基于北斗的智能路标系统设计与模拟实现

陈明发,邓健,朱棪,阮华敏,郎晗笑

(厦门理工学院 计算机与信息工程学院,福建 厦门 361024)



基于北斗的智能路标系统设计与模拟实现

陈明发,邓健,朱棪,阮华敏,郎晗笑

(厦门理工学院 计算机与信息工程学院,福建 厦门 361024)

针对当前大城市中心道路的交通拥堵问题,基于北斗卫星定位系统提供的车辆位置信息,设计并模拟实现了基于北斗的智能路标系统。该系统利用车辆中北斗定位终端提供的位置信息与道路参数作为变量,基于车道占有率建立了道路的实时路况模型,并通过路标的LED灯光颜色变换引导车流,最后,基于PC端与单片机的串口通信模拟了系统的运行流程。系统有效实施具有一定的实用价值。

交通拥堵;智能路标;北斗系统;单片机

0 引 言

进入21世纪,中国城镇化、机动化进程不断加快。截止至2015年,全国31个城市的汽车数量超过100万辆,部分特大城市超过500万辆。在这一大背景下,城市交通拥堵问题开始成为困扰中国大城市的普遍难题[1]。交通拥堵首先出现在北京、上海、广州等特大城市,并在短短几年间迅速蔓延至包括厦门在内的百万级人口城市,甚至一些中小城市也出现了严重的交通拥堵问题,且愈演愈烈。

北斗卫星导航系统(BeiDou(COMPASS) Navigation Satellite System)是我国自行研究的,具有独立自主知识产权的卫星导航系统。本系统基于北斗卫星导航系统,利用智能路标指示前方道路拥堵情况引导车辆改变行驶方向,进而疏导城市中心道路交通车流量,从而缓解城市交通拥堵问题。与传统方式相比,该系统能够在驾驶员不使用任何辅助工具的情况下帮助其以最大的交通舒适度到达目的地,更加直观、便捷;此外,该系统也在一定程度上缓解了由道路建造布局不合理带来的城市拥堵问题与部分道路利用率较低之间的矛盾,对政府交管部门解决城市交通问题具有参考价值。

1 系统整体设计

本系统主要分为车载北斗导航系统、控制中心服务器与智能路标端三部分,如图1所示,系统工作流程如下:

1) 车辆利用内置北斗导航定位模块进行实时定位;

2) 北斗模块将车辆位置信息实时通过GPRS网络发送至控制中心服务器;

图1 系统整体设计图

3) 控制中心服务器上事先已储存城市各道路的车道数与长度数据,当服务器接收到某一道路内各车辆的位置信息时,将其与道路信息匹配后进行地图显示;

同时,服务器根据车辆位置信息计算当前车道的实时车辆数,分析路况信息,得出该道路上智能路标端的LED灯颜色变换指令(与前方交叉路口个数相同),并将指令发送至该智能路标;

智能路标上的单片机模块执行该指令,进行LED灯的颜色变换,引导车辆的行驶方向。

2 实时路况分析模型

道路拥堵是指实时交通量超过某条道路的交通容量时,超过部分滞留在道路上的交通现象。数据显示,城市中心道路以小轿车居多,约占90%,故该算法以小轿车为参照标准对城市道路的拥堵情况进行判定。

采用车道占有率(即某条道路实时交通量与该道路车辆最大容纳数之比)判定道路拥堵状况。小轿车车身长度为3.6～4.4 m,宽度约为2.5 m.考虑到两车间距的问题,设定车身平均长度I为5 m.由于道路的车道数不同,且同一车道仅限一辆车通行,故使用参数C作为车道系数,单车道时C=1,双车道C=2,以此类推。通过北斗系统获取某条道路的实时交通量N,并根据道路长度L与N的关系,可得出道路占有率η:

η=N/(L×C/I)×100%，

(1)

将道路交通占有率分为三个等级(颜色),绿色表示通畅,蓝色表示缓行,红色表示拥堵,如表1所示。将计算得出的车道占有率η与表中各等级对应指数进行比较,得到道路交通情况,从而改变路标的LED灯为相应颜色。

表1 车道占有率分级区间

3 基于C语言与串口通信的系统模拟实现

本系统结合车辆位置信息,对现有的路标进行了智能化改造。通过安装在距道路交叉路口50 m左右区域的路标,实时显示前方各方向道路的信息与拥堵情况,引导车辆的行驶方向。基于北斗导航定位模块结合亚米级车道定位终端实时获取车辆位置信息,确保车辆位置的准确性。

由于路车流量信息获取难度较大等现实因素,本文对系统实现环境进行了模拟。该系统实现了PC端窗体程序与单片机模块的串口通信,模拟道路车辆分布与智能路标的灯光颜色变换。系统整体环境模拟如图2所示。

图2 系统环境模拟图

3.1 车载北斗导航定位终端

北斗定位模块是本系统的核心组成部分,也是车载北斗导航系统的中心。随着导航定位技术的发展,车辆的定位精度已达到亚米级,可完全满足车道定位的需求。市面现有的定位终端多已采用亚米级车道定位终端。亚米级车道定位终端具有体积小、重量轻、定位精度高等优点,非常适用于轿车等小型车辆的定位。此外,基于CORS、RFID等技术与车道亚米级定位的需求相结合也保证了车载北斗导航定位终端的系统安全性与可实施性[2-4]。

3.2 控制中心道路交通情况模拟

系统使用C++语言编写窗体程序,模拟控制中心发送道路信息与车流量数据。如图3所示,当车辆行驶至道路交叉路口前方50 m附近的智能路标时,路标通过嵌入的LED灯颜色变换实时显示前方交叉道路的交通状况。基于道路交通的实际情况,设置道路长度、道路数、实时交通量三个输入变量与道路情况一个输出变量,如图4所示。

模拟输入道路的长度、道路数与实时交通量,软件根据实时路况分析模型判定当前道路的交通情况并显示,同时将三个方向的LED灯颜色变换指令发送至单片机,进行下一步操作。此外,为了更好地测试单片机的指令处理能力,系统设置了生成随机数的方式定时自动循环发送,模拟车流量分布。控制中心模拟流程如图5所示。

图3 交通情况模拟图

图4 模拟参数设置图

图5 控制中心模拟流程图

3.3 基于单片机的智能路标颜色变换模拟

智能路标端基于单片机模块,通过对RGB灯的指令控制实现了路标的颜色变换。该模块采用STC90C516RD+作为单片机的核心芯片,用于模拟路牌颜色控制变换。

STC90C516RD+系列的单片机电路模块由四部分组成，系统模块,包括微控制器、复位电路、晶振电路,是STC90C516单片机系统的控制核心;电源模块,由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路构成;输入模块,包括串口接口、电源开关、复位开关等;输出模块，由10个引脚输出端、面包板电路和3个四脚共阳RGB-LED灯构成。令3个RGB-LED灯的正极共接1个引脚,9个引脚连接其负极,从而控制串口电流的方向,改变灯光颜色，如图6所示。

图6 单片机整体模块图

在单片机与PC端的串口通信中:首先,PC端初始化创建窗体界面,模拟道路交通信息并把指令通过串口发送给单片机;其次,单片机初始化串口数据,打开中断函数,令REN=1,SBUF开始接收指令(REN=0则不接收指令);最后根据得到的指令判断执行何种灯光变换操作。工作流程如图7所示。

图7 串口通信工作流程图

此外,系统控制中心服务器每隔一定比特时间接收来自各车辆内置的北斗模块发出的位置信息,并利用实时路况分析模型进行道路拥堵状况判定,将得到的颜色变换指令发送至智能路标端,路标端根据收到的指令完成颜色变换,从而完成一次系统运行的循环。智能路标端的颜色变换如图8所示。

图8 智能路标颜色变换图(左:通畅; 中:拥堵;右:拥堵)

4 结束语

随着科技的发展,车载导航的市场不断扩大,越来越多的车辆内置或自主安装了车载导航仪,借助卫星定位系统完成监控的成本越来越低。本系统与传统路标相比,提出了基于智能路标引导车辆行驶方向的方案。该方案利用车载北斗终端对道路的交通量进行实时监测与判定,通过路标内置LED灯光颜色的实时变换显示前方道路情况,引导车辆的行驶方向,达到了疏导车流、合理利用道路,缓解城市交通压力的目的。随着中国城市化进程的不断加快,城市交通压力日益增大,智能路标系统仅对现有的路标功能进行了丰富与完善,实现路标的智能化,并未大范围改变城市道路格局,在大型城市或中型城市的CBD周边道路实用性较高。随着北斗导航系统产业链的快速发展,该系统可提高城市的道路利用率,缓解交通压力,符合国家推进创新性城市建设的需要,具有广泛的应用前景[5]。

[1] 杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报,2010(1):1-6.

[2] 程飞翔,陈金鹰.基于北斗导航的物联网应用[J].信息通信,2014,133(1):37-38.

[3] 赵泰洋,郭成安,金明录.一种基于RFID原理的交通信息获取系统与车辆定位方法[J].电子与信息学报,2011(11):2612-2617.

[4] 王开峰,王建宇,汪登辉.基于CORS的车道级导航终端精度测试[C]//南京:江苏省测绘地理信息学会,2014:12-14.

[5] 窦长江.北斗导航卫星应用产业化研究[J].全球定位系统,2006，31(5):46-48.

Design and Simulation of the Intelligent Road Sign System Based on BDS

CHEN Mingfa,DENG Jian,ZHU Yan,RUAN Huamin,LANG Hanxiao

(CollegeofComputerandInformationEngineering,XiamenUniversityofTechnology,Xiamen361024,China)

Based on the vehicle location information provided by the BeiDou Navigation Satellite System, the intelligent road marking system based on the BDS is designed and simulated to solve the traffic congestion in the central city road. The system uses the position information and road parameters provided by the BeiDou positioning terminal in the vehicle as variables, establishes a real-time traffic model of the road based on the lane occupancy, and guides the traffic flow through the LED color change of the signpost. Finally, based on PC and the serial communication of singlechip simulates the running flow of the system. The effective implementation of the system has a certain practical value.

Traffic congestion; intelligent road signs; BeiDou Satellite Navigation System; singlechip

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.013

2016-08-29

大学生创新创业训练计划项目(编号:201611062015)； 校高层次人才项目(编号:YKJ15036R)

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0059-04

陈明发 (1995-),男,本科生,研究方向为GIS与3S集成应用。

邓健 (1981-),男,博士,副教授,主要从事卫星导航定位技术开发与应用研究。

朱棪 (1994-),男,本科生,研究方向为Android软件开发设计与应用。

联系人: 陈明发E-mail:290066175@qq.com