基于ZigBee的高速公路霧區(qū)主動誘導系統(tǒng)研究

趙宏偉

（山西省交通科學研究院 山西省公路智能監(jiān)測工程技術研究中心，山西 太原 030006）

0 引言

濃霧對高速公路行車安全構(gòu)成的危害給人們生命財產(chǎn)和社會經(jīng)濟帶來重大損失。目前我國對濃霧天氣采取的預防措施較為被動，主要是限制進入高速公路的車輛通行，以增加車輛之間的距離，減少事故的發(fā)生。這種方法的缺點是不能全線控制車輛，無法顯示前方車輛的距離，只能依靠司機來估計距離前方車輛的距離。雖然在入口處拉大車距，但隨著時間的推移，由于各車車速不一致，極易造成車輛追尾事故發(fā)生。另外，在能見度低于50 m時，采取封道的措施，將導致車輛改道，增加國省道路壓力，導致地方道路擁堵[1]。

同時，由于高速公路的通行能力大大降低，使得建設成本較高的高速公路無法達到預期效益。與此同時，收費廣場和路邊停放的大量車輛，不僅給收費站和道路的安全管理帶來巨大壓力，而且也會帶來一定的社會負面影響。

根據(jù)調(diào)查，我國的相關科研院所一直在研究公路霧區(qū)的交通誘導和監(jiān)測預警的研究。目前的解決方案是在道路兩側(cè)每隔一定距離設置帶有黃色LED誘導燈的被動式誘導裝置。車輛駛?cè)腱F區(qū)以后，雖然可以有效地提示司機進入霧區(qū)，提醒司機提高警惕，但是由于濃霧影響造成的低能見度，使得司機無法估計前方車輛的距離，盲目跟進很容易造成車輛追尾事故發(fā)生。

霧區(qū)主動誘導系統(tǒng)采用分布式控制技術對交通和道路氣象環(huán)境進行監(jiān)控，以入侵探測技術為基礎自動識別駛?cè)腱F區(qū)檢測范圍的車輛，實現(xiàn)低能見度環(huán)境下的道路智能引導、動態(tài)尾跡跟蹤預警等功能，可以降低交通事故的發(fā)生率。

1 系統(tǒng)組成

高速公路霧區(qū)主動誘導系統(tǒng)是由多種監(jiān)控設備、技術和控制軟件構(gòu)成。一般采取動態(tài)節(jié)點探測器對駛?cè)腱F區(qū)的車輛作為移動物體進行連續(xù)檢測，控制道路兩側(cè)輪廓指示標，對處于霧區(qū)行駛的車輛實行誘導，從而保障在不封道的情況下車輛正常行駛。

高速公路霧區(qū)主動誘導系統(tǒng)分為氣象環(huán)境檢測子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、車輛檢測子系統(tǒng)、控制中心子系統(tǒng)、信息發(fā)布5套子系統(tǒng)和1套綜合監(jiān)控軟件。高速公路霧區(qū)主動發(fā)光誘導系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 高速公路霧區(qū)主動誘導系統(tǒng)

其中，氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能夠精確、及時地監(jiān)測道路環(huán)境狀況，實現(xiàn)對大霧的實時監(jiān)測與預報。視頻監(jiān)控系統(tǒng)為管理員提供現(xiàn)場車輛行駛情況和霧區(qū)道路交通狀況的實時圖像信息，對發(fā)生異常狀況的區(qū)域?qū)嵤┮曨l監(jiān)控，并且能夠與車輛檢測系統(tǒng)相結(jié)合。控制中心根據(jù)接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)選擇合適的控制策略，選擇不同的管理方案，開啟現(xiàn)場引導系統(tǒng)，并通過一些多功能輪廓指示標發(fā)布動態(tài)預警信息給司機，提供本車或前方車輛的通行信息，提醒司機減速慢行，進而有效避免霧區(qū)追尾事故。

2 基于ZigBee的霧區(qū)主動發(fā)光誘導系統(tǒng)

2.1 ZigBee無線網(wǎng)絡

ZigBee技術是一種短距離、低功耗、低成本的無線通訊技術。每一個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔網(wǎng)絡信息中轉(zhuǎn)任務的孤立子節(jié)點無線連接。每個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點可以支持最多31個傳感器和受控設備，每個傳感器和受控設備可以有8種不同的接口方式，可以采集和傳輸數(shù)字量和模擬量。整個ZigBee網(wǎng)絡不僅可以“無限”擴展開來，而且還可以與現(xiàn)有的其他各種網(wǎng)絡連接[2]。因此ZigBee技術是未來近距離通信技術的發(fā)展方向。

2.2 基于ZigBee的主動發(fā)光誘導系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

本系統(tǒng)采用靜態(tài)樹狀組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在道路兩側(cè)均勻鋪設振動傳感器、磁傳感器等作為樹狀網(wǎng)絡的終端葉子節(jié)點，路由節(jié)點接受葉子節(jié)點入網(wǎng)和通過傳感器采集監(jiān)測到的車輛信息，然后將監(jiān)測到的信息通過無線信號實時發(fā)送到臨近的路由器節(jié)點，并通過路由器節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到無線網(wǎng)絡的中心節(jié)點協(xié)調(diào)器上。協(xié)調(diào)器為全功能網(wǎng)絡節(jié)點，具備協(xié)調(diào)器的能力，主要作用是組建一個網(wǎng)絡、接受路由節(jié)點和葉子節(jié)點入網(wǎng)[3]，接收路由節(jié)點和葉子節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器將收集到的信息通過打包處理，采用GPRS網(wǎng)絡遠程傳輸?shù)娇刂浦行牡男盘柼幚碇鳈C，最終完成整個系統(tǒng)的信息采集。組網(wǎng)方式如圖2所示。

2.3 車輛檢測系統(tǒng)設計

車輛檢測子系統(tǒng)是整個網(wǎng)絡化的主動誘導系統(tǒng)的核心，承擔數(shù)據(jù)采集的主要工作。工作過程如下：終端節(jié)點采集檢測范圍內(nèi)的地球磁場擾動信號，并實時處理，得到車輛信息。然后將車輛的狀態(tài)、時間值等信息通過無線通訊的方式發(fā)送給信號處理主機。信號處理主機實時計算接收到的終端節(jié)點發(fā)送來的車輛信息后，將這些信息結(jié)合控制中心發(fā)來的控制策略，為整個系統(tǒng)調(diào)整相應的控制策略提供依據(jù)。信號傳輸流程如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)的靜態(tài)組網(wǎng)方式

圖3 車輛檢測系統(tǒng)信號傳輸流程示意圖

車輛的鐵物質(zhì)會導致磁傳感器的磁場變化，傳感器內(nèi)的磁場變化經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換最終以電壓值的形式顯示出來。因此，我們可以通過檢測磁傳感器輸出的電壓波形來判斷車輛的行駛方向。

當車輛進入磁傳感器的磁場檢測區(qū)域時，磁力線受到車輛的鐵磁物質(zhì)的影響，從偏向車輛的一側(cè)檢測到一個較弱的磁場，隨著車輛的靠近，磁場越來越強，輸出的電壓值由偏向負方向，恢復并偏向正方向；當車輛沿著相反方向行駛時情況與此相反[4]。

通過磁阻傳感器可以很方便地測算出車輛速度，具體實施如下：在道路兩側(cè)安裝兩個磁阻傳感器節(jié)點1和2，相互距離為L，采樣周期時間同步。為了保證兩個磁阻傳感器對車輛的感測是相同的，兩個磁阻傳感器的磁軸方向與車輛的行駛方向一致，車輛行駛過距離路程所需的時間，就是兩個節(jié)點感測到的車輛信息的時間差，因此可通過車輛行駛所需的時間和車輛駛過路程，并根據(jù)一定的算法測算出車輛的行駛速度。

2.4 上位機軟件及控制策略設計

終端傳感器節(jié)點作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端設備，確保數(shù)據(jù)的可靠性和有效性，然后根據(jù)采集的波形曲線選擇合適的算法從中提取出車輛狀態(tài)信息。將這些參數(shù)信息與控制中心預先設定的控制策略相比較，發(fā)出保持車距、超速警報等控制信號，系統(tǒng)軟件功能如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件功能圖

終端傳感器節(jié)點將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡發(fā)送到信號處理主機。經(jīng)過一定的濾除雜波和消除雜音處理后，將接收到的數(shù)據(jù)包拆解，進而對數(shù)據(jù)進行識別處理，并提取有用信息。信號處理流程如圖5所示。

圖5 信號處理流程

上位機軟件平臺根據(jù)數(shù)據(jù)和判斷結(jié)果進行遠程設備監(jiān)控，通過設置控制策略和控制參數(shù)進行實現(xiàn)定制化控制，控制策略如下:

a）誘導模式 適用于天氣晴朗、能見度在200～500 m的環(huán)境下，主動發(fā)光誘導標志（黃燈）按中等頻率同步閃爍。

b）預警模式 適用于霧/雨/雪天氣、能見度在100～200 m的環(huán)境，主動發(fā)光誘導標志（黃燈）按高頻率同步閃爍提供行車主動誘導。

c）霧霾模式 適用于霧霾天氣、能見度在50～100 m的環(huán)境，主動發(fā)光誘導標志（黃燈）按高頻率最高亮度透霧同步閃爍提供行車主動誘導，當車輛經(jīng)過后，其后面3組（默認）預警燈（紅燈）也按高頻率最高亮度透霧同步閃爍，給后面車輛提供前方有車信號，使其保持車輛的安全行車間距，減少追尾事故發(fā)生[5]。

3 結(jié)論

本文簡要闡述了基于ZigBee的霧區(qū)主動發(fā)光誘導系統(tǒng)的組網(wǎng)方式，在此基礎上介紹了車輛檢測系統(tǒng)，包括車輛行駛方向的判別檢測和車速估計方法，并對上位機軟件系統(tǒng)的系統(tǒng)功能和信號處理流程進行了詳細介紹，最后提出了霧區(qū)主動誘導系統(tǒng)的控制策略。應用效果表明，本系統(tǒng)可有效降低交通事故的發(fā)生率，保障大霧天氣下的行車安全。