高速公路异常信息预警及自动计费装置研制

1 研究背景

我国交通部发布2015年末全国公路总里程457.73万公里，全国机动车保有量2.79亿辆，创历史新高。我国高速公路建设也有了突飞猛进的发展，截至2016年末全国高速公路总里程也突破了13万公里。但是所面临的道路交通安全也日益严峻，我国道路交通事故发生率呈上升趋势，交通事故死亡人数居高不下，我国的万车死亡率位居世界首位，给人民群众的生命财产安全及国家经济造成了巨大的损失。尽管中国近年来加大对高速公路安全治理力度，各项数据也呈现向好态势，但是交通安全形势依然严峻。

国内外学者针对高速公路车辆连环相撞等交通缺陷，进行了大量的研究，包括可变信息标志的设置、法律法规的制定、车载设备安全性的提升等，但对现有高速公路连环相撞等交通缺陷的问题尚未得到行之有效的解决方法。Abbas和Mccoy是最早研究路网上VMS选址位置最优化问题的学者之一，1999年Avvas和Mccoy首次发表论文阐述了VMS选址优化问题[6]。在2009年出版的《美国高速公路运营管理手册》中,详细介绍了美国高速公路信息发布的各种发布方可变信息标志、高速公路路况广播、车载设备以及其他方式,并对各种发布方式的发布内容和标志位置都做了简单的阐述[7]。德国、瑞典等许多国家都对高速公路事故预警管理给予了足够的重视。上个世纪九十年代,德国公司在开发的事故管理系统,实际上是城市间公路设计的路侧危险预警系统,它能通过路侧电子指导标志发出的黄色信号来警告驾驶人前方发生了事故,从而减少了二次事故的发生[8]。2010年，长安大学的郑荣莉深入研究了可变信息标志的等级以及各个等级所需的发布内容和设置的位置[3]。2014年，江苏大学智能机械及机器人研究所的尹小琴等针对汽车追尾碰撞事故频发和事故中驾乘人员头颈部易受损伤等问题，利用激光雷达测距和机电控制相结合的技术，提出了一种车辆防碰撞系统，对高位制动灯和主动式头枕进行控制[1]。2014年，中铁二建工程集团有限责任公司的刘爽阳等提出了一种具有感知、决策的高速公路智能雾区预警诱导系统设计方案，对系统的功能进行了设计[4]。2015年，西安理工大学的赵太飞等在《高速公路车辆智能安全预警系统》一文中提出一种能够通过GPS采集信息并通过数据处理而向司机报警的预警系统[2]。

据国内外现有研究成果可知，国内在研究高速公路连环相撞方面的资料较少，我们团队在老师的指导下研制了高速公路路况信息预警及计费系统。该预警系统中首次加入了高速公路行车计费模块，为实体收费站分担压力，增加高速公路的通行能力。

2 预警装置总体思路及系统原理

2.1 系统概述

本系统由车载模块来实现，其功能主要有车辆行驶信息显示，预警信息接收发送，行驶里程计费。GPS模块获取时间、经纬度等信息，单片机将信息解析并且计算出费用。单片机通过加速度传感器判断车辆是否相撞，并通过无线通信将本车是否相撞、行进方向传递给周围车辆，收到周围有异常车辆信息语音模块就会发出预警。按键可以实现手动报警和控制计费开始和结束。

2.2 系统实现原理

车载预警机通过GPS模块获得经纬度、粗略速度、时间和航向等信息，通过加速度模块获得加速度。单片机根据这些数据计算出费用、目前准确速度，并且控制LCD显示时间、费用、速度等信息。如果速度低于60km/h，或者加速度过大（紧急刹车或者撞车），zigbee会通过已经建立好的网状网络向周围车辆发送本车辆的位置、速度、航向等信息。其他车辆根据接收到的信息（经纬度、速度、航向），根据航向判断是否是同向行驶，根据经纬度来判断是否是在本车前方行驶，根据相对速度差来判断是否需进行对本车进行报警，如对本车进行报警，报警可根据速度差所在的预先定义好的某范围之内，进行分级报警。车载预警机原理如图 1所示。  

图 11 车载预警机原理图

2 装置各模块详述

2.1 STC12C5A60S2系列单片机

STC12C5A60S2系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，具有高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，其指令代码完全兼容传统的8051，但速度快8-12倍。该单片机用于接收信号、处理数据、发出指令，并通过与GPS定位模块、加速度模块、显示模块、Zigbee模块的连接完成对前方是否有交通事故或堵车的检测以及报警，同时记录里程并计算相应的费用。

图 21 核心板原理图

2.2 GPS模块

GPS模块是系统终端的核心部件之一，作用是将天线接受到的GPS信号，经过处理后，解析出坐标、速度和时间等数据，通过串口发送给主控模块，从而完成定位功能。

目前，国内外有很多家企业在研发制造GPS模块，性能和价格也存在差异。考虑到系统低功耗以及GPS模块的性能等因素，本系统GPS模块采用的是Ublox公司的新型低成本GPS模块U-BLOXNEO-6M，该模块采用Atmel和Ublox联合开发的16通道ANTARIS 4接收机技术。

图 22  U-BLOXNEO-6M

 2.3 加速度模块

为了检测车辆是否发生连环相撞或者是发生意外情况，GPS获得的速度信息较为不准确。我们采用加速度模块来进行更加准确判断。通过对加速度的时间积分和双重时间积分可以分别得到物体的即时运动速度和位置信息。但由于积分会造成误差的积累，所以采用互补滤波与GPS获得的较为粗略的数据融合为更为准确的信息。

加速度计实际是一种机械传感器，为多晶硅表面微加工结构，置于晶圆顶部。由于应用加速度，多晶硅弹簧悬挂于晶圆表面的结构之上，提供力量阻力。差分电容由独立固定板和活动质量连接板组成，能对结构偏转进行测量。加速度使惯性质量偏转、差分电容失衡，输出的值与加速度成正比。相敏解调用于确定加速度的幅度和极性。加速度计工作原理示意图，如图 3所示。

图 23加速度计工作原理示意图

2.4 LCD模块

为了显示时间、费用、车速等数据，我们采用了LCD12864液晶显示屏。LCD12864为数字点阵式液晶模块,它包括128× 64点的液晶面板、CMOS驱动。由于该模块有整体的图形点阵显示,因而用它来显示图形和字符。它具有如下特性:① CMOS大规模集成电路LCD驱动；②大容量图形类型,能够显示数字、字母、特殊字符、曲线、图表和模型等；③阳性驱动；④高对比度、宽视觉范围；⑤ 1/64分辨率。

2.5 Zigbee模块

Zigbee它是一种廉价的固定、便携或移动设备都能使用的低复杂度、低成本、低功耗的无限连接技术，其协议是基于IEEE802.15.4的无线通信协议，可在数千个传感器之间相互协调实现通信。Zigbee的特点包括以下几点：

1.低功耗：Zigbee的发射频率仅为1mW，而且采用休眠模式，因此非常省电，提高使用寿命。

2.低成本：Zigbee模块的价格便宜，远低于布线和施工费用。Zigbee的频段工作在2.4GHz、全球通用的ISM免付费频段，降低使用成本。

3.时延短：通信时延较短，典型的搜索设备时延为30ms.

4.网络容量大：一个星型结构的Zigbee网络最多容纳254个从设备和一个主设备，而且网络组成灵活。

可靠安全：MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包必须等待接受对方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以重发。Zigbee还提供循环冗余校检和加密功能，提高通信的安全性。

图 24 Zigbee原理图

2.6 语音模块

当周围汽车有异常时，通过无线传输警报数据，语音播报发出语音提醒“前方有异常车辆，请减速慢行”。我们采用ISD1820录放模块。ISD1820芯片的基本结构与ISDlllo、ISD1420完全相同,它采用CMOS技术,内含振荡器、话筒前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器、平滑滤波器、扬声器驱动及FLASH阵列。最小的录放系统仅需麦克风、喇叭、两个按钮、3V电源及少数电阻电容。在录放操作结束后,芯片自动进人低功耗节电模式,功耗仅0.5泌。芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术(DAST),每个采样值直接存储在片内FLASH单元中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。

3 样机试制和调试

3.1 样机试制

根据上面的设计原理，我们采购了元器件，印刷了电路板，把GPS模块、加速度模块、语音模块、Zigbee模块、LCD12864、STC12C5A60S2单片机进行焊接。各模块如下图所示，焊接成功后组装图如下图所示。

图 6 各模块组装图

3.2 样机调试

对模块通电，把程序烧制到芯片中。首先调试每一部分功能，调试内容及结果见表 1。

表格 1 调试内容、结果

 3.3 高速公路试验  

从济南东高速收费站到济南北高速收费站，经测试发现如下问题：（1）GPS信号不稳定；（2）速度显示出现跳动问题。经在实验室研究，把GPS接收器放在车窗位置，速度采集加滤波装置。再次上路测试，各项功能正常，软件运转方面问题改善。

3.4 产品定型  

产品经过试验修改再试验，最终确定该产品软硬件部分已经达到最初设计目标。

4 创新特色

(1) 研制的高速公路路况信息预警及计费系统，此系统可以具有高速公路异常信息预警功能，减少高速连环追尾事故的发生；

(2)将这种预警系统与ETC集成为一体，实用性强；

(3)积累交通安全信息，建立道路安全信息数据库，为高速公路交通管理部门决策提供依据；

(4)此系统由GPS模块采集车辆信息，通过Zigbee已经建立好的网状拓扑结构的网络向周围来车发送本车辆的位置、速度、行驶向等信息，车辆接收信息后，通过单片机处理，判断是否对驾驶人员进行报警提示；

(5)与传统的激光测距、红外线测距、超声波测距防追尾系统相比，本系统有体积小、测量范围大、数据精确性高等特点，并有里程记录及计费功能，更加实用。且内置电源及电源共享设计，为装置的正常性使用提供保障。

5 结语

该系统的主要功能便是高速公路路况信息预警及行车计费，保障行车安全和简化收费模式，而我国高速公路里程每年都有飞速的增加，国民汽车的保有量也呈逐年上升趋势，仅2016年的全国汽车销售量就突破了2600万辆。与此同时，交通安全问题也日益凸显，尤其是高速公路行车安全问题。在此背景下，我们团队研发了高速公路路况信息预警及计费系统，该系统采用单片机、GPS定位技术、路况经纬度同步导航、无线短距接发装置等成熟技术手段，在使用过程中系统状态稳定、可靠性高，且成本低廉、安装方便、造型简约，因此该系统应用前景广阔。（文/宋传增 于晓桦 鲁昊 于冬雪 薛亮亮 刘凯）

作者简介

宋传增：山东建筑大学（联系电话：18660189001）

于晓桦：山东建筑大学

鲁昊: 山东建筑大学

于冬雪: 山东建筑大学

薛亮亮: 山东建筑大学

刘凯: 山东建筑大学

关键词：高速公路交通安全；异常信息预警；自动计费；GPS定位