基于北斗衛(wèi)星的狹窄路段交通擁堵智能控制系統(tǒng)設(shè)計

張 磊

(西安交通工程學院，西安 710300)

0 引言

我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，加快了城市化建設(shè)的步伐。城市交通在城市建設(shè)及人民的生活水平中起著至關(guān)重要的作用。由于城市內(nèi)道路的建設(shè)難以跟上車輛急劇增加的速度，車輛的增長數(shù)量遠遠超出了道路的增長數(shù)量，導致城市交通擁堵的問題逐漸凸顯出來[1]。產(chǎn)生交通擁堵的原因有很多，如：汽車數(shù)量的增長過快、城市內(nèi)交通系統(tǒng)不夠發(fā)達、外來人口的不斷增加、駕駛?cè)藛T的安全意識缺乏、道路資源的占用比例較低、狹窄路段過多等。大量數(shù)據(jù)表明，我國首都每天由于交通擁堵問題所帶來的經(jīng)濟損失高達上千萬元，在一些發(fā)達國家同樣面臨著交通擁堵的問題，美國每年因交通擁堵問題有著高達500多億美元的損失，英國因交通擁堵問題所造成的損失高達每年總GDP的2%左右，而這些交通擁堵問題在狹窄路段表現(xiàn)尤為嚴重[2]。在2016年，全國兩會中曾提出過交通擁堵的問題，要求采取針對性措施解決交通擁堵問題，把交通擁堵問題放在城市建設(shè)中的重要位置，提升人們的出行質(zhì)量，同時也改善了城市內(nèi)交通運行環(huán)境[3]。

綜上所述，本文針對城市內(nèi)狹窄路段交通擁堵問題，提出了基于北斗星的狹窄路段交通擁堵智能控制系統(tǒng)，通過利用我國北斗導航定位系統(tǒng)對城市內(nèi)狹窄路段的車流量和信號數(shù)據(jù)進行分析和調(diào)理，從而改善狹窄路段交通擁堵問題[4]。本文將建立北斗衛(wèi)星導航控制系統(tǒng)，通過北斗衛(wèi)星的基本理論、硬件設(shè)備、應(yīng)用程序，研究并提出北斗衛(wèi)星在狹窄路段交通擁堵方面的控制系統(tǒng)，使硬件設(shè)備與應(yīng)用程序相結(jié)合，以較高精度的定位以及大量的實時數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，解決狹窄道路交通擁堵問題。

1 基于北斗衛(wèi)星的狹窄路段交通擁堵智能控制硬件設(shè)計

本文提出的基于北斗星的狹窄路段交通擁堵智能控制系統(tǒng)，在穩(wěn)定運行的工作過程中，需要依靠性能穩(wěn)定的硬件設(shè)備來支撐，同時還需要硬件設(shè)備對狹窄路段交通擁堵相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集整理，為應(yīng)用程序的有效運行奠定良好的基礎(chǔ)[5]。本文設(shè)計的系統(tǒng)硬件設(shè)備主要由全方位磁傳感器、交通調(diào)度控制器和基于北斗衛(wèi)星的微控電路與A/D芯片等組成，本文系統(tǒng)硬件設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)備總體結(jié)構(gòu)圖

1.1 全方位磁傳感器

全方位磁傳感器主要是實現(xiàn)狹窄路段交通擁堵數(shù)據(jù)的采集任務(wù)。傳感器的出廠默認數(shù)據(jù)采集頻率倍數(shù)為20倍，采用ASD CC_211型號數(shù)據(jù)頻率，對狹窄路段車流量信息數(shù)據(jù)進行無線采集，并應(yīng)用特定的頻率無線網(wǎng)絡(luò)進行遠程信息傳達。當磁傳感器中磁傳感芯片啟動，磁傳感器將應(yīng)用裝有NDK-3型號的流動性數(shù)據(jù)采集設(shè)備定位系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行采集，結(jié)合GPS北斗衛(wèi)星定位和無線網(wǎng)絡(luò)傳達技術(shù)對狹窄路段交通和車輛數(shù)量分布進行有組織有規(guī)劃的數(shù)據(jù)排版設(shè)計[6]。

在全方位磁傳感器中，本文還置入上位機結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了北斗衛(wèi)星的數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)與全方位磁傳感器所采集的交通數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸與信號通信功能，磁傳感器的控制中心主要通過SJK數(shù)據(jù)發(fā)送源發(fā)射交通流量信息以及車流量信息，通過傳感器上位結(jié)構(gòu)與控制中心的應(yīng)答機構(gòu)進行通信，并應(yīng)用HXJHE-26800數(shù)據(jù)采集-轉(zhuǎn)換一體機對采集器上位結(jié)構(gòu)發(fā)送數(shù)據(jù)命令，實現(xiàn)上位結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)采集的控制[7]。磁傳感器的對數(shù)據(jù)采集的收發(fā)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 磁傳感器的對數(shù)據(jù)采集的收發(fā)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖2可知，本文采用的數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)有多個數(shù)據(jù)緩沖端口，可以通過數(shù)據(jù)緩沖端口用來構(gòu)建數(shù)據(jù)采集復位體系，以編程的方式控制邏輯電路，從而更好地控制磁傳感器[8]。

本文采用的磁傳感器，與北斗星衛(wèi)星基地相呼應(yīng)，通過磁場對狹窄道路的車流量以及道路擁堵狀況進行定位分析，精準度可以達到2～5 cm，并且沒有最大數(shù)量限制，結(jié)合了衛(wèi)星雷達SKD采集數(shù)據(jù)模型，使覆蓋范圍達到全球，對于數(shù)據(jù)的采集傳輸速度與實時的數(shù)據(jù)信息時間誤差不超過十秒[9]。正常情況下，磁傳感器的數(shù)據(jù)傳輸是通過網(wǎng)絡(luò)渠道，但是本文磁傳感器采用PKT-2010型號的傳輸設(shè)備，對于網(wǎng)絡(luò)沒有依靠性，極大地提升了磁傳感器數(shù)據(jù)傳輸過程中存在的安全性問題，同時本文采用的磁傳感器也具有了一定的獨立性[10]。

1.2 交通調(diào)度控制器

交通調(diào)度控制器主要負責對狹窄路段交通擁堵智能控制，屬于執(zhí)行硬件設(shè)備。采用低功耗的16位數(shù)據(jù)模擬轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)輸入，為數(shù)據(jù)控制中心與狹窄路段實時車輛搭建溝通渠道，方便交通控制器對狹窄路段的車輛進行調(diào)度分配[11]。

在交通調(diào)度控制器中，含有S-700型號的信號數(shù)據(jù)調(diào)度控制電路，這種型號的調(diào)度電路能夠?qū)煌〒矶虑闆r進行及時地分析，將采集到的數(shù)據(jù)信息集成處理壓縮為數(shù)據(jù)融合包，再應(yīng)用FBR6-60數(shù)據(jù)識別器對壓縮融合數(shù)據(jù)包進行數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)實時分析處理交通擁堵數(shù)據(jù)信號[12]。本文的交通調(diào)度控制器還可以車載安裝，車載安裝調(diào)度控制器為W-sjy80型號，具有信息匯聚與處理的功能，能夠接收北斗衛(wèi)星總交通控制中心傳達的命令，主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器、線路服務(wù)器、北斗指揮器、數(shù)據(jù)管理層模型與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成，能夠較好地承載對狹窄路段交通擁堵智能控制任務(wù)[13]。車載交通調(diào)度控制器實物如圖3所示。

圖3 車載交通調(diào)度控制器實物圖

本文的交通調(diào)度控制器還具有一定的智能性，在數(shù)據(jù)控制主板中植入BV芯片，此芯片能夠?qū)?shù)據(jù)進行實時差分處理，并且可以自動屏蔽已經(jīng)解決的交通擁堵路段的數(shù)據(jù)，還能夠?qū)磳l(fā)生擁堵的路段進行任務(wù)調(diào)度，此設(shè)備與設(shè)備之間具有一定的關(guān)聯(lián)性，由物聯(lián)網(wǎng)進行設(shè)備關(guān)聯(lián)[14]。采用SV-38000v型號循環(huán)電池，并配備USB電源接口與太陽能續(xù)航電池，其續(xù)航能力也得到相應(yīng)的保障。交通調(diào)度控制器相關(guān)聯(lián)的硬件設(shè)備或系統(tǒng)的架構(gòu)如圖4所示。

1.3 基于北斗衛(wèi)星的微控電路與A/D芯片設(shè)計

基于北斗衛(wèi)星的微控電路是本文整個控制系統(tǒng)的控制中心，通過A/D解析電路板、D/A解析電路板產(chǎn)生一定的高頻電流，作為狹窄路段交通擁堵的智能系統(tǒng)脈沖信號，并采用Dsk線路對脈沖信號進行放大增益，微控電路根據(jù)增益信號的大小來調(diào)整自身的調(diào)控頻率，再向北斗衛(wèi)星發(fā)送相匹配的控制命令，實現(xiàn)對狹窄路段交通擁堵的調(diào)控[15]。

在基于北斗衛(wèi)星的微控電路中，A/D芯片起到控制樞紐的作用，本文所采用的A/D芯片為卡西莫多公司生產(chǎn)的XJ-200型號的高頻外圍芯片，芯片的接口安裝方式為串并行通用版本，運行電壓為6.4 V，芯片的數(shù)據(jù)采樣頻率為20 Hz，選擇適應(yīng)的輸出電路，根據(jù)脈沖電流的數(shù)值來控制數(shù)據(jù)解析器解析樣本。微控電路的設(shè)計如圖5所示。

圖5 微控電路設(shè)計圖

本文采用的基于北斗衛(wèi)星的微控電路還具有數(shù)據(jù)信號預處理設(shè)備。預處理設(shè)備的輸出端口采用XA總線模塊接口，采用時鐘電路智能識別總線，其信號預處理的觸發(fā)總線由4條PCL線和6條PCK線組成，應(yīng)用四核控制器對狹窄路段交通擁堵控制信號進行集成控制，實現(xiàn)對控制信號的智能識別與集成處理。數(shù)據(jù)信號預處理電路設(shè)計如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)信號預處理電路設(shè)計圖

2 基于北斗衛(wèi)星的狹窄路段交通擁堵智能控制應(yīng)用程序設(shè)計

在基于北斗衛(wèi)星的狹窄路段交通擁堵智能控制系統(tǒng)中，為了能使硬件設(shè)備與硬件設(shè)備之間協(xié)調(diào)運行，需要設(shè)計運行應(yīng)用程序來對硬件設(shè)備進行控制。

2.1 綜合性交通通信應(yīng)用程序設(shè)計

本文系統(tǒng)在綜合通信技術(shù)方面并沒有設(shè)立通信基站，而是應(yīng)用衛(wèi)星通信寬帶使狹窄路段擁堵的車輛，與北斗衛(wèi)星控制中心之間實現(xiàn)雙向通信。綜合性交通通信應(yīng)用程序的實現(xiàn)，能夠使北斗衛(wèi)星控制中心對狹窄路段交通堵塞的車輛進行定位，進而更好地實現(xiàn)對狹窄路段擁堵車輛的調(diào)度控制。

本文首先分析北斗衛(wèi)星控制中心與狹窄路段擁堵車輛之間的通信需求量，并計算出所需要的寬帶范圍達到車載通信設(shè)備的最大容量，主要以覆蓋區(qū)域手段實現(xiàn)區(qū)域綜合性交通通信，在未被覆蓋的通信區(qū)域中，主要通過互聯(lián)網(wǎng)4G技術(shù)實現(xiàn)通信技術(shù)。對于既無通信覆蓋區(qū)域也無4G網(wǎng)絡(luò)的情況下，將用基于北斗衛(wèi)星的短文通信技術(shù)，實現(xiàn)車載通信設(shè)備與北斗衛(wèi)星控制中心端綜合性通信同步。以上3種情況均需要通過應(yīng)用程序模塊實現(xiàn)，首先對硬件設(shè)備的主控板進行數(shù)據(jù)優(yōu)化，使其與模塊之間產(chǎn)生通信連接，考慮4G通信技術(shù)與通信覆蓋技術(shù)具有一定的兼容性，需要在相應(yīng)的硬件設(shè)備之中設(shè)立共同走線，而北斗衛(wèi)星短信通信技術(shù)需要使用單獨的通信走線，根據(jù)車輛的流動性及衛(wèi)星控制主板智能檢測車輛的流動空間，實現(xiàn)車輛各通信通道之間相互轉(zhuǎn)換。

在北斗衛(wèi)星中心端設(shè)置自動發(fā)文程序，此程序負責發(fā)送通信短文，并且將短文內(nèi)容轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)包進行壓縮集成，通過微型電路板以及A/D模塊對數(shù)據(jù)包進行整理，程序?qū)?shù)據(jù)通信協(xié)議同步到信號輸出端口，將短文以及其他通信方式同步為同一種格式，并使通信信息特征碼、內(nèi)容、容量保持一致。綜合性交通通信應(yīng)用程序設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 綜合性交通通信應(yīng)用程序設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

2.2 空間信號智能控制程序設(shè)計

狹窄路段交通擁堵性問題屬于空間屬性問題，解決此類問題必須實現(xiàn)全感應(yīng)空間控制，且車輛具有一定的空間流動性，需要設(shè)計一套空間信號智能控制程序，實時控制狹窄路段的交通擁堵。

在狹窄路段的交通擁堵中，大部分車輛只有前后兩個方向進行選擇，同時也有少部分車輛可以左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，本文將方向定義為東、西、南、北、東北、東南、西北、西南。

本文將設(shè)計程序模塊對擁堵車輛進行控制，此程序模塊主要由8個單元電路體系組成，QB單元體系為核心程序，根據(jù)車輛即將發(fā)生的方向變向，接收傳感器所傳來的信號以及電路時鐘所發(fā)來的信號，此時，各單元程序向顯示單元程序發(fā)出控制命令信號BJL50N、BJL51N、BJL52N、BJL53N、BJL54N，將命令信號通過磁傳感器向計時單元格輸出，并將最后的輸出效果，顯示到控制單元格中翻譯成代碼，再將代碼傳入數(shù)碼顯示管進行譯碼，完成譯碼并顯示驅(qū)動信號。交通控制器轉(zhuǎn)換狀態(tài)表，如表1所示。

表1 交通控制器轉(zhuǎn)換狀態(tài)表

根據(jù)表1可知，狹窄路段交通擁堵車輛共有8種行駛狀態(tài)，可以根據(jù)控制模塊和系統(tǒng)中的時鐘、傳感器所產(chǎn)生的決定狀態(tài)信號，及時改變行駛狀態(tài)，此應(yīng)用程序的正確運行使狹窄路段交通擁堵的車輛，在空間控制層次中更加具有規(guī)律性與協(xié)調(diào)性。

2.3 感應(yīng)控制OHBD技術(shù)程序設(shè)計

本系統(tǒng)在感應(yīng)控制OHBD技術(shù)程序設(shè)計的過程中，將實時接收到的車流量數(shù)據(jù)信息，存放到數(shù)據(jù)壓縮包中，借助數(shù)據(jù)壓縮包訪問數(shù)據(jù)庫文件，并且為數(shù)據(jù)庫的管理提供了統(tǒng)一的程序設(shè)計端口，通過程序設(shè)計端口將采集到的車流量數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，使數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)具有一定的流動性。

感應(yīng)控制OHBD技術(shù)應(yīng)用程序在運行的過程中，首先通過計算機創(chuàng)建OHBD項目，打開計算機菜單欄選中“項目”選項，選定程序的類型，建立文檔單擊“數(shù)據(jù)文件”選項，然后在對話框中選擇相匹配的狹窄路段交通擁堵數(shù)據(jù)庫，選擇數(shù)據(jù)庫后建立需要訪問的感應(yīng)表，最后單擊“確定”按鈕，感應(yīng)控制OHBD技術(shù)應(yīng)用程序運行完畢。感應(yīng)控制OHBD技術(shù)應(yīng)用程序的運行流程如圖8所示。

圖8 感應(yīng)控制OHBD技術(shù)應(yīng)用程序運行流程圖

3 實驗研究

3.1 實驗?zāi)康?/h3>

為了測試本文設(shè)計的基于北斗衛(wèi)星的狹窄路段交通擁堵智能控制系統(tǒng)，在改善狹窄道路交通擁堵狀態(tài)方面的調(diào)度控制性能，本文設(shè)立對比實驗，在相同的狹窄路段交通擁堵狀態(tài)下，通過對比本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的智能控制能力，驗證本文系統(tǒng)的有效性以及穩(wěn)定性。

3.2 實驗過程

采用VXJ.zh20仿真模擬技術(shù)，模擬狹窄路段擁堵交通運行狀態(tài)，建立系統(tǒng)測試平臺環(huán)境，設(shè)定本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的硬件設(shè)備頻率電壓均為額定工作狀態(tài)，在相同的狹窄路段交通擁堵狀態(tài)下，本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)分別對狹窄路段交通擁堵狀況進行調(diào)度控制。

3.3 實驗結(jié)果分析

經(jīng)過本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)對狹窄路段交通擁堵狀況調(diào)度控制后，分別將狹窄路段交通擁堵狀況記錄下來，具體的擁堵狀態(tài)如圖9所示。

圖9 不同系統(tǒng)控制前后擁堵狀態(tài)對比圖

根據(jù)圖9可知，本文系統(tǒng)對狹窄路段交通擁堵狀況的控制能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。本文系統(tǒng)基于北斗衛(wèi)星實時定位能力，結(jié)合全方位磁傳感器對狹窄道路的車流量進行實時精準定位，有著高效的綜合性交通通信程序及控制程序，大幅度地提升了本文系統(tǒng)對狹窄道路擁堵狀況疏通的效率。

根據(jù)圖9的實驗結(jié)果，對本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的控制能力進行統(tǒng)計，得到的實驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 控制能力圖

分析圖10可知，在未控制前的狹窄路段交通擁堵車輛為40輛，當時間為2.00 s時，傳統(tǒng)系統(tǒng)控制后的狹窄路段交通擁堵車輛為20輛，而本文系統(tǒng)控制后的狹窄路段交通擁堵車輛為10輛，且時間在2.00～4.00 s之間，傳統(tǒng)系統(tǒng)和本文系統(tǒng)控制后的狹窄路段交通擁堵車輛均保持不變。由此可見，本文研究的智能控制系統(tǒng)控制能力更強，控制效果更好。

4 結(jié)束語

城市內(nèi)道路擁堵問題是城市建設(shè)發(fā)展道路中的一大難題。北斗衛(wèi)星是我國改革開放以來非常重要的科技成果之一，它對車輛的實時定位提供了精準信息，能夠獲取絕對的定位坐標。本文針對城市內(nèi)狹窄路段交通擁堵的情況，設(shè)計了基于北斗衛(wèi)星的狹窄路段交通擁堵智能控制系統(tǒng)，應(yīng)用全方位磁傳感器、交通調(diào)度控制器增強了北斗衛(wèi)星的定位與數(shù)據(jù)處理性能，應(yīng)用微控電路與A/D芯片提升系統(tǒng)的智能性，并設(shè)計應(yīng)用程序連接系統(tǒng)中的硬件設(shè)備，使本文系統(tǒng)在面對狹窄道路擁堵的狀態(tài)下對汽車智能控制更加順暢。