郭　靜

(山西省自動化研究所，山西 太原 030012)

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一種半反饋式高速公路預警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

郭靜

(山西省自動化研究所，山西 太原 030012)

高速公路是當前道路交通的主要形式之一，根據(jù)目前交規(guī)要求，事故發(fā)生后應在事故前150 m擺放警示標志，并打開雙閃預警。但由于高速公路車速快，加之路況、天氣等因素，往往因警示裝置不明顯造成次生事故，并引發(fā)重大交通事故。本文探討了一種由固定式簡易預警裝置和配套中心端控制平臺組成的半反饋式高速公路預警系統(tǒng)，在事故報警后中心平臺遠程控制前端預警系統(tǒng)開啟，由于裝置明顯并將預警距離拉長，有效降低了次生事故的發(fā)生，提高了道路交通安全水平。

高速公路；半反饋；預警系統(tǒng)

1　項目背景

近年來，隨著一條條高速公路建成通車，高速公路的快速和便捷已走進了平常百姓的生活，人們切身感受到高速公路帶來的時間、空間觀念的變化，轉(zhuǎn)變了人們的生活方式，改善了人們的生活質(zhì)量。高速公路的建設與發(fā)展，有效地拉動了內(nèi)需，刺激了高速公路沿線地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和繁榮；高速公路的建設對促進社會經(jīng)濟的發(fā)展、自然資源的開發(fā)、生產(chǎn)要素的合理布局、相鄰區(qū)域間的合作、投資環(huán)境的改善、交通出行的便捷、生活水平的提升等起到了積極的推動作用。

高速公路為社會、經(jīng)濟發(fā)展服務的同時，也帶來了極大的負面影響。隨之而來產(chǎn)生的交通事故使人震驚。令人感到遺憾的是，高速公路連環(huán)相撞事故屢見不鮮，其中很多是在山區(qū)高速公路露天平坦路段少，橋梁隧道多；直路少，彎道多；左彎右繞，視線差，司機在彎道上行駛很難觀察彎道前方的路況。如果車速過高，一旦前方出現(xiàn)障礙物，駕駛?cè)司蜁@慌失措，車輛失控，造成事故。平路少，上下坡路多。大型載貨車在這些路段行駛，經(jīng)常會出現(xiàn)剎車片過燙，輪胎起火或剎車失靈，導致事故發(fā)生。夏雨多霧，冬雪多冰。很多司機，對待是山區(qū)高速和普通高速一樣，開得非?？欤静粶p速，這是非常危險的！

2015年12月8日在山西太長高速公路太原方向王村橋路段因大霧能見度極低，發(fā)生多起、多車相撞道路交通事故，共涉及33輛車，造成6人死亡、4人受傷。2015年11月29日在山西侯平高速公路(S75)太原方向15～16 km處，發(fā)生多起、涉及29輛車相撞的道路交通事故，造成4人死亡、5人受傷。2013年2月在山西聞垣高速發(fā)生的25車連撞交通事故中，5人死亡，30人受傷。當時多地出現(xiàn)雨雪天氣，其中局部地區(qū)有小雨或雨夾雪，致橋面結(jié)冰，成為誘發(fā)此次特大交通事故的主因。這一樁樁一件件都是因為出現(xiàn)交通事故后沒有及時進行預警提示而造成次生事故的不斷發(fā)生，從而引起了更大的事故發(fā)生。

近十余年來，隨著信息化水平的不斷提高，我國智能交通行業(yè)的技術(shù)水平取得了長足的進步。ITS已從早期的探索階段進入了實際開發(fā)和推廣應用階段。特別是在高速公路智能交通領域，國內(nèi)企業(yè)在軟硬件產(chǎn)品研發(fā)、項目實施和管理等方面的技術(shù)水平不斷提高，部分技術(shù)已經(jīng)達到了國際先進水平。ITS包含收費、監(jiān)控、通信、公眾出行服務等子系統(tǒng)，系統(tǒng)涉及專業(yè)廣泛，具有跨學科、技術(shù)要求高等特點。系統(tǒng)方案的規(guī)劃設計、軟硬件系統(tǒng)開發(fā)、系統(tǒng)集成與應用維護等內(nèi)容需要從業(yè)企業(yè)熟練掌握；應用包括先進的信息技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)、計算機技術(shù)、交通工程技術(shù)、圖像處理和識別技術(shù)等在內(nèi)的多學科知識[1]。本論文討論的預警系統(tǒng)也是ITS系統(tǒng)的一個具體應用。

2　系統(tǒng)設計原理及實現(xiàn)

該系統(tǒng)是建立在高速公路已有的通信系統(tǒng)、122事故報警系統(tǒng)基礎上的一套自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由中心端控制平臺和前端簡易式預警裝置兩部分組成。

其中中心端控制模塊主要通過與122事故報警平臺對接，自動識別事故預警信息，在人工確認后發(fā)送控制信息開啟遠程預警裝置。同時中心控制模塊也提供相應的管理功能。

前端簡易式預警裝置需要在接收到中心控制信號后，自動開啟或停止。由于系統(tǒng)需在高速公路戶外安裝，需要結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、穩(wěn)定可靠，并且預警提示顯著。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1中心端控制平臺

中心端控制平臺由122平臺對接模塊、預警裝置管理模塊、預警控制模塊和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫四部分組成。用于完成從122接警到預警裝置啟停的全過程控制。并且對整個系統(tǒng)進行有效管理。

圖2　中心端結(jié)構(gòu)圖

122平臺對接模塊用于實現(xiàn)122預警信息的自動導入。122平臺是對事故處理過程進行信息化管理的平臺，目前已廣泛用于交管部門。根據(jù)《道路交通安全法》及相應的事故處理規(guī)范，交通事故發(fā)生后，發(fā)現(xiàn)事故人員會通過122報警電話進行報警，接警人員會第一時間錄入122系統(tǒng)，并在事故處理全過程通過122平臺進行事故處理記錄。122平臺對接模塊就是對122系統(tǒng)的接處警數(shù)據(jù)進行自動獲取，從而實現(xiàn)接處警的實時響應。該部分基于Webservices接口實現(xiàn)，通過基于C#的程序設計，實現(xiàn)122平臺數(shù)據(jù)的實時導出和導入。由于采用Webservices接口，保障了122平臺和本平臺的相互獨立及數(shù)據(jù)的高效交互[3]。

預警裝置管理模塊是對前端安裝的預警裝置進行管理，包括前端預警裝置注冊、裝置啟用停用及遷移、裝置維修及檢測。該模塊用于前端預警裝置管理。該部分基于JAVA技術(shù)實現(xiàn)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)管理。

預警控制模塊是事故發(fā)生后的主要控制模塊，用于在接收事故起停后，與前端裝置信息交互實現(xiàn)事故過程中預警裝置的起停。該部分通過C#結(jié)合通信控制卡實現(xiàn)。通過對通信控制卡接口調(diào)用實現(xiàn)預警信息轉(zhuǎn)化為控制信息。該部分通過問答機制的協(xié)議設計保證了控制的有效性。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)應用數(shù)據(jù)，是該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎。存儲數(shù)據(jù)包括設備數(shù)據(jù)、122事故預警同步數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)及管理數(shù)據(jù)四部分，并通過存儲過程和觸發(fā)器對數(shù)據(jù)進行操作，保障數(shù)據(jù)操作的可靠性。該部分采用Oracle數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，Oracle是大型的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，廣泛運用于管理和控制領域。由于Oracle數(shù)據(jù)庫的強大函數(shù)庫及擴展性，保證了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2.2前端簡易式預警裝置

前端預警裝置由控制器、通信裝置、供電裝置和警示裝置四部分組成。結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝。

圖3　前端預警裝置結(jié)構(gòu)示意圖

控制器為前端的中心控制部分，用于接收通信控制信號并轉(zhuǎn)化為電路信號控制警示裝置起停。采用基于Arduino單片機系統(tǒng)。Arduino系統(tǒng)是基于Atmel AVR單片機的開源電子平臺，廣泛支持多種軟硬件擴展，并具有低成本、高可靠的特點。該系統(tǒng)控制部分極為簡單，只需要將通信根據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換為開入開出控制信號，為此選用該平臺進行開發(fā)[2]。

通信裝置根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，設計時可支持有線網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡和數(shù)傳電臺。由于目前高速公路基本實現(xiàn)了GSM的有效覆蓋，為使前端裝置安裝靈活，選用GSM的短信方式進行控制。以1收1發(fā)對講模式和中心端交互。

供電裝置可選路面供電、光轉(zhuǎn)化和風能轉(zhuǎn)化。試點系統(tǒng)為使安裝靈活，選用光風互補供電裝置。根據(jù)系統(tǒng)待機能耗和工作能耗計算，擬采用1 kW的儲電裝置，可實現(xiàn)系統(tǒng)待機工況運行24*15個小時及運行工況的10個小時，基本可保障系統(tǒng)運行。

警示裝置是主要的工作裝置。為使顯示顯著，擬采用聲、光、電相結(jié)合的警示裝置。通過低功耗LED的使用，降低系統(tǒng)能源消耗。綜合平衡系統(tǒng)功能和穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用單一提示功能，中心端只需進行觸發(fā)即可。簡化系統(tǒng)，保障穩(wěn)定高效。

3　系統(tǒng)實施及改進

為驗證系統(tǒng)功能，我們與交管系統(tǒng)配合進行了試點測試，選取了3公路的典型路段，路段包括坡道和急彎組成。我們在急彎前300 m和坡道頂部前50 m安裝該裝置，并在122控制中心安裝中心控制軟件。

功能驗證中，我們分別驗證了前端設備注冊管理、122數(shù)據(jù)對接及前端預警控制等功能，系統(tǒng)都達到了設計目標。在模擬事故發(fā)生后，系統(tǒng)在122接警錄入信息后，自動提示預警啟動。并在控制人員確認后自動遠程啟動預警。響應時間控制在1秒鐘內(nèi)。在系統(tǒng)連續(xù)工作21天，前端2個預警設施運行正常。對途經(jīng)司機隨機問卷，在預警設施前300 m預警效果顯著，基本達到設計要求。

在實際測試中，發(fā)現(xiàn)除事故預警外，還存在修路占用車道、路況異物等非122預警情況也需要開啟系統(tǒng)。我們對系統(tǒng)進行改進，將警示裝置的預警信息預設從一種變?yōu)槎喾N，將協(xié)議部分增加了預警預設值選項，使系統(tǒng)可兼容預警多種情況。

同時在實際使用中發(fā)現(xiàn)預警開啟后，事故處理完成后有忘記關(guān)閉情況，導致前端誤報和能源耗盡。我們對開啟的裝置在中心端增加預設了提醒設置，即在中心端每30分鐘自動提醒操作人員已開啟設備是否關(guān)閉，保障在系統(tǒng)處理完后即時關(guān)閉系統(tǒng)。

4　結(jié)論

該系統(tǒng)作為ITS系統(tǒng)的一個具體應用，具有結(jié)構(gòu)簡單、運行有效的特點，可有效提高事故信息預警的及時性和有效性。通過系統(tǒng)設計、實施，達到了設計預期效果；并通過實際運行改進，更符合了交管實際工作。是一套簡便高效的應用系統(tǒng)，對提高高速公路事故預警水平有一定意義。

[1]伍永豪，余正紅，李聰.基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路安全預警系統(tǒng)研究[J].計算機與數(shù)字工程,2014(2):108-113.

[2]王欣，馬青玉.基于Arduino的LED光立方設計[J].南京師范大學學報(工程技術(shù)版),2013(4):30-34.

[3]李建，任朱美，正李欣.基于WebServices的空間地理信息服務[J].計算機工程與應用,2004,40(30):172-174,204.

Design and Implementation of a Half Feedback Early-warning System on Highway

Guo Jing

(ShanxiAutomationResearchInstitute,TaiyuanShanxi030012,China)

Highway is one of the main forms for the current road traffic. According to the current traffic rules, when the accident happened, warning signs should be put 150 m before the accident site and double flash should be opened for warning. But as a result that the vehicle speed is fast on highway, and together with the factors of road conditions, weather and so on, the secondary accidents often happen for the unobvious warning device, so to cause serious traffic accident. This paper discusses a kind of half-feedback type highway warning system composed by the stationary simple early warning device and supporting center platform. After the accident alarming, the front-end warning system of remote control in center platform is opened. Because the device is obvious and stretches the warning distance, the happening of secondary accidents is effectively reduced, and the level of road traffic safety is improved.

highway; a feedback; warning system

2016-05-04

郭靜(1976- )，女，山西汾陽人，助理研究員，大學本科，研究方向：工業(yè)無線網(wǎng)研發(fā)。

1674- 4578(2016)04- 0031- 02

U495；TN929.5；TP212.9

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