高速公路團(tuán)霧預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳宇軒，李世臻，劉 楠

（1.長(zhǎng)安大學(xué)信息工程學(xué)院，陜西 西安 710000；2.長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710000）

高速公路車輛運(yùn)行安全與高速公路天氣狀況有著密切的關(guān)系[1]。2016年，公安部交通管理局組織對(duì)高速公路團(tuán)霧多發(fā)路段進(jìn)行排查，總結(jié)出年均發(fā)生3次以上團(tuán)霧高速路段1 788處，其中，年均發(fā)生10次以上高速路段912處。文獻(xiàn)[2-4]研究了高速公路團(tuán)霧對(duì)行車安全的影響，說明了對(duì)團(tuán)霧天氣檢測(cè)的必要性、可行性?，F(xiàn)有的高速公路天氣預(yù)警仍然依賴于天氣預(yù)報(bào)，其時(shí)效性、準(zhǔn)確性和應(yīng)急反應(yīng)能力都無法滿足需求。

近些年來，對(duì)霧的特征分析、霧的形成原理、等級(jí)評(píng)判的相關(guān)研究更加深入[5-6]。文獻(xiàn)[7]開展了團(tuán)霧主動(dòng)誘導(dǎo)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)研究[7]。文中結(jié)合先前國(guó)內(nèi)研究的團(tuán)霧各項(xiàng)特征，通過各傳感器實(shí)際測(cè)量值，給出了一組團(tuán)霧等級(jí)劃分的參考指標(biāo)，進(jìn)一步擴(kuò)展了團(tuán)霧的等級(jí)分類。同時(shí)，結(jié)合多種傳感器構(gòu)成了團(tuán)霧檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸一體系統(tǒng)，給出了相應(yīng)車輛管控措施。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)使用STM32單片機(jī)作為主控，由道路控制端、團(tuán)霧檢測(cè)端、MCU控制端以及云端服務(wù)平臺(tái)構(gòu)成。其中，圖霧檢測(cè)端主要包括溫度濕度傳感器、PM值傳感器、攝像頭、能見度儀；道路控制端主要包括LED情報(bào)板、光電檢測(cè)模塊、引導(dǎo)燈帶；MCU控制端包括無線收發(fā)模塊、GPRS模塊。圖霧預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 團(tuán)霧預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 團(tuán)霧檢測(cè)

團(tuán)霧檢測(cè)依照霧的能見度特性、相對(duì)濕度特性、氣溶膠粒子特性[8]，設(shè)置了溫度濕度傳感器，用于相對(duì)濕度的測(cè)量；能見度儀用于對(duì)地面能見度距離進(jìn)行測(cè)量；PM值傳感器用于測(cè)量氣溶膠粒子和霾滴的濃度。將檢測(cè)到的各項(xiàng)數(shù)值通過串口連接，并發(fā)送到主控端上。

1.2 團(tuán)霧等級(jí)劃分

根據(jù)各項(xiàng)傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，結(jié)合氣象部門對(duì)相關(guān)參數(shù)的研究，給出不同條件下形成的團(tuán)霧等級(jí)劃分指標(biāo)[9]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與控制策略

MCU主控根據(jù)不同模塊回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并上報(bào)云端服務(wù)平臺(tái)，確定團(tuán)霧的等級(jí)后，控制引導(dǎo)終端對(duì)高速公路車輛進(jìn)行引導(dǎo)，并實(shí)時(shí)反映路況。

云端數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、道路監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)，并及時(shí)通知道路管理部門，協(xié)同控制公路引導(dǎo)設(shè)施，并通過基站實(shí)時(shí)發(fā)布預(yù)警信息和路況，保護(hù)行車安全。

2 團(tuán)霧檢測(cè)

2.1 溫度濕度傳感器

溫度濕度傳感器一般采用彈性吸濕聚合物薄膜材料作為敏感介質(zhì)，濕度變化會(huì)引起負(fù)載質(zhì)量、聲電作用以及粘彈性發(fā)生變化[10]。其線性動(dòng)態(tài)范圍較大，可以測(cè)量相對(duì)濕度范圍為0～100%RH，精度在±3%RH的空氣濕度變化。溫濕度傳感器原理如圖2所示。

圖2 溫濕度傳感器原理圖

2.2 PM值傳感器

PM值傳感器利用其內(nèi)部的光學(xué)灰塵傳感器(GP2Y1014AU0F)，將安裝于對(duì)角線一端的一個(gè)紅外發(fā)光二極管開啟，另一端的光電晶體管用于檢測(cè)接收光強(qiáng)，即光強(qiáng)正比于檢測(cè)處粉塵濃度。PM值傳感器原理如圖3所示。

圖3 PM值傳感器原理圖

2.3 攝像頭

將光照射到感光陣列產(chǎn)生相應(yīng)電荷，傳輸?shù)较鄳?yīng)的模擬信號(hào)處理單元，再由AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。攝像頭傳輸采用SCCB協(xié)議，其傳輸格式為起始位+ID地址+寄存器地址+數(shù)據(jù)+結(jié)束位。攝像頭先將圖像緩存到單片機(jī)上，再通過無線收發(fā)模塊將圖像上傳至上位機(jī)攝像頭，幀格式如表1所示。

表1 攝像頭傳輸幀格式

將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)化為R、G、B陣代碼，如下：

2.4 能見度儀

能見度儀可反映大氣透明度指標(biāo)。根據(jù)Mie散射理論，得到大氣粒子散射角θ在20o～50o時(shí)，大氣粒子散射光強(qiáng)度I(θ)與大氣散射系數(shù)Ks和入射光強(qiáng)I0之間存在線性關(guān)系[11]，如下：

氣象光學(xué)視程V可表示為：

其中，視覺對(duì)比度為ε，前向散射能見度儀可根據(jù)式（1）測(cè)量出Ks，進(jìn)一步根據(jù)式（2）測(cè)量出氣象光學(xué)視程V。

2.5 無線收發(fā)模塊

無線收發(fā)模塊將數(shù)字電信號(hào)轉(zhuǎn)化為高頻電磁波發(fā)射出去，在接收端還原成電信號(hào)[12]，其基本構(gòu)成有振蕩器、調(diào)制器、變頻器、高頻功率放大器、天線。文中系統(tǒng)采用的模塊工作于441 MHz參數(shù)下，通信距離為3 000 m，可將MCU采集的傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云端服務(wù)平臺(tái)。

2.6 GPRS模塊

GPRS模塊可連接至周邊基站，若有緊急情況，則可向進(jìn)入團(tuán)霧范圍內(nèi)的車輛發(fā)送短信，通知險(xiǎn)情。

2.7 MCU主控

文中系統(tǒng)采用的處理器是STM32F103CET6核心版，其工作主頻為72 MHz，滿足了對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送的需求，并且有5個(gè)通用串口，用于連接各個(gè)模塊，并且自帶512K字節(jié)FLASH，滿足了數(shù)據(jù)緩存需求[13-15]。

3 團(tuán)霧等級(jí)劃分

通過在多端高速路實(shí)地調(diào)研測(cè)試，并結(jié)合相關(guān)區(qū)域管控措施[16]，研究給出了用于劃分團(tuán)霧等級(jí)的指標(biāo)，如表2所示。

表2 團(tuán)霧等級(jí)與指標(biāo)

表2的3項(xiàng)指標(biāo)中考慮了不同條件下團(tuán)霧的形成，即由空氣顆粒物產(chǎn)生或者空氣中的水蒸氣產(chǎn)生。其中，任意兩項(xiàng)達(dá)到相應(yīng)的數(shù)值范圍即可判定為相應(yīng)的團(tuán)霧等級(jí)。

4 數(shù)據(jù)處理與控制策略

4.1 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 MC程序流程圖

1）初始化。開啟STM32的時(shí)鐘、串口、中斷、ADC和配置優(yōu)先級(jí)，再進(jìn)行溫濕度傳感器配置、PM傳感器初始化、能見度儀初始化。

2）采樣值轉(zhuǎn)化。通過定時(shí)中斷獲取各傳感器數(shù)值，并將ADC采樣的數(shù)值進(jìn)行運(yùn)算轉(zhuǎn)化，讀取串口幀格式獲取能見度，通過SCCB協(xié)議將攝像頭圖像緩存。

3）MCU判斷等級(jí)。STM32根據(jù)各傳感器數(shù)據(jù)，結(jié)合團(tuán)霧等級(jí)劃分指標(biāo)給出合理控制等級(jí)，并將數(shù)據(jù)封裝成幀交給無線收發(fā)模塊，進(jìn)而發(fā)送至云端控制中心。

4）光電檢測(cè)與分級(jí)控制。光電檢測(cè)可判斷道路交通狀況和行車位置，然后控制誘導(dǎo)燈帶。LED情報(bào)板會(huì)根據(jù)團(tuán)霧等級(jí)發(fā)布相應(yīng)的公告，當(dāng)達(dá)到3級(jí)時(shí)進(jìn)一步啟動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控和GPRS模塊。

5)上位機(jī)接收數(shù)據(jù)。上位機(jī)通過無線收發(fā)模塊接收數(shù)據(jù)，并能做出處理。

4.2 控制策略

1）誘導(dǎo)。如圖5所示，誘導(dǎo)燈相聚50 m，當(dāng)傳感器檢測(cè)到車輛后，會(huì)自動(dòng)開啟前方兩個(gè)和后方一個(gè)誘導(dǎo)燈，讓車輛安全通過團(tuán)霧區(qū)。若車輛在限定閾值時(shí)間內(nèi)未通過下一個(gè)光電傳感器，則相應(yīng)的誘導(dǎo)燈閃爍報(bào)警，并上報(bào)路況問題。后車可依據(jù)前方點(diǎn)亮的燈來判斷路況，同時(shí)跟前車保持安全距離。

圖5 分級(jí)誘導(dǎo)系統(tǒng)

2）分級(jí)。達(dá)到一級(jí)時(shí)，啟用黃色誘導(dǎo)燈，定時(shí)上傳道路路況圖像；二級(jí)時(shí)，啟用紅色誘導(dǎo)燈，實(shí)時(shí)上傳路況圖像，LED情報(bào)板告警；三級(jí)時(shí)，啟用紅色誘導(dǎo)燈，實(shí)時(shí)上傳路況圖像情報(bào)板告警，道路限流。

5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室環(huán)境模擬以及陜西省內(nèi)多段高速公路實(shí)地測(cè)試，相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)如表3所示。

表3 系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)

系統(tǒng)經(jīng)過多次驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)室模擬水汽環(huán)境下，溫、濕度傳感器在5 s內(nèi)給出告警，能見度儀能捕捉變化。在實(shí)際高速公路測(cè)量中，PM傳感器捕捉的常規(guī)PM范圍在75～150μg/m3之間，常規(guī)大氣能見度在2 000 m以上。在有團(tuán)霧出現(xiàn)時(shí)，由于形成條件不同，PM值會(huì)保持在150μg/m3或者能見度小于1 km，系統(tǒng)能正確捕捉攝像頭拍攝的畫面，在30 s內(nèi)傳輸至上位機(jī)，并顯示相應(yīng)路段交通狀況。

在道路控制部分，光電傳感器能夠判斷車輛位置，開啟相應(yīng)誘導(dǎo)燈，當(dāng)達(dá)到二級(jí)時(shí)，LED告示板就會(huì)發(fā)出警告；當(dāng)達(dá)到三級(jí)時(shí)，GPRS模塊會(huì)向服務(wù)范圍內(nèi)的手機(jī)發(fā)送短信通知。

6 結(jié)束語

文中主要實(shí)現(xiàn)了一種高速公路團(tuán)霧天氣下預(yù)警和管控系統(tǒng)，此系統(tǒng)應(yīng)用了多傳感器技術(shù)，能迅速準(zhǔn)確地檢測(cè)出團(tuán)霧天氣變化，并且滿足相應(yīng)管控的基本需求。應(yīng)用道路控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)管控車輛運(yùn)行情況，并且保持了前后兩車的安全距離，為復(fù)雜天氣交通運(yùn)輸提供了可靠的應(yīng)用方案。相較于先前的研究[17-18]，在系統(tǒng)響應(yīng)速度上提升了50%，探測(cè)范圍提升了20%，具有實(shí)用價(jià)值和廣泛的參考意義。