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

劉丁貝 王丹 孟強 時恒心

摘 要：高速公路在氣候惡劣、夜間等能見度差的情況下容易發(fā)生較為嚴重的交通事故。針對高速公路交通事故頻發(fā)及現(xiàn)有技術落后的問題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術，首先搭建高速公路智能行車誘導系統(tǒng)的體系架構(gòu)，明確系統(tǒng)中主要組成部分的功能;然后給出系統(tǒng)控制平臺的數(shù)據(jù)采集方案，并設計系統(tǒng)在不同能見度條件下智能行車誘導系統(tǒng)的工作模式。設計的智能行車誘導系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術可以更及時、更精確、更全面地采集各類道路信息，結(jié)合云計算可以快速做出交通運行決策，為物聯(lián)網(wǎng)在高速公路智能行車誘導系統(tǒng)上的應用提供了一種具體的設計思路，能一定程度上推動物聯(lián)網(wǎng)技術在交通安全領域的研究與應用。

關鍵字：物聯(lián)網(wǎng);行車誘導系統(tǒng);GPRS;高速公路;云計算;交通安全

中圖分類號：TP277;U492文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）07-00-02

0 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(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系統(tǒng)。通過在高速公路車道兩側(cè)部署誘導燈標節(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)絡完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)上行/下行傳輸。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設計

智能行車誘導系統(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(diào)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(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，控制端能夠?qū)⒂脩裘畎l(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(diào)器作為路側(cè)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(diào)制解調(diào)[8]，協(xié)調(diào)器比誘導節(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(diào)器節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)至誘導節(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(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(cè)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?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(diào)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(diào)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(diào)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。控制平臺采集的誘導節(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?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(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500 m，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400 m，小于500 m，此時，誘導節(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。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）行車誘導模式。行車誘導模式下，當前路段能見度大于200 m，小于400 m，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?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200 m，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50 m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?cè)胛槽E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、車距控制問題進行設計。未來將結(jié)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。

參 考 文 獻

[1]郭麗東.我國道路交通安全防護體系現(xiàn)狀與探析[J].山東工業(yè)技術，2019（5）：243-244.

[2]戴晨.高速公路智能交通誘導系統(tǒng)研究[J].科技資訊，2018，16（24）：37.

[3]羅寅哲，楊旗.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能道路單向限行系統(tǒng)[J].電子制作，2019（z1）：59-60.

[4]羅軍舟，金嘉暉，宋愛波，等.云計算：體系架構(gòu)與關鍵技術[J].通信學報，2011，32（7）：3-21.

[5]程學旗，靳小龍，王元卓，等.大數(shù)據(jù)系統(tǒng)和分析技術綜述[J].軟件學報，2014（9）：1889-1908.

[6]李建明.交通誘導在公路管理中的研究與運用[J].中國公路，2018（20）：128-131.

[7] ABDULLAH-AL-MAMUN S M，JUHA V. Anomaly detection and classification in cellular networks using automatic labeling technique for applying supervised learning [J]. Procedia computer science，2018，140：186-195.

[8] GHRIBI B，LOGRIPPO L. Understanding GPRS：the GSM packet radio service [J]. Computer networks，2000，34（5）：763-779.

[9]楊寧，田輝，張平，等.無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)研究[J].無線電工程，2006，36（2）：11-13.

[10]陳偉.多跳無線網(wǎng)絡路由關鍵技術研究[D].成都：電子科技大學，2010.