高速公路车载式自适应限速装置的研究

宋文山 张 凯

(南京信息工程大学信息与控制学院，江苏 南京 210044)

0 引言

目前，我国正在加速建设高速公路气象监测预警系统，大量的高速公路气象监测站随之投入使用。现有的监测预警系统按照“监测-预报-管理决策”的方式执行。该方式在应对一般大尺度、可预见性强的恶劣天气时发挥了重要作用[1]，但在应对尺度较小、突发性较强的恶劣天气时，往往暴露出系统反应迟缓、控制精度差等缺陷。在交通管理中，只有采取合理的限速方法和限速值，使驾驶员的行为变得更加一致，才能保障道路的安全与畅通[2]。针对不同的交通状态和环境条件采取不同的限速策略，不仅可以有效地增加高速公路的通行能力、减少行程时间，还能减少事故的发生并降低驾驶员的驾驶强度[3]。

针对现有道路气象预警系统的不足和实施高速公路变限速管理所面临的困难，设计了一种新型车载式自适应限速装置;并以该车载装置为基础，综合现有的高速公路气象检测系统以及信息网络，构建高速公路自适应限速管理系统。车载装置用来接收和分析行驶区域内的实时气象数据，并自动设定与当前路段环境相匹配的限速值，以实时监测车辆的行驶速度。同时，该装置还可以监督和记录超速行驶行为，从而在恶劣的天气条件下指导驾驶员安全驾驶。

1 系统概述

以车载限速装置为基础，综合现有的高速公路自动气象站及高速公路管理信息网络资源，构成了高速公路自适应限速管理系统。系统结构图如图1所示。

图1 高速公路自适应限速管理系统Fig.1 Adaptive speed limit management system of expressway

安装在道路沿途的自动气象站能够检测温度、湿度、能见度及降雨量等气象数据，并以广播的方式将信息发出。路过车辆所搭载的限速装置接收到该区域内的气象信息，按照预设的“气象条件-限速值”映射规则更新当前的限速值。装置内的GPS模块对车辆进行全程测速，显示实时车速并记录所有的超速行为。当修改限速值和车速过高时，装置发出相应的提示和告警。在入口站，工作站PC向车载限速装置写入上路信息(包含车辆基本信息和入口站信息等);到达出口站时，工作站PC从车载装置中读出上路信息以及超速记录等信息。在车辆的行驶过程中，车载限速装置将发挥指导和监督的作用。

2 硬件结构

车载式自适应限速装置主要由单片机及存储单元、GPS模块、无线通信单元、显示与告警单元组成，可实现速度监测、自动调整限速、告警提示以及信息的交换和存储等功能。装置的功能结构如图2所示。

图2 车载装置功能结构图Fig.2 Functional structure of the vehicle-mounted device

2.1 单片机及存储单元

车载装置采用MSP430F149单片机作为控制核心。MSP430系列单片机是一种性能优越的单片机，它针对小型化便携式设备的应用需求，对功耗进行优化;多时钟能够降低功耗，延长电池的使用时间。这一改进对于依靠电池供电的车载设备而言非常重要。MSP430F149是一款16位的精简指令集(RISC)单片机，相比8位单片机，它在性能方面有了很大提升。其具有较强的计算能力，能够实时处理GPS数据、分析气象数据和调整限速值。单片机及存储单元电路原理图如图3所示。

图3 单片机及存储单元电路原理图Fig.3 Principle of the circuitry of MCU and storage unit

图3中，X1为32 768 Hz的外部低频晶体振荡器，它为片内辅助系统提供时钟基准;X2为8 MHz的高频晶体振荡器，它为片内主系统提供时钟基准，保证单片机低耗高效工作。R1、R2、C1和电键Reset构成单片机的复位电路。AT24C02为电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)芯片，可存储2 048 B数据，用来存放工作站录入的信息和行驶过程中的超速记录，从而保证存储的信息掉电不消失。

2.2 GPS与无线通信模块

GPS模块GS-92m用来实现车速检测和车辆定位功能，无线通信模块CC1100用来实现车载装置与自动气象站之间的信息交互。GPS与无线通信模块接口电路原理图如图4所示。

图4 GPS与无线通信模块接口电路原理图Fig.4 Principle of the interface circuitry of GPS and wireless communication module

GS-92m模块拥有20个卫星信号通道，在热启动模式下，平均定位时间仅需1 s;在冷启动模式下，平均定位为为42 s。模块的圆周定位误差小于10 m，测速精度为0.1 m/s、测速范围为0～515 m/s，该定位和测速精度可满足高速公路车辆测速的要求。该模块小巧轻便，外观尺寸仅为15 mm×13 mm×2 mm，质量为3 g，内部集成了SIRF3的外围电路，只需4根导线即可与单片机系统连接。GS-92m工作于3.3 V电压下，数据输入(RD)、输出(TD)引脚分别与MSP430单片机的 P3.4、P3.5引脚相接。GS-92m 与单片机 MSP430 采用相同的串行通信标准，波特率为9 600 bit/s，具有8位有效数据位、1位停止标志位，无校验位。

无线收发模块基于CC1100芯片，内部集成了射频发射器、射频接收器、PLL频率合成器以及可编程控制电路等多种功能模块。该芯片在433 MHz免执照频段工作，接收灵敏度典型值为－110 dBm，可自动校准接收和发送频率，最高通信速度可达78.6 kbit/s。CC1100的主要工作参数可通过其串口编程设定，使用灵活方便。CC1100芯片提供3种数据编码方式和多种微控制器接口方式。

采用CC1100与少量外围元件，再配合一个微控制器，便可组成一个完整高效的射频(radio frequenay，RF)收发系统。该射频模块使用标准的8针扁平电缆连接，1、8号引脚为电源引脚，2～7号引脚依次对应CC1100芯片的 RSSI、PALE、PDATA、PCLK、DCLK、DIO 数据和控制管脚。

2.3 显示与告警单元

显示单元主要由6只共阴极数码管构成，6只数码管分为A、B两组。其中，A组显示当前限速值，B组显示实时车速。由于MSP430F149是一款低功耗的单片机，其I/O端口的驱动能力十分有限，所以在数码管的段选信号、位选信号与 MCU之间增加了2片74HC573芯片，用作缓冲驱动，这样既可以正常驱动数码管，又可以保护MCU的I/O端口不会因电流过大而损毁。

显示及告警单元电路原理图如图5所示。

图5 显示及告警单元电路原理图Fig.5 Principle of the circuitry of display and alarm unit

告警单元由蜂鸣器和红色LED电路组成，使用一个PNP型三极管来驱动蜂鸣器。如果P6.7端口输出高电平，PNP三极管将导通，蜂鸣器发声;如果 P6.7端口输出低电平，PNP三极管截止，则蜂鸣器被关闭。通过对定时器编程可驱动P6.7输出不同占空比的PWM波，就可以让蜂鸣器发出不同的音调和节奏。定时器也可以驱动LED按照不同的节奏闪烁。车速越快，越接近当前限速值，蜂鸣器发出的音调就越高、节奏越快、红色的LED闪烁越迅速，从而有效地提醒驾驶员控制车速。

3 程序设计

3.1 限速装置程序主流程

车载式自适应限速装置的工作程序主要由工作站服务子程序、GPS测速子程序、气象数据接收与限速值自设定子程序和超速判断及告警子程序组成。当车辆驶入高速公路时，入口站子系统向车载限速装置录入车辆基本信息与入口站编号，发送指令启动限速装置的GPS及显示模块。

在车辆行驶过程中，GPS每秒更新一次当前车速及定位信息，刷新数码管显示的车速。超速判断子程序比较实测车速与当前限速值后，根据差值大小作出不同的告警响应。如果确定为超速，则生成超速行为条目。该条目包含超速时的车速、限速值和位置坐标等信息。

在经过高速公路气象站时，车载装置接收气象信息，按照映射规则，自动调整并刷新数码管显示的当前限速值。当车辆抵达高速公路出口站时，车载装置响应工作站设备指令消息，将车辆基本信息、入口编号以及超速记录发送给相应的工作站设备。当信息发送完成后，车载装置关机，后续收费及处罚等工作由出口站子系统完成。

3.2 GPS 数据处理

车载装置选用的GS-92m模块可输出GPGGA、GPGSA、GPRMC等多种格式的GPS数据，用户可根据需要选择所需输出数据的格式和频率。GPRMC为最小GPS数据格式，其定义为：$ GPRMC，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞，＜7＞，＜8＞，＜9＞，＜10＞，＜CR＞。

各数据段具体定义如下。

① 标准定位时间：hhmmss.sss。

②定位状态：A=数据可用、V=数据不可用。

③ 纬度：ddmm.mmmm。

④ 纬度区分：北纬=N、南纬=S。

⑤ 经度：dddmm.mmmm。

⑥ 经度区分：东经=E、西经=W。

⑦ 相对位移速度：0.0 ～1 851.8 knots。

⑧ 相对位移方向：000.0 ～359.9°。

⑨ 日期：ddmmyy。

⑩度数。

⑪＜CR＞为回车符，标志着一条GPRMC语句的结束。

对GS-92m模块进行编程，选择每秒输出一条GPRMC语句。该语句包含了限速装置所需的速度和定位信息。GPRMC数据从P3.5引脚输入到MSP430单片机，通过中断响应的方式完成对GPS数据的解析操作。

图6 GPS数据解析程序流程图Fig.6 Flowchart of GPS data analyzing program

GPS数据解析程序流程如图6所示。GPS数据解析程序首先识别GPRMC语句头“$GPRMC”，然后判断数据是否有效，若为无效数据则抛弃。对于有效数据(即定义的第二个字段为字母A)，则依次读取第三、第四字段并存入变量Latitude，读取第五、第六字段并存入变量Longitude，第七字段值即为当前车速值。速度值单位为knots(节)，将速度值按1 knots≈1.85 km/h换算取整后，存入变量 speed，再将该值发送到数码管B组显示。最后比较车速与限速值的大小，如果车速超过当前限速值，则调用超速处理子程序。

3.3 气象数据接收及限速值设定

车载限速装置的一个主要功能是接收自动气象站的实时监测气象数据，经分析计算后得到当前天气条件下的合理限速值，从而及时应对大雾沙尘、强降雨和持续高温等局部突发性恶劣天气造成的不利影响。自动气象站将采集到的能见度(以可视距离表示)、温度、降雨量等气象信息按规定的数据格式进行封装，然后传递给CC1100向广播地址发送。携带了车载限速装置的车辆在经过该广播覆盖的路段时，都可以接收到自动气象站发出的信息。

自动气象站发出的消息内容定义为：

$HMM;＜Num＞;＜VR＞;＜Temp＞;＜RpD＞;＜CR＞。气象数据消息以$HMM字符串开头，表示其后为有效的气象信息，字符串字段之间以“;”分隔。各字段的定义如下。

①Num为自动气象站统一编号，数值范围为0～999。

②VR(visual range)为可视距离，表示范围为0～999 m，分为5个等级：A(＞500)、B(200～500)、C(100～200)、D(50～100)和E(0～50)。

③RpD(rainfall per day)为日降雨量，表示范围为0～99 mm，分为Normal(0～25)和Heavy(＞25)两个等级。

④ Temp为环境温度，数值范围为0～99，对应实际温度为－20～+79℃，分为Cold(0～30)、Normal(30～70)和Hot(70～99)三个等级。

⑤ ＜CR＞为回车符，标志着一条消息的结束。

气象站和车载装置均按照此定义对气象信息进行封装和解析。车载装置在接收到气象消息后，首先在 Addr-list中查找消息中的 Num。如存在该Num，则抛弃这条气象信息，避免重复接收同一气象站信息;如果没有该Num，则继续后续的分析处理。车载限速装置解析数据后，映射相应的限速规则并调整当前限速值，将新得到的限速值存入Limit中。最后更新数码管A组显示，通过声音和灯光的方式提醒驾驶员限速值已修改。限速调整子程序流程如图7所示。

图7 限速调整程序流程图Fig.7 Flowchart of GPS data analyzing program

限速规则的设定综合考虑了天气条件对车辆性能、路面状态、驾驶员心理等多方面的影响，并结合司乘人员及交通管部门理经验，同时参考了《道路交通安全法实施条例》的相关规定[4－5]。对于道路气象条件与安全车速的关系问题，陈勇[6]、程国柱[7]、王超[8]和王喆[9－10]等人作了深入的研究。本文设计的车载装置所执行的限速规则主要包含以下10条。

①If(VR is E)then(Limit is 20);

②If(VR is D)and(Temp is Cold)then(Limit is 20);

③If(VR is D)and(RpD is Normal)and(Temp is Normal)then(Limit is 40);

④If(VR is C)and(RpD is Heavy)then(Limit is 40);

⑤If(VR is C)and(Temp is Cold)then(Limit is 40);

⑥If(VR is C)and(RpD is Normal)and(Temp is Normal)then(Limit is 60);

⑦If(VR is B)and(RpD is Heavy)then(Limit is 80);

⑧If(VR is B)and(RpD is Normal)then(Limit is 100);

⑨If(VR is A)and(Temp is Hot)then(Limit is 100);

⑩If(VR is A)and(Temp is Normal)then(Limit is120)。

3.4 告警提示程序

限速装置将GPS所测得的实时车速与调整后的当前限速值进行比较，首先计算限速差值ΔV=VLVt，其中，VL为当前限速值，Vt为GPS模块实测的车辆行驶速度;然后根据ΔV大小作出相应响应。告警操作表如表1所示。

表1 告警操作表Tab.1 Alarming operations

车载装置通过蜂鸣器和指示灯阶段性的声光变化，提醒驾驶员及时调整车速，以保障行车安全。超速记录的每一条目包含的信息有：条目顺序编号、时间、实测车速、当前限速值、实测GPS坐标信息、持续时长以及Addr-list中最新的Num。根据超速记录条目，即可确定每次超速行为发生时车辆的行驶速度和位置信息，以及限速值及其来源(地址表中最新Num所代表的自动气象站)。通过记录持续时长，既可以对超速行为的恶劣程度进行定量分析，又可避免一次超速多次记录占用太多储存空间的问题。超速记录条目包含了交通管理部门对超速行为进行核查及处罚所需的必要信息。

3.5 工作站信息交互

当车辆驶入高速公路入口站时，工作人员将车牌号、车辆类型、驾驶员证件、驶入时刻入口站编号以及初始限速值等基本信息录入到车载限速装置中，同时可以根据实际情况，通过写入命令字控制限速装置关闭变限速功能，从而全程执行初始的限速标准。信息录入成功后，随即开启GPS测速模块和相关程序，将限速装置交给驾驶员随车运行。

当车辆到达出口站时，驾驶员将限速装置交给工作人员，工作站PC首先从车载装置中读取入口工作站编录的基本信息并计算行车里程，如果存在违章记录，则根据记录的内容对违章行为采取相应的处罚措施;然后复位车载限速装置设置，清除记录信息、断电关机;最后整理信息，统一编排之后录入高速公路管理信息系统。

4 结束语

本文所设计的车载式自适应限速装置，可根据各路段的实时气象信息，自动设定与行车环境相适应的限速值，从而保障高速公路全天候的行车安全、提高通行效率。该装置是对现有道路气象信息系统功能的拓展，是实施高速公路变限速管理的有效工具。针对恶劣天气的不利影响，应用该装置组建高速公路可变限速管理系统，可弥补现有管理办法尺度过大、反应滞后等不足，从而促进高速公路管理向智能化、精细化发展。

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