1.1研究背景

高速公路網(wǎng)是國家和地區(qū)在防災救災和戰(zhàn)爭時期國家經(jīng)濟發(fā)展、人民生活持續(xù)進行和國家安全的重要保障。高速公路以其順暢的線形,寬闊的車道,全封閉、全立交的交通控制以及各種有效的交通安全措施,為車輛提供了良好的行車條件。車輛只有以較高的車速行駛,才能充分發(fā)揮高速公路的運營經(jīng)濟效益,同時,人們也己經(jīng)習慣了高速行駛。但在惡劣天氣條件下,高速公路上極易發(fā)生交通事故。

惡劣天氣包括霧、雪、沙塵暴、冰、暴雨、閃電、大風等,是造成道路交通事故的重要因素之一。據(jù)調查,在所有的交通安全事故中,有近四分之一是由于惡劣天氣引起的,可見其對交通安全的危害之大。惡劣天氣的發(fā)生可以導致:一是降低了車輛和道路之間的附著力(如在冰雪、小雨等天氣條件下);二是降低空氣的能見度(霧、雪、暴雨和沙塵都可能引發(fā)此類后果);三是改變了汽車的受力狀態(tài)(如大風的影響),使車輛所受的側向力成倍增大,造成行車過程中的側向失穩(wěn)而發(fā)生交通事故;四是對駕駛員心理的不良影響導致超速行駛。

道路交通事故已成為我國社會經(jīng)濟發(fā)展中嚴重的制約因素,時刻危害著人民的生命和財產安全。如何保障惡劣天氣下的公路通行能力和交通安全己經(jīng)成為每個國家都很重視的社會安全問題,其中高速公路霧區(qū)的交通安全保障就是其重要組成部分。

1.2 高速公路交通安全影響因素

2003年,我國公安交通管理部門共受理了667507萬起道路交通事故案件,死亡人數(shù)達104372萬,受傷人數(shù)494147萬人,直接經(jīng)濟損失達33.7億元,而惡劣天氣導致的交通事故就占總數(shù)的24.5%。圖1.1是2003年我國各種天氣條件下的事故死亡人數(shù)構成示意圖。

圖1.1 2003年各種天氣條件下的事故死亡人數(shù)構成示意圖

據(jù)有關統(tǒng)計表明,全世界每十年因霧發(fā)生的交通事故,導致幾乎6000人死亡。霧導致的能見度下降嚴重地影響了高速公路的行車安全,并帶來了巨大的經(jīng)濟損失和社會、交通、法律等問題。法國在1986年,有1200起交通事故(不含市內)是由于霧引起的,造成182人死亡,175人受傷,1352人輕傷;美國每年因濃霧而引起的車輛碰撞損失高達3億美元以上;英國的倫敦、我國的重慶和上海等許多城市都曾因大霧而使車輛減速行駛以至完全停止交通。雖然世界各國公路交通事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)并未表明霧會在多大程度上增加交通事故的危險性,但許多嚴重的交通事故都和霧有關,而且經(jīng)常是多車連環(huán)追尾相撞的重、特大惡性交通事故,其中的一些在世界范圍內都產生了巨大的影響。

1.2 國內外對霧區(qū)交通安全保障技術的應用研究狀況

1.2.1 國外狀況

目前,許多發(fā)達國家己經(jīng)針對低能見度條件下的交通流分布、交通事故發(fā)生、交通控制模式及交通管理的體系進行了一系列的研究。

(1)美國研究情況

美國對霧區(qū)高速公路的交通安全服務提出了具體要求,NTSB(美國運輸安全理事會)就明確要求霧區(qū)高速公路具備以下控制措施:對交通流和霧的分布進行及時檢測,在霧區(qū)范圍內降低并保持車速,努力降低不同車輛之間的速度差異。并要求通過公共信息和教育使機動車駕駛員能夠了解霧區(qū)行車的各種控制措施。

美國目前正在建立道路氣象信息系統(tǒng)(RWIS一RoadWeatherInformatioSysetm)和圖像監(jiān)視系統(tǒng)作為智能交通系統(tǒng)的一個組成部分。在為道路管理部提供服務的同時,道路氣象信息系統(tǒng)也為道路用戶的出行提供其它的信息服務。為了能及時地得到準確的現(xiàn)實氣象信息,RWSI系統(tǒng)需要在道路沿線布設一定數(shù)量的觀測站,美國華盛頓州已在全州布設了200個觀測站(是美國各州中最多的)。美國各州針對各自的具體情況,建立了合適的霧天行車措施,具體如下:猶他州能見度預警系統(tǒng);猶他州除霧系統(tǒng);維吉尼亞州天氣事故檢測系統(tǒng):華盛頓州車速管理;新澤西州道路天氣信息系統(tǒng):加利福尼亞天氣警示系統(tǒng);田納西州低能見度預警系統(tǒng);卡洛萊納州低能見度提示系統(tǒng)。

(2)意大利研究情況

2002年意大利全國公路嚴重交通事故2350起,122人死亡,3500受傷,主要殺手就是大霧。鑒于歐洲各國交通事故頻繁,歐盟己經(jīng)做出明確規(guī)定:2010年內,必須減少一半的車禍死亡事故。為響應該決策,意大利有關部門于2003年秋推出了一項“抗霧智能公路”計劃。

該計劃由意大利交通部與意大利全國公路管理局以及菲亞特研究中心合作。“抗霧智能公路”系統(tǒng)結合了雷達和激光技術,它可以“穿透霧氣,利于道路暢通”。在霧環(huán)境下,公路沿途、方向指示牌和拐彎處,安全系統(tǒng)的高壓鈉燈會頻閃燈光,提高能見度,以減少司機駕車時的心理壓力。意大利的公路和大部分高速公路將為司機配置先進的安全系統(tǒng),雷達、激光和自動駕駛儀將在霧慢中安全導向公路車輛的駕駛,即使在霧氣蒙蒙的情況下,各種車輛的司機仍可放心駕駛。此技術將首先用于最易受大霧騷擾的北方帕多瓦一布雷西亞和都靈一卡塞利公路段,然后逐漸向所有常見霧天的地區(qū)推廣,目標是至少減少50%的霧天車禍。

除上述技術外,一種與衛(wèi)星連接的特殊技術將被采用,它可以在第一時間向所有與該系統(tǒng)用戶傳送交通信息,例如突發(fā)的的交通事故情況和肇事地點等。此外,“抗霧智能公路”計劃還將引進一級方程式賽車的安全保護設置,以提高汽車在險情下的行駛安全度。

(3)澳大利亞研究情況

澳大利亞主要進行能見度與車輛速度以及速度差異性方面的研究,指出霧天事故高發(fā)的原因主要是車速過高和速度差異引起的車輛間干擾增加。為提高霧天行車的安全性,澳大利亞在高速公路上采取了設置動態(tài)情報板進行大霧預警等措施,并對設置后的車輛速度降低與車速差異減小進行了分析,驗證了設施的有效性。

(4)德國研究情況

德國于80年代初期開始在道路沿線布設天氣檢測設備以檢測天氣的變化及其對道路交通的影響。在德國稱RWIS為SWSI,SWIS的建立進一步增加了氣象檢測站的數(shù)量。而檢測得到的信息將匯總到德國國家氣象服務中心,由其發(fā)布天氣信息并研究新的天氣預測方法。據(jù)德國汽車俱樂部(ADAC)統(tǒng)計,2001年,德國一些地區(qū)由于出現(xiàn)冷霧而發(fā)生464起交通事故,傷757人,死亡30人。最近,德國柏林和勃朗登堡州的化學工程技術人員研制出一種新設備,它能在不添加任何化學物質的情況下將空氣中的冷霧去除掉,同時不污染環(huán)境。新除霧辦法的原理是將深冷二氧化碳,即干冰撒入霧中,讓干冰擔當結晶核的作用。專家建議在公路兩側應固定安裝該除霧設備。

(5)瑞典研究情況

瑞典地處北歐,早在1972年就開始嘗試簡單的天氣警報系統(tǒng),此系統(tǒng)通過電話網(wǎng)絡來傳遞道路的結冰情況。現(xiàn)在瑞典RWSI系統(tǒng)除650個野外觀測站外,還有3顆衛(wèi)星和21個雷達觀測站,因此天氣及道路交通數(shù)據(jù)來源非常廣泛。但就其使用功能來講,該系統(tǒng)仍然主要對冰雪天氣進行監(jiān)測和發(fā)布信息,在霧天觀測和警報中應用較少。

(6)日本研究情況

日本國土狹長,水汽豐富,因此也是大霧多發(fā)的國家,日本所采用的高速公路控制措施除了能見度監(jiān)測及速度、交通量控制以外,還采取了“慢車警告”的控制措施。即通過路側設置的小型情報板提醒駕駛員前方有慢行或停止的車輛,并告知駕駛員前方慢車的距離,督促駕駛員預先做出反應,避免交通事故。根據(jù)使用的情況,該措施被證明是十分有效的。

1.2.2 國內狀況

與國外相比,國內霧區(qū)交通安全的研究工作起步較晚,研究也不夠深入。交通部公路科研所、廣東省交通廳以及中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所對京珠北高速公路紅云霧區(qū)安全保障技術方面開展了相應研究,分別進行了霧的結構與預測預報方法研究、霧的觀測方法的研究、霧區(qū)交通安全與監(jiān)控系統(tǒng)以及霧的監(jiān)控方案的研究等。并且在京珠北高速公路紅云霧區(qū)路段建立了高速公路監(jiān)控系統(tǒng),采用了交通檢測器、氣象檢測器、VMS、路側霧燈等交通監(jiān)控、誘導技術。

北京市公路局開展了“高速公路霧警自動限速標志系統(tǒng)”的研究,著重解決目前華北地區(qū)冬季由于大霧引起的高速公路安全事故和高速公路關閉問題。

江蘇省氣象局與江蘇省寧滬高速公路股份公司合作,先后完成了“寧滬高速公路(江蘇段)秋冬季大霧災害研究”、“江蘇省高速公路大霧遙感監(jiān)測業(yè)務系統(tǒng)”、總裝備部“低云大霧實時檢測預報服務系統(tǒng)”。這些研究對大霧天氣的預報和適當?shù)慕煌ü芾泶胧┑牟捎糜幸欢ǖ闹笇б饬x。

上海市氣象局建立的城市道路能見度監(jiān)測預報系統(tǒng)。在對城市霧的研究方面也取得了一系列的成果。

徐虹結合陜西省西寶、西渭、西銅幾條高速公路,研究了秋冬大霧及其特點,并提出了概念模型。在城市霧方面,李習明、楊文賢分別研究了西安地區(qū)的霧,進行了個例分析匯川。這些工作的開展為高等級公路和城市道路氣象服務奠定了較好的基礎。

1.2.3 國內一些課題研究

近年來人們的收入水平迅猛提高，汽車作為交通工具被越來越多的人使用，隨之而產生的汽車安全行駛問題也逐漸被人們重視起來。在大霧天氣，政府會把部分高速公路資源封閉起來，這種方法減少了大霧天氣行車所帶來的安全問題，但是國家資源遭到了浪費，如何既安全又經(jīng)濟的解決汽車的大霧天氣行駛變成了諸多交通部門考慮的問題。隨著微電子技術，計算機技術的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)正在應用到越來越多的領域，在交通安全領域亦有很好的應用。超聲波作為測距設備具有可靠性高，成本低的優(yōu)點，利用數(shù)字調制技術進行超聲波數(shù)字發(fā)送能加強超聲波測距的抗干擾性和安全性。借助GPS對汽車進行定位增強霧天行車的便捷性，可實時提醒駕駛員高速公路出口位置等信息。

在這個背景之下，本文設計了一套基于超聲波和GPS的霧天行車輔助系統(tǒng)的解決方案。基于嵌入式 Linux 系統(tǒng)，使用三星公司的嵌入式芯片S3C2440作為主控制芯片，依托于自己獨立設計的超聲波數(shù)字識別測距模塊，并借助GPS模塊，對高速公路霧天行車輔助系統(tǒng)所需要的關鍵技術進行了研究與設計。本文具體做了以下幾方面的工作：

1. 根據(jù)霧天行車輔助系統(tǒng)的技術要求，利用頻移鍵控技術設計了超聲波數(shù)字識別測距模塊。模塊使用單片機進行控制，其軟件算法設計主要包括兩部分，第一部分進行了通信協(xié)議設計，實現(xiàn)了數(shù)字調制發(fā)射超聲波信號，第二部分借助有限狀態(tài)機設計數(shù)字信號解調算法，實現(xiàn)了解調超聲波信號，通過比對于發(fā)送與接收信息內容并計算時差，最終完成數(shù)字識別測距任務。

2. 研究了 GPS 報文協(xié)議，設計了GPS報文數(shù)據(jù)提取算法，通過 GPS 模塊得到汽車所處位置，汽車行駛速度等信息。

3. 結合超聲波數(shù)字識別模塊和 GPS 模塊設計了高速公路霧天行車輔助系統(tǒng)。其中超聲波數(shù)字識別模塊用于前方測距和左方測距，GPS用于定位和測速。各個模塊使用通用異步串行接口與 ARM9 嵌入式微處理器S3C2440進行通訊。嵌入式Linux 操作系統(tǒng)對各模塊進行總體調度，最終結果通過使用QT設計的界面向用戶顯示輸出。