双车道公路雾区智能引导系统

2万 · 2019-4-20 14:52

双车道公路雾区智能引导系统研究
山区双车道公路陡坡急弯、道路狭窄，交通安全设施不完善，且山区海拔较
高、植被茂密，常出现团雾低能见度天气，极易发生交通事故。目前静态、被动
的雾区警示标牌，仅仅以警示的方式告知驾驶员雾区路段谨慎驾驶，无法有效保
障车辆在低能见度环境下的行驶安全。
为改善上述现实存在的交通问题，论文从智能交通的角度，借助通信、电子
传感、自动化控制、计算机等技术，研究设计双车道公路雾区智能引导系统。该
系统根据大雾预警级别分级，从而实现不同能见度等级下的道路线形显示和车辆
主动诱导功能，并可对道路交通情况实时监控。论文根据双车道公路特点，确定
系统架构和技术方案，提出单侧式车辆感知、双面式雾灯的创新设计。根据系统
总体规划，论文主要针对车辆感知技术、系统软硬件及通信进行研究。经理论分
析、车辆探测实验，系统选用24GHz毫米波雷达作为车辆感知传感器，判断车辆
位置和行驶方向，为实现主动诱导功能提供车辆信息，并采用正交实验的方式研
究不同高度、角度组合下毫米波雷达的车辆识别规律。路侧诱导单元以主控芯片
STM32F 103RCT6为核心，搭载毫米波雷达、LED信号灯、LED字幕板、摄像头、
GPRS及无线RF通信等模块实现硬件功能。并利用Album Designer软件进行电路
原理电路图和印制电路板的绘制。系统选用C语言通过RTX实时操作系统进行软
件功能设计。系统上位机与路侧诱导单元、能见度仪间的无线通信由通用分组无
线服务技术实现，而路侧诱导装置间的数据通信由无线射频技术实现。经软硬件
结合并生产、焊接及组装和功能测试，本系统工作运行稳定，达到设计要求。
论文研究成果“双车道公路雾区智能引导系统”应用于贵州省德江县境国道
6326线K155+440}K158+420路段。该双车道公路团雾多发，并伴有陡坡急弯、
道路狭窄特点。根据应用需求，设计双面式路侧诱导灯箱，并完成样机测试和系
统布设方案设计，以实现低能见度下的道路线形和车辆警示诱导效果。最后，对
系统研究和应用做出简要结论，并对系统改善及后续工作提出建议。

2万 · 2019-4-20 14:58

当接近地面的空中悬浮着大量的小水珠或冰晶，物体的可视水平距离小于
1000米时，这种天气现象称之为雾[[1]。形成雾的小水滴和冰晶有许多反射面。光
线遇到雾滴会被反射或强散射，雾使空气透明度下降，因而造成视程障碍，使能
见度恶化。
空气中所容纳的水汽一定，温度越高，所容纳的水汽越多。在温度环境一定
时，水汽在空中会达到最大浓度值，呈现饱和状态。当水汽继续增多，就会同微
小颗粒或是粉尘结合成为小水滴。一天之中，白天的温度较夜晚高，白天水汽的
饱和度也较夜晚的值大，当夜幕降临时空气中容纳的最大水汽含量降低，容易形
成雾。在秋冬春季节，清晨气温低，空气湿度大，便最容易形成雾。由此，可看
出雾形成有三个重要条件:湿度、温度和凝结核。
根据雾的形成机制的有所不同，常常把雾可分为辐射雾、平流雾、上坡雾、
混合雾等。辐射雾是由辐射冷却形成，多数出现在晴朗、微风、水汽充沛稳定或
有逆温存在的夜间和清晨;平流雾是指湿润热空气水平运动，在经过寒冷的地面
或水面时，空气中的水蒸汽遇冷液化形成雾;上坡雾是潮湿空气随坡而上，绝热
冷却使空气中的水汽过饱和而产生雾。
我国地域辽阔、河流纵横，水汽丰沛，雾出现的频率较高。雾又是千变万化，
纷繁复杂的。雾在我国的频发区域主要集中于沿海和山区。

2万 · 2019-4-20 14:58

沿海地区易形成海雾。海雾具有特色鲜明的海域性，由于海区和地形环境的
差异，雾的时空分布在不同沿海区域内具有较强局域性，不同地区雾的程度和持
续时间也有较大差别。我国的沿海地区常有雾发生，在广西、浙江、江苏、青岛、
天津、大连等沿海或近海地区都易形成雾。当周围环境满足时，登陆的海雾甚至
最远可延伸到内陆区域几百公里的距离，又由于海雾可连续补充的特点，其持续
的时间可达到若干天[[Z]
海雾的形成常常是由暖洋面形成的暖湿气流流动到较冷水面区域附近，由于
气温降低而冷凝成小水滴，当风力、风速适中时，将其吹向沿海地区，最终造成
了沿海地区大雾的天气环境，这也就是平流冷却雾。由此看出，它与海温场作用
和海表低空温差有关。雾日数频率随海温的升高而减少。海雾的形成中降温和曾
湿是两个必不可少的基本要素。此外，雾的生成与风速风向有密切的关系。海雾
季节性特点十分鲜明，春季和初冬季雾天发生频率大、夏秋季较少。一天中凌晨1
点至上午九点出现雾天的频率较高，近几年来能见度较低的大雾天气持续时间超
过6小时的频次也愈来愈多，尤其是极端长时间难以消散的大雾天气较过去相比
更加频繁。对沿海地区来说，风速是一个十分关键的因素，风速小于等于7m/s时
起雾概率更大，其中风速为1^}3m/s时对雾天的形成更加有力[[3]
山区雾形成机理较沿海复杂。影响山区起雾的因素包含:地面气象要素(如
气温、水汽、风)、层结特征、山区地形环境、森林小气候等多个方面。
从一定角度上讲，气温下降是近地层辐射冷却的状态的一种体现，和雾的产
生和持续都扮演着必不可少角色。有学者研究发现，夜间降温越大，起雾的概率
就越大[[4]。此外，空气湿度对于雾的产生也非常重要。当近地层的温度一定时，其
空气的湿度增加，雾在近地层形成的概率就越大。风对雾的形成和维持起着即可
能增强亦会削弱的作用，在辐射雾的产生、持续和消除过程中表现出非常明显的
作用。在近地层温度和湿度环境因素较好的情况下，大气低层的水汽可在一定风
力风速的动力推动下传输到较高位置进而扩散，对雾的形成与持续有很大的帮助，
但当风速风力超过一定范围，大气的流动性增强，水汽的扩散到更广的范围，不
利于雾的形成和持续。相关资料表明，雾天的出现和风速有一定联系，大雾更容
易出现在日平均风速小于3 m/s的天气环境下，而风速小于1.Om/s的非静风是雾日
最容易出现的情况。逆温现象的出现促进了雾的形成。在低层大气中，理论上气
温是随高度的增加而降低。但有时会出现相反的情况，气温随高度的增加而升高，
称之为逆温，而出现这种现象的大气层称之为逆温层。近地面逆温层的水汽和微
小尘埃含量相对更高，因此对雾的形成和维持起着正向的推动作用。对于地势地
形而言，喇叭状地形更有助于雾的形成，对于三面横山一面开口呈喇叭形的的谷
地。当气流向内流入时，地形的收紧变窄会引起气流上浮，致使喇叭口内的水汽
堆积，导致其空气湿度增大。因此，具有一定湿度的空气被气流推进喇叭口，在
继续随气流上升，在谷底部区域水汽沉积，不断累积达到饱和，最终形成了雾[}s]
山区中雾的产生和山区所在位置、自然环境等因素联系紧密，尤其是森林小气候
的作用。森林小气候的形成主要取决于植被覆盖率的大小。由于植被的覆盖和遮
挡，阳光的有效辐射降低、天气温度升降不明显、区域内的湿度增加、风力风速
减弱，这些森林小气候特征均有利于雾的产生和持续，使雾难以消散。山区植被
覆盖的森林中，茂密林区削弱了太阳辐射照度，山区内吸收到的热量有限，进入
夜晚后植被蒸发持续温度下降;又由于森林的蒸腾效果明显，又具有保湿作用，
使得林区的空气湿度大于林外湿度，尤其在夏季表现得更为明显;森林对风速有
非常明显的减弱作用，在林区内部形成局部环流，有利于贴地层水汽的交换。这
些均有利于雾的形成[6]
海拔高度和周边环境的不同，山区年均雾天可达到平地区的几倍甚至多达十
几倍，并且雾日的形成呈现出明显的季节性[7]。山区大雾发生频率表现为冬、春季
高于夏、秋季。雾从有到无会经历从生成、持续到最终消散3个阶段变化过程。
综上所述，影响雾产生的要素有:风、温度、湿度、地理环境、凝结核等。

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双车道公路是车道数量为2，设计车辆分向、分车道行驶的公路，在我国公路
网中最为普遍。在双车道公路的两个行车方向上各有一条车道，并且车行道间没
有分隔，每个方向车道用于一个方向的车辆通行，只有当视距和对向车流间隙均
允许条件下，才可借用对向车道超越慢速车。因此，对于行驶于双车道公路的车
辆来说，一方面受同向车辆制约，另一方面还受到对向车流的影响。对于双车道
公路，车道宽度、地形条件、交通组成等因素都会影响到双车道公路车辆的运行。
在低能见度环境下，由于可视距离减小，对道路环境及边界感知减弱，难以
察觉道路边界和前方车辆，尤其在双车道环境下，没有中央分隔带对双向车流加
以分隔保护，因此极易发生追尾、相撞、驶出车道等交通事故。因此在大雾常发、
团雾频发双向双车道公路危险路段布设本引导系统，通过道路轮廓和道路线性显
示、路侧单元对车辆主动诱导、实时监控路况等一系列的雾区路段安全保障措施，
有助于警示驾驶员在雾区环境下谨慎驾驶、显示道路边界、建立雾区路段车辆行
驶的闭塞区间、保障行驶车辆安全距离以及道路或交通管理人员及时掌握路况信
息。
雾区智能引导策略根据大雾预警级别进行划分，可实现不同能见度等级下的
引导功能。双车道公路雾区引导系统借鉴高速铁路“闭塞区间”防追尾原理，建立等
级双车道公路团雾(团雾)环境下车辆安全通行的“闭塞区间”。利用能见度探测设
备实时探测管控路段的大气能见度;当低于设定的阂值时，唤醒“雾区智能引导
系统”，道路两侧的黄色雾灯点亮，实现静态显示，照亮道路轮廓，显示道路线
形，路侧字幕板显示“谨慎驾驶”;当能见度降低至一定范围内时，路侧诱导单
元通过单侧车辆感知技术实时探测单向车流信息，当有车辆经过时，字幕板显示“前
方有车”警示后面车辆，同时道路两侧面向车流方向的雾灯由黄色变成红色，显示
汽车尾迹，形成一个50^' 100米的“闭塞区间”。因此，通过双车道公路雾区引
导系统的路侧诱导灯颜色的警示变化，使道路线性明显易辨认，保证了低能见度
环境下的车头间距从而控制了车流量和车速，也有助于驾驶员在团雾能见度较低
情况下准确及时获得前方道路及车辆信息，提高车辆通行效率，减少交通事故率，
降低因雾天造成的交通安全隐患，保障行车安全。

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路侧诱导单元负责对行驶车辆进行识别并主动引导。双车道公路设计中规定
双车道公路具有两个行车方向，并各有一条车道，车道间没有中央分隔带。每个
路侧诱导单元主要由诱导灯、车辆探测装置、通信模块和主控芯片组成，其等距
安装于双向车道两侧，但不同于目前常用的雾区智能诱导系统，不再需要道路中
线处安装。单个诱导灯箱单元可实现单车道车辆探测、双向车辆诱导、双面字幕
板信息显示等功能。相近的路侧诱导单元间通过短距离无线通信技术传输控制信
息和显示指令。当路侧诱导单元检测到路段有异常情况发生时，上位机发送拍照
指令至摄像头对雾区路段进行实时监控。
双车道公路雾区智能引导系统的路侧诱导单元选用收发一体式车辆感知技
术，对单侧车道的车辆进行识别，确定车辆的存在和方向，为系统实现主动引导
功能提供车辆信息;路侧诱导单元的灯箱设计为双面式，即每个路侧灯箱在道路
车流的两个方向上都安装有LED灯板，可根据系统指令对双向车辆进行主动引导。
双面式灯箱的灯板可显示黄色、红色两种颜色，为方便驾驶员理解，使系统对车
辆引导直观且高效，字幕板也会相应显示:谨慎驾驶、前方有车、前方事故等不
同提示信息。单侧式车辆探测模块和双面灯板协同工作，可实现对双向行驶车辆
的主动诱导功能。

2万 · 2019-4-20 15:54

为系统实现警示、诱导、监控等功能，对引导系统进行功能需求分析，以便
对硬件方案、软件方案、通信方式的选择及设计。本引导系统路侧诱导单元的设
计核心是单片机作为现场控制端并搭载外围电路，引导系统的功能需求分析如下:
①路侧引导单元接受上位机指令:确定工作模式显示相应信息，拍照实时
上传到服务器，远程设定各项功能参数、启动或关闭。
②系统工作状态和异常情况，自动检测并上报数据中心。
③不同模式下灯光和提示信息显示功能。当能见度良好，只开启信息统计;
能见度达到一定范围，诱导灯点亮，并提示谨慎驾驶;当能见度降低到一定阂值，
探测车辆经过信息，自动切换红黄灯并显示前方有车;在事故状态下，开启LED
点阵面板提示前方事故。
④通过选择合适的车辆探测传感器，对单向车道所行驶车辆进行探测感知。
⑤通过一定的通信方式，引导单元间信息指令传递。尤其在道路线性显示
功能时，系统信号LED灯同步开启和关闭;能见度较低，路侧诱导单元对车辆主
动诱导时，通知对面灯光同步开启、关闭。

2万 · 2019-4-20 16:20

单片机利用VLSI技术在一块硅片上集成CPU, RAM, ROM、多种I/O口、
中断系统、定时器/计数器等功能电路。它在军事、工业、汽车、家电等多个领域
都有着大量应用，常用于控制、监视设备。单片机面向产品应用具备:功能强大、
可靠性高、成本低、体积小、功耗低等优势。单片机在计算机技术、电子信息技
术、半导体技术、控制技术和通信技术的发展支撑下，显示出较大的潜能和活力。
在国防与航天、工业控制、交通管理、物流管理、环境工程、信息家电、机器人、
医疗电子等众多领域单片机技术都具有非常广阔的应用前景。
在系统实现设计中，需结合具体应用，在成本、性能、可扩展性、开发周期
等各因素权衡应用需求，选择适合的微处理单元作为系统核心的主控器件，再进
行系统外围电路的设计和搭建。
目前常用典型MCU有:16位混合型好处理器MSP430, CMOS8位片内Flash
型的89C51、意法半导体的STMB, STM32产品系列、精简指令集8位高速单片
机AVR等，各系列参数如下表所示。根据前面功能需求分析，实现目标可以初步
得出:随机存取存储器RAM不小于20k，通用异步收发传输器DART多余3个并
且波特率可到11.52kbps，主频大于8MHz o

2万 · 2019-4-20 16:57

2万 · 2019-4-20 16:59

根据上述需求及各系列MCU参数对比，选择STM32f10x系列LQFP64封装
的S TM32F 103系列中的STM32F 103RCT6作为主控芯片。该芯片主要特性:
①核心采用ARM 32位CortexTM-M3 CPU，时钟高达72兆赫，90 DMIPS
1.25DMips/NIFIz运算能力;
②单周期乘法和硬件除法;
③64K或128Kbytes闪存程序存储器，20-48kbyte RAM;
④2.0V到 3.6V供电和I/O引脚，上电、断电复位(POR/PDR，可编程电
压监测器
⑤可用外部4至16MHz的晶体振荡器、带校准功能的32kHz RTC低速振荡
器，自带经出厂调校的8MHz内部RC振荡器和内嵌带校准的40kHz低速RC振荡
器、产生CPU时钟的PLL锁相环等;
⑥睡眠、停机、待机等多种低功耗模式，并有备份电池供电的RTC及后备
寄存器;
⑦2个12位ADC，最多16通道输入采样，采样转换范围为。^-3.6V，双采
样和保持功能;
⑧7通道DMA控制器，支持USART, SPI, ADC, IZC等外设;
⑨SWD和JTAG串行单线调试接口;
⑩NVIC中断向量控制器，可灵活配置中断响应;
@最多7个定时器，其中1个24位系统时间自减型定时计数器，2个看门
狗定时器，16位电机PWM高级控制定时器，带死区控制和紧急刹车功能;
⑩多达3个USART, 2个IZC } 2个SPI, CAN接口，1个USB 2.0全速接
口;
⑩所有通用输入/输出有可选择的带上拉、下拉、浮空、推挽的输入、输出
功能，所有端口均可兼容SV电压;
@全系列芯片从20pin到144pin引脚封装可供选择，分PA至PF，每组有
16个IO，当外设或引脚不足时可以快速更换电路设计而无需修改软件。

2万 · 2019-4-20 17:02

2万 · 2019-4-20 17:15

无线通信是指通过接发电磁波信号进行信息传递的一种通信手段，尤其在近
年来无线通信发展快、应用广。当下常用无线通信技术有2G, 3G, LTE, WLAN,
RFC, Bluetooth, UWB和ZigBee等，其工作频段、调制方式、辐射距离、数据
率各不相同，因此在不同领域下有各自的应用。
在双车道公路雾区引导系统的研究设计中，上位机与路侧诱导单元、上位机
和能见度仪间相距较远，其指令和图片等信息的传递需借助无线通信。考虑到成
本、应用环境和资源等因素，本系统的远程控制是借助GPRS通用分组无线服务
技术实现的。GPRS属于第二代移动通信数据传输技术，利用GSM网络中未使用
的TDMA信道，提供10倍于GSM的传输速度，兼具永远在线、按流量计费、全
国省市覆盖区域广等突出优势。

2万 · 2019-4-20 17:15

关于USB芯片驱动加载、识别、生成和安装，可以利Cypress官方提供的cyusb.inf进行驱动加载识别，然后再利用“NI-VISA驱动生成向导”生成一个NI MAX和LabVIEW可以正常识别和安装的驱动程序，这样上位机就可以使用LabVIEW访问这个USB接口了。关于USB下位机（FPGA）应用程序开发，指的是FPGA上的代码编写。譬如用户可以做一个基于FPGA的USB采集卡，将AD采集到数据通过USB芯片实时发送到PC上，这段代码我们可以利用LabVIEW来开发，不需要传统的VHDL/Verilog，这里称之为下位机LabVIEW FPGA编程。

1万 · 2019-5-10 10:01

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1万 · 2019-5-10 10:02

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1万 · 2019-5-10 10:11

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双车道公路雾区智能引导系统

技术奇才奖章

伴坛终老