基于物联网的高速公路智能行车诱导系统的设计

引 言

道路安全 [1] 是城市发展过程中的一个重要挑战，特别是在高速公路环境下，由于车辆速度较快，易在夜间、大雾天气发生较为严重的行车事故，危害人民生命财产安全。目前， 我国高速公路交通诱导主要使用的依然是传统的诱导设施， 包括突起路标、闪爆灯、警示灯、轮廓标等，智能化程度低， 缺乏协作机制。由于无法对实时地交通信息进行发布，所以传统方法运行效果相对较差 [2]。物联网 [3] 技术的发展为降低事故发生率提供了一种研究思路。通过整合云计算 [4]、大数据 [5]、机电设施、网络通信等多项技术手段，实现对道路交通状态的实时判定和交通数据的融合处理，进而做出相应的交通运行决策。然而，当前主要的交通诱导除了在进行数据监测时存在成本过高、维护不便的问题之外，系统整体对网络配置要求较高，应用场景受到限制 [6]。

为了实现对诱导系统的远程无线控制，提高诱导系统智能化程度，本文充分利用已经较为成熟、覆盖面较广的蜂窝网络 [7]，构建一种支持远程控制、提供丰富数据接口的智能行车诱导系统。通过在高速公路车道两侧部署诱导灯标节点， 为驾驶人员实时提供当前行车指引信息，同时，利用覆盖面较大的蜂窝网络完成系统数据上行/下行传输。

1 系统架构设计

智能行车诱导系统架构如图 1 所示，主要由 4 部分组成，由上至下分别是 ：智能控制平台、协调器、诱导灯标和传输网络。其中，传输网络可细分为两部分，分别是控制平台同协调器间的通信网络和控制平台同外部应用间的通信网络。

智能控制平台包括控制端、服务器和数据存储中心。作为系统的数据中转站，控制端借助因特网为用户提供数据接口，方便用户实现对系统的远程控制 ；同时，通过与服务器和数据存储中心相连接，控制端能够对由上至下 / 由下至上的数据进行初步处理和存储 ；此外，借助蜂窝网络，控制端能够将用户命令发送至诱导灯标节点，完成诱导灯标显示的变更和维护。

协调器作为路侧基站，借助蜂窝网络同控制平台进行通信，同时，还可对一定范围内的诱导节点进行汇总管理。从设备硬件角度看，由于需要支持 GPRS 调制解调 [8]，协调器比诱导节点能耗稍大 ；从系统角色角度看，协调器在一定范围内的诱导节点网络中承担头节点的角色，控制平台发送的控制命令经协调器节点转发至诱导节点。此外，考虑到协调器的通信带宽，为了防止协调器同诱导节点间网络发生拥堵，本文摒弃常见的星型网络拓扑结构 [9]，通过为节点分配16 bit 的地址信息，实现一种多跳的数据传输 [10]。

诱导节点位于路段两旁，配备 LED 发光单元。发光单元除了能够强化道路轮廓，还可对车辆行驶行为进行主动诱导，并对追尾事故进行警示。根据《中华人民共和国交通运输行业标准》，装在道路两侧的诱导节点可利用节点发出的红、黄光信号帮助驾驶人员判断前方道路状况（路宽、线性、边界位置等）和前方车辆状况（车速、车距、数量等），警示诱导车辆安全行驶。为此，系统中诱导节点中的每个 LED 单元均可发出红、黄两种颜色的灯光。另外，诱导节点支持太阳能和电池两种供电方式。

考虑到覆盖范围，同时为了方便诱导节点的部署，控制平台与协调器间的通信网络采用的是通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service，GPRS），控制平台与外部应用间的通信网络则使用因特网。这样，对用户而言，控制平台与协调器间的通信连接可视为透明。

2 系统工作方式设计

为了实现智能行车诱导系统强化道路轮廓、诱导车辆行驶行为，并对突发事故进行警示的目的，首先给出控制平台需要采集的系统中诱导节点的状态信息，然后设计一种包含4 种模式的诱导系统工作方式。

2.1 控制平台数据采集方案

智能控制平台通过向协调器发送命令改变诱导节点的显示状态，进而实现对道路中行驶车辆的实时诱导。为此，需要对诱导节点的信息进行采集。控制平台采集的诱导节点信息如表 1 所示，其主要包括诱导节点的状态信息和显示状态信息。关闭命令用于平台对节点的远程控制，行驶方向属性可使平台同时完成对不同行驶方向上车辆的控制和管理。

2.2 智能行车诱导系统工作方式

智能行车诱导系统通过设立 4 种工作模式，完成对高速公路交通运行效率和安全等级的提升。运行过程中，首先由配备光线采集模块的诱导节点对路段能见度数据进行采集， 然后将此数据利用协调器上传至控制中心，由控制中心对能见度等级进行判定，并确定当前路段应进行的模式改变或维持。4 种工作模式分别是 ：

(1) 安全模式。安全模式下， 当前路段能见度大于500m，此时，控制平台发送关闭控制命令，诱导节点关闭LED发光单元，系统低功耗运行，不对交通参与者做出提示。

(2) 道路轮廓强化模式。道路轮廓强化模式下，当前路段能见度大于 400m，小于 500m，此时，诱导节点持续显示黄色灯光，为驾驶人员提供当前路段的线性引导。通过强化道路的轮廓，辅助驾驶人员在较差光线条件下完成安全驾驶。

(3) 行车诱导模式。行车诱导模式下，当前路段能见度大于 200m，小于 400m，此时，路段光照条件较差，诱导节点同步、持续以 30次 /min的频率闪烁黄灯，在为驾驶人员提供道路轮廓的同时，提示其降速行驶，保证行车安全。

(4) 车距控制模式。车距控制模式下，当前路段能见度 小于 200m，此时，路段光照条件极差，有必要对道路上车辆间距进行控制。这一模式包含两种情形 ：当前路段无车辆驶过，则诱导节点同步、持续以 60 次 /min 的频率闪烁黄灯 ； 当前路段有车辆驶过，则该车后 50m距离内的诱导节点均显示红色灯光，形成车辆尾迹。由诱导节点灯光形成的车辆 尾迹沿车辆移动方向同车辆一起移动，同时警示后车避免驶 入尾迹区域，防止发生追尾。车距控制模式下有车辆驶过时 的车距控制方式如图 2 所示。

3 结 语

本文首先构建一种高速公路环境下智能行车诱导系统的体系架构，明确系统中的主要组成，然后给出系统的工作方式，针对道路轮廓强化、行车诱导、车距控制问题进行设计。未来将结合真实高速公路场景，对所述智能行车诱导系统进行相关性能测试。