高速公路擁堵路段緩解系統*

于凡媛，孫 寧

（南京林業大學汽車與交通工程學院，南京 210037）

1 引言

隨著經濟社會快速發展與民眾生活品質的相應改善，私家車輛數量增加很快，尤其自公路重大節日免費優惠政策實施以來，假期車流量更是持續上升，甚至遠遠突破開初高速公路的設計流量，達到飽和狀態，各類交通問題也是層出不窮。車速高低、車距失當、惡劣環境等因素，也會使交通過程中斷或形成交通瓶頸，造成嚴重堵塞。近年來，相關方案不斷被提出，嘗試緩解高速公路擁堵及安全隱患等問題[1]。本研究基于現有研究成果，提出一款高速公路擁堵路段緩解系統。系統具有車速監測、車距雷達、超車預測和智能扣費等特色功能，可有效監測高速公路行車的車速高低和車距大小；通過雷達系統進行車距分析，綜合判斷道路車輛是否存在超車風險，以預測和警報的方式規范駕駛員駕車，保證行車效率和駕駛員安全。

2 系統設計

系統整體設計原理如圖1所示，它是以樹莓派處理器為核心，運用車速監測、車距雷達功能對高速公路上的車輛的車速和車距進行監測和分析，同時根據是否具有超車風險評估駕駛人員的駕車水平，若出現超車情況則對駕駛員進行智能扣費，以此約束駕駛員行為。

圖1 系統總體方案

根據“車聯網”理念[2]，該系統將車載無線連接網絡與車載設備連接，共享實時信息與數據，從而獲得車輛自身設備信息、駕駛員情況、道路周邊環境信息、車載設備情況等。使高速公路上的行車情況更加具體，更具有準確性。

3 硬件電路設計

系統硬件部分主要由電源模塊、主處理器模塊、無線車載通信模塊、駕駛員視頻監控模塊、汽車加速傳感器模塊組成。

3.1 供電模塊

供電模塊電路圖由圖2所示。該模塊由5.0 V的蓄電池供電。在模塊電路中，AMS1117-3.3是一種高效能的、低電壓差分線性穩壓器，用于高效能線性調整器的輸出功率調節器，能夠實現把5V的電源轉換到3.3V。

圖2 供電模塊電路

電容C1和C2是用于防止電源斷電后的電壓反轉，在一般情況下，輸入電容器的容量要比輸出電容器大。C3和C4為輸出濾波器，其功能是抑制自激振動，保持輸出電壓穩定[3]。PIN是一種二極管，它是將一層薄的低摻雜的本征半導體層加入到P類半導體材料與N類半導體材料之間來實現的。本征半導體的導電性介于導體與絕緣體之間，作用是減少結電容、載流子的渡越時間，改善頻率響應，同時也能擴展光電變換的工作范圍，增加其靈敏度。

3.2 處理器模塊

處理器模塊電路如圖3所示。該部分模塊以樹莓派為核心，以Linux為基礎，具有小型、多功能、多處理量的特點，能夠將微機和微機的I/O功能很好地融合在一起。該系統包括應用程序處理器和多媒體處理器，由5V微型USB連接供電，運行流暢、速度快。

圖3 處理器模塊電路

由圖中可見，系統核心選用BCM2835，這將性能提升到原來的近10倍，內存翻了近一倍。串行通訊采用485接口來實現對設備的控制和讀取[4]。通過處理器的工作，汽車行駛狀態、道路自身狀況、道路周圍環境等得到大規模的分析與處理，能夠高效地實現實時車輛監測，提高數據精準度。

3.3 無線通信模塊

無線通信模塊選用SIMCom公司的SIM900A芯片，以GSM/GPRS雙頻模式在900MHz和1800MHz上實現語音、短信、數據、傳真等多種通信方式。

該模塊具有RS232和LVTTL串行接口，通過硬件流程進行控制，可在很大工作范圍內工作，方便用戶使用。GSM基帶、存儲器、GSM射頻[5]、天線接口以及其它接口等都是它的重要組成部分。

該部分模塊電路圖如圖4所示。GND接口接電源，RXD和TXD接MCU、TXD[6]。它的無線通訊模塊能夠很容易地與用戶的產品相聯系并提供包括語音、短信、GPRS等多種功能。該模塊需要5V的電源，能與MCU直連，并提供短信、數據、網絡等多種功能。采用復位排針[7]，便于現場無人值守、DTMF等遠程遙控，提高了軟件使用與開發的便利性。

圖4 無線通信模塊電路

3.4 駕駛員監測模塊

駕駛員監測模塊電路如圖5所示。模塊以攝像頭為中心[8]，通過多方聯通，對駕駛員自身情況和道路周邊情況進行分析。通過上位計算機對高速公路上的車輛、路況進行實時視頻顯示，滿足監控需求。

圖5 駕駛員監測模塊電路

模塊選用uPD3575D傳感器[9]，這是一款具有高靈敏度、低暗電流和1024像素的內置傳感器。其功能是保持、放大線陣CCD的圖像[10]，常應用于傳真、圖像掃描、OCR等領域[11]。該電路的內部部分包括一系列1024象元的感光二極管和兩列CCD電荷傳輸寄存器。光敏陣列將照射到CCD上的光轉化成電荷信號，然后分別轉移到兩側的轉移柵[12]。其正常工作電壓條件為5V～12V。

3.5 加速度傳感器模塊

該模塊電路圖如圖6所示。它的功能是加速監測，利用感應加速度，將其轉換為電子信號。傳感器把測量點的加速度信號轉化成相應的電子信號后，將其輸入到一個預處理電路中，通過這個電路提高信號的信噪比，再利用ADC變換獲得數字信號，實現數據的儲存、調用和顯示。

圖6 加速度傳感器模塊電路

圖6中的電路是通過一個電荷放大器和一個電壓調節器來實現的。第一階段為電荷放大器，它的低頻響應取決于反饋電容器C1和反饋電阻器R1；低頻截止頻率為0.053Hz。Rf為過載保護電阻器。第二個階段是一個輸出調節放大器。調節電位計W1可以產生大約50mV/l的輸出。A2是一種低功率的多功能可編程運放，它可以在它的第8腳輸出一個合適的工作電流以減少聲音的影響。Cc表示電纜電容，C0表示傳感電容。

4 軟件設計

軟件設計選用Visual Basic6.0軟件，以此搭建高速公路擁堵路段緩解系統的軟件界面。軟件主界面如圖7所示。通過主界面上的各功能按鍵，對各高速及擁堵路口上通行車輛之間的車輛速度、路口前后及左右二側車輛之間的相對車距等，系統便可實時做出檢測，并對司機的車速規范性做出綜合評價，實現高速智能快速扣車費。

圖7 軟件主界面

系統軟件整體工作流程如圖8所示。首先在界面上點擊開始按鍵，輸入賬號和密碼，對使用者身份進行選擇。管理員和用戶身份均可相應地進入車速監測、車距雷達、智能扣費、超車預測、設備檢測等特色界面。通過主處理器的數據進行分析和處理，實現全方位的細致動態觀測。軟件設定了使用者權限，一般使用者登陸后只能瀏覽界面資訊，而系統管理員則可手動調度、發送調度信息、設定界面。使用過程想要退出或者使用完畢后，用戶或管理員點擊退出按鍵，即可返回最初開始界面。

圖8 系統軟件流程圖

車速監測界面如圖9所示。單擊車速監測按鈕，該界面先識別出高速公路上正在行駛的車輛信息，通過識別車輛型號和使用性質確定該車的行駛標準速度，然后從加速度和速度兩個方面用電腦繪制出該車近幾個小時的數據曲線[13]，從兩個維度進行精確分析，觀察行車速度和加速度的發展趨勢，觀察完畢之后，單擊返回按鈕可返回到菜單界面。

圖9 車速監測

車距雷達界面如圖10所示。雷達同樣先識別行駛車輛的型號和使用性質，確定與前后左右行駛車輛的安全距離，通過雷達系統自動掃描出與各車之間的距離。若車輛間距小于安全距離，系統會自動發起警報，提示存在安全風險，提高駕駛員的安全意識；若車輛間距在安全行駛距離內，則無警報，可單擊掃描完畢按鈕，返回主界面。

圖10 車距雷達

智能扣費功能如圖11所示。單擊智能扣費，進入智能扣費界面，由系統之前對車速和車距的精確監測確定該車輛的當前行駛速度，自動和該高速道路當前限速做比較，判斷是否發生超速或慢速，提醒駕駛員調整當前行駛車速。若在正常安全的行駛速度內，則無任何顯示，點擊正常行駛按鈕，界面將無任何變化。

圖11 智能扣費

超車情況顯示功能如圖12所示。若當前行駛車輛已超速，單擊超速，進入超速情況界面。系統通過超速的程度，遵循正比例曲線圖，對該行駛車輛進行智能扣費[14]。收費方法多種多樣，既可以用微信、支付寶的二維碼，也可以直接從駕照卡上扣錢，還可以到就近的監控站點進行現金付款。若扣費成功，單擊返回按鈕，回到智能扣費界面。

圖12 超車情況

超車預測功能界面如圖13所示。單擊超車預測按鍵之后，系統會先對當地的天氣情況進行監測，用戶和后臺管理員將通過氣象監測設備，比如衛星探測、車輛傳感器、GPS定位等，得到天氣、風力和風向等環境信息，隨后這些實時天氣數據信息會被快速傳遞給處理器進行分析，顯示出近期天氣情況。結合天氣信息，通過GPS、地圖等手段，識別出前方的交通信號燈和后面車輛數量，進而判斷出當前車輛有無超車危險。

圖13 超車預測

5 結束語

基于樹莓派處理器，運用智能監測技術，將車載無線網絡與車載設備相連接，通過車速和車距監測，對車輛是否會超車進行預測，并對駕駛員是否能夠在高速公路上安全駕駛進行評估和智能扣費，以此便發揮了智能交通的技術優勢。使信息安全和物聯網相結合，便可有效地解決高速公路擁堵問題。該設計方案適應高速公路情況，提高高速公路車輛行駛的規范性、高效性，結構簡單，有一定的實用價值。