異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)高速公路的事故感知與報(bào)警方法

姜海洋,李建兵,葉珊珊,徐靜波

(解放軍信息工程大學(xué) 信息系統(tǒng)工程學(xué)院,鄭州 450001)

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)高速公路的事故感知與報(bào)警方法

姜海洋,李建兵,葉珊珊,徐靜波

(解放軍信息工程大學(xué) 信息系統(tǒng)工程學(xué)院,鄭州 450001)

設(shè)計(jì)了一種基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的高速公路事故報(bào)警系統(tǒng)。基于該系統(tǒng)，提出了一種高速公路事故感知方法，并設(shè)計(jì)了異構(gòu)硬件網(wǎng)絡(luò)、交互通信協(xié)議和事故感知策略。通過(guò)設(shè)定不同的事故場(chǎng)景，用實(shí)驗(yàn)對(duì)事故感知方法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的交通事故感知方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)按鍵報(bào)警信息、節(jié)點(diǎn)故障信息和總線異常信息的正確判斷。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；智能交通；RS485總線；CAN總線

引 言

高速公路的快速發(fā)展，給人們的出行帶來(lái)方便，同時(shí)也引發(fā)了一系列行車(chē)安全問(wèn)題。相比普通的交通事故，高速公路交通事故具有損失大、危害重、救援難等特點(diǎn)[1]，而且二次事故多發(fā)問(wèn)題嚴(yán)峻[2]。現(xiàn)有的交通事故識(shí)別主要有兩種方法：一是通過(guò)圖像處理算法分析攝像機(jī)所采集的圖像信息，以實(shí)現(xiàn)事故自動(dòng)識(shí)別；另一種是由高速公路管理人員通過(guò)監(jiān)視監(jiān)控大屏幕識(shí)別事故[3-4]。兩種方法在識(shí)別事故后均無(wú)法立即發(fā)出報(bào)警信息提醒后方車(chē)輛，難以防止二次事故的發(fā)生。

因此，本文設(shè)計(jì)一種基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的高速公路事故報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)可感知交通事故信息，并實(shí)時(shí)、自動(dòng)控制布設(shè)在公路兩側(cè)的信號(hào)燈，發(fā)布報(bào)警信息，提示事故地點(diǎn)后方車(chē)輛，同時(shí)向高速公路監(jiān)控中心報(bào)警。系統(tǒng)中交通事故感知功能主要由事故感知子網(wǎng)完成，本文重點(diǎn)對(duì)感知子網(wǎng)的搭建、事故感知協(xié)議的設(shè)計(jì)和具體感知方法進(jìn)行介紹。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)和終端采集控制平臺(tái)組成，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)位于高速公路監(jiān)控中心，其核心是服務(wù)器和系統(tǒng)管理軟件。終端采集控制平臺(tái)布設(shè)在高速公路上，它是基于CAN總線和RS485總線的分布式系統(tǒng)，采用三層網(wǎng)絡(luò)布局。第一層是網(wǎng)關(guān)層，采用移動(dòng)通信模塊(GPRS)與遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)通信，通過(guò)CAN總線接入中繼層。第二層是中繼層，該層的中繼節(jié)點(diǎn)有A節(jié)點(diǎn)和B節(jié)點(diǎn)兩種類(lèi)型，兩種節(jié)點(diǎn)對(duì)稱(chēng)分布在公路兩側(cè)，并通過(guò)ZigBee無(wú)線模塊通信(各A節(jié)點(diǎn)間采用CAN總線中繼通信組成主干通信網(wǎng)，B節(jié)點(diǎn)不支持CAN總線通信)。第三層是控制層，該層有控制節(jié)點(diǎn)(C節(jié)點(diǎn))，C節(jié)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的A、B節(jié)點(diǎn)相連并對(duì)稱(chēng)分布在公路兩側(cè)。RS485總線和控制節(jié)點(diǎn)布設(shè)在公路兩側(cè)護(hù)欄上，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)均通過(guò)RS485總線連接10個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，每個(gè)控制節(jié)點(diǎn)上安裝有信號(hào)燈和報(bào)警按鍵。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

終端采集控制平臺(tái)需要感知高速公路遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)的事故信息，對(duì)可靠性和實(shí)時(shí)性有很高要求。由于GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣且實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并使用TCP/IP協(xié)議保證了通信的可靠性[5]，故終端采集控制平臺(tái)選用GPRS模塊與遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)通信。對(duì)于有3G或4G覆蓋的區(qū)域，GPRS可用3G或4G來(lái)代替。通過(guò)對(duì)比不同的現(xiàn)場(chǎng)總線可知，CAN總線具有突出的高可靠性和遠(yuǎn)距離通信特性[6-8]，因此選用CAN總線作為終端采集控制平臺(tái)中繼層的主干通信線路。同時(shí)，為了滿足高速公路兩側(cè)信息的感知和信號(hào)燈的控制需求，并考慮到高速公路上橫跨路面的布線方式不可行，因此A節(jié)點(diǎn)和B節(jié)點(diǎn)之間的通信方式選擇了低功耗、短時(shí)延、高可靠性的ZigBee無(wú)線通信[9-10]。

交通事故信息感知的關(guān)鍵是事故信息感知子網(wǎng)，一個(gè)子網(wǎng)由1個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)(A或B)與10個(gè)控制節(jié)點(diǎn)(C)組成，下面重點(diǎn)介紹事故感知子網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、通信協(xié)議和事故感知方法的實(shí)現(xiàn)。

2 事故感知子網(wǎng)設(shè)計(jì)

中繼節(jié)點(diǎn)與控制節(jié)點(diǎn)組成的事故感知子網(wǎng)主要用于采集按鍵報(bào)警信息和嚴(yán)重的交通事故中護(hù)欄上總線被撞斷的事故信息。事故感知子網(wǎng)的通信選用可靠性高、成本低廉、技術(shù)成熟的RS485總線，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 事故感知子網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

以A節(jié)點(diǎn)和C節(jié)點(diǎn)為例，介紹事故感知子網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)。A節(jié)點(diǎn)以32位ARM微處理器STM32F105R8T6為核心，它是針對(duì)需要互聯(lián)和實(shí)時(shí)性能的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的互聯(lián)型微控制器，支持2個(gè)CAN 2.0B控制器，滿足做CAN總線中繼的要求。A節(jié)點(diǎn)通過(guò)SP3485芯片連接RS485總線。C節(jié)點(diǎn)的核心是功耗低、穩(wěn)定性強(qiáng)的STC12C5A32S2單片機(jī)，通過(guò)MAX485芯片連接RS485總線。總線首尾兩端各接有一個(gè)120 Ω的匹配電阻，以消除總線上信號(hào)的反射回波，保證通信可靠性[11]。

3 事故感知策略設(shè)計(jì)

事故感知子網(wǎng)可采集的交通事故分為兩類(lèi)：第一種是事故當(dāng)事人按下報(bào)警按鍵的情況；第二種是撞到護(hù)欄的嚴(yán)重事故，總線受損的情況。這兩類(lèi)事故信息的采集，主要通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)輪詢(xún)地與各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)通信，并分析各控制節(jié)點(diǎn)返回應(yīng)答信息來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 事故感知協(xié)議設(shè)計(jì)

中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)控制節(jié)點(diǎn)的訪問(wèn)采用靜態(tài)時(shí)分復(fù)用(TDMA)策略，每個(gè)控制節(jié)點(diǎn)占用一個(gè)時(shí)隙，以避免總線沖突。中繼節(jié)點(diǎn)是總線的主節(jié)點(diǎn)，由其發(fā)起總線上的對(duì)話，分別與各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)握手通信。控制節(jié)點(diǎn)不主動(dòng)向總線發(fā)出數(shù)據(jù)，只有收到中繼節(jié)點(diǎn)的握手邀請(qǐng)才作出應(yīng)答。中繼節(jié)點(diǎn)輪詢(xún)與全部控制節(jié)點(diǎn)完成握手的過(guò)程稱(chēng)為一個(gè)TDMA周期，若每個(gè)周期內(nèi)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答指令均正常，則中繼節(jié)點(diǎn)認(rèn)為無(wú)事故發(fā)生，然后進(jìn)行下一個(gè)握手通信周期，依次循環(huán)。中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)出信息的數(shù)據(jù)幀格式如下所示：

幀首信息類(lèi)型控制節(jié)點(diǎn)起始/終止地址消息體長(zhǎng)度消息體CRC校驗(yàn)碼幀尾0xA50x5ATypeStartEndLenthDataCRCHCRCL0xBF

幀格式中Type用于標(biāo)識(shí)信息的類(lèi)型；在中繼節(jié)點(diǎn)與單獨(dú)的控制節(jié)點(diǎn)握手通信時(shí)，Type為1表示握手通信幀；Start與End的值相等且等于控制節(jié)點(diǎn)地址；Lenth的值為0。控制節(jié)點(diǎn)在接收完全部信息后，若Start和End的值與本節(jié)點(diǎn)地址相同，且CRC校驗(yàn)正確時(shí)，才對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)作出應(yīng)答；否則拋棄該信息，等待下一次接收。

中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)控制節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答信息來(lái)判定交通事故，應(yīng)答信息的幀格式如下所示：

幀首信息類(lèi)型控制節(jié)點(diǎn)地址消息長(zhǎng)度消息內(nèi)容CRC校驗(yàn)碼幀尾0xA50x5ATypeAddressLenthC＿AlarmCRCHCRCL0xBF

當(dāng)發(fā)生輕微事故，事故當(dāng)事人按下某個(gè)控制節(jié)點(diǎn)所連接的報(bào)警按鈕時(shí)，該節(jié)點(diǎn)內(nèi)的按鍵報(bào)警標(biāo)志位Button_Down將被置為1。控制節(jié)點(diǎn)在應(yīng)答中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，若判斷Button_Down為1，則返回的應(yīng)答消息幀格式中的C_Alarm的值為2表示按鍵報(bào)警，Type的值為1表示應(yīng)答信息幀，Address為此控制節(jié)點(diǎn)的地址。中繼節(jié)點(diǎn)收到信息后，若判斷C_Alarm的值為2，則認(rèn)為有事故發(fā)生。

當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的交通事故導(dǎo)致某個(gè)控制節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)的通信線路被撞斷時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)將無(wú)法接收到相應(yīng)控制節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答信息。中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)再次與該節(jié)點(diǎn)發(fā)起握手通信，在無(wú)應(yīng)答的情況下，重復(fù)該過(guò)程三次，然后地址信息加1，再與下一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行握手通信，若下一個(gè)節(jié)點(diǎn)仍無(wú)應(yīng)答，則認(rèn)為出現(xiàn)嚴(yán)重事故，若下一節(jié)點(diǎn)應(yīng)答正常，則認(rèn)為前一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，但總線連接正常，最后中繼節(jié)點(diǎn)繼續(xù)輪詢(xún)與控制節(jié)點(diǎn)握手通信以檢測(cè)事故。

3.2 事故感知方法的軟件實(shí)現(xiàn)

事故感知方法的軟件實(shí)現(xiàn)包含中繼節(jié)點(diǎn)軟件和控制節(jié)點(diǎn)軟件兩部分。中繼節(jié)點(diǎn)軟件包括事故檢測(cè)程序和串口中斷程序，控制節(jié)點(diǎn)軟件包括外部中斷程序和串口中斷程序。事故感知方法的各程序關(guān)系如圖3所示。中繼節(jié)點(diǎn)的事故檢測(cè)程序發(fā)起與控制節(jié)點(diǎn)的握手通信，控制節(jié)點(diǎn)在串口中斷程序中接收握手信息，并根據(jù)其外部中斷程序中的Button_Down來(lái)識(shí)別按鍵報(bào)警信息，再返回應(yīng)答信息給中繼節(jié)點(diǎn)。中繼節(jié)點(diǎn)的串口中斷程序接收控制節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答信息，若接收完成，則將接收完成標(biāo)志位Finish置為1，并提取C_Alarm信息。事故檢測(cè)程序根據(jù)Finish判斷是否接收到控制節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答信息，根據(jù)C_Alarm信息來(lái)判斷報(bào)警按鍵是否按下。

圖3 事故感知方法的各程序關(guān)系示意圖

(1) 中繼節(jié)點(diǎn)的事故檢測(cè)程序

事故檢測(cè)程序主要功能是檢測(cè)節(jié)點(diǎn)故障信息和事故信息并報(bào)警，其程序流程圖如圖4所示。中繼節(jié)點(diǎn)首先設(shè)置要檢測(cè)的節(jié)點(diǎn)地址，其次執(zhí)行握手通信子函數(shù)，該子函數(shù)的流程圖如圖5所示，然后地址加1。在握手通信子函數(shù)中，首先發(fā)送握手通信指令，并根據(jù)Finish信息判斷是否握手成功。若成功，則返回握手成功標(biāo)志位Link_OK=1給事故檢測(cè)程序，否則再次發(fā)送握手通信指令，在連續(xù)握手失敗三次的情況下，返回Link_OK=0。

圖4 中繼節(jié)點(diǎn)的事故檢測(cè)程序流程圖

圖5 中繼節(jié)點(diǎn)的握手通信子函數(shù)流程圖

然后事故檢測(cè)程序根據(jù)Link_OK判斷控制節(jié)點(diǎn)的連接情況。分兩種情況討論：

① 有Link_OK等于1，即握手成功，則需要根據(jù)C_Alarm判斷按鍵報(bào)警。若C_Alarm不等于2，則認(rèn)為無(wú)按鍵報(bào)警，然后繼續(xù)輪詢(xún)檢測(cè)其他控制節(jié)點(diǎn)。若C_Alarm等于2，則認(rèn)為存在按鍵報(bào)警，然后停止事故檢測(cè)并報(bào)警。

② Link_OK不等于1，則需要繼續(xù)判斷是節(jié)點(diǎn)故障還是總線損壞。中繼節(jié)點(diǎn)再次執(zhí)行握手通信子函數(shù)，判斷是否與下一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)握手通信成功。若握手失敗，則認(rèn)為有事故發(fā)生，然后停止事故檢測(cè)并報(bào)警。若握手成功，則認(rèn)為前一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障但無(wú)事故發(fā)生，并發(fā)出節(jié)點(diǎn)故障報(bào)警信息，然后判斷是否有按鍵報(bào)警，在無(wú)報(bào)警情況下，繼續(xù)輪詢(xún)檢測(cè)，若有按鍵報(bào)警，則停止事故檢測(cè)并報(bào)警。

(2) 中繼節(jié)點(diǎn)的串口中斷程序

中繼節(jié)點(diǎn)的串口中斷程序接收完應(yīng)答信息后進(jìn)行CRC校驗(yàn)。若校驗(yàn)正確，則提取C_Alarm值，并置位Finish為1；否則，清零接收計(jì)數(shù)器和接收緩存。

(3) 控制節(jié)點(diǎn)的外部中斷程序

控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)外部中斷采集報(bào)警按鍵信息。若報(bào)警按鍵被按下，則外部中斷被觸發(fā)，置Button_Down為1；否則，Button_Down保持0不變。

(4) 控制節(jié)點(diǎn)的串口中斷程序

控制節(jié)點(diǎn)在串口中斷程序中接收握手通信指令并應(yīng)答。控制節(jié)點(diǎn)接收完握手指令后，首先進(jìn)行CRC校驗(yàn)，并判斷中繼節(jié)點(diǎn)是否與本節(jié)點(diǎn)握手通信，若是，則根據(jù)Button_Down判斷報(bào)警按鍵是否按下。若按下則置C_Alarm為2，否則C_Alarm為1。最后將信息發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)。控制節(jié)點(diǎn)的串口中斷程序流程圖如圖6所示。

圖6 控制節(jié)點(diǎn)的串口中斷程序流程圖

4 事故感知策略的驗(yàn)證與分析

4.1 事故感知策略的驗(yàn)證方法

圖7 測(cè)試平臺(tái)

事故感知策略的驗(yàn)證選用由1個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)A1和3個(gè)控制節(jié)點(diǎn)(C1、C2、C3)組成的事故感知子網(wǎng)，子網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)按照本文圖2所示的方式連接，測(cè)試平臺(tái)如圖7所示。測(cè)試分為4種場(chǎng)景：①系統(tǒng)正常，無(wú)報(bào)警；②報(bào)警按鍵被按下；③總線連接正常，但某個(gè)控制節(jié)點(diǎn)故障；④總線被撞斷或損壞的異常情況。針對(duì)這4種場(chǎng)景，利用軟件工具對(duì)節(jié)點(diǎn)間的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，以此來(lái)驗(yàn)證交通事故感知方法。

對(duì)于4種不同的場(chǎng)景，分別進(jìn)行如下操作：①系統(tǒng)上電后，不進(jìn)行任何操作。②系統(tǒng)正常運(yùn)行一段時(shí)間后，按下C2節(jié)點(diǎn)上的報(bào)警按鍵。③系統(tǒng)正常運(yùn)行一段時(shí)間后，關(guān)閉C2節(jié)點(diǎn)的電源，模擬節(jié)點(diǎn)故障。④系統(tǒng)正常運(yùn)行一段時(shí)間后，斷開(kāi)C2節(jié)點(diǎn)與C1節(jié)點(diǎn)之間的總線，模擬總線被撞斷。

4.2 測(cè)試結(jié)果與分析

使用軟件工具采集RS485總線數(shù)據(jù)的情況如圖8所示。

圖8(a)是系統(tǒng)正常時(shí)的數(shù)據(jù)采集情況，A1節(jié)點(diǎn)與3個(gè)C節(jié)點(diǎn)不斷地輪詢(xún)握手。

圖8(b)是C2節(jié)點(diǎn)的報(bào)警按鍵被按下的情況，方框內(nèi)的數(shù)據(jù)幀是C2返回的數(shù)據(jù)幀，幀格式中的C_Alarm為0x02。A1節(jié)點(diǎn)收到該信息并判斷C_Alarm為0x02，即認(rèn)為C2節(jié)點(diǎn)的按鍵被按下，然后停止與各控制節(jié)點(diǎn)握手通信。

圖8(c)是C2節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的情況，故障信息被感知過(guò)程的數(shù)據(jù)如方框內(nèi)所示。由于C2節(jié)點(diǎn)故障，其無(wú)法應(yīng)答A1節(jié)點(diǎn)的握手信息。A1節(jié)點(diǎn)按照協(xié)議連續(xù)三次發(fā)送與C2節(jié)點(diǎn)握手的信息均未收到應(yīng)答，轉(zhuǎn)而與C3進(jìn)行了一次握手；與C3節(jié)點(diǎn)握手成功，則中繼節(jié)點(diǎn)認(rèn)為C2節(jié)點(diǎn)故障，總線正常。然后A1節(jié)點(diǎn)繼續(xù)與其他C節(jié)點(diǎn)輪詢(xún)握手通信。

圖8(d)是C2與C1之間總線斷開(kāi)的情況，此時(shí)A1節(jié)點(diǎn)無(wú)法與C2和C3握手通信。中繼節(jié)點(diǎn)按照協(xié)議，連續(xù)三次發(fā)送與C2節(jié)點(diǎn)握手的信息，C2節(jié)點(diǎn)均無(wú)應(yīng)答，然后中繼節(jié)點(diǎn)向C3節(jié)點(diǎn)發(fā)送三次握手信息，C3節(jié)點(diǎn)同樣無(wú)應(yīng)答，此時(shí)A1節(jié)點(diǎn)認(rèn)為C1與C2之間總線被撞斷，并停止與各C節(jié)點(diǎn)握手通信。上述測(cè)試結(jié)果表明，本文提出的事故感知策略可有效地在設(shè)計(jì)的4種場(chǎng)景中正確判斷出系統(tǒng)正常、報(bào)警按鍵被按下、節(jié)點(diǎn)故障和總線被撞斷的信息。

結(jié) 語(yǔ)

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姜海洋(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用與開(kāi)發(fā)、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

Freeway Accident Detection and Alarm Method Based on Heterogeneous Network

Jiang Haiyang,Li Jianbing,Ye Shanshan,Xu Jingbo

(School of Information System Engineering,PLA Information Engineering University,Zhengzhou 450001,China)

In the paper,a freeway accident alarm system based on heterogeneous network is designed.Based on the system,a method of sensing freeway accident is proposed.And the heterogeneous network,the interactive communication protocol and the accident detection method are designed.By setting different accident scenarios,the realization of the method is verified.The experiment results show that the design of traffic accident detection method can realize the correct judgment of button alarm information,node fault information and bus abnormal information.

heterogeneous network;intelligent transportation;RS485 bus;CAN bus

TP277

A

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2017-03-13)