基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路智能行車誘導系統(tǒng)的設計

引 言

道路安全 [1] 是城市發(fā)展過程中的一個重要挑戰(zhàn)，特別是在高速公路環(huán)境下，由于車輛速度較快，易在夜間、大霧天氣發(fā)生較為嚴重的行車事故，危害人民生命財產(chǎn)安全。目前， 我國高速公路交通誘導主要使用的依然是傳統(tǒng)的誘導設施， 包括突起路標、閃爆燈、警示燈、輪廓標等，智能化程度低， 缺乏協(xié)作機制。由于無法對實時地交通信息進行發(fā)布，所以傳統(tǒng)方法運行效果相對較差 [2]。物聯(lián)網(wǎng) [3] 技術的發(fā)展為降低事故發(fā)生率提供了一種研究思路。通過整合云計算 [4]、大數(shù)據(jù) [5]、機電設施、網(wǎng)絡通信等多項技術手段，實現(xiàn)對道路交通狀態(tài)的實時判定和交通數(shù)據(jù)的融合處理，進而做出相應的交通運行決策。然而，當前主要的交通誘導除了在進行數(shù)據(jù)監(jiān)測時存在成本過高、維護不便的問題之外，系統(tǒng)整體對網(wǎng)絡配置要求較高，應用場景受到限制 [6]。

為了實現(xiàn)對誘導系統(tǒng)的遠程無線控制，提高誘導系統(tǒng)智能化程度，本文充分利用已經(jīng)較為成熟、覆蓋面較廣的蜂窩網(wǎng)絡 [7]，構建一種支持遠程控制、提供豐富數(shù)據(jù)接口的智能行車誘導系統(tǒng)。通過在高速公路車道兩側部署誘導燈標節(jié)點， 為駕駛人員實時提供當前行車指引信息，同時，利用覆蓋面較大的蜂窩網(wǎng)絡完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)上行/下行傳輸。

1 系統(tǒng)架構設計

智能行車誘導系統(tǒng)架構如圖 1 所示，主要由 4 部分組成，由上至下分別是 ：智能控制平臺、協(xié)調器、誘導燈標和傳輸網(wǎng)絡。其中，傳輸網(wǎng)絡可細分為兩部分，分別是控制平臺同協(xié)調器間的通信網(wǎng)絡和控制平臺同外部應用間的通信網(wǎng)絡。

智能控制平臺包括控制端、服務器和數(shù)據(jù)存儲中心。作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中轉站，控制端借助因特網(wǎng)為用戶提供數(shù)據(jù)接口，方便用戶實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠程控制 ；同時，通過與服務器和數(shù)據(jù)存儲中心相連接，控制端能夠對由上至下 / 由下至上的數(shù)據(jù)進行初步處理和存儲 ；此外，借助蜂窩網(wǎng)絡，控制端能夠將用戶命令發(fā)送至誘導燈標節(jié)點，完成誘導燈標顯示的變更和維護。

協(xié)調器作為路側基站，借助蜂窩網(wǎng)絡同控制平臺進行通信，同時，還可對一定范圍內(nèi)的誘導節(jié)點進行匯總管理。從設備硬件角度看，由于需要支持 GPRS 調制解調 [8]，協(xié)調器比誘導節(jié)點能耗稍大 ；從系統(tǒng)角色角度看，協(xié)調器在一定范圍內(nèi)的誘導節(jié)點網(wǎng)絡中承擔頭節(jié)點的角色，控制平臺發(fā)送的控制命令經(jīng)協(xié)調器節(jié)點轉發(fā)至誘導節(jié)點。此外，考慮到協(xié)調器的通信帶寬，為了防止協(xié)調器同誘導節(jié)點間網(wǎng)絡發(fā)生擁堵，本文摒棄常見的星型網(wǎng)絡拓撲結構 [9]，通過為節(jié)點分配16 bit 的地址信息，實現(xiàn)一種多跳的數(shù)據(jù)傳輸 [10]。

誘導節(jié)點位于路段兩旁，配備 LED 發(fā)光單元。發(fā)光單元除了能夠強化道路輪廓，還可對車輛行駛行為進行主動誘導，并對追尾事故進行警示。根據(jù)《中華人民共和國交通運輸行業(yè)標準》，裝在道路兩側的誘導節(jié)點可利用節(jié)點發(fā)出的紅、黃光信號幫助駕駛人員判斷前方道路狀況（路寬、線性、邊界位置等）和前方車輛狀況（車速、車距、數(shù)量等），警示誘導車輛安全行駛。為此，系統(tǒng)中誘導節(jié)點中的每個 LED 單元均可發(fā)出紅、黃兩種顏色的燈光。另外，誘導節(jié)點支持太陽能和電池兩種供電方式。

考慮到覆蓋范圍，同時為了方便誘導節(jié)點的部署，控制平臺與協(xié)調器間的通信網(wǎng)絡采用的是通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service，GPRS），控制平臺與外部應用間的通信網(wǎng)絡則使用因特網(wǎng)。這樣，對用戶而言，控制平臺與協(xié)調器間的通信連接可視為透明。

2 系統(tǒng)工作方式設計

為了實現(xiàn)智能行車誘導系統(tǒng)強化道路輪廓、誘導車輛行駛行為，并對突發(fā)事故進行警示的目的，首先給出控制平臺需要采集的系統(tǒng)中誘導節(jié)點的狀態(tài)信息，然后設計一種包含4 種模式的誘導系統(tǒng)工作方式。

2.1 控制平臺數(shù)據(jù)采集方案

智能控制平臺通過向協(xié)調器發(fā)送命令改變誘導節(jié)點的顯示狀態(tài)，進而實現(xiàn)對道路中行駛車輛的實時誘導。為此，需要對誘導節(jié)點的信息進行采集?？刂破脚_采集的誘導節(jié)點信息如表 1 所示，其主要包括誘導節(jié)點的狀態(tài)信息和顯示狀態(tài)信息。關閉命令用于平臺對節(jié)點的遠程控制，行駛方向屬性可使平臺同時完成對不同行駛方向上車輛的控制和管理。

2.2 智能行車誘導系統(tǒng)工作方式

智能行車誘導系統(tǒng)通過設立 4 種工作模式，完成對高速公路交通運行效率和安全等級的提升。運行過程中，首先由配備光線采集模塊的誘導節(jié)點對路段能見度數(shù)據(jù)進行采集， 然后將此數(shù)據(jù)利用協(xié)調器上傳至控制中心，由控制中心對能見度等級進行判定，并確定當前路段應進行的模式改變或維持。4 種工作模式分別是 ：

(1) 安全模式。安全模式下， 當前路段能見度大于500m，此時，控制平臺發(fā)送關閉控制命令，誘導節(jié)點關閉LED發(fā)光單元，系統(tǒng)低功耗運行，不對交通參與者做出提示。

(2) 道路輪廓強化模式。道路輪廓強化模式下，當前路段能見度大于 400m，小于 500m，此時，誘導節(jié)點持續(xù)顯示黃色燈光，為駕駛人員提供當前路段的線性引導。通過強化道路的輪廓，輔助駕駛人員在較差光線條件下完成安全駕駛。

(3) 行車誘導模式。行車誘導模式下，當前路段能見度大于 200m，小于 400m，此時，路段光照條件較差，誘導節(jié)點同步、持續(xù)以 30次 /min的頻率閃爍黃燈，在為駕駛人員提供道路輪廓的同時，提示其降速行駛，保證行車安全。

(4) 車距控制模式。車距控制模式下，當前路段能見度 小于 200m，此時，路段光照條件極差，有必要對道路上車輛間距進行控制。這一模式包含兩種情形 ：當前路段無車輛駛過，則誘導節(jié)點同步、持續(xù)以 60 次 /min 的頻率閃爍黃燈 ； 當前路段有車輛駛過，則該車后 50m距離內(nèi)的誘導節(jié)點均顯示紅色燈光，形成車輛尾跡。由誘導節(jié)點燈光形成的車輛 尾跡沿車輛移動方向同車輛一起移動，同時警示后車避免駛 入尾跡區(qū)域，防止發(fā)生追尾。車距控制模式下有車輛駛過時 的車距控制方式如圖 2 所示。

3 結 語

本文首先構建一種高速公路環(huán)境下智能行車誘導系統(tǒng)的體系架構，明確系統(tǒng)中的主要組成，然后給出系統(tǒng)的工作方式，針對道路輪廓強化、行車誘導、車距控制問題進行設計。未來將結合真實高速公路場景，對所述智能行車誘導系統(tǒng)進行相關性能測試。