山區(qū)高速公路霧區(qū)行車安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

王曉安WANG Xiao-an；楊俊YANG Jun；徐民XU Min；趙鵬燕ZHAO Peng-yan

（云南省交通科學(xué)研究院有限公司，昆明 650011）

0 引言

隨著全球氣候環(huán)境惡化，山區(qū)高速公路團(tuán)霧霧發(fā)頻次和路段數(shù)逐年遞增，加之機(jī)動車輛數(shù)激增，因團(tuán)霧誘發(fā)的行車風(fēng)險不斷加大，特別是近年來山區(qū)高速公路因團(tuán)霧導(dǎo)致的交通事故呈高發(fā)態(tài)勢，但現(xiàn)有研究成果對于有效降低團(tuán)霧段行車風(fēng)險的效果不明顯，且存在諸如概念模糊不清、方法手段普適性差等問題[1][2]。因此，對山區(qū)高速公路霧區(qū)行車安全預(yù)警技術(shù)進(jìn)行研究，將能有效提高山區(qū)高速公路霧區(qū)行車的安全水平和服務(wù)能力。

隨著移動互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展和“工業(yè)4.0”理念的提出，霧區(qū)智能誘導(dǎo)系統(tǒng)亦需要向更高級的霧區(qū)交通信息物理系統(tǒng)發(fā)展，真正做到將氣候預(yù)測監(jiān)測、多源異構(gòu)信息收集傳輸處理、管控預(yù)判決策等多階段信息元和物理元融為一體[3][4]。國外現(xiàn)有研究主要從提示車的主動避碰探測入手，研究無人駕駛技術(shù)和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，但本文認(rèn)為單純從提高車輛的智能性出發(fā)并不能在短期內(nèi)有效解決團(tuán)霧環(huán)境行車安全，在團(tuán)霧頻發(fā)的事故黑點段，通過對現(xiàn)有路段的附屬設(shè)施進(jìn)行升級改造，可在短期內(nèi)有效解決道路交通安全問題[5][6]。我國近年研發(fā)的霧區(qū)智能誘導(dǎo)警示系統(tǒng)設(shè)計理念較國外更先進(jìn)，與我國國情結(jié)合更加緊密，但存在使用耐久性差，安裝維護(hù)成本高，缺乏國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，理論研究有待深入等問題[7][8]。

本文首先對攝像法能見度檢查方法的原理進(jìn)行介紹，然后對霧天限速值進(jìn)行了定義，最后在此基礎(chǔ)上對山區(qū)高速公路團(tuán)霧預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。

1 山區(qū)高速公路團(tuán)霧預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)布設(shè)位置、密度設(shè)計

團(tuán)霧在空間尺度上的覆蓋范圍大小不一，一般來說較大范圍的團(tuán)霧可覆蓋長約5 公里，較小的則低至1 公里。因此，山區(qū)高速公路團(tuán)霧路段監(jiān)測設(shè)備的布設(shè)密度對預(yù)警精度具有十分重要的影響。本系統(tǒng)為實現(xiàn)對團(tuán)霧多發(fā)路段的全范圍實時監(jiān)測，根據(jù)團(tuán)霧發(fā)生范圍的特點，決定對團(tuán)霧監(jiān)測設(shè)備的布設(shè)密度是每一公里設(shè)置一套團(tuán)霧信息采集單元，并在相應(yīng)位置配備可變信息標(biāo)志牌，其中，圖像采集設(shè)備安裝在高速公路中央分隔帶，如圖1 所示。下面假設(shè)一個場景，在這段高速公路上產(chǎn)生了局部團(tuán)霧：

圖1 團(tuán)霧預(yù)警系統(tǒng)布設(shè)示意圖

當(dāng)C 處團(tuán)霧監(jiān)測裝置，監(jiān)測到能見度為300m 團(tuán)霧，根據(jù)團(tuán)霧能見度大小，向雙向車道上游可變信息標(biāo)志牌發(fā)送限速80 的限速信息，即b1處、d2處可變信息標(biāo)志牌顯示限速80km/h。

與C 處相鄰的團(tuán)霧監(jiān)測裝置B、D 監(jiān)測團(tuán)霧信息，當(dāng)B 處也檢測到團(tuán)霧時，向al、c2發(fā)送限速信息；當(dāng)D 處也檢測到團(tuán)霧時，向c1、e2發(fā)送限速信息。

與以上同理E、F 處也進(jìn)行團(tuán)霧監(jiān)測，當(dāng)F 處沒有檢測到團(tuán)霧時，即對其一側(cè)的道路（團(tuán)霧路段的下游）f1處的可變信息牌發(fā)送解除限速信息。

同理，當(dāng)A 處沒有檢測到團(tuán)霧時，其路側(cè)可變標(biāo)志牌a2顯示解除限速信息。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，其主要模塊有：圖像采集模塊、圖像處理模塊、電源控制模塊、溫度檢測模塊、無線通信模塊、信息發(fā)布模塊。圖2 展示了其基本工作流程。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

1.3 系統(tǒng)芯片介紹及硬件設(shè)計

1.3.1 圖像采集模塊

本系統(tǒng)采用以ICX205AL 為核心的高速面陣型CCD攝像機(jī)，其被廣泛應(yīng)用于高速攝像領(lǐng)域，是團(tuán)霧檢查的不二選擇。ICX205AL 為一種對角線8mm 線間CCD 圖像傳感器，方形像素陣列和1.45M 有效像素，水平驅(qū)動頻率為14.318MHz，HAD 傳感器，具有高分辨率（總像素1434×1050）、靈敏度高、低暗電流、涂抹量低和抗暈性能好的特點。其采用漸進(jìn)掃描信號在1/7.5 秒內(nèi)獨立輸出，同時其也支持每秒30 幀的高幀速率輸出模式。該芯片采用可變電荷存儲時間的電子快門，無需機(jī)械快門即可實現(xiàn)對曝光時間的靈活控制，便于操作和使用。

本系統(tǒng)采用亞德諾公司生產(chǎn)的AD9225 模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號采樣。其被廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域。AD9225 具有高速采樣率（采樣率65MSPS）和分辨率（分辨率為12 位），能夠滿足高精度數(shù)據(jù)采集需求。其功耗較低，僅為280mW，且采用5V 電源進(jìn)行供電，供電方式多樣。同時，其尺寸較小，適用于便攜式和嵌入式系統(tǒng)。其抗干擾性能優(yōu)越（信噪比為70dB），噪聲低，系統(tǒng)可靠性和精度高。其具有靈活的接口和控制，方便系統(tǒng)集成和調(diào)試。

CCD 攝像機(jī)通過采集距拍攝點一定距離的目標(biāo)物或目標(biāo)燈的圖像，再通過數(shù)字圖像采集卡輸入到計算機(jī)中。

1.3.2 圖像處理模塊

系統(tǒng)采用TI 公司TM S320C6713 DSP 為核心的嵌入式數(shù)字圖像處理芯片，其處理速度快，工作穩(wěn)定，可滿足攝像機(jī)對處理速度的要求。它具有定點/浮點系列兼容，CPU主頻最高可達(dá)到1.1GHz，同時，還具有6 個ALU（32/40-bit）），2 個乘法器（16×16），最大執(zhí)行速度可達(dá)每秒4.8×109條指令等優(yōu)點，能夠很好地完成采集圖像的處理算法。

1.3.2.1 TMS320C6713 的CPU 結(jié)構(gòu)

TMS320C6713 是美國德州儀器公司開發(fā)的一種32bit新型浮點DSP 芯片。該芯片的CPU 采用最新的VelociTI體系設(shè)計，主要包括；①程序取指令單元、指令分配單元、指令譯碼單元；②2 個數(shù)據(jù)通道A、B，每個通道中包括一個由16 個32bit 寄存器組成的寄存器組和4 個功能單元；③控制寄存器；④控制邏輯；⑤測試、在線仿真接口和中斷控制。

1.3.2.2 片內(nèi)存儲器

芯片的片內(nèi)存儲器采用兩級高速緩存結(jié)構(gòu)，包括4KB 的第一級高速程序緩存（L1P）、4KB 第一級高速數(shù)據(jù)緩存（L1D）和第二級總共256KB片內(nèi)存儲容量（64KB 的L2 統(tǒng)一緩存/映射RAM和192KB 的附加L2 RAM）。其采用雙層Cache結(jié)構(gòu)，第一層為4KB 的程序緩沖區(qū)和可雙向?qū)ぶ返臄?shù)據(jù)緩沖區(qū)，第二層有256KB 的程序和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，其中64KB 為存儲區(qū)，剩下為SRAM區(qū)，這種獨特的二級緩存結(jié)構(gòu)大大提高了CPU的工作效率。

1.3.2.3 片內(nèi)集成外設(shè)

為了與主機(jī)、片外存儲器、串行設(shè)備等外部設(shè)備進(jìn)行連接，該芯片內(nèi)部集成了大量外設(shè)接口。EMIF 是外部存儲器和C6713 的訪問接口，幾乎可與目前各種類型的存儲器無縫連接，數(shù)據(jù)吞吐較快。2 個McASP；2 個McBSP；2 個32bit 的通用定時器，1 個16bit 的主機(jī)接口HPI；程序和數(shù)據(jù)存儲器控制器、中斷控制器、定時器、時鐘發(fā)生器、PLL（鎖相環(huán)控制發(fā)生器）及掉電邏輯等功能單元。

1.3.2.4 TMS320C6713 DSP 硬件最小系統(tǒng)設(shè)計

TMS320C6713 DSP 芯片的硬件最小系統(tǒng)所要完成的主要功能包括：進(jìn)行基本信號采集、數(shù)據(jù)運算及數(shù)據(jù)、程序存儲；音頻信號的采集、處理及輸入、輸出；與主機(jī)間的通信及數(shù)據(jù)、程序傳輸，同時配備了外部擴(kuò)展接口，方便對系統(tǒng)的功能擴(kuò)展以實現(xiàn)更廣泛的嵌入式應(yīng)用。其主要包括音頻處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和電源轉(zhuǎn)換供電模塊設(shè)計。

1.3.3 無線通信模塊

ZigBee 技術(shù)具有低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度和安全可靠等優(yōu)點，很適合用于高速公路信息傳輸。采用Chipcon 公司的CC2430 芯片作為無線通信模塊，能夠很好地滿足高速公路雙向無線通信技術(shù)要求。CC2430 芯片除了包括2.4GHz RF 收發(fā)器外，還集成了加強(qiáng)型8051控制器。同時片上還具備FLASH 存儲器，能方便地存儲數(shù)據(jù)。其采用低電壓供電，靈敏度高達(dá)-91dBm，最大傳輸速率為250kbps。

1.3.4 信息發(fā)布模塊

當(dāng)高速公路上發(fā)生團(tuán)霧時，系統(tǒng)能否及時有效地傳遞出團(tuán)霧信息，使高速公路的使用者和管理者都能盡快獲取信息，是至關(guān)重要的。該系統(tǒng)的信息發(fā)布主要由可變信息標(biāo)志（vms），可變限速標(biāo)志等組成。

可在高速公路路線上，設(shè)置門架式可變信息標(biāo)志，用來發(fā)布該路段上能見度情況，原有的靜態(tài)限速標(biāo)志，可由動態(tài)LED 可變限速標(biāo)志代替。

LED 可變限速標(biāo)志主要由以STC89C52 為核心的信息發(fā)布控制模塊和LED 電子顯示屏組成。

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件是實現(xiàn)山區(qū)高速公路霧區(qū)行車安全預(yù)警的關(guān)鍵。系統(tǒng)軟件主要包括DSP 調(diào)試軟件CCS2.0 和STC89C52 單片機(jī)編譯軟件Keil C51。上述軟件的主要功能為提供預(yù)警系統(tǒng)運行的軟件環(huán)境，包括系統(tǒng)程序的編輯、編譯和調(diào)試環(huán)境等。

1.4.1 DSP 調(diào)試軟件CCS2.0

CCS 代碼調(diào)試器是一種合成開發(fā)環(huán)境的調(diào)試器。其主要的特性有：①使用TI 編譯器的完全集成的環(huán)境；②對C和DSP 匯編語言文件的目標(biāo)管理；③高度集成的編譯器調(diào)整C 和DSP 匯編代碼；④編譯和調(diào)試時的后臺編輯。

1.4.2 STC89C52 單片機(jī)編譯軟件Keil C51

Keil C51 是一款基于Windows 的51 系列兼容單片機(jī)C 語言軟件的嵌入式編程集成開發(fā)系統(tǒng)，主要用于嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)、調(diào)試和測試。它支持多種不同的微控制器架構(gòu)和芯片，并提供多種編譯器和調(diào)試器。Keil C51 已被完全集成到Keil μ Vision2 的集成開發(fā)環(huán)境中，包含編譯器、匯編器、實時操作系統(tǒng)、項目管理器和調(diào)試器等，便于使用者進(jìn)行設(shè)計和調(diào)試。

在C51 中使用C 語言編制STC89C52 單片機(jī)芯片的程序。包括接收來自無線信息發(fā)射端的信號處理程序，根據(jù)圖像處理系統(tǒng)傳來的能見度信息，判斷是否控制LED可變限速標(biāo)志顯示，如果需要限速，再根據(jù)能見度判斷該采用哪一級別的速度，控制LED 顯示屏發(fā)布限速信息。

1.5 系統(tǒng)調(diào)試

基于CCD 攝像的高速公路團(tuán)霧預(yù)警系統(tǒng)涉及了CCD、DSP、STC89C52、LED 等器件，是比較復(fù)雜的系統(tǒng)，因此，影響系統(tǒng)正常運行的因素也是多樣的。因此，選擇合理的系統(tǒng)調(diào)試方案是完成系統(tǒng)調(diào)試，保證系統(tǒng)正常工作的前提。借鑒以往系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)驗，首先保證硬件平臺的正確，其次進(jìn)行軟件部分的調(diào)試，最后軟硬件聯(lián)調(diào)，有利于隔離問題，方便快捷地進(jìn)行故障定位。

1.5.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試

遵循硬件設(shè)計實現(xiàn)的流程，本著先功能模塊后整體模塊的原則，進(jìn)行系統(tǒng)硬件調(diào)試。在設(shè)計制作各個功能模塊時，尤其是電路焊接時要用萬用表檢測電路板有無短路、斷路現(xiàn)象，把靜態(tài)調(diào)試放在硬件調(diào)試的首位。

根據(jù)本系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計實現(xiàn)了一個利用煙霧傳感器檢測霧濃度，NRF905 無線傳輸煙霧濃度信息，STC89C52 單片機(jī)控制LED 限速標(biāo)志實時改變限速速度的試驗系統(tǒng)（如圖3）。

圖3 試驗系統(tǒng)調(diào)試圖

1.5.2 軟件調(diào)試

各個功能單元的軟件編程和算法運行，在運用編譯軟件時都會在設(shè)計時逐步修正才能步步進(jìn)行，關(guān)鍵是協(xié)調(diào)好各個功能單元之間的信息交流和共享。CCS 集成開發(fā)環(huán)境的調(diào)試工具有諸如：設(shè)置一個或多個斷點；Watch 窗口查看變量；查看和編輯寄存器、存儲器；對目標(biāo)系統(tǒng)信號繪圖顯示；查看反匯編和C 指令等特點，可以幫助開發(fā)者對系統(tǒng)中的bug 進(jìn)行實時診斷。同時，通過DSP/BIOS 插件，開發(fā)者還可以對DSP 應(yīng)用程序進(jìn)行實時跟蹤和監(jiān)控。

1.5.3 軟硬件整體調(diào)試

在完成軟硬件的調(diào)試之后，要對系統(tǒng)的總體進(jìn)行聯(lián)調(diào)，達(dá)到軟硬件的協(xié)調(diào)工作。

2 結(jié)語

本文通過團(tuán)霧對高速公路行車安全影響的分析，根據(jù)能見度理論，在利用天氣氣象裝置、能見度檢測儀收集不同道路環(huán)境信息的基礎(chǔ)上，采用模塊化設(shè)計，建立了基于數(shù)字?jǐn)z像的高速公路團(tuán)霧路段行車安全預(yù)警系統(tǒng)信息平臺。該平臺能夠?qū)崟r、高速、高效地向高速公路交通使用者發(fā)布團(tuán)霧的發(fā)生及發(fā)展情況，通過LED 電子顯示屏顯示該團(tuán)霧區(qū)的車輛行駛限速值，及時提醒過往駕駛員減速慢行，車速控制在限速值以下，可以有效地減少和預(yù)防高速公路由于突發(fā)團(tuán)霧造成的交通事故，從而提高了高速公路的安全服務(wù)水平及運行效率。