1.1研究背景

高速公路网是国家和地区在防灾救灾和战争时期国家经济发展、人民生活持续进行和国家安全的重要保障。高速公路以其顺畅的线形,宽阔的车道,全封闭、全立交的交通控制以及各种有效的交通安全措施,为车辆提供了良好的行车条件。车辆只有以较高的车速行驶,才能充分发挥高速公路的运营经济效益,同时,人们也己经习惯了高速行驶。但在恶劣天气条件下,高速公路上极易发生交通事故。

恶劣天气包括雾、雪、沙尘暴、冰、暴雨、闪电、大风等,是造成道路交通事故的重要因素之一。据调查,在所有的交通安全事故中,有近四分之一是由于恶劣天气引起的,可见其对交通安全的危害之大。恶劣天气的发生可以导致:一是降低了车辆和道路之间的附着力(如在冰雪、小雨等天气条件下);二是降低空气的能见度(雾、雪、暴雨和沙尘都可能引发此类后果);三是改变了汽车的受力状态(如大风的影响),使车辆所受的侧向力成倍增大,造成行车过程中的侧向失稳而发生交通事故;四是对驾驶员心理的不良影响导致超速行驶。

道路交通事故已成为我国社会经济发展中严重的制约因素,时刻危害着人民的生命和财产安全。如何保障恶劣天气下的公路通行能力和交通安全己经成为每个国家都很重视的社会安全问题,其中高速公路雾区的交通安全保障就是其重要组成部分。

1.2 高速公路交通安全影响因素

2003年,我国公安交通管理部门共受理了667507万起道路交通事故案件,死亡人数达104372万,受伤人数494147万人,直接经济损失达33.7亿元,而恶劣天气导致的交通事故就占总数的24.5%。图1.1是2003年我国各种天气条件下的事故死亡人数构成示意图。

图1.1 2003年各种天气条件下的事故死亡人数构成示意图

据有关统计表明,全世界每十年因雾发生的交通事故,导致几乎6000人死亡。雾导致的能见度下降严重地影响了高速公路的行车安全,并带来了巨大的经济损失和社会、交通、法律等问题。法国在1986年,有1200起交通事故(不含市内)是由于雾引起的,造成182人死亡,175人受伤,1352人轻伤;美国每年因浓雾而引起的车辆碰撞损失高达3亿美元以上;英国的伦敦、我国的重庆和上海等许多城市都曾因大雾而使车辆减速行驶以至完全停止交通。虽然世界各国公路交通事故统计数据并未表明雾会在多大程度上增加交通事故的危险性,但许多严重的交通事故都和雾有关,而且经常是多车连环追尾相撞的重、特大恶性交通事故,其中的一些在世界范围内都产生了巨大的影响。

1.2 国内外对雾区交通安全保障技术的应用研究状况

1.2.1 国外状况

目前,许多发达国家己经针对低能见度条件下的交通流分布、交通事故发生、交通控制模式及交通管理的体系进行了一系列的研究。

(1)美国研究情况

美国对雾区高速公路的交通安全服务提出了具体要求,NTSB(美国运输安全理事会)就明确要求雾区高速公路具备以下控制措施:对交通流和雾的分布进行及时检测,在雾区范围内降低并保持车速,努力降低不同车辆之间的速度差异。并要求通过公共信息和教育使机动车驾驶员能够了解雾区行车的各种控制措施。

美国目前正在建立道路气象信息系统(RWIS一RoadWeatherInformatioSysetm)和图像监视系统作为智能交通系统的一个组成部分。在为道路管理部提供服务的同时,道路气象信息系统也为道路用户的出行提供其它的信息服务。为了能及时地得到准确的现实气象信息,RWSI系统需要在道路沿线布设一定数量的观测站,美国华盛顿州已在全州布设了200个观测站(是美国各州中最多的)。美国各州针对各自的具体情况,建立了合适的雾天行车措施,具体如下:犹他州能见度预警系统;犹他州除雾系统;维吉尼亚州天气事故检测系统:华盛顿州车速管理;新泽西州道路天气信息系统:加利福尼亚天气警示系统;田纳西州低能见度预警系统;卡洛莱纳州低能见度提示系统。

(2)意大利研究情况

2002年意大利全国公路严重交通事故2350起,122人死亡,3500受伤,主要杀手就是大雾。鉴于欧洲各国交通事故频繁,欧盟己经做出明确规定:2010年内,必须减少一半的车祸死亡事故。为响应该决策,意大利有关部门于2003年秋推出了一项“抗雾智能公路”计划。

该计划由意大利交通部与意大利全国公路管理局以及菲亚特研究中心合作。“抗雾智能公路”系统结合了雷达和激光技术,它可以“穿透雾气,利于道路畅通”。在雾环境下,公路沿途、方向指示牌和拐弯处,安全系统的高压钠灯会频闪灯光,提高能见度,以减少司机驾车时的心理压力。意大利的公路和大部分高速公路将为司机配置先进的安全系统,雷达、激光和自动驾驶仪将在雾慢中安全导向公路车辆的驾驶,即使在雾气蒙蒙的情况下,各种车辆的司机仍可放心驾驶。此技术将首先用于最易受大雾骚扰的北方帕多瓦一布雷西亚和都灵一卡塞利公路段,然后逐渐向所有常见雾天的地区推广,目标是至少减少50%的雾天车祸。

除上述技术外,一种与卫星连接的特殊技术将被采用,它可以在第一时间向所有与该系统用户传送交通信息,例如突发的的交通事故情况和肇事地点等。此外,“抗雾智能公路”计划还将引进一级方程式赛车的安全保护设置,以提高汽车在险情下的行驶安全度。

(3)澳大利亚研究情况

澳大利亚主要进行能见度与车辆速度以及速度差异性方面的研究,指出雾天事故高发的原因主要是车速过高和速度差异引起的车辆间干扰增加。为提高雾天行车的安全性,澳大利亚在高速公路上采取了设置动态情报板进行大雾预警等措施,并对设置后的车辆速度降低与车速差异减小进行了分析,验证了设施的有效性。

(4)德国研究情况

德国于80年代初期开始在道路沿线布设天气检测设备以检测天气的变化及其对道路交通的影响。在德国称RWIS为SWSI,SWIS的建立进一步增加了气象检测站的数量。而检测得到的信息将汇总到德国国家气象服务中心,由其发布天气信息并研究新的天气预测方法。据德国汽车俱乐部(ADAC)统计,2001年,德国一些地区由于出现冷雾而发生464起交通事故,伤757人,死亡30人。最近,德国柏林和勃朗登堡州的化学工程技术人员研制出一种新设备,它能在不添加任何化学物质的情况下将空气中的冷雾去除掉,同时不污染环境。新除雾办法的原理是将深冷二氧化碳,即干冰撒入雾中,让干冰担当结晶核的作用。专家建议在公路两侧应固定安装该除雾设备。

(5)瑞典研究情况

瑞典地处北欧,早在1972年就开始尝试简单的天气警报系统,此系统通过电话网络来传递道路的结冰情况。现在瑞典RWSI系统除650个野外观测站外,还有3颗卫星和21个雷达观测站,因此天气及道路交通数据来源非常广泛。但就其使用功能来讲,该系统仍然主要对冰雪天气进行监测和发布信息,在雾天观测和警报中应用较少。

(6)日本研究情况

日本国土狭长,水汽丰富,因此也是大雾多发的国家,日本所采用的高速公路控制措施除了能见度监测及速度、交通量控制以外,还采取了“慢车警告”的控制措施。即通过路侧设置的小型情报板提醒驾驶员前方有慢行或停止的车辆,并告知驾驶员前方慢车的距离,督促驾驶员预先做出反应,避免交通事故。根据使用的情况,该措施被证明是十分有效的。

1.2.2 国内状况

与国外相比,国内雾区交通安全的研究工作起步较晚,研究也不够深入。交通部公路科研所、广东省交通厅以及中国气象局广州热带海洋气象研究所对京珠北高速公路红云雾区安全保障技术方面开展了相应研究,分别进行了雾的结构与预测预报方法研究、雾的观测方法的研究、雾区交通安全与监控系统以及雾的监控方案的研究等。并且在京珠北高速公路红云雾区路段建立了高速公路监控系统,采用了交通检测器、气象检测器、VMS、路侧雾灯等交通监控、诱导技术。

北京市公路局开展了“高速公路雾警自动限速标志系统”的研究,着重解决目前华北地区冬季由于大雾引起的高速公路安全事故和高速公路关闭问题。

江苏省气象局与江苏省宁沪高速公路股份公司合作,先后完成了“宁沪高速公路(江苏段)秋冬季大雾灾害研究”、“江苏省高速公路大雾遥感监测业务系统”、总装备部“低云大雾实时检测预报服务系统”。这些研究对大雾天气的预报和适当的交通管理措施的采用有一定的指导意义。

上海市气象局建立的城市道路能见度监测预报系统。在对城市雾的研究方面也取得了一系列的成果。

徐虹结合陕西省西宝、西渭、西铜几条高速公路,研究了秋冬大雾及其特点,并提出了概念模型。在城市雾方面,李习明、杨文贤分别研究了西安地区的雾,进行了个例分析汇川。这些工作的开展为高等级公路和城市道路气象服务奠定了较好的基础。

1.2.3 国内一些课题研究

近年来人们的收入水平迅猛提高，汽车作为交通工具被越来越多的人使用，随之而产生的汽车安全行驶问题也逐渐被人们重视起来。在大雾天气，政府会把部分高速公路资源封闭起来，这种方法减少了大雾天气行车所带来的安全问题，但是国家资源遭到了浪费，如何既安全又经济的解决汽车的大雾天气行驶变成了诸多交通部门考虑的问题。随着微电子技术，计算机技术的飞速发展，嵌入式系统正在应用到越来越多的领域，在交通安全领域亦有很好的应用。超声波作为测距设备具有可靠性高，成本低的优点，利用数字调制技术进行超声波数字发送能加强超声波测距的抗干扰性和安全性。借助GPS对汽车进行定位增强雾天行车的便捷性，可实时提醒驾驶员高速公路出口位置等信息。

在这个背景之下，本文设计了一套基于超声波和GPS的雾天行车辅助系统的解决方案。基于嵌入式 Linux 系统，使用三星公司的嵌入式芯片S3C2440作为主控制芯片，依托于自己独立设计的超声波数字识别测距模块，并借助GPS模块，对高速公路雾天行车辅助系统所需要的关键技术进行了研究与设计。本文具体做了以下几方面的工作：

1. 根据雾天行车辅助系统的技术要求，利用频移键控技术设计了超声波数字识别测距模块。模块使用单片机进行控制，其软件算法设计主要包括两部分，第一部分进行了通信协议设计，实现了数字调制发射超声波信号，第二部分借助有限状态机设计数字信号解调算法，实现了解调超声波信号，通过比对于发送与接收信息内容并计算时差，最终完成数字识别测距任务。

2. 研究了 GPS 报文协议，设计了GPS报文数据提取算法，通过 GPS 模块得到汽车所处位置，汽车行驶速度等信息。

3. 结合超声波数字识别模块和 GPS 模块设计了高速公路雾天行车辅助系统。其中超声波数字识别模块用于前方测距和左方测距，GPS用于定位和测速。各个模块使用通用异步串行接口与 ARM9 嵌入式微处理器S3C2440进行通讯。嵌入式Linux 操作系统对各模块进行总体调度，最终结果通过使用QT设计的界面向用户显示输出。