（通信与信息系统专业论文）智能化高速道路交通管制系统研究.pdf

中国民用航空学院硕l 学位论文 摘要 智能化的交通控制和管理系统其目标是提高交通运输效率，充分利用现有道路空 间，改善交通网络系统现状。经过二十多年的发展，智能交通系统( i n t e l i i g e m n a n s p o n 8 t i o ns y s t e m ，简称i t s ) 在美国、欧洲、同本等国家和地区发展极为迅速， 己经取得了令人瞩目的社会、经济效益。但在国内i t s 的发展尚处于初级阶段。本课 题依据我国实际的道路和车辆状况，提出了一种适合我国国情的智能化交通管制系 统。 如何减少或避免高速公路交通事故的发生，以及在事故发生后，对事故及时地 判断和快速处理是国内外智能交通运输的热点问题。本文主要研究在高速道路或类 似场合避免汽车追尾并能够在第一时间做出事故判断的一种智能化交通管制系统。 研究目的在于提供一种设施简单、造价低廉、容易实施的智能化高速道路汽车追尾 预警系统。通过调研分析高速道路交通事故发生原因，本文给出了基于数字标尺方 案的汽车追尾预警系统以及智能化交通管制系统的模型。该方案在功能上分为数字 标尺追尾预警、数据汇总发送和终端数据处理三个部分。以5 l 单片机为主控单元， 分别设计了基站、车载台和节点的硬件电路，编写了合理的程序，并采用g p r s 技 术将路面车辆数据发送到终端显示平台。在实验室试验成功后，该系统进行了实地 的一公里的单车道单向单车、双车路面实验，地点为津蓟高速公路天津段，实验效 果良好，但仍有需要改进优化的地方。 关键词：智能交通系统、数字标尺、追尾预警、g p r s 、m 印i n f o 电子地图 中国民用航空学院硕十学位论文 a b s t r a c t i m e l l i g e n t 打桶cc o n t r o la n dm a n a g e m e n ts y s t e mi sa i m e da ti m p r 0 v i n ge m c i e n c y o f 岫s p o r t a t i o n ，f u l l yu t i l i z i n gr o a ds p a c ea i l di m p m v i n gc u r r e n t 垭m s p o r t a t i o ni - 出0 r k s y s t e m o v e rt l l ep a s tt w od e c a d e s ，i n t e l l i g e mt m s p o n _ a t i o ns y s t e mh a se x p e r i e n c e d r 印i dd e v e l o p m e n ti nt h eu n i t e ds t a t e s ，e u r o p e 肌c o u i l 埘e sa i l dj a p a i l ，a c h i e v i n g s i g n i f i c a r i te c o n o m i c 蛐ds o c i a lb e n e f l t s n e v e r t h e l e s s ，d e v e l o p m e mo fi t si ss t i l la ta p r e l i m i n a r ys t a g ei nc h i n a a g a i n s tm i sb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rp m p o s e sa ni n t e l l i g e n t r a f f i cc o n t r o ls y s t e mi nl i g h to ft h er e a lc o n d i t i o n so fe x p r e s s w a y sa n dv e h i c l e si n c h i n a h o wt or e d u c eo ra v o i dt r a f f i ca c c i d e n t so ne x p r e s s w a y sa sw e l la sm a k er 印i d j u d g m e n ta 1 1 dq u i c kr e s p o n s ea r e rt r a m ca c c i d e n t sh a p p e n e dh a v eb e e nh o tt o p i c si nm e f i e l do fi n t e l l i g e n t 打a n s p o r t a t i o nb o t ha th o m ea 1 1 da b m a d t h em 旬o ri n t e r e s to ft h i s p 印e ri st or e s e a r c ho n 锄i n t e l l i g c n t 订a m cc o m m ls y s t e mt h a t c a na v o i dr c 卅e n d c o l l i s i o no ne x p r e s s w a y so ri ns i m i l a rc a s e sa n df 犯i l i 乜士cn r s tt i m ej u d g m e n to ft h e a c c i d e n t t h ep 印e ri sa i m e da tp r o v i d i n gal o w c o s t ，f e a s i b l e ，a n de a s i l y - b u i l ti n t e l l i g e m r e a r 吒n dc o l l i s i o n p r e - w a m i n gs y s t e m f o rc a r s t r a v e l i n g o n e x p r c s s w a y s b y i n v e s t i g a t i o na i l da n a l y z i n gc a u s e so ft r a m ca c c i d e n t so ne x p r e s s w a y s ，i tb r i n g sf o r 州d am o d e lo fr e a r - e n dc o l l i s i o np r e - w 啪i n gs y s t e mb a s e do nd i g i t a ii n l e rp r o j e c ta n d i n t e l l i g e n t 仃a m cc o n 打o is y s t 锄t h ep r o j e c tc a nb ed i v i d e da st h r e ep a r t sa c c o r d i n gt o d i f f e r e n t 胁c t i o n s ，e g d i g i t a l m l e rr e a 卜e n dc o l l i s i o np r e w 踟i n g s y s t e m ，d a t a c o l l e c t i o na n dd i s t r i b 砸o n ，a 1 1 dc n dd a t ac e n t e l 做i n g5ls c ma st h em a j o rc o n lu n i t ， h a r d w a r ec i r c u “sh a v eb e e nd e v e l o p e df o rb a s es t a t i o n ，i n s t m i n e n tc 积e db yv e m c l e s a n dn o d e sa n dr e a s o n a b l ep r o g r a m sh a v eb e e nw r i 钍e n i na d d i t i o n ，g p r st e c l m 0 1 0 9 i e s h a v eb e e nm i l i z e dt os e n dd a t ao fr o a ds u r f 如ev e l l i c l e st ot h ee n do fd i s p l a yp l a t f o 肌 a r e ra c h i e v i n gs u c c e s si nt h el a b o r a t o r y t h ed e v i s e dp r e w a r n j n gs y s t e mh a ss h o w n e x c e l l e mr e s u i t si nf i e l de x p e r i m e n t sc 枷e do u to nt i 蛐j i n j i x i a nc o 硼巧e x p r e s s w a y ，i n w h i c hs 协g l ev e m c l e ，d o u b l ev e h i c l e so nas i n g l el a l l ei nm es a m ed i r e c t i o nh a v ec o v e r e d o n ek i i o m e t e d e s p i t eo f t h es u c c e s s ，也es y s t e ms t i l ln e e d si m p r o v e m e n ti ns o m ew a y s k e yw o r d s ：i t s ，d i g i t a lr u l e rp r o j e c t ，r e * e n dc o l l i s i o np r e - 啪i n gs y s t e m ，g p r s ， m a d i n f o 中国民用航空学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导f 进行的研究i 作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国民用航空学院或其它教育机构 的学 ：f 7 ：或证书而使用过的材料。与我一同上作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 中国民用航空学院学位论文使用授权声明 中国民用航空学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印什和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许 论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权中国民用航空学院研究生部办理。 研究生签名：二雌导师签名啦划：丝w 中国民用航空学院硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于天津理工大学徐宝强教授主持的天津市科委重大基金资助项目， 即：智能化高速道路交通管制系统，项目编号为：0 3 3 1 8 3 2 1 1 。本文主要研究 在高速道路或类似场台避免汽车追尾的一种防撞的智能化交通管制系统。研究目的 在于提供一种技术设施简单、造价低廉、容易实施的智自化高速道路汽车防撞的交 通管制系统。 1 2 智能化交通系统的研究背景及意义 交通是社会先行发展的产业，在经济和社会发展中的地位极其重要，交通运输 业的发展，促进物资的流通和人员的往来，大大提高了社会的发展进程。然而，随 着交通运输业的发展，也带来了许多弊端。近半个世纪来，交通拥挤、道路阻塞、 变通事故频发、空气污染严重等正威胁着人们的生活和社会的进步，其根本矛盾是 道路建设速度远远赶不上交通工具的增长速度。这样就造成了单位道路所承载的汽 车数量越来越多，如何减轻道路压力、提高运输效率便成为交通运输业发展中的重 中之重。 一般来讲，解决的途径有两条。第一条途径是大力加强道路建设，通过多修路 来满足交通工具增长所带来的道路需求。改革开放以来我国社会主义市场经济繁荣 发展，全国各地道路建设也取得了很大成就。但是，大规模修路是以大规模的人力 和资金投入、土地资源的占用等作为沉重代价的。而且由于我国人均可耕地面积比 较少，土地又是不可再生资源，这种解决方式受到很大制约。从全世界范围来看， 道路拥挤现象也都普遍存在。因此。在上世纪六七十年代，欧美的一些交通专家就 提出，应用信息通信技术提高道路使用效率，从而解决交通运输难题。第二种途径 是建设一个高度信息化的交通管理系统，并使该系统成为一套可合理利用道路资 源、可实现物流与人流最佳流动的交通解决方案，这就是智能交通系统( i m e i l i g e m t r a n s p o r t a t b ns y s t e m ，简称i t s ) “，它已经成为二十一世纪交通运输系统的发 展方向。 智能交通的内容非常丰富。大到包括全国航空、航海、铁路和公路等的智能化 调度，小到停车场的电子泊位管理，都可以纳入其范畴。目前它还没有非常明确的 调度，小到停车场的电子泊位管理，都可以纳入其范畴。目前它还没有非常明确的 中国民用航空学院硕士学位论文 定义。从一般意义上来理解，智能交通就是将信息通信技术应用到交通管理中，提 升道路承运能力，改善交通环境，并使驾驶出行人员得到个性化、人性化的优质服 务，最大限度地减少或避免交通事故。智能化交通系统的开发，有利于对道路交通 系统的根本改造，以充分发挥道路交通基础设施的最大效能，提高通行能力，早r 建立新型的现代化道路交通系统【3 j 。 近年来，国家投入了大量资金用于交通基础设施的建设，交通基础设施一直呈 现加速发展的势头。我国经过近二十年的努力，高速公路建设已从无到有，取得丰 硕成果。截至2 0 0 4 年底，全国高速公路通车里程超过3 4 万公里，居世界第二位。 尽管近年来高速公路发展迅速，但是日益频繁的交通事故仍然造成了众多的伤 亡和巨额的经济损失。我国由于人口众多，道路条件比较差，2 0 0 0 2 0 0 4 年间每年 中国因交通事故造成的损失约为国内生产总值的3 ，损失余额逾1 2 5 亿美元，不 包括赔偿费、事故处理费等，否则数字还要成倍增加。因道路交通事故共造成5 0 多万人死亡，约2 6 0 万人受伤，相当于每5 分钟就有1 人因交通事故死亡，死亡率 为世界第一。近几年交通事故损失数据统计如表1 1 所示。 表i 1 近儿年交通事故损失数据统计 年 份 1 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 22 0 0 3 受理事故 3 0 4 2 1 73 4 6 1 2 94 1 2 8 6 07 7 3 】3 76 6 7 5 0 7 死亡人数 7 3 8 6 l7 8 0 6 78 3 5 2 91 0 9 3 8 11 0 4 3 7 2 受伤人数 1 9 0 1 2 82 0 2 6 1 12 8 6 0 8 05 6 2 0 7 4 4 9 4 1 7 4 经济损失1 8 5 亿元1 9 3 亿元2 1 2 4 亿元 3 3 2 3 亿元3 3 7 亿元 可以看出交通事故数量，死伤人数以及经济损失走势为逐年剧烈增加，只是 2 0 0 3 年的交通事故损失数据由于“非典”原因稍比2 0 0 2 年下降。表l - 2 给出的是 2 0 0 2 年日本、中国和欧洲汽车事故和死亡人数的对比【4 1 ，从中可以清楚地看到我国 交通事故的严重性以及建设新一代智能化交通系统的必要性。 表1 2 事故数量和死亡人数的对比 事故数量( 万起)死亡人数( 万人) 日本 9 3 60 8 3 2 6 中国7 7 31 0 9 欧洲 1 3 04 因此，如何减少或避免高速公路交通事故的发生，是国内外智能交通运输的焦 点问题，也是本文重点讨论的问题。如果在形成发生事故的环境时，用一种装置去 提前给驾驶员一个警告信号，以引起驾驶员的警觉，这样就可大大地降低事故的发 生率，同时在交通事故发生之后，交管中心能够在第一时间对事故做出判断，并对 中国民用航空学院硕士学位论文 事故处理做出及时地调度和布署，这样就可以太大减少人员伤亡和经济损失，保障 生命财产安全，获得经济效益的最大化 5 】。 1 3 国内外发展现状 智能交通系统的正式提出是在1 9 9 4 年，与其相关的工作开始得更早些，发达 国家积累了较多的经验和教训。目前，i t s 处于领先地位的是日本、美国和欧洲， 他们都有各自的统一的协调组织，并由这三个组织共同发起，每年轮流在日本、美 国和欧洲等国家举行每年一届的i t s 世界大会，除了论文报告研讨活动外，还有大 规模的交通科技展览和系统的现场演示，i t s 世界大会是全球交通运输界规模最大、 层次最高、最有权威的集会。2 0 0 3 年9 月，在西班牙马德里举行的第十届智能交通 系统世界大会的主要结论是：十年来，世界各地已经开始将i t s 作为生活的部分， 形成了l t s 业界，创造了新的智能交通系统产品和服务，也证明了其在改善人和货 物运输的可达性、机动性和安全性方面的作用。 二十世纪九十年代以来，智能交通系统在全世界范围内得到了前所未有的发 展，其广泛应用也越来越受到各方面的关注。智能交通系统的理论、方法和技术是 多学科和系统工程的结合，更是先进的信息处理技术、通信技术、计算机技术和自 动控制技术的产物。中国的智能交通与国际上的发展类似：从上世纪9 0 年代中期 开始。经过开始的怀疑、小规模试验，到今天已经在国内的主要大城市和公路上开 始大量的试验和试用。 i t s 主要有以下九个开发领域： ( 1 ) 行车的智能化例：道路交通信息通信系统( v l c s ) ： ( 2 )自动收费系统例：不停车自动收费系统( e t c ) ； ( 3 ) 安全行车辅助系统例：行车辅助道路系统( a h s ) ； ( 4 ) 交通管理的最佳化； ( 5 ) 道路管理高效化例：灾害自动监测系统； ( 6 ) 公交支援系统例：为公共汽车等提供运行信息的系统； ( 7 ) 商用车高效化刮：支援商用车运行的系统； ( 8 ) 步行者支援系统例：为盲人引路的系统： ( 9 ) 紧急车辆运行支援系统。 交通事故的发生虽具有( 空间和时间上的) 随机性，但事故多发地段还是可以确 定的。高速公路交通流的最大特点是其连续性、车速高，而以往的交通事故预防对策 更多采用的是机械式的措施，虽可以一定程度地降低交通事故率，但对于预防驾驶员 的过失所造成的交通事故、交通流的追尾事故、事故发生后的紧急救援，还远未能有 所突破。以下介绍的是国外常见的基于i t s 的交通事故预防对策： ( 1 ) 车辆安全驾驶辅助系统的开发与运用 中国民用航卒学院硕上学位论文 安全驾驶辅助系统( a s s d ：a s s i s 协c es y s t e mf o rs a f ed r i v i n g ) 技术是以人、车、 路一体化为背景而提出的。其功能包括： 行驶环境信息提供功能；不仅是白天，特别是在夜间和恶劣的天气条件下，利用 设置于道路和车辆上的检测装置，检测沿途路况和周边车辆行驶状况等信息，通过信 息提供装置将其提供给行驶中的驾驶员，为驾驶员了解驾驶环境提供支持。 危险警告功能；为避免车辆追尾，或行驶中车辆与高速公路设施的碰撞，通过路 上和车载装置，采集自身车辆与周边车辆间的位置、障碍物位置等信息，由此判断行 驶车辆的危险程度。当出现险情时，驾驶员可由车载装置，或其它车辆获得危险警告 信息支援。如：前方车辆可以通过其尾部的文字信息提供装置，向后方随行车辆提供 危险警告信息。另外，车辆自身还可装备车况自检系统。 驾驶辅助功能：此功能是为了避免驾驶员生理和心理上的缘故导致的不当驾驶行 为而提出的。如：当驾驶员出现疲劳状态，或驾驶判断不当时，向驾驶员做出提醒， 同时对车辆的制动系统和方向控制系统加以自动控制。 自动驾驶功：这是车辆安全驾驶辅助系统的最高功能，除具有上述的基本功能外， 还包括：车辆自动制动、车速自适应、路径识别与选择等功能。以上的车辆安全驾驶 辅助系统的基本功能，是新一代高速公路交通事故预防技术的发展趋势，但是，这些 技术是以高新技术和高投入为基础的。我国尚处在发展阶段，可有步骤、分阶段地发 展其中的行驶环境提供、危险警告和驾驶辅助技术。 ( 2 ) 基于交通状态图像自动识别系统( a i d s ) 的交通事故预防对策 交通状态自动识别系统( a i d s ：a u t o m a t i ci n c i d e n td e t c c t i o ns y s t e m ) 是运用图像处 理技术，自动地检测行驶中的车辆为避开道路上异常情况的行驶轨迹，并将此信息传 送给交通控制中心和路上的后续车辆。采用这一系统可以瞬时地发现异常交通现象， 对于迅速地进行伤员救护、事故处理、降低事故所造成的交通阻塞，以及预防后续车 辆的追尾事故等部具有着重要的作用。 我国在“十五”综合交通体系发展规划中明确指出：我国交通运输发展的长期 战略目标是“以市场经济为导向，以可持续发展为前提，建立客运快速化和货运物 流化的智能型综合交通运输体系”。但是，从整体上看，我国的交通智能化水平还 不高，智能交通产业还处于起步阶段。目前，我国交通系统信息化的情况是：已建 设了1 9 4 万公里的高速公路通信设施，其中通信管道1 8 万公罩、光缆1 5 万公里、 交换机系统1 3 0 套装机容量8 万线、数字微波通信线路7 0 0 公里、紧急电话系统4 7 0 套、公路移动通信系统2 6 2 套、移动台5 0 0 0 部。“全面建设小康社会”对交通运 输业的发展提出了更高的要求。不仅要在运量上满足客货运输的总体需要，还要不 断提高运输的效率和质量，切实体现以人为本，以全方位、多层次、高质量的服务， 满足旅客、货主的需求，实现客运快速化，货运物流化，达到人与物的无缝衔接和 周转。根据预测，从2 0 0 5 2 0 2 0 年，旅客周转量将随经济发展而稳定地增长，2 0 2 0 年我国旅客周转量将达到2 0 0 5 年4 1 倍货物周转量是2 0 0 5 年的1 3 5 倍。在今后 中国民用航空学院硕士学位论文 的1 5 年中，客运和货运的需求也将呈现不同层次的需求变化。 上述需求，使我国交通运输业的能力、水平和服务质量面临了严峻的考验。目 前我国交通基础设施建设的速度和运输服务管理水平因受多种因素限制，远远满 足不了全面建设小康社会的需求。同时，为了实现人与自然的和谐发展，实现节约、 安全、环保的交通运输环境，只有从装备、设施等方面加强技术创新，实现重大技 术突破，解决交通运输发展过程中的核心技术和关键问题，最大限度地实现基础设 施、装备、管理的一体化、智能化，满足人民日盏增长的物质、文化需求。雨智能 交通系统恰恰是实现上述目标的有力手段之一。如果我们能够根据交通系统发展的 客观规律，有效地组织智能交通系统的开发和应用，将有可能在不远的将来实现交 通基础网络、运输装备与现代管理的综合、有效集成，为公众提供更好的出行服务。 2 0 0 7 年l o 月，第十四届世界智能交通大会将在中国的北京举行【6 】，这预示着 世界智能交通界的目光开始转向中国。这次大会举办的时间正是2 0 0 8 年北京夏季 奥运会的前夕，各种为奥运会服务的交通设施开始运转，与之配套的智能交通系统 将展示其魅力。 1 4 存在的问题和发展趋势 国外的各种智能化交通系统均有着造价高，易受外围环境干扰，改造高速公路 路面或改造汽车的缺点，不适于中国的汽车情况和高速道路情况。因此，提出一种 技术设施简单、造价低廉、容易实施，适合中国国情的高速道路汽车防撞的智能化 交通管制系统是非常重要的。 未来的智能交通系统应该符合技术领先、功能强大、运行稳定、易于维护、可 扩充性强以及投资低廉的原则。国外目前的热点是自动驾驶，方案种类繁多。但是 中国的高速道路况复杂，不易于改造；其次车辆档次参差不齐，车上设备不宜昂贵， 因此，中国的智能交通系统应该是要完全符合中国国情的。 面向二十一世纪的智能化汽车的交通运输系统应使车和路均高度智能化，使 人、车、路三者合一，逐步实现汽车在公路上自动安全地运行。为解决交通堵塞， 交通事故的国际难题而发展起来的智能交通系统，是将先进的信息技术，数据通讯 和传输技术、电子自动控制技术及计算机处理技术等有效地用于整个地面运输管理 体系，全方位发挥作用的实时、准确、高效的公路运输综合管理系统。具体功能上， 此系统将汽车、驾驶者、道路以及相关的服务部门连接起来，并使道路与汽车运行 功能智能化，从而使公众能够高效地使用公路交通设旋和能源。其具体的运作方式 是：该系统将采集到的各种道路交通及各种服务信息，经过交通管理控制中心集中 处理后传送到公路运输系统的各个用户( 包括驾驶者、居民、警察局、停车场、运 输公司、医院、救险排障等部门) ，出行者可以进行实时的交通方式和交通路线的 选择：交通管理部门可以自动进行交通疏导、控制和事故处理；运输部门可以随时 中国民用航空学院硕十学位论文 掌握所属车辆的动态情况，进行合理调度。这样，路网上的交通流经常处于最佳状 态，能够改善交通拥挤，最大限度地提高路网的通过能力，提高整个公路运输系统 的机动性、安全性和生产效率，同时减少公路运输系统对环境的污染。i t s 研究的 前沿和热门方向为车辆定位与交通导航系统、信息系统、信号协调控制系统、电子 收费付费系统、事件反应系统、防撞及自动化公路系统等( ”。 1 5 本文主要研究工作 本文主要研究在高速道路或类似场合避免汽车追尾并能够在第一时问作出事 故判断的一种智能化交通管制系统。研究目的在于提供一种技术设施简单、造价低 廉、容易实施的智能化高速道路汽车追尾预警系统瞵j 。 本文首先介绍了基于数字标尺方案的高速道路汽车追尾预警系统的架构及工 作原理；并详细阐述了在原有节点设计基础上，利用g p r s 网络完成数据汇总及数 据处理中心的终端显示的设计原理。在实验室实验成功后，进行了多次真实的一公 里单车道单向、双车路面实验，地点为津蓟高速公路天津段，通过实地实验，检验 数据信息的发送和接收。总体实验效果良好。 中国民用航空学院硕士学位论文 第二章基于数字标尺方案的高速道路汽车追尾预警系统 2 1 引言 智能化高速道路交通管制系统由基于数字标尺方案的高速道路汽车追尾预警 系统和基于g p r s 方案的交通管制系统两部分组成，本章首先分析高速道路汽车发 生事故的主要原因，然后提出一种基于数字标尺方案的高速道路汽车追尾预警系统 模型，并详细介绍了每个功能模块的设计思路以及对方案整体容量安全的预计、传 输协议的设计和提出了对无线收发模块的要求。 2 2 高速道路汽车的安全距离 在繁忙的交通高峰期，追尾是最常见的交通事故之一。在交通事故中追尾占据 着很高的比例，而且是伤亡人数和经济损失最大的，如果能够有效预防追尾事故的 发生，不仅交通会更加通畅，还减少了许多不必要的损失。所以如何避免和减少追 尾事故有其重要的意义。 追尾事故的形成原因，归根结底就是同一车道的两辆车相对距离过小，在行驶 速度高的时候，一旦出现意外情况，根本来不及避让造成的。 假设本车的初速度为v ，聊厅，车辆的最大减速度为吼m s 2 。 ( 1 ) 由于在驾驶员反映时间q 和制动协调时间r ：内，车辆没有产生制动力， 所以仍以制动前的初速度v 运行，故其问车辆驶过的距离s 。，2 为： s 1 = v i ( f 1 + f 2 ) 3 6 ( 1 ) 制动协调时间“由制动传递延迟时间和制动力增长时间组成，其值一方面取决于 驾驶员踩踏板的速度，更为重要的是受制动器的结构形式的影响，对于液压制动器， 般取f 2 = o 2 一o 9 5 之间，对于气压制动器f 2 = o 3 一o 9 s 。 ( 2 ) 在减速度线性增长时间“内，从表2 1 中可以看出，其增长基本上为线性增 长。根据相关的统计分析，在实际制动过程中，减速度增长时间l 一般可以认为是 0 1 s ，结合一般车辆的减速度小于l o 掰s 2 ，得简化公式为： 中国民用航空学院硕士学位论文 j ，：竖 3 3 6 ( 2 ) 在持续制动时间里，车辆以口做匀减速运动，其初速为v ，末速为零。根据相应 的公式，得制动距离乩的算式为： s4 = v ? ( 2 3 62 口1 ) ( 3 ) 结合上面的各个算式，从而本车的制动停车距离为： 5 总= v l ( 毛+ 彳2 ) ，3 6 + v ；( 2 x3 6 日】) ( 4 ) 从而可以看出，决定汽车制动距离的主要原因是：制动器起作用的时间；最大制 动减速度，即附着力( 或最大制动器制动力) ；制动起始车速。从另一方面来浇，前方 目标车辆的制动过程和上述的本车制动类似，但由于只有在目标车辆出现减速度时后 面车辆才有所发现，因此，可以将目标车辆的制动距离简化为： ，= v ；( 2 3 6 2 口2 ) ( 5 ) 表2 1 车辆间的安全距离 i 车速切砌 1 2 01 0 08 06 0 间距w 2 0 01 5 01 0 07 0 i 密度砌 5 71 01 4 高速公路中的安全车距问题所需考虑的影响因素很多。不仅和本车的制动方式以 及天气等条件有关，还受本车的初始车速等因素的影响。如果需要精确的安全距离计 算模型，则应该增加相应的天气条件探测手段。 当车距为2 0 0 m 时是安全行车的极限情况。一般情况下1 0 0 卅附近的安全距离即可 满足要求，若安全车距较大，则不利于道路的充分利用，而安全距离较小时，则无法 满足车辆安全运行的要求。 还应指出，安全距离也应该和汽车重量相联系。汽车重量越大，惯性越大，安 全距离就需要更长。高速公路的行车时速主要在8 0 1 2 0 加砌之间，其中小型轿车 的速度较快，多在1 2 0 切砌左右，但重量轻且制动性能好；而大型车辆速度主要在 8 0 妨以左右，但重量较大。因此根据表2 1 的数据，就可以以1 0 0 m 间距为一个安 全距离标准，也就是说若两辆车辆间距1 0 0 m 以内，应当采取措施避让( 9 。这也 符合交管局的项目要求。 同时，这种追尾事故多数发生在天气状况不好、能见度差的情况下和凌晨时段 司机疲劳驾驶阶段。如果采取一定的措施，在两车距离过近的时候，提示司机一下， 就可以减少司机的反应时间，迅速制动，从而就可以大大减少事故发生的可能性。 中国民用航空学院硕士学位论文 因此基于上述事故原因分析，本文提出了基于数字标尺方案的高速道路汽车追尾预 警系统的构想，同时该系统方案也顾及到其价格和我国市场需求的问题。 2 3 基于数字标尺的高速公路道路汽车追尾预警系统 2 3 1 系统模型 系统组成原理图如图2 1 所示。沿高速公路方向定为x 方向，垂直高速公路方 向定为，r 方向，在z 方向每隔一定距离上设胃一个无线收发装置，称之为数字标尺， 每一数字标尺设唯一的地址码，并且覆盖一定范围的区域。当汽车驶入高速公路时， 车载台向数字标尺发出表示该车的身份证号( 称为i d ) 和行进方向等信息的信号， 我们把这称之为位嚣登记过程，由数字标尺确定汽车在z 方向的坐标。同样，在该 车正前方的车辆也向相应的数字标尺登记，数字标尺之间经过单片机进行数据信号 处理，测出相邻车辆的间距，判断车辆的安全等级，数字标尺再向汽车发送结果。 车载台设有三个指示灯，如果车间距大于安全距离，就亮绿灯，确认正常；如 果间距小于安全距离大予告警距离就亮黄灯，确认车距过近，提示司机采取相应措 施；如果间距在小于告警距离时，就亮红灯，警告司机应紧急减速或刹车。 通常情况下，高速公路上只有行驶在同一车道的汽车有发生追尾的可能性，所 以系统首先判断汽车行驶在哪个车道上，即判断y 方向的坐标。数字标尺结合汽车 在z 方向和y 方向的坐标，就能对相邻车辆间距做出判断。车道识别是比较难解决 的问题，国外辨别车道，有的在道路上和车上安装感应装置，这要改建高速公路， 对于我国国情不适用。本系统拟定使用图像信号处理的方法识别车道【1 1 舯】f 1 3 1 【1 4 】。 在车载台上安装c c d 摄像头，对摄像头采集的图像信息进行处理，判断出汽车所 在车道，再把判断结果发给数字标尺。这样，汽车追尾预警系统所能完成的功能就 是判断汽车在高速公路上的纵向相对位置( 前后相邻两车的距离) 和横向位置( 汽 车所在的车道) 。 9 中国民用航空学院硕士学位论文 在x 方向上，每十个数字标尺组成一组，由一个节点将这一组数字标尺接收的 车载台发出的位置登记信息通过无线的方式转发给数据中心。这样，控制中心就可 以全程对每一辆在高速道路上行驶的汽车进行跟踪监控。 高速公路是单向行驶道路，以上是汽车沿公路一侧行驶的情况，当汽车沿另一 个方向行驶时，情况是一样的。本系统设计的目标也是实现对双向车道的监控。 系统中的数字标尺类似于移动通信系统中的基站【1 5 】f l “，为方便起见本文以后的 部分把数字标尺称为基站。 2 3 2 系统硬件组成 系统硬件主要由车载台、基站和节点三部分组成。 1 ) 车载台 图2 2 车载台组成原理框图 车载台主要由五个部分组成，组成原理框图如图2 2 所示。每个车载台都有一 个固定的身份证号，称为i d 。车载台上安装一个c c d 摄像头，利用图像处理的方 法判断出汽车所在车道位置，得到车道号码，输出给运算控制部件，控制部件使用 单片机。车载台的i d 存入在单片机内部，单片机收到车道号后，连同i d 号一起输 入到发射模块，向基站发出位置登记请求。基站登记完数据后，判断该车的行驶安 全状况，然后将判断结果和该车的i d 回发给路上的汽车。车载台的接收模块把基 站发出的信号解调出来，输出给单片机，单片机先将收到的i d 号与片内的i d 号比 较，如果两个号一致，则单片机继续把收到的行车安全状况信息输出给显示部件， 由显示部分显示出汽车的行车安全状况：如果收到的i d 不是本车的i d ，则不承认 汽车安全状态指示，等待本车的安全状态指示信息。车载台系统使用的中心运算控 制部件是单片机8 9 c 5 1 【1 7 】【1 8 】【。 根据上面提出的原理框图，设计电路。方向控制：接p 1 o ，车道号：接p 1 1 ， p 1 2 。无线收发模块的数据输入输出端分别接单片机的串口发送和接收端。系统要 0 中国民用航空学院颁f j 学位论立 求波特率为1 9 2 k ，单片机的晶振频率选用1 1 0 5 9 m h z ，这样，单片机单指令运行 时间约为1 u s 。定时器t 1 工作方式为方式2 ，重装载值为f d ，s m o d = 1 时，串行 口通信的波特率恰为1 9 2 k 。1 x 4 9 1 5 打开发射使能端需要9 m s ，关闭只需要几个 u s 。车载台电路原理如图2 3 所示，车载台接收数据子程序流程图如图2 4 所示， 车载台单片机主程序流程图和中断程序流程图如图2 5 所示，图2 6 为车载台的实 物图。 图2 3 车载台电路原理图 图2 4 车载台接收数据予程序流程图 中国民用航空学院硕十学位论文 图2 5 车载台主程序流程图及车载台中断子程序流程图 图2 6 车载台实物图 2 ) 基站 前面说过，基站就是数字标尺。基站被放置在公路的隔离带上，这样一个基站 就可以兼顾双向行车道。基站主要由六个部分组成，组成原理框图如图2 7 所示。 中国民用航宅学院硕士学位论文 图2 7 基站组成原理框图 沿公路每隔1 0 0 米设置一个基站，车间距大于2 0 0 米为安全距离，小于2 0 0 米 而大于1 0 0 米为预警距离，小于1 0 0 米为告警距离。对于一个行车方向来说，每个 基站需要将其当前的位置登记信息传给其后向的两个基站，基站要兼顾f 反两个行 车方向，所以基站之间的通信是双向的。基站收到车载台的位置登记信息后，把当 前收到的位置登记信息和前向基站传来的数据汇总，从而判断出车间距。这个过程 实际上是对数字标尺地址码的运算。基站算出车间距后，判断该车的安全性，再把 判断结果回发给车载台。这个信息要连同该车的i d 一同回发给车载台。基站的核 心是运算控制部件，本系统使用单片机8 9 c 5 1 。 基站之间的数据通信是短距离低速率的有线数据传输，采用r s 4 2 2 标准通信， 每个基站要接收前面两个基站的数据，然后向其后的两个基站传输数据。 基站的任务有二个：一是接收车载台发出的位置登记信息，做出判断，再把指 示信息回发给车载台；二是把收到的信息传给节点。图2 8 是基站的电路原理示意 图。图2 9 是基站电路原理图。 荐萋收h rp o 叶z * i寓篓豳蕊删后向基站i i 模块p 1 捍 秽卜 t p 1嘲叵 盯可i 模块r 图2 培基站电路原理示意图 中国民用航空学院硕十学位论文 图2 9 基站电路原理圈 基站使用了三片单片机。1 # 单片机的作用是控制无线通信，数据处理和数据 传递。2 # 单片机的作用是接收前向基站的数据和向后向基站发送数据，并向l # 单 片机传递数据。3 # 单片机的作用是将1 # 单片机传递的汽车登记信息发送到节点。 1 # 单片机是基站的核心，其工作过程如下：当收到车载台发来的信息后就从2 # 单片机调入本基站和前向基站的车辆位置登记信息，然后判断当前车辆的行车安 全状况，把判断结果回发给车载台，最后把收到的汽车位置登记信息传给2 # 单片 机。1 # 单片机的主程序流程图如图2 1 0 所示。 中国民用航卒学院硕上学位论空 图2 1 01 # 单片机的主程序流程图 车辆的位置登记信息保存在2 # 单片机，l # 机受到信息后需从2 # 机调入数据 做出判断，数据是通过并行口p o 传递的，单片机之间p 口是以问答方式通信的。 为了使单片机p 口传输数据更为安全，采取如图2 1 1 所示数据传输示意图。过程为， 1 # 单片机将p 2 6 置0 ，表示1 # 机向2 # 机发出调入数据的请求；1 # 单片机在p 口置入数据后，将p 2 _ 3 置l ；2 # 单片机在检测到1 # 单片机p 2 _ 3 为1 时，接收数 据，然后置1 ：1 # 单片机在检测到2 # 单片机p 2 4 为i 后将p 2 3 置0 ，表示等待准 备发送下一个数据：2 # 单片机在检测到l # 单片机p 2 3 为0 后将p 2 4 雹o ，表示 此次数据传输结束，等待接收下一个数据：如此节奏传输数据直到完毕，l # 单片 机将p 2 6 置1 。 中国民用航空学院硕1 j 学位论文 图2 - 1 1 单片机p 口数据传输示意图 l # 机从2 抖帆调入敷据流秘蹦 跳 2 # 机向l # 机传教搬撑序流鞋嘲 图2 1 2p 0 口数据传递的程序流程图 程序流程如图2 1 2 所示，单片机引脚p 2 3 和p 2 4 是问答控制端，c p u 查询这 1 6 中国民用航空学院硕j ：学位论文 两个引脚的电平判断p 口做好接收和发送数据的准备，从而一个字节接着一个字节 的传递数据。1 # 机和2 # 机的主程序初始化时把两片单片机的p 2 3 和p 2 4 引脚都 置为o ，当l # 机的p 2 6 置o ，表示l # 机向2 # 机发出调入数据的请求，2 # 机查 询到p 2 6 为o 后，图2 1 2 是p 0 口数据传递的程序流程图。同理，l # 机向2 # 机 和3 # 机传递数据也是以这种问答方式完成的。 假设当前车在第n 号基站登记该基站存有n 、n + l 和n + 2 号基站的车辆登 记信息。l # 机把数据从2 # 机调入后，就要对当前车的行车状况做出判断。l # 机 从2 # 机调入的数据就是车辆的i d ，数掘存储单元【2 州列表如表2 2 所示： 表2 2 数据存储单元列表 吨道 l 2 基沁 n3 0 h 3 1 h3 2 h 3 3 h 3 4 h 3 5 h3 6 h 3 7 h n + 13 8 h 3 9 h3 a h 3 b h n + 23 c h3 d h 3 e h3 f h 首先，程序判断当前车所在的车道位置，然后对行驶在同一车道上的车辆i d 码做处理。下面以车道1 为例说明判断过程。车辆的i d 是用4 位b c d 码表示，表 中第n 号基站有两个存储i d 的空间，分别存储相邻前后两次登记的i d 码，例如， 3 0 h 和3 1 h 存储的是当前收到的i d ，3 2 h 和3 3 h 存储的是前一次收到的i d 。不论 有几辆车位于第n + 1 号和第n + 2 号基站区域内，只要传给第n 号基站个当前登 记的i d 码即可。这里我们用o f f h 表示小区内无车，当相邻的两个基站有同一个 i d 出现时表明汽车已经驶离后面的小区，进入前面的小区，程序会把后面基站存储 的i d 改为o f f h 。如果在第n 号基站登记的汽车i d 不同，则说明有两辆车处于同 一个小区内，车间小于1 0 0 米，应向后面的车发出严重危险的警告信息。如果在同 一基站登记的汽车i d 相同，则说明只有一辆车位于该小区，如果第n + 1 号基站此 时没有车辆登记信息，则当前车处于安全状态：如果第n + 1 号基站此时有车，则说 明前方有一辆车距当前车的距离在l o o 米一2 0 0 米之间，应向当前车发出警告信息。 判断子程序流程图如图2 1 3 所示，图中r e d 表示严重警告，y e l l 0 w 表示警告， g r e e n 表示安全。 中国民用航窄学院硕i 学位论文 图2 一1 3 判断子程序流程图 2 # 单片机实际上是数据存储和传递模块，实现与l # 机的数据传递和接收前向 基站的数据并向后向基站发送数据的功能。前文已经说明了与l # 机传递数据的设 计原理，这里主要阐明基站间的通信过程。 中国民用航空学院硕士学位论文 n - ln n + l trtrtr 图2 1 4 基站连接示意图 图2 - 1 4 是基站连接示意图，每个基站需要获得其前方两个基站的车辆位置登记 信息，这些数据是从前一个基站发来的，也就是说第n 号基站从第n + 1 号基站得 到第n + 1 和第n + 2 号基站的数据，然后再将第n + 1 号和第n 号基站的数据发给 第n 1 号基站。要求基站每隔o 0 5 秒发一次数