基于車聯網的高速公路安全預警系統設計研究

李霞

（淄博市公安局交通警察支隊周村大隊，山東淄博 255300）

0 引言

隨著5G通信技術和智能移動設備的發展，設計基于車聯網的安全預警系統，提升高速公路調度指揮的智能化水平成為熱點話題。實踐表明，車聯網能夠為車輛與平臺提供交互信息，并且及時將安全預警數據上傳到后臺中心?，F階段，我國很多高速公路使用了安全預警系統，通過對車輛運行狀態、地理位置信息以及駕駛員行為的識別與監測，可以更好地獲取車輛運行數據，并及時發現危險行為，為道路安全提供可靠保障。

1 車聯網實現步驟和安全預警系統應用場景

1.1 車聯網實現步驟

車聯網模式實現的基礎硬件設備為射頻識別技術（RFID）和GPS信息存儲接收設備，在具體實現環節，通過無線射頻和網絡技術，將運行中的車輛信息傳遞到信息網絡平臺，在此過程中完成數據積累[1]。該數據主要用于判斷車輛狀態、提供監管依據和其他車輛相關服務。具體步驟可分為三大部分，即信息獲取、傳輸和智能化處理。

針對安全預警系統層面進行分析，當加入車聯網后，車輛屬性狀態和實時運行信息會上傳到信息處理中心，通過對云計算和大數據識別技術的應用，管理人員能夠對相關信息作出匯總與分析，使復雜海量的車輛信息具有可讀性，同時將結果以圖形化界面的形式呈現出來。車輛駕駛員也能夠借助車聯網獲取路況反饋信息，并得到相關服務支持。總之，車聯網模式的實現，為車輛管理、智能停車誘導和動態交通信號控制提供了技術支持。

1.2 安全預警系統應用場景

車聯網在高速公路安全領域的應用場景較多，例如協同駕駛。當車輛行駛在交通狀況十分復雜的路段時，使用車聯網技術可以保證車輛行駛安全。車聯網與無線通信之間的配合應用，可將周圍車輛位置和運動狀態信息實時傳送到安全預警系統后臺，后臺將該信息回傳給駕駛員，幫助駕駛員更好地了解周圍交通狀況，滿足安全智能駕駛需求。

當車輛行進前方出現交通事故和其他擁堵等場景時，車聯網安全預警系統會及時將預警信息播報給駕駛員，給予駕駛員足夠時間選擇其他路段或采取緊急避讓措施，避免駛入擁堵路段[2]。該場景模式的實現，不僅可以極大程度地降低交通安全事件發生率，還可以保障車輛駕駛員的人身財產安全。

2 基于車聯網的高速公路安全系統設計方案

2.1 做好系統層次結構設計

該系統設計為四層結構，分別是車聯網感知層、車聯網網絡層、車聯網應用層和車聯網服務層。其中，車聯網感知層是基礎物理層，主要包括溫度、濕度傳感器、氣壓傳感器、車用攝像頭、行車記錄儀、車載GPS、測速儀、網關等，車聯網感知層在安全預警系統設計中發揮了關鍵作用。通過對各種類型傳感器和檢測儀的使用，可以收集車輛信息，具體包括車輛屬性、性能、車輛位置變化信息，此外，還能及時收集道路交通狀況、環境信息，將該類型信息及時上傳到車聯網中。

車聯網網絡層起到橋梁紐帶作用，由車載網絡、電子設備、智能網絡中心組成，其主要作用是感知已經獲取的信息，并做好信息傳遞與處理。車聯網網絡層也可以分為網絡子層和網間融入層[3]。其中，網絡子層的主要作用是傳輸網絡數據信息；網間融入層的功能為連接感知層和網絡層，其連接的結構方式為無線網關或串轉網網關。

車聯網應用層屬于車聯網價值實現層，包括多個子系統，如交通事故處理、交通管制疏導、緊急救援、危險品監控等。具體實現路徑是車聯網感知層收集信息，通過車聯網網絡層實現對信息資源的智能化處理加工，隨后將數據實時輸送到車聯網應用層上。車聯網應用層會調用數據，為用戶提供差異化的服務，確保車聯網智能服務場景實現。

車聯網服務層是車聯網個性化服務的延伸，與車聯網應用層相同的是，車聯網服務層的核心目標是滿足客戶需求，其更加關注用戶個性化需求，即通過計算機軟件開發技術與輔助決策功能，為獨立用戶提供更加專業的服務支持，相關服務包含道路狀況識別、車輛行駛狀況評估、娛樂媒體中心等，對該層功能進行優化設計，也可滿足用戶多場景切換與智能交互需求。高速公路安全預警系統層次結構設計方案如圖1所示。

圖1 安全預警系統層次結構設計圖

2.2 信息的獲取與傳輸技術

高速公路安全預警系統設計的關鍵是對車輛信息的獲取和使用。在具體實現環節，有關人員可使用全球定位系統GPS技術確定車輛的位置信息。此外，還可以使用射頻識別技術（RFID）獲取車輛身份信息，由此完成對車聯網內全部信息的獲取，為安全預警系統的可靠使用提供保障。該系統的設計基礎是信息內網傳輸，通過對動態車載單元（Onboard Unit，OBU）和道路旁靜態路側單元(RoadSide Unit，RSU)，動態車載單元的主要作用是采集信息、定位車輛、構建通信；道路旁靜態路側單元的主要功能是確保車輛信息與車聯網智能控制中心雙向通信，并完成信息全面性檢測[4]。OBU動態車載單元模塊的信息傳輸方式為無線傳輸；RSU道路旁靜態信息收集模塊的信息傳輸方式為有線傳輸?；谲嚶摼W，目標車輛可以建立以本車作為中心的動態地圖，信息包括車輛相對位置、行駛狀況與操作數據。當其他車輛行駛到目標車輛安全距離時，系統會發出安全警報，提示駕駛員注意安全。

2.3 系統主程序的設計思路

使用單片機系統對主程序的數據進行初始化操作，隨后再使用超聲波回波接收車輛位置信息，在此過程中，單片機3.1端口會輸出一個低電平，用于啟動計時服務。本文研究的高速公路安全預警系統使用的定時器命名為T0，在實際應用環節會調用計算距離的子程序，用于計算車輛的距離信息，為安全預警功能的實現準備技術條件。預警系統中報警聲音的實現是基于聲音處理程序實現的，該程序接口主要負責控制蜂鳴器硬件，用于將警報進行實時播報給駕駛員。

需要特別指出的是，超聲波接收電路在獲取車輛信息數據后，會調用編號為CX20106的電路代碼，并對比數據庫中的車輛屬性信息，最終形成回波信號，回傳給車輛安全預警系統后臺。主程序對車輛距離的計算方式如下：

式（1）中：S為車輛距離（cm）；N為計數器數值。

上述模型計算可以實現啟動定時器、開始計時、激活超聲波探頭、計算距離、蜂鳴器報警等多個功能?；趯嚶摼W和車輛距離模型計算公式的應用，車輛安全預警系統的價值得到充分發揮，能夠幫助駕駛員及時獲取車輛距離數據，對提升安全預警結果的準確度產生深遠影響[5]。從上述車距計算公式（1）中可以看出，要想獲取車輛距離數值，有關人員需要明確超聲傳感裝置開始工作時間和超聲波傳感器停止接收動態數據時間，這個時間差異往往是通過設計定時器得到的，鑒于此，在公路安全預警系統設計中，應特別關注定時器的應用。

顯示模塊的設計也是安全預警系統的核心部分，該系統設計方案使用了4位共陽極數碼管，用于顯示障礙物與目標車輛之間的距離，為給駕駛員提供車況與路況的實時信息，設計人員將數碼管連接到系統PI接口上，并分段完成對區域內車輛信息的動態掃描。考慮到車輛距離指標的變化具有多變性質，因此，該系統設計的數碼管顯示時間為外部中斷0之后。

當主程序系統發出車輛距離信號后，此時中斷和定時器0被打開，程序開始計時。在主程序接收到回波信號時，定時器被及時終止，同時定時器的計數信息也被及時回傳給程序接口，通過數據解析，將車輛距離和安全指標傳給顯示器，供駕駛員參考。安全預警系統顯示模塊的設計思路見圖2。

圖2 安全預警系統顯示模塊設計思路

2.4 安全預警系統功能描述

為預防極端天氣對車輛駕駛造成的不利影響，該系統還設計了預警終端功能，預警終端主要被放置在高速公路危險路段或正在施工路段，其實用功能明確如下：

一是設計路況信息監測功能。該終端系統提供了一組用于監測路況信息的功能，通過向往來車輛提供路況信息，可以充分發揮安全預警系統的應用價值。預警安全需要用到的信息包括路段施工信息、交通事故、路段暢通度等；二是系統上線了信息交互功能模塊。有關實時交通信息交換的代碼如圖3所示。

圖3 實時交通信息交換功能實現代碼（部分）

此外，基于車聯網設計的安全預警系統也帶有數據庫管理功能、自動化溯源功能與無線信息交互功能。首先，行駛在高速公路上的車輛較多，僅依靠數據存儲技術已經無法滿足安全預警需求，因此，在單片機程序的編寫上，有關人員使用了關系型數據庫，通過對數據庫資源的讀寫，為系統提供了海量的數據。研究指出，通過對數據庫資源的調取和應用，還能夠及時更新安全預警系統，有利于保持系統服務的穩定性[6]。為實現車聯網內車輛的智能化管理，系統設計人員對部分功能進行了完善，使用更為先進的自動化溯源技術，通過做好信息采集，能夠在海量數據中獲取關鍵信息，例如，車輛停靠時間段、是否轉向、行駛速度等。以上信息是安全預警功能實現的基礎，還可以為交通指揮人員的決策提供有價值的數據參考。

2.5 安全預警和車輛位置信息識別

當高速公路因惡劣天氣或交通事故出現交通擁堵時，現場車輛能夠通過車聯網將相關信息反饋給局域網內車輛。相關車輛收到信息后，會發出預警，提示后來車輛做好事故應對，避免發生其他次生交通安全事件。該系統上線了車輛信息獲取功能，通過系統與車載RFID傳感器的配合使用，可以及時獲取車輛速度和位置信息數據，當監測區域內車輛行駛速度超過預設值時，系統會自動發出超速警報，并借助車聯網自動降低速度，確保車輛行駛安全。當車聯網檢測該車輛與周圍車輛的距離低于安全距離時，安全預警系統會限制駕駛員的變道行為。

3 結語

綜上所述，以高速公路作為研究對象，分析車聯網在安全預警系統中的應用路徑。在實際研究中，首先分析車聯網的實現步驟與安全預警系統的應用場景，其次研究高速公路安全預警系統設計方案，通過做好系統層次結構設計、采取可靠的信息獲取與傳輸技術，并對主程序的設計思路進行優化，可以更好實現系統功能。未來，基于車聯網的安全預警是高速公路管理的主要趨勢，通過對車輛安全預警系統的設計與實現，能夠為高速公路交通智慧化管控提供支持。