張 鵬，龍 偉

(四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065)

高速公路雨霧監(jiān)測與車輛預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

張 鵬，龍 偉

(四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065)

針對高速公路雨霧災(zāi)害具有突發(fā)性、小范圍波動等特征，通過集成GSM、GPS和GIS等信息技術(shù)，設(shè)計建立了高速公路雨霧監(jiān)測與車輛預(yù)警系統(tǒng)。同時，探討解決了系統(tǒng)設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，如雨霧實時監(jiān)測、無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、多維度數(shù)據(jù)庫建庫和信息直觀顯示、及時發(fā)布等。最后，通過建立一個實驗系統(tǒng)驗證了系統(tǒng)的可行性，結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠?qū)τ觎F災(zāi)害進行多點實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)遠程傳輸，能及時發(fā)布預(yù)警信息，有效降低雨霧天氣下的交通事故發(fā)生率。

雨霧監(jiān)測； 車輛預(yù)警； GPS； GSM； GIS； 實驗系統(tǒng)

惡劣的天氣條件對高速公路交通安全有顯著的影響，由其引起的視距降低、路面摩擦力減小等因素會嚴重威脅高速公路行車安全。目前，高速公路缺乏對雨霧災(zāi)害穩(wěn)定的監(jiān)測和實時高效的預(yù)警措施，在大雨和濃霧天氣下，道路能見度急速降低，往往會造成車輛滯留、交通堵塞甚至嚴重的交通事故[1]。陳武弟[2]提出了基于RFID的霧天高速公路車輛實時預(yù)警系統(tǒng)，能初步解決雨霧監(jiān)測與預(yù)警，但是存在著實時性低、建設(shè)成本較高、數(shù)據(jù)遠距離傳輸困難等問題。

通過借鑒國內(nèi)外已開展的高速公路雨霧災(zāi)害形成特征、低能見度監(jiān)測、惡劣天氣交通管制和高速公路天氣信息系統(tǒng)等方面的研究，整合GSM、GPS和GIS等信息技術(shù)，設(shè)計建立了集雨霧災(zāi)害實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集處理、預(yù)警決策和信息發(fā)布等功能的高速公路雨霧監(jiān)測與車輛預(yù)警系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有實時性高、數(shù)據(jù)傳輸距離基本無限制、建設(shè)成本較低等特點。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)是基于GPS的實時快速定位、GIS的地理信息查詢和分析、GSM的無線數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)庫存儲和計算機軟件開發(fā)等相關(guān)技術(shù)集成構(gòu)建，主要由雨霧監(jiān)測單元、車載預(yù)警終端、監(jiān)控操作中心、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和GSM網(wǎng)絡(luò)等5部分組成，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主要架構(gòu)

在雨霧災(zāi)害頻發(fā)的路段每隔一定間距安裝一個雨霧監(jiān)測單元，實時監(jiān)測能見度、降雨量、溫度等氣象信息，每個檢測周期將實時氣象信息通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控操作中心進行判別、處理后，存儲到系統(tǒng)的氣象數(shù)據(jù)庫。車載預(yù)警終端利用GPS模塊連接到GPS定位衛(wèi)星，將車輛的實時速度、地理經(jīng)緯度等動態(tài)信息每隔一定時間通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控操作中心，經(jīng)過轉(zhuǎn)換、處理后，系統(tǒng)將該車輛的動態(tài)信息存儲在系統(tǒng)的車輛在線數(shù)據(jù)庫里，同時利用GIS技術(shù)將車輛當前位置在電子地圖上清楚直觀地顯示出來。當雨霧災(zāi)害發(fā)生時，監(jiān)控操作中心通過接收到的氣象信息自動選擇預(yù)警方案，并且通過GSM網(wǎng)絡(luò)將預(yù)警信息發(fā)送至在線車輛的車載預(yù)警終端，車載預(yù)警終端以語音、短消息的方式進行提示，從而實現(xiàn)雨霧實時監(jiān)測與車輛預(yù)警，其信息流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)信息流程圖

2 系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

2.1雨霧實時監(jiān)測技術(shù)

高速公路雨霧的形成、增濃減淡、移動消散具有突發(fā)性、小范圍的特征，因此對雨霧的自動實時監(jiān)測是有效實施突發(fā)性雨霧災(zāi)害預(yù)警的基礎(chǔ)和前提。本系統(tǒng)采用在雨霧災(zāi)害頻發(fā)路段多點布設(shè)雨霧監(jiān)測單元的方法，提高了氣象信息采集的準確性，縮小了預(yù)警范圍，提高了控制精度[3]。雨霧監(jiān)測單元主要由雨霧能見度儀、信息控制處理器、SMS Modem和電源組成，如圖3所示。

圖3 雨霧監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)圖

雨霧能見度儀根據(jù)光的散射和反射原理對能見度進行精確測量，能辨別降水類型、強度和輸出總降水量，可以靈活地連接到各種數(shù)據(jù)采集裝置，可以串口、模擬量、繼電器接點輸出。雨霧能見度儀按照普通路段5～10km、雨霧頻發(fā)路段1～3km的間距，離地高度1.5～2.0m的原則進行布設(shè)。雨霧能見度儀通過RS232信號接口與信息控制處理器連接，其標準數(shù)據(jù)格式如下：

,,SWS200,NNN,XXX,AA.AA KM,BB.BBBB,CC,±DD.D C,EE.EE KM,FFF

關(guān)鍵字段及說明見表1。

表1 關(guān)鍵字段及說明

信息控制處理器通過AT指令控制SMS Modem進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。信息控制處理器根據(jù)接收到的來自監(jiān)控操作中心的指令對雨霧能見度儀進行開關(guān)控制、監(jiān)測方式設(shè)置和數(shù)據(jù)采集周期設(shè)置等，同時，將雨霧能見度儀輸出的氣象信息處理后通過SMS Modem發(fā)送至監(jiān)控操作中心，存儲到系統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)庫。

2.2基于GSM的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

GSM網(wǎng)絡(luò)負責傳輸實時氣象信息、在線車輛動態(tài)信息，發(fā)布能見度儀控制指令、預(yù)警信息，是監(jiān)控操作中心與雨霧監(jiān)測單元、車載預(yù)警終端之間進行信息交互的通道。GSM以SMS(Short Message Service)形式傳輸數(shù)據(jù)，具有快速、網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高的特點和消息接收確認的功能，方便在通信中確認數(shù)據(jù)是否到達以及判斷故障，缺點是數(shù)據(jù)長度有限制，按短信息次數(shù)收費，適合于通信次數(shù)較少、數(shù)據(jù)量不大的場合?；贕SM系統(tǒng)的GPRS(General Packet Radio Service)業(yè)務(wù)按流量計費、數(shù)據(jù)傳輸快、實時性好、永遠在線、延時短[4]，但是網(wǎng)絡(luò)覆蓋小。綜合考慮網(wǎng)絡(luò)性價比、系統(tǒng)各部分對網(wǎng)絡(luò)要求側(cè)重點不同，本系統(tǒng)采用SMS短消息業(yè)務(wù)和GPRS通用無線分組業(yè)務(wù)相結(jié)合的方式進行數(shù)據(jù)傳輸。在實時向監(jiān)控操作中心傳輸氣象信息和在線車輛動態(tài)信息時，采用了GPRS方式，監(jiān)控操作中心向下傳遞控制指令和發(fā)布預(yù)警信息時，采用的是SMS方式。

2.3基于GIS的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)據(jù)庫是本系統(tǒng)運行的信息樞紐，其設(shè)計的好壞不僅直接影響到系統(tǒng)建設(shè)的速度和成本，而且還影響到系統(tǒng)的運行、應(yīng)用和管理[5]。利用GIS技術(shù)將高速公路及其環(huán)境等要素映射到監(jiān)控操作中心的電子地圖中，從而實現(xiàn)高速公路地理信息的可視化管理。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)按照存儲性質(zhì)分為靜態(tài)和動態(tài)兩大類。其中，靜態(tài)數(shù)據(jù)包括高速公路沿線的道路信息、雨霧監(jiān)測設(shè)備信息、地理信息、雨霧災(zāi)害歷史記錄和系統(tǒng)用戶信息；動態(tài)數(shù)據(jù)包括沿線各監(jiān)測單元監(jiān)測到的氣象信息和在線車輛的信息。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)模型

2.4信息顯示及發(fā)布

監(jiān)控操作中心集氣象信息實時接收處理、監(jiān)測單元遠程控制、車輛動態(tài)記錄、預(yù)警方案決策、預(yù)警信息發(fā)布等功能于一體，是整個系統(tǒng)的管理控制中心和信息處理中心。監(jiān)控操作中心的主要功能模塊如圖5所示。其中，數(shù)據(jù)顯示中心分為能見度數(shù)據(jù)視圖和電子地圖。能見度視圖可以實時直觀地觀察單點或者多點能見度監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且控制各監(jiān)測單元的開關(guān)、設(shè)置能見度儀的檢測周期和工作模式。電子地圖根據(jù)車輛上傳的動態(tài)信息在地圖上實時顯示車輛的具體位置和運行狀態(tài)，并且通過GSM網(wǎng)絡(luò)連接車載預(yù)警終端，以語音、短消息等方式顯示預(yù)警信息。當檢測到雨霧災(zāi)害發(fā)生時，中心能夠及時、準確地對霧區(qū)車輛進行安全預(yù)警，提醒駕駛?cè)藛T保持合適的車速和車距，降低交通事故的發(fā)生率。

圖5 監(jiān)控操作中心功能設(shè)計

3 系統(tǒng)驗證實例

為了驗證系統(tǒng)設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)的可行性，采用英國Biral公司的SW200型天氣氣象檢測儀作為雨霧能見度檢測儀，并且根據(jù)其提供的標準數(shù)據(jù)接口開發(fā)設(shè)計了信息控制處理器，完整實現(xiàn)了雨霧監(jiān)測單元的功能。同時，應(yīng)用Android智能手機的GSM網(wǎng)絡(luò)、GPS模塊和TTS(Text to speech)模塊，開發(fā)設(shè)計了車載預(yù)警終端，實現(xiàn)了在線車輛動態(tài)信息實時無線傳輸、GPS定位以及語音預(yù)警等功能。最后，基于.Net 2005軟件開發(fā)平臺開發(fā)了監(jiān)控操作中心軟件平臺，有效整合了系統(tǒng)的各種信息數(shù)據(jù)。該實驗系統(tǒng)的基本架構(gòu)與圖1完全相同。

實驗測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無線傳輸快速可靠，信息顯示直觀，預(yù)警信息發(fā)布及時，能有效提高高速公路雨霧災(zāi)害的預(yù)警能力。圖6是實地實驗時JC0003號監(jiān)測單元最近10個檢測周期監(jiān)測到的能見度柱狀圖，其中，縱坐標表示能見度值，單位為m，橫坐標表示當前天氣類型。

圖6 JC0003監(jiān)測單元實時監(jiān)測能見度值

4 結(jié)束語

高速公路雨霧監(jiān)測與車輛預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計及實施方案，解決了高速公路雨霧災(zāi)害的實時監(jiān)測和車輛及時預(yù)警的難題，在應(yīng)對季節(jié)性、突發(fā)性的雨霧災(zāi)害方面有獨特優(yōu)勢，提高了惡劣雨霧天氣下交通流的穩(wěn)定性和有序性，這對于我國高速公路信息化、智能化建設(shè)具有十分重要的現(xiàn)實意義。可以預(yù)見，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，將會給雨霧監(jiān)測與車輛預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展帶來更廣闊的前景。

[1] 齊瑩菲,柳本民,郭忠印. 高速公路霧天安全管理系統(tǒng)[J]. 同濟大學學報:自然科學版,2007,35(1):61-66.

[2] 陳武弟,龍偉,丁柱. 基于RFID的霧天高速公路車輛實時預(yù)警系統(tǒng)[J]. 中國制造業(yè)信息化,2010,39(1):60-63.

[3] 代紅焱,龍偉,李炎炎. 高速公路雨霧監(jiān)測與車輛安全預(yù)警系統(tǒng)研究[J]. 南京工程學院學報,2012,10(3):55-60.

[4] 翟戰(zhàn)強, 蔡少華.基于GPRS/GPS/GIS的車輛導(dǎo)航與監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 測繪通報, 2004(2):34-36.

[5] 聞?wù)? 黃強, 張海波.塔里木河流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫設(shè)計關(guān)鍵問題研究[J].干旱區(qū)地理,2005,28(3):377-380.

DesignofRainandFogMonitoringandVehicleWarningSystemforExpressway

ZHANG Peng, LONG Wei

(Sichuan University, Sichuan Chengdu, 610065, China)

According to the characteristics of rain and fog disasters, which include the proruption and small scope fluctuation, it designs the expressway rain and fog monitoring and vehicle warning system by integrating the GSM, GPS and GIS information technologies, analyzes the key technical problems in the process of system design, such as rain and fog real-time monitoring, wireless data transmission network settings, multidimensional information database construction and information visual display and timely release. Finally, it establishes an experiment system to verify the feasibility of the system, the results show that the system can solve the problem of rain and fog multipoint real-time monitoring and data remote transmission, and also release warning information timely to effectively reduce the incidence of traffic accident under the rain and fog.

Rain and Fog Monitoring; Vehicle Warning; GPS; GSM; GIS; Experiment System

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.02.006

2013-11-25

四川省科技支撐計劃項目(2010GZ0171)

張鵬(1988—)，男(苗族)，重慶人,四川大學碩士研究生，主要研究方向為智能交通與車輛工程。

TP212.9;U491

A

2095-509X(2014)02-0027-04