公路平交路口车辆警示系统设计

张喆

摘要：公路平交路口车辆警示系统可应用于安全隐患突出、事故多发易发的乡村道路与干线公路平面交叉口。当干线公路车辆行经接入路口时，该系统能够对乡村道路上的车辆、行人通过灯光、文字、语音等方式进行实时预警，并对干线公路上的车辆进行车速检测和警示，从而降低路口事故发生率。本文介绍了该系统的功能需求和设计原理。并从关键技术，系统功能模块等方面详细介绍了警示系统功能的实现。对项目的实施具有指导意义。

Abstract： The vehicle warning system for highway level crossings can be applied to the intersection of rural roads and trunk roads with prominent safety hazards and multiple accidents. When the trunk road vehicles pass through the intersection， the system can provide real-time warning to the vehicles and pedestrians on the country roads through lights， words， voices， etc.， and detect and warn the vehicles on the main roads to reduce the intersection accidents incidence. This article describes the functional requirements and design principles of the system. The function of the warning system is introduced in detail from the aspects of key technologies and system function modules. It has guiding significance for the implementation of the project.

关键词：交通安全;车辆警示系统;实时预警;平交路口;测速雷达;疲劳驾驶;太阳能供电

Key words： traffic safety;vehicle warning system;real-time warning;level crossing;speed-measuring radar;fatigue driving;solar power supply

0  引言

随着我国汽车保有量的飞速增长，公路建設事业的快速发展，公路交通安全问题也越来越引起大家的关注。目前国内公路平交路口交通状况较为混乱，特别是在乡村路段，问题比较特出：

①我国幅员辽阔，乡村范围广，道路长，形成乡村道路和干线公路平面交叉口众多的现象。

②传统的交通警示系统需要铺设电缆，成本非常的高，因此这些平交路口不能充分安装交通警示系统。

③这些平交路口往往成为事故易发多发地段。

因此开发太阳能供电的公路平交路口警示系统特别有意义。该系统能够充分考虑乡村道路的特点，通过灯光，文字，声音等多种形式对路口100米到150米范围内来往车辆和行人进行检测并提醒。同时该系统安装便捷，不需要铺设电缆，弥补了乡村不能大量铺设电缆的缺点。

由于乡村道路环境复杂，对电子系统提出了苛刻的要求。因此在系统的设计中要充分考虑环境温度冷热温差、下雨爆晒、动物撕咬、鸟类驻留等很多影响因素。同时在室内调试、室外安装、室外调试中要考虑环境因素的影响，确保系统可靠稳定地工作。

1  平交路口面临的交通安全问题分析

1.1 平交路口交通安全隐患

近年来，随着我国道路建设步伐的加快，很多国道、省道都通到了边远乡村。在乡村地区，由于农业生产和农民出行的需要，数不胜数的乡间小道与国道、省道形成了许许多多的平交路口。特别是在穿村路段，沿线的每一条大小胡同几乎都与主干道形成了平交路口。如果没有道路交通安全设施，人、畜与过往车辆就会出现争道抢行现象，不但影响了主干道的通行能力，而且交通安全隐患特别突出，极易发生交通事故。平交路口是交通事故的多发地之一，有的平交路口甚至还被当地群众称之为“死亡路口”。

大量的平交路口，还严重影响了主干道的通行能力。

一般来说，城市道路的电子警察等交通安全设施都比较健全。但在近郊和农村地区，因种种原因，道路交通安全设施严重缺乏。加之一些新修建的道路状况较好、视野开阔，也易麻痹驾驶人，极易导致车辆超速行驶。虽然部分路口装有黄闪警示灯，但由于一直处于频率固定的闪烁状态，警示效果不佳，也很容易引起驾驶员的视觉疲劳，忽视前方有路口，使得路口处事故发生率偏高。另外在穿越村镇路段的平交路口，四角的房屋、树木以及农民堆放的草垛、杂物等也造成了一定视觉盲区，存在较大的交通事故隐患。

相关职能部门针对我国当前公路平交路口的交通安全状况，积极探索实践平交路口的整治措施，但碰到很多具体问题。首先就是成本问题，为解决平交路口的安全问题，需要安装交通信号灯，但成本较高，一个路口需几十万。如果路口没有电网供电，仅解决供电问题就要花费10万以上，资金成本高居不下。另外一个问题是，村镇副干道车流量很小，安装交通信号灯又大大降低了主干道的通行能力。

虽然近郊和乡村的平交路口装有黄闪灯，但只对主干道的车辆进行警示，预防交通事故的综合效果欠佳。

1.2 解决方案探讨

从当前平交路口的实际需要来看，需在路口设置减速梗、减速带等交通安全设施。在农村路段，在副干道上设置减速设施。在城区的出入口增加减速、慢行、限速等标志。从行车速度上控制好平交路口的交通秩序;在穿村路段，设置路口标志。在重要的平交路口要设置黄闪灯、警示牌等交通安全设施，以提醒交通参与者安全通过路口。

针对穿越村镇的平交路口事故多发的现状，有必要安装平交路口交通警示系统，分别对主干道和副干道车辆、非机动车及行人进行安全警示，最大限度降低交通事故发生率。

考虑到一些平交路口供电不到位的实际情况，应首选太阳能和风能供电，解决路口安全警示设备的能源供应，并能维持设备长时间工作。

同时，系统应采用智能识别技术，根据主干道车流量和车速情况，计算出合理的警示时间周期。既起到安全警示作用，又尽量不影响主干道通行能力。

另外，设备应具备远程通讯能力，采用互聯网技术，上报即时的车流量和车速数据，便于交警部门掌握各路口的实际交通状态。通过加装监控摄像机，全程记录交通状态信息，一旦发生交通事故，可以通过监控视频回放，为交通事故处理提供必要的技术支持。

通过以上措施，用技术手段加强平交路口的安全警示，让副干道机动车和非机动车及时了解前方路口交通状况，提前采取预防措施，降低交通事故发生率，使副干道对主干道通行能力的影响降至最低。

2  平交路口车辆警示系统配置

2.1 警示系统配置

如图1所示，平交路口车辆警示系统一共由4套警示装置构成。在构成平交路口的干线公路双向、乡村道路双向共4个点各安装一套警示装置。其中干线公路上的警示装置包括黄闪灯、车速警示屏、测速雷达、太阳能板及蓄电池;乡村道路上的警示装置包括文字警示屏、喇叭、太阳能板及蓄电池。

2.2 警示系统功能

主路口双向各有一个测速雷达。当主路方向来车时，相应的测速雷达发出信号，对应的主路口控制器接收到雷达输出的信号，发出表示有车的无线信号并驱动主路口的黄闪灯闪亮来提醒来车方向驾驶人员。同时主路口的车速显示屏还能显示当前机动车的行驶速度。辅路口1，2收到无线信号，辅路口的文字警示屏显示相应文字警示信息、喇叭播放警示语音，持续12秒。

主路口通过GPRS/GSM模块和网络相连，可把雷达测到的车辆数量和速度上传到服务器进行数据统计和分析。

在配装摄像机并连接入网络的情况下，可远程监控路面交通状况。

所有主辅路口的电池电压及充电电流情况、黄闪灯的工作状况都可以通过无线传输到主路口1，同时通过网络和短信可把主辅路口的工作状况告知管理人员。

文字警示内容和语音警示消息可远程设置，满足人性化管理需求。

功能具体要求如下：

①当雷达检测到干线公路上有车辆驶近交叉路口时（干线公路上距路口双向100-150米区域为雷达探测区）：

干线公路上的黄闪灯开始闪烁，车速显示屏显示车辆时速，提醒干线公路上的驾驶员前方有路口，需谨慎驾驶、安全通行。

乡村道路上的警示屏会立即显示警示文字，交替闪烁，提醒行人、车辆注意避让。显示内容根据干线公路上行驶车辆的情况自动切换：若相对观察者左方有来车，显示“左方来车”/“停”;相对观察者右方有来车，显示“右方来车”/“停”;若双向都有来车，显示“双向有车”/“停”。

②当连续15秒时间内无车辆驶入干线公路上的雷达探测区内，乡村道路上的警示屏显示内容变为“减速慢行”和“停”交替闪烁，提醒行人、车辆注意观察路况，谨慎通行。

③乡村道路上的喇叭可以播放语音报警，警示屏同步工作，可以远程控制喇叭开关时间段和设置音量。

④选配功能：该系统能监控主干道车流量和车辆行驶速度等信息，通过GSM/GPRS网络上传到服务器。

3  关键技术及运用

平交路口警示系统以我国道路交通通畅工程和预防事故两个迫切需要为基础，以物联网应用、雷达测速、新能源和移动互联网+等前卫技术，构筑平交路口安全警示和管理系统，来提升平交路口的安全，确保交通畅通。本项目运用了多项国内领先水平的关键技术。

3.1 无线通讯

平交路口四个方向的设备通过无线通讯技术实现互联互通，大大降低了电缆铺设和施工安装难度，也减少了对路面的破坏。

主干道两个方向各采用一个测速雷达对路面车辆进行监测，包括车速，并根据车速情况确定安全预警开始时间和结束时间。

整个系统由两套主干道设备和两套副干道设备构成，这四套设备通过433MHz无线通讯技术实现互联互通。其中一套主干道设备实现管理和协调的功能，一方面指挥其他三套设备的正常工作和故障信息搜集，另一方面，它还要通过GPRS或3G通讯模块短信和远端的互联网服务器进行数据交换，上传平交路口车流量信息和设备状态信息，并接收来自远端服务器的控制指令。

该无线通讯安全稳定，技术组网方便，抗干扰能力强，调试简单，维护方便。

3.2 互联网服务器架设和软件开发

通过引入互联网+技术，采集的交通流数据实时上传到服务器。实现服务器和平交路口安全警示设备的互联互通，为大数据分析奠定基础。

随着国内平交路口系统安装量不断增加，这些数据对交警部门来说有着较高的分析和决策意义，数据的价值也随之提高。当数据量足够多时，大数据分析也成为可能。

3.3 多种警示及控制技术

为了最大限度方便交警使用该产品，本项目设计了多种黄闪频率控制技术、车速实时显示、文字标语提示、语音提示、手机短信控制和网络控制功能，以满足交警在各种情况下的使用要求。

3.4 电源管理

系统要求在无法充电的天气条件下，电池连续工作时间超过144小时。这对电源系统的设计是一大考验。为了便于安装和使用，系统要求较小的体积，导致电池体积相应缩小。这就需要在系统设计中寻找平衡点，对设备功耗进行最优化设计。

系统还配备了光亮度传感器，能根据使用场合的实际户外光亮度，自动调节LED显示屏的工作电流，以智能化方式降低系统功耗。

3.5 抗恶劣环境

传统的路口信号灯系统安装需要开挖路面、顶杆穿越马路、布线等复杂工作，还需要解决供电问题，成本高昂。所以，村镇平交路口地段不可能大量安装传统信号灯。

平交路口警示系统不需要铺设电缆，采用太阳能解决供电问题。但由于产品在野外使用，防水设计至关重要。我国幅员辽阔，各地温差极大，既有严寒也有酷暑。由于设备长期放置灯杆上，因此对产品的可靠性提出了很高的要求。

4  系统功能模块及实现

平交路口车辆警示系统电气部分有主干道和副干道之分。两者的控制模块比较相近。主要有三部分组成：

电源：负责太阳能对蓄电池的充电，以及对整个控制系统的供电控制。是整个系统稳定工作的有效保障。

主控：对周围设备进行统一管理控制。负责测速信号接收，警示信号输出（黄闪灯，车速提示牌，文字警示屏，喇叭等）。

通讯：完成与其他三个干道以及和主服务器的通信。

4.1 电源板

电源板在平交路口车辆警示系统中对电源进行管理。

系统要求在无法充电的天气条件下，电池连续工作时间超过144小时。因此整个设计采用了低功耗模式，自动调节LED显示屏的工作电流，以智能化方式降低系统功耗。

主芯片采用瑞萨的MCU。

其具有较低的消耗电流（CPU：66μA/ MHz，待机（STOP）：230 nA）和43.2 DMIPS（32 MHz）的高性能模式。

同时它还有片内振荡器，数据闪存，A/D转换器等。内置安全功能（检测硬件非法操作的功能），使其能够高效稳定运行。从而实现了充放电的智能控制：具有过充、过放、电子短路、过载保护、独特的防反接保护等全自动控制。

电源板采用了具有MPPT功能的高效充电电路，所有控制逻辑单元全部采用工业级芯片，能在寒冷、高温、潮湿环境运行自如。

原理图如图2所示。

4.2 主控板

主控板是平交路口车辆警示系统的核心。主控板电路包括电源输入、MCU、GSM模块、雷达测速模块等。完整的电路原理图见图3。下面主要介绍一下这些模块的功能设计。

4.2.1 MCU微控制器

本设计采用ST公司的STM32F103C8芯片，这是一款集成度小、体积小、高性能、低功耗的32位ARM微处理器，为RISC指令结构，指令丰富，运行效率高。

该芯片具有64k闪存存储器，容量足以满足编程需要，它具备三种低功耗模式，能支持设备在阴雨天连续工作6天。

该芯片有37个GPIO，可以满足输入输出信号的要求，16路12位ADC口可以满足控制器温度检测的要求，2路SPI接口，可以完成对433无线通信模块的操作，3路UART接口，可以实现对GSM模块的透传，还有2路IIC接口。该芯片还有2个看门狗定时器，当设备出现硬件错误时，可以复位使芯片重新工作，防止系统崩溃。

该芯片属于工业级芯片，工作温度范围-40℃至85℃。芯片具有较强的抗干扰能力，足以应对各种恶劣的使用环境。该芯片的详细资料可以从ST公司提供的用户手册上查找，本文不做详述。

4.2.2 GSM模块

GSM模块供电电路原理如图4所示。

MCU通过IO口控制PMOS，从而可以控制GSM模块整个供电情况，实现低功耗模式。

MCU通过UART2串口与GSM模块通信。MCU使用标准的AT命令来控制GSM模块，实现透传功能。通信波特率为115200bps，通过发送短信，GPRS拨号上网等手段，和远端的互联网服务器进行数据交换。上传平交路口车流量、平均车速和设备状态信息。同时还要接收来自远端服务器的控制指令，控制警示喇叭的音量、显示屏的显示内容等。

4.2.3 雷达测速

用一部测速精度和触发精度高的雷达就可以覆盖干路上多个车道。当雷达测速仪测量机动车时速时，MCU可以通过UART3串口来读取雷达所测的车辆车速数据，并通过UART1串口控制显示屏显示当前车辆的车速。

4.3 通讯：无线通信RF4432模块

433无线通讯采用RF4432无线模块。原理图如图6所示。

整个系统由两套主干道设备和两套副干道设备构成，这四套设备通过433MHz无线通讯技术实现互联互通。其中一套主干道设备实现管理和协调的功能，一方面指挥其他三套设备的正常工作，另一方面进行故障信息的搜集。

RF4432模块采用的是Silicon Lab Si4432器件。這是一款高度集成的无线ISM频段收发芯片。极低的接收灵敏度（-121dBm），再加上业界领先的+20dBm的输出功率保证较大工作范围和提高链路性能。同时内置天线多样性和对跳频支持可以进一步扩大范围，提高性能。

RF4432模块是MCU通过SPI方式进行配置的，配置参数主要包括载波频率、调制方式、数据发送速率、CRC 校验、前导码、同步字、数据头、地址等，具体可参考RF4432 Register Settings_RevV-v16寄存器配置工具进行。

5  结语

本系统的设计综合应用了多项技术，如太阳能供电，无线通讯，互联网+，雷达测速，多种警示输出技术等。同时在系统安装时注意路口地理情况，确保安装到位。

本设计已经形成产品并投入运行，在使用期间受到相关单位的好评。

平交路口警示系统的广泛推广能够为我们乡村道路的建设做一份贡献。能够发挥安全、便捷的作用，对乡村交通网的建设发展有深刻的意义。

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