基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路智能行車誘導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)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(dǎo)主要使用的依然是傳統(tǒng)的誘導(dǎo)設(shè)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(shù)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(shè)施、網(wǎng)絡(luò)通信等多項技術(shù)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(yīng)的交通運行決策。然而，當前主要的交通誘導(dǎo)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(luò)配置要求較高，應(yīng)用場景受到限制 [6]。

為了實現(xiàn)對誘導(dǎo)系統(tǒng)的遠程無線控制，提高誘導(dǎo)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(luò) [7]，構(gòu)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(dǎo)系統(tǒng)。通過在高速公路車道兩側(cè)部署誘導(dǎo)燈標節(jié)點， 為駕駛?cè)藛T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(luò)完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)上行/下行傳輸。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

智能行車誘導(dǎo)系統(tǒng)架構(gòu)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(diào)器、誘導(dǎo)燈標和傳輸網(wǎng)絡(luò)。其中，傳輸網(wǎng)絡(luò)可細分為兩部分，分別是控制平臺同協(xié)調(diào)器間的通信網(wǎng)絡(luò)和控制平臺同外部應(yīng)用間的通信網(wǎng)絡(luò)。

智能控制平臺包括控制端、服務(wù)器和數(shù)據(jù)存儲中心。作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)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(wù)器和數(shù)據(jù)存儲中心相連接，控制端能夠?qū)τ缮现料?/ 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(luò)，控制端能夠?qū)⒂脩裘畎l(fā)送至誘導(dǎo)燈標節(jié)點，完成誘導(dǎo)燈標顯示的變更和維護。

協(xié)調(diào)器作為路側(cè)基站，借助蜂窩網(wǎng)絡(luò)同控制平臺進行通信，同時，還可對一定范圍內(nèi)的誘導(dǎo)節(jié)點進行匯總管理。從設(shè)備硬件角度看，由于需要支持 GPRS 調(diào)制解調(diào) [8]，協(xié)調(diào)器比誘導(dǎo)節(jié)點能耗稍大 ；從系統(tǒng)角色角度看，協(xié)調(diào)器在一定范圍內(nèi)的誘導(dǎo)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)頭節(jié)點的角色，控制平臺發(fā)送的控制命令經(jīng)協(xié)調(diào)器節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)至誘導(dǎo)節(jié)點。此外，考慮到協(xié)調(diào)器的通信帶寬，為了防止協(xié)調(diào)器同誘導(dǎo)節(jié)點間網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁堵，本文摒棄常見的星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) [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(dǎo)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(dǎo)，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(cè)的誘導(dǎo)節(jié)點可利用節(jié)點發(fā)出的紅、黃光信號幫助駕駛?cè)藛T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(dǎo)車輛安全行駛。為此，系統(tǒng)中誘導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)節(jié)點的部署，控制平臺與協(xié)調(diào)器間的通信網(wǎng)絡(luò)采用的是通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS），控制平臺與外部應(yīng)用間的通信網(wǎng)絡(luò)則使用因特網(wǎng)。這樣，對用戶而言，控制平臺與協(xié)調(diào)器間的通信連接可視為透明。

2 系統(tǒng)工作方式設(shè)計

為了實現(xiàn)智能行車誘導(dǎo)系統(tǒng)強化道路輪廓、誘導(dǎo)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(dǎo)節(jié)點的狀態(tài)信息，然后設(shè)計一種包含4 種模式的誘導(dǎo)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(diào)器發(fā)送命令改變誘導(dǎo)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(dǎo)。為此，需要對誘導(dǎo)節(jié)點的信息進行采集?？刂破脚_采集的誘導(dǎo)節(jié)點信息如表 1 所示，其主要包括誘導(dǎo)節(jié)點的狀態(tài)信息和顯示狀態(tài)信息。關(guān)閉命令用于平臺對節(jié)點的遠程控制，行駛方向?qū)傩钥墒蛊脚_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(dǎo)系統(tǒng)工作方式

智能行車誘導(dǎo)系統(tǒng)通過設(shè)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(dǎo)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(diào)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(yīng)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(guān)閉控制命令，誘導(dǎo)節(jié)點關(guān)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(dǎo)節(jié)點持續(xù)顯示黃色燈光，為駕駛?cè)藛T提供當前路段的線性引導(dǎo)。通過強化道路的輪廓，輔助駕駛?cè)藛T在較差光線條件下完成安全駕駛。

(3) 行車誘導(dǎo)模式。行車誘導(dǎo)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(dǎo)節(jié)點同步、持續(xù)以 30次 /min的頻率閃爍黃燈，在為駕駛?cè)藛T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(dǎo)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(dǎo)節(jié)點均顯示紅色燈光，形成車輛尾跡。由誘導(dǎo)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(jié) 語

本文首先構(gòu)建一種高速公路環(huán)境下智能行車誘導(dǎo)系統(tǒng)的體系架構(gòu)，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(dǎo)、車距控制問題進行設(shè)計。未來將結(jié)合真實高速公路場景，對所述智能行車誘導(dǎo)系統(tǒng)進行相關(guān)性能測試。