基于GPS的高速公路主动发光诱导与自动防撞预警系统*

杨 莹，贾 磊

(山西省交通科学研究院，山西 太原 030006)

基于GPS的高速公路主动发光诱导与自动防撞预警系统*

杨 莹，贾 磊

(山西省交通科学研究院，山西 太原030006)

极端恶劣天气和雾霾气象的经常发生，给高速公路运营安全带来极大隐患。因此，研发一套基于GPS授时的低能见度气象条件下高速公路主动发光诱导与自动防撞预警系统，可实现车辆智能引导、路形显示、车距警示、动态尾迹跟踪等功能。详细设计了智能诱导单元的硬件部分、上位机软件控制平台及控制策略，并给出了其控制流程图及软件界面图。选择团雾多发路段进行实地安装，应用效果明显，有效降低了事故发生率。

GPS授时；低能见度；主动诱导；防撞预警

0 引言

我国高速公路事业快速发展，给社会带来显著的经济效益。近几年，极端恶劣天气和雾霾气象的经常发生，给高速公路运营安全带来极大隐患，据交通管理部门统计，我国道路交通事故中因能见度低导致的交通事故每年都接近10%。目前针对低能见度气候现象，一般采取交通管制来保障行车安全，但交通管制对各路段造成的经济损失和社会影响难以估算，另外在交通管制前已经进入高速公路的车辆仍面临着行车安全隐患，团雾等恶劣天气发生的随机性更是让交管部门束手无策[1-3]。

本文介绍一种低能见度高速公路主动发光诱导及防撞预警系统，旨在通过智能化设备的建设，提升恶劣行车环境下的道路感知管控能力来减轻警力不足的困惑，降低一次事故避免二次事故的发生，提高道路通行效率，全力保障驾乘人员的生命和财产安全，同时为恶劣天气环境下智慧高速大数据平台建设提供数据支撑与服务。

1 系统组成

本文研发了一套基于GPS授时的低能见度气象条件下高速公路主动发光诱导与自动防撞预警系统，通过实时监测高速公路关键路段能见度(如事故多发路段、隧道出入口、高速收费站口、桥梁、匝道入口等)、车速、交通流等信息，并通过一定的控制算法实现对通行车辆智能引导、路形显示、盲点黑点提示、车距警示、动态尾迹跟踪等功能。系统由气象传感模块、智能诱导模块、数据预处理器、远程控制上位机软件、预警信息显示屏等组成。图1所示为该系统的结构示意图。气象传感模块主要监测能见度、气象(雨、雪等)等信息为整个系统提供控制依据；智能诱导单元由微处理器、车辆检测器、LED诱导灯驱动模块、433 MHz远距离无线传输模块、GPS授时模块及双电源供电模块组成，可实现车辆检测、LED灯控制、GPS授时、无线传输等功能，使其具备智能硬件基础，通过自适应无线组网接收主控模块控制命令进行主动发光诱导和自动防撞预警；数据预处理器为本系统的数据传输纽带，通过与远程上位机软件、智能诱导单元、气象传感模块等进行数据通信，确保各项控制指令可正确下达到智能控制单元，同时智能控制单元的状态可实时回传给上位机软件平台；远程控制上位机软件为满足远程监控使用，既能够实时按一定规则控制轮廓指示标，又能够设置控制策略和控制参数，实现定制化控制；预警信息显示屏为高速公路已有的各类显示屏，及时传达预警信息便于司机提前做好应急准备。

图1 系统结构图

2 智能诱导单元硬件设计

智能诱导单元由微处理器、车辆检测器、LED诱导灯驱动模块、433 MHz远距离无线传输模块、GPS授时模块及双电源供电模块组成。微处理器采用ARM处理器的LPC2114 芯片，一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU，并嵌入128/256 KB的高速FLASH存储器，128 bit宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行，完全满足业务需求。车辆检测器采用地磁车检器，用来检测是否有车辆通过，是否需要触发智能诱导单元工作。LED诱导灯驱动模块根据LED灯特性采用恒流驱动电路，由于采用双电源供电，采用可以AC/DC输入、无电解电容的驱动电路。433 MHz远距离无线传输模块，通过无线自组网方式实现智能诱导单元相互间的数据传输，无线数据链单节点覆盖半径为120 m。GPS授时模块接受北斗一号导航卫星发出的时钟脉冲信号来校正智能诱导单元中微处理器的时钟，使所有智能诱导单元的时间准确同步，从而实现系统中所有的诱导灯同步闪烁。双电源供电模块为智能诱导单元提供多种供电选择，既可以通过利用光能实现本系统能源供给的自给自足，适用于野外作业，又可以通过接入市电满足智能诱导单元的供电需求[4-6]。

智能诱导单元的控制流程图如图2所示，能见度采集仪采集的能见度数据传输到数据预处理器中，数据预处理器通过与上位机软件平台交互确定控制策略，控制策略通过433 MHz远距离无线传输模块下发到每个智能诱导单元的微处理器中。当车辆检测器检测到有车辆通过时，微处理器执行控制策略驱动LED诱导灯发出诱导信号。GPS授时模块校正微处理器的时钟，双电源供电模块为整个智能诱导单元供电。

3 软件平台及控制策略设计

上位机软件平台可较为方便地进行远程设备监控，既能够实时按一定规则控制轮廓指示标，又能够设置控制策略和控制参数进行实现定制化控制。系统的上位机软件平台界面如图3所示，上位机系统控制分为手动控制与自动控制两种。

(1)手动控制有两种模式：预置模式和自定义模式。预置模式为预先设置好工作模式，又分为诱导模式、预警模式、雾霾模式、事故模式、道路轮廓强化模式和关闭模式；自定义模式可以根据不同环境定义各种不同的工作状态,如：频率、亮度、尾长度，开启或关闭车检器等。

图2 智能诱导单元控制流程图

图3 软件平台界面

预置模式时各个模式的控制策略为：

①诱导模式：适用于天气晴朗、能见度高的环境，其诱导灯(黄灯)按60次/min同步闪烁，给行驶车辆主动诱导的一种模式。

②预警模式：适用于雾/雨/雪天气、能见度不高的环境，其诱导灯(黄灯)按60次/min同步闪烁提供行车主动诱导，当车辆经过后，其后面3组(默认)预警灯(红灯)亮起，给后面车辆提供前方有车信号，使其保持车辆的安全行车间距，减少追尾事故发生。

③雾霾模式：适用于雾霾天气、能见度低的环境，其诱导灯(黄灯)按120次/min最高亮度透雾同步闪烁提供行车主动诱导，当车辆经过后，其后面3组(默认)预警灯(红灯)也按120次/min最高亮度透雾同步闪烁，给后面车辆提供前方有车信号，使其保持车辆的安全行车间距，减少追尾事故发生。

④事故模式：适用于发生事故后，其预警灯(红灯)按120次/min同步闪烁，提示过往车辆减速，减少二次事故发生。

⑤道路轮廓强化模式：适用于天气晴朗、能见度高的夜间，其诱导灯(黄灯)常亮，强化道路轮廓的一种模式。

⑥关闭模式：适用于天气晴朗、能见度高的白天，此时诱导灯(黄灯)、预警灯(红灯)均关闭。

(2)自动模式的界面如图4所示，能见度和当前工作状态每两分钟更新一次，也可以手动点击按钮来获取。能见度只有在数据预处理控制器连接到能见度仪的情况下获取的数据才正确，如果没有连接能见度仪，获取的能见度值为无效值。

图4 自动模式软件界面

4 现场应用

实施高速公路走廊地形起伏大，毗邻河流，部分路段处于狭窄的沟谷地带，空气潮湿，常态性地出现大雾天气，对行车安全极为不利，根据实际需要安装了一套低能见度气象条件下高速公路主动发光诱导与自动防撞预警系统，该系统可提供雾、雨、夜、雪等低能见度环境气象信息及车速、交通流等信息，自动或手动控制道路两旁多功能轮廓指示标进行智能引导，上位机软件平台内置5种控制策略供用户选择。系统安装后大大降低了该段高速公路的事故发生率，为司机的平安出行提供了保障，安装前后的效果对照图如图5所示。

图5 实施前后系统对照图

5 结论

本文研发一套基于GPS授时的低能见度气象条件下高速公路主动发光诱导与自动防撞预警系统。通过GPS授时模块来校正智能诱导单元中微处理器的时钟，使所有智能诱导单元的时间准确同步，从而实现系统中所有的诱导灯同步闪烁。上位机软件平台可较为方便地进行远程设备监控，既能够按一定规则实时控制轮廓指示标，又能够设置控制策略和控制参数进行定制化控制。选择团雾多发路段进行实地安装，取得了很好的应用效果，有效降低了事故发生率，全力保障驾乘人员的生命和财产安全，同时可为恶劣天气环境下智慧高速大数据平台建设提供数据支撑与服务。

[1] 卫明,李爱民,吴兑.高速公路雾区预测预报与监控系统[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2] 张志勇.高速公路雾区监控系统功能设计初探[J].山西交通科技,2007,22(1):65-66.

[3] 刘志宏．高速公路雾区通行智能解决方案[J].交通工程,2006,22(11):64-66.

[4] 王文瑜．基于北斗卫星的授时系统研制[D].北京:北京邮电大学,2008.

[5] 周立功.ARM 微控制器基础与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社，2005.

[6] 李海新,冯雯,冯永宽.龙岩漳龙高速公路雾区诱导系统远距离供电设计[J].中国交通信息化,2011(5)：127-128.

Highway active light guidance and anti-collision warning system based on GPS

Yang Ying，Jia Lei

(Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan 030006，China)

Bad weather and fog haze bring a lot of hidden trouble to the safe operation of highway.Therefore，this article developed a set of highway active guiding and collision warning system in low-visibility conditions based on GPS timing，which can realize intelligent vehicle guidance，road shows，distance alarm，dynamic wake tracking，etc.In this paper，the hardware of the intelligent guiding unit，software control platform and control strategy were designed in detail.And the control flow chart and software interface were also given.The system has been installed in fog prone sections，and has reduced the incidence of the accident effectively.

GPS timing; low visibility; active guidance; collision warning

TP273+.5

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.21.009

杨莹，贾磊.基于GPS的高速公路主动发光诱导与自动防撞预警系统J.微型机与应用，2017,36(21)：29-31.

山西省交通厅科技项目(2017-1-9)

2017-04-01)

杨莹(1988-)，通信作者，女，硕士，助理工程师，主要研究方向：交通领域机电产品研发、软件系统开发。E-mail：yangying880418@163.com。

贾磊(1986-)，男，硕士，工程师，主要研究方向：交通领域机电产品研发、软件系统开发。