横风公路行车安全引导系统

横风公路行车安全引导系统

韩宝睿，范伟康，宋越，刘柯利，吴诚

(南京林业大学 汽车与交通工程学院，南京 210037)

摘要：公路上横风由于其突发性和隐蔽性，对车辆行车安全性有较大影响，对大、中型客车等厢式车辆影响尤为突出，常导致重大恶性交通事故。目前国内在横风多发路段并无完备的横风预警与控制方面的智能设备，仅仅通过设置橫风标志牌以警示驾驶人，无法满足车辆在横风天气下的安全行驶。本研究以横风公路行车安全限速模型为基础，建立一个通过风速、风向传感器等实时测量和数据采集，经Zigbee通信传输至中心ARM处理器进行分析处理，再由可变信息板等组成的发布模块对结果进行发布的横风公路行车安全引导系统，以提高公路车辆在横风气象条件下的安全性。从实际应用角度出发，建立的公路横风的安全引导系统，具有价格低廉、智能灵敏特性，拥有良好的系统扩展性和市场推广性。

关键词：交通安全；公路横风；安全限速；预警系统

中图分类号：S 791；U 492

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2015)02-0145-04

Abstract：The crosswind on highways has great impact on the safety of vehicle driving and usually leads to major malignant traffic accidents due to its suddenness and concealment，especially for the large and medium-sized passenger vans.At present，there isn’t any complete warning and control intelligent devices on the crosswind-prone sections in the domestic，and only some crosswind warning signs are set，which cannot meet the safety requirement of vehicle in crosswind weather.The research was carried out based on the speed limit model of vehicle safety on crosswind highways.In this model，several sensors were set up to acquire the data of wind speed and wind direction by real-time measurement and transmit them to ARM to get further analysis by Zigbee.Then，the analytical results were displayed on a deployment module that consists of variable message signs.By applying this model，we can achieve greater safety when driving on highways in crosswind weather condition.In this paper,a complete safety guidance system is established for crowsswind on highway from the perspective of practical application.And the system is low cost,intelligent sensitive,working normally under night and different weather conditions.So it has good system expansibility and market extension.

Keywords：traffic safety；crosswind on highway；safety speed limit；warning system

收稿日期：2014-11-10

基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划项目(201410298043Z)

作者简介：第一韩宝睿，副教授。研究方向：区域综合交通运输规划与交通设施规划。E-mail：hbr@njfu.com.cn

Safety Guidance System of Vehicles on Crosswind Highways

Han Baorui，Fan Weikang，Song Yue，Liu Keli，Wu Cheng

(College of Automobile and Traffic Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037)

引文格式：韩宝睿，范伟康，宋越，等.横风公路行车安全引导系统[J].森林工程，2015，31(2)：145-148.

面对极端、灾害等恶劣气象条件，发达国家相继建立了各种形式的道路气象信息系统(RWIS)，部分国家甚至已将该系统与已有的ITS系统整合，进一步提高了恶劣气象条件下的交通行车安全，并有效地提高了交通管理水平。例如美国蒙大拿州建立的大风预警系统，该系统由道路沿途的气象站监测风向及风速，信息中心根据结果并利用可变信息板向驾驶员发布信息[1]；佛洛里达州建立的自动驾驶员警告系统，则在路面嵌入传感器监测湿度，并通过微波检测仪检测车速等数据，远程数据处理中心进行计算分析后，输出信号控制警示灯，警告驾驶员限制车速[2]。

我国对交通气象领域的研究开展较晚，与发达国家相比存在着一定的差距。但近年来的学术研究已加强且逐步深入，引入交通气象预警等理论，构建包括高速公路交通灾害预警系统等的理论框架[3]，并提出建立对我国公路交通气象灾害进行实时监测与决策服务系统的方案设想[4]。目前，国内发展并不容乐观，例如部分高速公路虽已设置气象站等气象系统，但受管理水平等因素限制，导致大量设备长期闲置，且其大部分均为进口，价格高昂，造成严重浪费。此外，国内尚无为特殊气象条件专门设计并完成的独立系统。本研究致力于开发一种实用、操作简单、价格低廉和具有良好通用性的横风公路行车安全引导系统。

1行车安全引导系统设计

1.1　设计目标

本研究设计的系统，要求能够实时测量周边的风速与风向，并将数据传送给主控板，再经控制板进行数据分析处理，利用无线通信技术将数据传送给一定距离外的可变电路板，最终发布相应的安全信息。主要设计目标包括：

(1)每5 min预报和发布一次针对不同车型和车速交通控制信息。

(2)可用程序注入与修改以及数据下载。

(3)适用于横风多发地带，良好的复杂地形适应性(桥梁、垭口以及横风密集地区)。

(4)操作性、扩展性、性价比优良。

1.2　系统工作结构

所设计的行车安全系统共分为4个模块，包含信息搜集模块，行车安全限速计算模块，无线通信模块，信息发布模块。信息搜集模块包括风力传感器、风速传感器、湿度传感器及其相应的外围电路等；风力与行车安全计算模块主要是通过传感器输入风力风速对应的电压信号，通过单片机进行计算和处理后产生合理的行车速度值，并通过无线通信模块，传输给信息发布模块发布不同车型的行车安全引导信息。系统工作结构如图1所示。

图1　系统工作结构 Fig.1 System structure

其中信息搜集模块主要司职实时地采集天气、路面、横风等信息数据；通信模块主要利用短程无线通信技术计算(系统采用Zigbee技术)和存储以及传输所需信息；风力与行车安全计算模块通过对风速和风向以及车型信息建立抗侧滑和倾覆条件，计算车辆安全限速值；信息发布模块主要使用LCD显示技术设计发布菜单。

2硬件设计

2.1　控制模块

控制部分是整个硬件设计的核心，通过程序控制信息的传输和发布。系统综合考虑AT89C51单片机、FPGA控制单元及ARM处理器等3种方案，最终选取ARM处理器作为控制芯片。其本身为低功耗的32位微控制器，性能较为优良，采用RISC结构[5]，能够较好满足本系统需要。

2.2　信息搜集模块

信息搜集主要针对风力、风速以及空气湿度等因素，系统选用JL-FS2型通用型风力和风速传感器。其中风速传感器采用三杯式，拥有一定的防腐蚀和较好的耐候性能，灵敏度为0.1 m/s，量程宽为0～30 m/s，能够较好满足10级以下风力的测量，且功耗较低，具备一定的抗干扰能力[6]，足以保证系统的长期稳定工作。风速与电压输出信号对照表见表1。

表1　部分风速与输出信号对照表 Tab.1 Part of the wind speed and output signal

注：风速=电压输出信号值*6

系统选用的风向传感器要求能够确保对数据采集有较高的精度，且具备较高的强度、较好的耐候性、能够防腐蚀等特性以支持长期稳定工作[6]。风向方位图如图2所示，系统风向与输出信号对照表见表2。

表2　部分风向与输出信号对照表 Tab.2 Part of the wind direction and output signal

注：电压综合精度±2%

图2　风向16方位图 Fig.2 The 16 azimuth of wind direction

2.3　通信及信息发布模块

根据系统设计目标，无线通讯模块须满足：延时短、可靠性高、安全性好、功耗低、易于组网及成本低等条件。据此系统选用ZigBee技术，其通讯距离可由75m延展至百米级，甚至达到千米级，并可进行再扩展，且易组成相互通信的网络平台，能够满足系统的需求。

此外，ZigBee节点不仅能够直接采集风向、风速传感器的数据，亦可转载其他网络的数据。同时其还能在信号范围内，与其他孤立节点进行链接[7]，从而为系统的升级改造(包括增加数据库、复杂气象预警功能等)留有一定的空间。

信息发布系统主要采用LCD显示技术进行道路安全信息的发布(包括安全限速、气象条件、道路条件等)。且LCD显示技术具备低功耗、显示信息量大、易于彩色化、无辐射、寿命长等特点[8]，能够满足系统在复杂气象、道路等条件下工作。

3软件程序

3.1　系统工作流程

软件设计同硬件设计一样，系统按照模块化设计的方法，包含信息搜集模块，风力与行车安全计算模块，无线通信模块，信息发布模块。整个系统流程如图3所示。

系统考虑预先设置给定的道路和天气情况，需要在系统初始化后进行模式选择，即天气选择和道路参数选择。前者影响摩擦系数，可以通过键盘予以设置，亦可通过湿度传感器采集数据，继而判断天气，从而自动给摩擦系数赋值；后者影响限速值，可通过键盘输入不同的限速值。系统能够实时进行限速更新，通常情况下，系统设置每5 min更新发布一次，且为前5 min内的最低限速值。

图3　横风公路行车安全引导系统流程图 Fig.3 The flow chart of safety guidance system for vehicles on crosswind-prone highways

3.2　计算处理模块

系统根据道路行车安全分析理论和空气动力学理论等，针对不同车型建立相应的安全限速模型。

(1)小车发生侧滑时，判断在当前限速下侧滑力(F滑)与抗侧滑力(F抗)的大小：若F滑≤F抗，则当前限速无需更改；否则，设行车安全车速为V安，令F滑=F抗，计算结果并输出。

(2)重型货车等大车发生倾覆时，计算当前限速下倾覆力矩M，若倾覆力矩M≤0，当前限速无需更改；若倾覆力矩M>0，则设行车安全车速为V安，令M=0，计算结果并输出。

值得注意的是，横风从内、外侧吹来时，对应的受力并不相同，小车侧滑及大车倾覆时，各有2个方程模型。则最终由4个方程模型可得小汽车及大货车等的安全限速V安，若方程无解，则表明此条件下，禁止型车辆于此段路通行[9-12]。

3.3　数据发布与系统实现

当系统开始工作，系统首先依据道路、气象条件等选择工作模式，风力及风向传感器开始工作，实时测量数据，并将数据传输至ARM处理器，控制中心开始计算分析当前条件下行车限速值是否安全，若安全，则保持当前限速值；若导致行车危险，则重新计算安全限速值，且针对不同车型，使用不同模型计算，通过可变信息板LCD显示屏分别发布。图4为系统构成示意图。编写了相关程序，并搭建了简易实物模型，如图5所示。

图4　系统构成示意图 Fig.4 Schematic diagram of the system

图5　实物模型图 Fig.5 The physical model

可变信息板发布的信息包括路况、气象和安全车速三部分信息，其中气象信息主要包括风速、风向、气象条件等；安全车速主要包括不同车型的限速值及交通管制措施。通过此类安全信息发布，或将其与ITS系统整合，可有效提高行车安全。图6为安全信息发布图。

图6　安全信息发布图 Fig.6 The release of safety information

4结束语

从实际应用角度出发，建立了一套完整的针对公路横风的安全引导系统，系统及硬件(包括ARM处理器、风力、风速传感器以及LCD显示器等)均具有价格低廉、智能灵敏特性，夜间等不同气候条件下亦可正常工作，拥有良好的系统扩展性和市场推广性。

未来在无线通信技术及硬件技术进一步完善的基础上，可进一步编制程序进行修改及数据下载，如再匹配温、湿度传感器等，可达到更多气象的复合预警功能。此外，如将局部路段通过物联网等技术连接至整个智能路网系统，与交通管控措施有机结合，协调运作，能够更好地服务整个交通系统。

【参考文献】

[1]何勇.道路交通安全技术[M].北京：人民交通出版社.2008.

[2]She L.System reconstruction of enterprise organization：forewarning management system analysis[J].International Journal of General System，2000，29(3)：385-393.

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[责任编辑：肖生苓]