)計。

4.2.1 MCU微控制器

本設(shè)計采用ST公司的STM32F103C8芯片，這是一款集成度小、體積小、高性能、低功耗的32位ARM微處理器，為RISC指令結(jié)構(gòu)，指令豐富，運(yùn)行效率高。

該芯片具有64k閃存存儲器，容量足以滿足編程需要，它具備三種低功耗模式，能支持設(shè)備在陰雨天連續(xù)工作6天。

該芯片有37個GPIO，可以滿足輸入輸出信號的要求，16路12位ADC口可以滿足控制器溫度檢測的要求，2路SPI接口，可以完成對433無線通信模塊的操作，3路UART接口，可以實(shí)現(xiàn)對GSM模塊的透傳，還有2路IIC接口。該芯片還有2個看門狗定時器，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)硬件錯誤時，可以復(fù)位使芯片重新工作，防止系統(tǒng)崩潰。

該芯片屬于工業(yè)級芯片，工作溫度范圍-40℃至85℃。芯片具有較強(qiáng)的抗干擾能力，足以應(yīng)對各種惡劣的使用環(huán)境。該芯片的詳細(xì)資料可以從ST公司提供的用戶手冊上查找，本文不做詳述。

4.2.2 GSM模塊

GSM模塊供電電路原理如圖4所示。

MCU通過IO口控制PMOS，從而可以控制GSM模塊整個供電情況，實(shí)現(xiàn)低功耗模式。

MCU通過UART2串口與GSM模塊通信。MCU使用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令來控制GSM模塊，實(shí)現(xiàn)透傳功能。通信波特率為115200bps，通過發(fā)送短信，GPRS撥號上網(wǎng)等手段，和遠(yuǎn)端的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。上傳平交路口車流量、平均車速和設(shè)備狀態(tài)信息。同時還要接收來自遠(yuǎn)端服務(wù)器的控制指令，控制警示喇叭的音量、顯示屏的顯示內(nèi)容等。

4.2.3 雷達(dá)測速

用一部測速精度和觸發(fā)精度高的雷達(dá)就可以覆蓋干路上多個車道。當(dāng)雷達(dá)測速儀測量機(jī)動車時速時，MCU可以通過UART3串口來讀取雷達(dá)所測的車輛車速數(shù)據(jù)，并通過UART1串口控制顯示屏顯示當(dāng)前車輛的車速。

4.3 通訊：無線通信RF4432模塊

433無線通訊采用RF4432無線模塊。原理圖如圖6所示。

整個系統(tǒng)由兩套主干道設(shè)備和兩套副干道設(shè)備構(gòu)成，這四套設(shè)備通過433MHz無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。其中一套主干道設(shè)備實(shí)現(xiàn)管理和協(xié)調(diào)的功能，一方面指揮其他三套設(shè)備的正常工作，另一方面進(jìn)行故障信息的搜集。

RF4432模塊采用的是Silicon Lab Si4432器件。這是一款高度集成的無線ISM頻段收發(fā)芯片。極低的接收靈敏度（-121dBm），再加上業(yè)界領(lǐng)先的+20dBm的輸出功率保證較大工作范圍和提高鏈路性能。同時內(nèi)置天線多樣性和對跳頻支持可以進(jìn)一步擴(kuò)大范圍，提高性能。

RF4432模塊是MCU通過SPI方式進(jìn)行配置的，配置參數(shù)主要包括載波頻率、調(diào)制方式、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、CRC 校驗(yàn)、前導(dǎo)碼、同步字、數(shù)據(jù)頭、地址等，具體可參考RF4432 Register Settings_RevV-v16寄存器配置工具進(jìn)行。

5? 結(jié)語

本系統(tǒng)的設(shè)計綜合應(yīng)用了多項(xiàng)技術(shù)，如太陽能供電，無線通訊，互聯(lián)網(wǎng)+，雷達(dá)測速，多種警示輸出技術(shù)等。同時在系統(tǒng)安裝時注意路口地理情況，確保安裝到位。

本設(shè)計已經(jīng)形成產(chǎn)品并投入運(yùn)行，在使用期間受到相關(guān)單位的好評。

平交路口警示系統(tǒng)的廣泛推廣能夠?yàn)槲覀冟l(xiāng)村道路的建設(shè)做一份貢獻(xiàn)。能夠發(fā)揮安全、便捷的作用，對鄉(xiāng)村交通網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展有深刻的意義。

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