高速公路雨雾监测与车辆预警系统设计
2014-09-05张鹏，龙伟
张 鹏，龙 伟
(四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065)
高速公路雨雾监测与车辆预警系统设计
张 鹏，龙 伟
(四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065)
针对高速公路雨雾灾害具有突发性、小范围波动等特征，通过集成GSM、GPS和GIS等信息技术，设计建立了高速公路雨雾监测与车辆预警系统。同时，探讨解决了系统设计过程中的关键技术问题，如雨雾实时监测、无线数据传输网络设置、多维度数据库建库和信息直观显示、及时发布等。最后，通过建立一个实验系统验证了系统的可行性，结果表明：系统能够对雨雾灾害进行多点实时监测及数据远程传输，能及时发布预警信息，有效降低雨雾天气下的交通事故发生率。
雨雾监测； 车辆预警； GPS； GSM； GIS； 实验系统
恶劣的天气条件对高速公路交通安全有显著的影响，由其引起的视距降低、路面摩擦力减小等因素会严重威胁高速公路行车安全。目前，高速公路缺乏对雨雾灾害稳定的监测和实时高效的预警措施，在大雨和浓雾天气下，道路能见度急速降低，往往会造成车辆滞留、交通堵塞甚至严重的交通事故[1]。陈武弟[2]提出了基于RFID的雾天高速公路车辆实时预警系统，能初步解决雨雾监测与预警，但是存在着实时性低、建设成本较高、数据远距离传输困难等问题。
通过借鉴国内外已开展的高速公路雨雾灾害形成特征、低能见度监测、恶劣天气交通管制和高速公路天气信息系统等方面的研究，整合GSM、GPS和GIS等信息技术，设计建立了集雨雾灾害实时监测、数据采集处理、预警决策和信息发布等功能的高速公路雨雾监测与车辆预警系统。本系统具有实时性高、数据传输距离基本无限制、建设成本较低等特点。
1 系统设计
本系统是基于GPS的实时快速定位、GIS的地理信息查询和分析、GSM的无线数据通信、数据库存储和计算机软件开发等相关技术集成构建，主要由雨雾监测单元、车载预警终端、监控操作中心、系统数据库和GSM网络等5部分组成，其架构如图1所示。
图1 系统主要架构
在雨雾灾害频发的路段每隔一定间距安装一个雨雾监测单元，实时监测能见度、降雨量、温度等气象信息，每个检测周期将实时气象信息通过GSM网络发送到监控操作中心进行判别、处理后，存储到系统的气象数据库。车载预警终端利用GPS模块连接到GPS定位卫星，将车辆的实时速度、地理经纬度等动态信息每隔一定时间通过GSM网络发送至监控操作中心，经过转换、处理后，系统将该车辆的动态信息存储在系统的车辆在线数据库里，同时利用GIS技术将车辆当前位置在电子地图上清楚直观地显示出来。当雨雾灾害发生时，监控操作中心通过接收到的气象信息自动选择预警方案，并且通过GSM网络将预警信息发送至在线车辆的车载预警终端，车载预警终端以语音、短消息的方式进行提示，从而实现雨雾实时监测与车辆预警，其信息流程如图2所示。
图2 系统信息流程图
2 系统构建关键技术
2.1雨雾实时监测技术
高速公路雨雾的形成、增浓减淡、移动消散具有突发性、小范围的特征，因此对雨雾的自动实时监测是有效实施突发性雨雾灾害预警的基础和前提。本系统采用在雨雾灾害频发路段多点布设雨雾监测单元的方法，提高了气象信息采集的准确性，缩小了预警范围，提高了控制精度[3]。雨雾监测单元主要由雨雾能见度仪、信息控制处理器、SMS Modem和电源组成，如图3所示。
图3 雨雾监测单元结构图
雨雾能见度仪根据光的散射和反射原理对能见度进行精确测量，能辨别降水类型、强度和输出总降水量，可以灵活地连接到各种数据采集装置，可以串口、模拟量、继电器接点输出。雨雾能见度仪按照普通路段5～10km、雨雾频发路段1～3km的间距，离地高度1.5～2.0m的原则进行布设。雨雾能见度仪通过RS232信号接口与信息控制处理器连接，其标准数据格式如下：
关键字段及说明见表1。
表1 关键字段及说明
信息控制处理器通过AT指令控制SMS Modem进行数据的发送和接收。信息控制处理器根据接收到的来自监控操作中心的指令对雨雾能见度仪进行开关控制、监测方式设置和数据采集周期设置等，同时，将雨雾能见度仪输出的气象信息处理后通过SMS Modem发送至监控操作中心，存储到系统气象数据库。
2.2基于GSM的无线网络设置
GSM网络负责传输实时气象信息、在线车辆动态信息，发布能见度仪控制指令、预警信息，是监控操作中心与雨雾监测单元、车载预警终端之间进行信息交互的通道。GSM以SMS(Short Message Service)形式传输数据，具有快速、网络覆盖率高的特点和消息接收确认的功能，方便在通信中确认数据是否到达以及判断故障，缺点是数据长度有限制，按短信息次数收费，适合于通信次数较少、数据量不大的场合。基于GSM系统的GPRS(General Packet Radio Service)业务按流量计费、数据传输快、实时性好、永远在线、延时短[4]，但是网络覆盖小。综合考虑网络性价比、系统各部分对网络要求侧重点不同，本系统采用SMS短消息业务和GPRS通用无线分组业务相结合的方式进行数据传输。在实时向监控操作中心传输气象信息和在线车辆动态信息时，采用了GPRS方式，监控操作中心向下传递控制指令和发布预警信息时，采用的是SMS方式。
2.3基于GIS的系统数据库结构设计
数据库是本系统运行的信息枢纽，其设计的好坏不仅直接影响到系统建设的速度和成本，而且还影响到系统的运行、应用和管理[5]。利用GIS技术将高速公路及其环境等要素映射到监控操作中心的电子地图中，从而实现高速公路地理信息的可视化管理。在系统数据库中，数据按照存储性质分为静态和动态两大类。其中，静态数据包括高速公路沿线的道路信息、雨雾监测设备信息、地理信息、雨雾灾害历史记录和系统用户信息；动态数据包括沿线各监测单元监测到的气象信息和在线车辆的信息。系统数据库结构模型如图4所示。
图4 系统数据库结构模型
2.4信息显示及发布
监控操作中心集气象信息实时接收处理、监测单元远程控制、车辆动态记录、预警方案决策、预警信息发布等功能于一体，是整个系统的管理控制中心和信息处理中心。监控操作中心的主要功能模块如图5所示。其中，数据显示中心分为能见度数据视图和电子地图。能见度视图可以实时直观地观察单点或者多点能见度监测数据，并且控制各监测单元的开关、设置能见度仪的检测周期和工作模式。电子地图根据车辆上传的动态信息在地图上实时显示车辆的具体位置和运行状态，并且通过GSM网络连接车载预警终端，以语音、短消息等方式显示预警信息。当检测到雨雾灾害发生时，中心能够及时、准确地对雾区车辆进行安全预警，提醒驾驶人员保持合适的车速和车距，降低交通事故的发生率。
图5 监控操作中心功能设计
3 系统验证实例
为了验证系统设计及其关键技术的可行性，采用英国Biral公司的SW200型天气气象检测仪作为雨雾能见度检测仪，并且根据其提供的标准数据接口开发设计了信息控制处理器，完整实现了雨雾监测单元的功能。同时，应用Android智能手机的GSM网络、GPS模块和TTS(Text to speech)模块，开发设计了车载预警终端，实现了在线车辆动态信息实时无线传输、GPS定位以及语音预警等功能。最后，基于.Net 2005软件开发平台开发了监控操作中心软件平台，有效整合了系统的各种信息数据。该实验系统的基本架构与图1完全相同。
实验测试结果表明，该系统的数据无线传输快速可靠，信息显示直观，预警信息发布及时，能有效提高高速公路雨雾灾害的预警能力。图6是实地实验时JC0003号监测单元最近10个检测周期监测到的能见度柱状图，其中，纵坐标表示能见度值，单位为m，横坐标表示当前天气类型。
图6 JC0003监测单元实时监测能见度值
4 结束语
高速公路雨雾监测与车辆预警系统的设计及实施方案，解决了高速公路雨雾灾害的实时监测和车辆及时预警的难题，在应对季节性、突发性的雨雾灾害方面有独特优势，提高了恶劣雨雾天气下交通流的稳定性和有序性，这对于我国高速公路信息化、智能化建设具有十分重要的现实意义。可以预见，随着信息技术的不断发展和普及，将会给雨雾监测与车辆预警系统的发展带来更广阔的前景。
[1] 齐莹菲,柳本民,郭忠印. 高速公路雾天安全管理系统[J]. 同济大学学报:自然科学版,2007,35(1):61-66.
[2] 陈武弟,龙伟,丁柱. 基于RFID的雾天高速公路车辆实时预警系统[J]. 中国制造业信息化,2010,39(1):60-63.
[3] 代红焱,龙伟,李炎炎. 高速公路雨雾监测与车辆安全预警系统研究[J]. 南京工程学院学报,2012,10(3):55-60.
[4] 翟战强, 蔡少华.基于GPRS/GPS/GIS的车辆导航与监控系统[J]. 测绘通报, 2004(2):34-36.
[5] 闻正龙, 黄强, 张海波.塔里木河流域基础数据库设计关键问题研究[J].干旱区地理,2005,28(3):377-380.
DesignofRainandFogMonitoringandVehicleWarningSystemforExpressway
ZHANG Peng, LONG Wei
(Sichuan University, Sichuan Chengdu, 610065, China)
According to the characteristics of rain and fog disasters, which include the proruption and small scope fluctuation, it designs the expressway rain and fog monitoring and vehicle warning system by integrating the GSM, GPS and GIS information technologies, analyzes the key technical problems in the process of system design, such as rain and fog real-time monitoring, wireless data transmission network settings, multidimensional information database construction and information visual display and timely release. Finally, it establishes an experiment system to verify the feasibility of the system, the results show that the system can solve the problem of rain and fog multipoint real-time monitoring and data remote transmission, and also release warning information timely to effectively reduce the incidence of traffic accident under the rain and fog.
Rain and Fog Monitoring; Vehicle Warning; GPS; GSM; GIS; Experiment System
10.3969/j.issn.2095-509X.2014.02.006
2013-11-25
四川省科技支撑计划项目(2010GZ0171)
张鹏(1988—)，男(苗族)，重庆人,四川大学硕士研究生，主要研究方向为智能交通与车辆工程。
TP212.9;U491
A
2095-509X(2014)02-0027-04
