CN102436762B - 一种基于gprs/cdma无线网络的高速公路智能辅助诱导系统及其控制方法 - Google Patents

本发明涉及一种基于GPRS/CDMA无线网络的高速公路智能辅助诱导系统及其控制方法，基于GPRS/CDMA无线网络的高速公路智能辅助诱导系统，其特征在于它包括一个由交通信息牌节点、可变限速标记牌节点、能见度探测节点和后台监控中心组成的无线网络；后台监控中心：与GPRS/CDMA无线网络进行连接，用于对交通信息牌、可变限速标记牌和能见度探测节点进行初始化设置并监控其工作状态；同时根据能见度探测器节点传送的路况参数、交通信息牌节点和可变限速标记牌节点反馈的诱导内容制定整体的诱导方案，把诱导调节指令通过GPRS/CDMA无线网络发送给相应的交通信息牌和可变限速标记牌节点；并在特别恶劣的路况条件下通知路政部门进行封路等紧急处理。

一种基于GPRS/CDMA无线网络的高速公路智能辅助诱导系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种高速公路智能辅助诱导电子装置，具体地说，涉及一种实现高速公路在恶劣天气条件下车辆安全通行的基于GPRS/CDMA无线网络的高速公路智能辅助诱导系统及其控制方法。

背景技术

近年来，随着我国经济的不断发展，高速公路建设也步入快速发展期。据统计，到“十一五”期末，我国高速公路总里程已发展到7.4万公里，居世界第二位。国家不仅需要规划、设计和建设好高速公路，而且更需要利用现代信息技术手段科学管理高速公路，以充分发挥高速公路“快速度、高效率、省时间、高效益”的优点，挖掘其巨大的客货运输潜力以获得显著的经济效益和社会效益。但是，因不利天气引发的交通事故以及交通拥堵等现象的发生无疑对其优点打了折扣，大大降低了其应有的经济效益和社会效益。高速公路的车流具有速度快、流量大及全封闭等特点，要求车辆不得随意减速和停车，所以高速公路一旦遇到雨雪、冰雹和浓雾等恶劣天气，就很容易发生交通事故，例如: 2009年5月24日，因为大雾影响，安徽省芜湖至宣城的高速公路——芜宣高速公路24日晚间至少发生40多起连环车祸，造成几十人受伤，11人死亡；2010年11月5日早上，沪昆高速公路804KM处突起团雾，导致同一时间分别发生7起汽车追尾事故，19辆汽车损毁严重，19人死亡，16人受伤等等。

目前，国外预防因雨雪、冰雹和浓雾等恶劣天气引发高速公路交通事故的措施主要有以下几类：灯光诱导、基于GPS和ZigBee局域网技术的通行方案、利用图像增强道路场景和在重要设施处铺设光导管等。基于灯光诱导的通行方案在一定雾况条件下能够导引车辆行驶，但当雾况较为严重时，车辆还是无法获得道路的边缘信息；基于GPS和ZigBee局域网技术的方案依赖于GPS精度，而高精度的GPS难为一般车辆配置；在雾较小时，利用图像增强方式提高道路图像的清晰度可以指导驾驶，但当发生浓雾时，图像增强的方式已无法较好的恢复出道路场景；光导管不仅价格昂贵，而且因为需要架设交流电源、频繁更换灯具和对事故毁损维护成本过高而无法普及。当前我国高速公路管理单位配合高速公路交通路政部门在这方面也作了一些有意义的工作，取得了较好的成效。比如：根据高速公路道路状况、周边环境等因素设置限速牌；又如：在高速公路建设过程中布设光纤，后方控制中心通过光纤以点对点或一点对多点形式在公路两侧的交通信息牌上为车辆驾驶员发布一些引导性或警示性信息，对避免交通事故发生或交通拥堵现象出现起到一定的积极作用。然而，一旦天气突变，能见度显著下降，后方控制中心往往难以及时发现和发布一些引导性或警示性信息，导致信息传播实时性不够或预警时间不足，这时车辆驾驶员往往不能及时作出正确判断或处理，致使容易引发交通事故，造成道路拥堵。与国外相比，我国目前还没有对高速公路在雨雪、冰雹和浓雾等恶劣天气下车辆通行进行有效诱导的措施。据有关资料统计，一般发达国家高速公路的交通事故总数和死亡率只有普通公路的1/3到1/2，而我国高速公路的事故发生率和死亡率均大于普通公路，其中因雾等恶劣天气的影响造成的事故占总事故的近1/4。

未来的经济发展中，网状化、系统化、一体化的高速公路网基础设施将逐步形成，城际间的客货运输需求将进一步加大，作为承担系统主要运输任务的高速公路网，一旦发生重大交通事故，必将影响整个区域交通运行，对经济发展产生重要影响，所以交通管理技术在应急管理工作中的作用越发突出。在揭示和掌握高速公路上雾害等恶劣天气发生的规律和特点的基础上，重点对雨雪、冰雹和浓雾等恶劣天气多发路段采取一定的提前预告措施，可以进一步提高高速公路运营的安全性，减少交通事故的发生。高速公路智能辅助诱导系统的研究及应用有助于降低恶劣天气下高速公路上的事故发生率，对交通管理部门及时进行交通管控提供有效的帮助，对减少社会经济和群众生命财产损失具有重要的现实和经济意义；同时该系统的研究也是交通控制系统的一个重要组成部分，有助于实现我国交通管理的现代化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：设计开发一种基于GPRS/CDMA无线网络的高速公路智能辅助诱导系统及控制方法，能够有效减少高速公路在雨雪、冰雹和浓雾等恶劣天气下发生追尾和撞车等交通事故，同时还能降低高速公路发生道路拥堵的几率。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于GPRS/CDMA无线网络的高速公路智能辅助诱导系统，其特征在于它包括一个由交通信息牌节点、可变限速标记牌节点、能见度探测节点和后台监控中心组成的无线网络；

1）交通信息牌节点：安装在容易发生沙尘暴、浓雾等恶劣天气的高速公路路段入口处，在雨雪、冰雹和浓雾等恶劣天气下，根据路况参数发布相应的诱导信息，同时通过GPRS/CDMA无线网络向后台监控中心反馈其诱导内容及工作状态；

2）可变限速标记牌节点：安装在容易发生沙尘暴、浓雾等恶劣天气的高速公路路段中，在雨雪、冰雹和浓雾等恶劣天气下，根据路况参数调整限速值和车距信息；同时通过GPRS/CDMA无线网络向后台监控中心反馈其显示内容及工作状态；

3）能见度探测器节点：安装在容易发生沙尘暴、浓雾等恶劣天气的高速公路路段中，用于采集能见度和湿度等路况参数，并通过GPRS/CDMA无线网络将路况参数传送给交通信息牌节点、可变限速标记牌节点和后台监控中心；同时通过GPRS/CDMA无线网络向后台监控中心反馈其工作状态；

4）后台监控中心：与GPRS/CDMA无线网络进行连接，用于对交通信息牌、可变限速标记牌和能见度探测节点进行初始化设置并监控其工作状态；同时根据能见度探测器节点传送的路况参数、交通信息牌节点和可变限速标记牌节点反馈的诱导内容制定整体的诱导方案，把诱导调节指令通过GPRS/CDMA无线网络发送给相应的交通信息牌和可变限速标记牌节点；并在特别恶劣的路况条件下通知路政部门进行封路等紧急处理。

所述交通信息牌节点由LED显示屏、GPRS/CDMA通信模块、微处理器和存储器组成；GPRS/CDMA通信模块与微处理器通过串口或者SPI接口连接，用于接收能见度探测器的采集数据或者后台监控中心的指令，同时该模块还向后台监控中心反馈交通信息牌节点的诱导内容和工作状态，LED显示屏通过08或者12标准接口与微处理器连接，用于显示诱导信息。

所述可变限速标记牌节点由LED显示屏、GPRS/CDMA通信模块、微处理器和存储器组成；GPRS/CDMA通信模块与微处理器通过串口或者SPI接口连接，用于接收能见度探测器的采集数据或者后台监控中心的指令，同时向后台监控中心反馈可变限速标记牌的限速值和车距和工作状态，LED显示屏通过08或者12标准接口与微处理器连接，用于显示车辆限速值和车距。

所述能见度探测器节点由能见度测量传感器、湿度传感器、GPRS/CDMA通信模块、微处理器和存储器组成；能见度和湿度测量传感器与微处理器通过串口或者SPI接口连接，用于采集道路能见度和湿度信息，GPRS/CDMA通信模块与微处理器通过串口连接，用于向交通信息牌节点、可变限速标记牌节点和后台监控中心传送其采集的路况参数，同时向后台监控中心反馈能见度探测器的工作状态。

所述后台监控中心由服务器、控制台和GPRS/CDMA通信模块组成，这三部分通过高速局域网连接；控制台通过GPRS/CDMA通信模块对交通信息牌、可变限速标记牌和能见度探测器进行初始化设置并向交通信息牌和可变显示标记牌传送诱导信息调整指令，服务器用于存储一定时间段的路况及诱导信息。

一种基于GPRS/CDMA无线网络的高速公路智能辅助诱导控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

（A）安装在容易起雾路段的能见度探测器实时采集能见度、湿度等路况参数并通过GPRS/CDMA网络将路况信息发送给交通信息牌、可变限速标记牌和后台监控中心；

（B）交通信息牌在接收到能见度探测器采集的路况信息后，根据不同的路况信息制定诱导方案并通过LED显示屏显示，同时向后台监控中心反馈其诱导信息；

（C）可变限速标记牌在接收到能见度探测器采集的路况信息后，根据不同的路况信息制定合理的限速值与差距并由LED显示屏显示，同时向后台监控中心反馈其诱导信息；

（D）后台监控中心在接受到能见度探测器采集的路况信息后，结合道路通行流量及交通拥挤情况等其他信息，制定完整的道路诱导方案；同时根据交通信息牌和可变限速标记牌反馈的诱导信息，对需要修改的诱导信息进行调整并通过GPRS/CDMA网络将需要调节指令发送给相关的交通信息牌和可变限速标记牌节点；

（E）交通信息牌和可变限速标记牌每隔一段时间通过GPRS/CDMA网络向后台监控中心反馈其工作状态，以便于后台监控中心监控相关设备是否工作正常。

本高速公路智能辅助诱导系统及控制方法具有以下优点和积极效果：

（1）路况信息实时采集、传播及时。高速公路上所有交通信息牌、可变限速标志牌，以及后台监控中心组成一个GPRS/CDMA无线网络，天气变化引起的能见度信息能在第一时间传送到相关交通信息牌、可变限速标记牌和后台监控中心。 

（2）减少交通事故发生率，降低道路拥堵几率。对一些突发气象灾害，通过本诱导系统的正确引导，驾驶员能及时掌握信息，可以有效减少交通事故发生率，降低道路拥堵几率。

（3）利于管理，节约成本。传统的信息采集发布需要使用大量的人力进行处理，信息利用率不高，管理成本高。本系统使用的GPRS/CDMA网络成本低廉，采用该系统后，大部分工作由交通信息牌节点和能见度探测节点自动完成，减少管理人员，提高管理效率，节约成本。 

（4）进一步完善交通诱导体系，促进交通管理的现代化。该系统将成为现有高速公路网交通诱导信息发布体系的有益补充，改变当前多数高速公路服务区普遍没有布设用于发布引导信息的交通信息牌的现状。

综上所述，研究本课题提出的内容将有助于进一步提高高速公路管理水平和效率，有助于减少交通事故发生率，降低道路拥塞几率，最终将有助于挖掘高速公路网巨大的客货运输潜力，充分发挥其“快速度、高效率、省时间、高效益”的优点。因此，研究本课题将产生显著的经济效益和社会效益，具有重要的现实意义；同时，本系统也是将物联网技术、GPRS/CDMA通信技术和传感器技术用于高速公路诱导的一个先例，具有很大的新颖性和实用性。

附图说明

图1是本发明在高速公路的系统布设与应用示意图；

图2是本发明系统组成结构框图；

图3是本发明车辆诱导信息发布流程图；

图4是本发明系统部件维护流程图。

具体实施方式

图1是本发明在高速公路的系统布设与应用示意图。本系统现场部分由布设在容易出现沙尘暴和大雾等恶劣天气路段入口处的若干交通信息牌、布设在容易出现沙尘暴和大雾等恶劣天气路段中的若干能见度探测器和可变限速标记牌三部分组成。

图2是本发明系统组成结构框图。本发明包括以下四个部分：交通信息牌节点、可变限速标记牌节点、能见度探测器节点和后台监控中心四部分组成，这四部分组成一个GPRS/CDMA无线网络。

交通信息牌节点：安装在容易发生沙尘暴、浓雾等恶劣天气的高速公路路段入口处。在雨雪、冰雹和浓雾等恶劣天气下，根据路况参数(主要是能见度参数)发布相应的诱导信息，如在能见度大于200米小于400米时，提醒驾驶员前方路段能见度较低，请减速驾驶或者选择其他道路绕行，同时严格控制大型货车或者重型车辆进入该路段；在能见度小于100米时，提醒车辆选择其他道路通行或者先到服务区休息；在能见度小于10米时，提醒车辆选择其它道路，并显示该路段已封闭；同时通过GPRS/CDMA无线网络向后台监控中心反馈其诱导内容及工作状态。交通信息牌节点由LED显示屏、GPRS/CDMA通信模块、微处理器和存储器组成，其中微处理器可用ARM系列处理器；LED显示屏通过08或者12标准接口与微处理器连接，用于发布诱导信息（如提醒驾驶员前方有雾谨慎驾驶、显示路段通行路况等），GPRS/CDMA通信模块与微处理器通过串口或者SPI接口连接，用于接收能见度探测器的采集数据或者后台监控中心的指令，同时该模块还向后台监控中心反馈交通信息牌节点的诱导内容和工作状态。交通信息牌节点用于接收能见度探测节点采集的路况信息以形成初步的诱导方案并通过LED显示屏显示，接收后台监控中心的诱导信息调节指令更改显示内容；同时还通过GPRS/CDMA网络向后台监控中心反馈其诱导信息并周期性的反馈其工作状态。

可变限速标记牌节点：安装在容易发生沙尘暴、浓雾等恶劣天气的高速公路路段中。在雨雪、冰雹和浓雾等恶劣天气下，根据路况参数(主要是能见度参数)调整限速值和车距信息；同时通过GPRS/CDMA无线网络向后台监控中心反馈其显示内容及工作状态。可变限速标记牌节点：由LED显示屏、GPRS/CDMA通信模块、微处理器和存储器组成，其中微处理器可用ARM系列高性能处理器；LED显示屏通过08或者12标准接口与微处理器连接，用于显示车辆限速值和车距车距，GPRS/CDMA通信模块与微处理器通过串口或者SPI接口连接，用于接收能见度探测器的采集数据或者后台监控中心的指令，同时向后台监控中心反馈可变限速标记牌的限速值、保持车距和工作状态。可变限速标记牌节点用于接收能见度探测节点采集的路况信息以形成初步的限速阈值和车距并通过LED显示屏显示，接收后台监控中心的限速值与车距调节指令更改显示内容；同时还通过GPRS/CDMA网络向后台监控中心反馈其显示信息并周期性的反馈其工作状态。

能见度探测器节点：安装在容易发生沙尘暴、浓雾等恶劣天气的高速公路路段中。用于采集能见度和湿度等路况参数，并通过GPRS/CDMA无线网络将路况参数传送给交通信息牌节点、可变限速标记牌节点和后台监控中心；同时通过GPRS/CDMA无线网络向后台监控中心反馈其工作状态。能见度探测器节点：由能见度测量\湿度传感器、GPRS/CDMA通信模块、微处理器和存储器组成，其中微处理器可以使用单片机或者ARM系列高性能处理器；能见度和湿度测量传感器是高精度、可靠性强的能见度测量设备，可以实时提供能见度数据和显示能见度变化的原因，能够区分雾、尘埃和干颗粒物等，能见度和湿度测量传感器与微处理器通过串口或者SPI接口连接，用于采集道路能见度和湿度参数，GPRS/CDMA通信模块与微处理器通过串口连接，用于向交通信息牌、可变限速标记牌和后台监控中心传送其采集的路况参数，同时通过GPRS/CDMA网络向后台监控中心反馈能见度探测器节点的工作状态。

后台监控中心：与GPRS/CDMA无线网络进行连接，用于对其他设备（交通信息牌、可变限速标记牌和能见度探测节点）进行初始化设置并监控其工作状态；同时根据能见度探测器节点传送的路况参数、交通信息牌和可变限速标记牌节点反馈的诱导内容制定整体的诱导方案，把诱导调节指令通过GPRS/CDMA无线网络发送给相应的交通信息牌和可变限速标记牌节点；并在特别恶劣的路况条件下通知路政部门进行封路等紧急处理。后台监控中心：由服务器、控制台（PC机）和GPRS/CDMA无线通信模块组成，这三部分通过高速局域网连接；控制台通过GPRS/CDMA通信模块对交通信息牌、可变限速标记牌和能见度探测器进行初始化设置并向交通信息牌和可变显示标记牌传送诱导信息调整指令，服务器用于存储一定时间段的路况及诱导信息。后台监控中心的主要功能是对交通信息牌、可变限速标记牌和能见度探测器进行初始化设置并向交通信息牌和可变显示标记牌传送诱导调整指令，同时还能根据各个节点反馈的工作状态制定维护措施；在能见度很差的情况下，后台监控中心还能通知路政部门进行暂时封路等紧急处理。

上述交通信息牌节点、可变限速标记牌节点、能见度探测器节点和后台监控中心四部分通过标准的GPRS/CDMA协议进行通信。

参见图3，一种基于GPRS/CDMA无线网络的高速公路智能辅助诱导系统及控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

（A）安装在容易起雾路段的能见度探测器实时采集能见度、湿度等路况参数并通过GPRS/CDMA网络将路况信息发送给交通信息牌、可变限速标记牌和后台监控中心；

（B）交通信息牌在接收到能见度探测器采集的路况信息后，根据不同的路况信息制定诱导方案并通过LED显示屏显示（如在道路能见度具备车辆通行条件时，提醒驾驶员谨慎驾驶；在道路能见度不能通车时，提醒驾驶员绕道行驶或先到服务器休息；在能见度恢复正常后提醒车辆可以正常通行）；同时向后台监控中心反馈其诱导信息；

（C）可变限速标记牌在接收到能见度探测器采集的路况信息后，根据不同的路况信息制定合理的限速值与差距并由LED显示屏显示，如在能见度小于200米时，限速60km/h，保持车距100米；能见度小于100米时，限速40km/h，保持车距50米等（以上数据来源于中华人民共和国道路交通安全法实施条例）；同时向后台监控中心反馈其诱导信息；

（D）后台监控中心在接受到能见度探测器采集的路况信息后，结合道路通行流量及交通拥挤情况等其他信息，制定完整的道路诱导方案；同时根据交通信息牌和可变限速标记牌反馈的诱导信息，对需要修改的诱导信息进行调整并通过GPRS/CDMA网络将需要调节指令发送给相关的交通信息牌和可变限速标记牌节点。

（E）交通信息牌和可变限速标记牌每隔一段时间通过GPRS/CDMA网络向后台监控中心反馈其工作状态，以便于后台监控中心监控相关设备是否工作正常。

图4是本发明系统部件维护流程图。交通信息牌节点、可变限速标记牌节点和能见度探测器节点周期性的通过GPRS/CDMA网络向后台监控中心反馈其工作状态，后台监控中心根据各个节点反馈的工作状态制定相应的维护措施。