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智慧交通系统解决方案

2017-08-24 11:15 来源:致远电子 作者:电源网

你是否曾在十字路口望着绿灯变红却只能排队等候,在下班路上归心似箭却只能龟速行进,因为拥堵而丧失驾驶激情。现在,智慧交通管理系统来了,系统通过检测设备采集交通信息,并经整合计算,使驾驶道路成为绿波带,让你畅行无阻,点燃你行驶的速度和驾驶的激情。

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图1  日常交通拥堵现状

智慧交通管理系统的大脑为交通指挥中心,指挥中心管理着多个子系统。各个子系统有其独立的功能,又相互协作。这些子系统建立在底层的硬件设备之上,硬件设备主要由6个控制器和一些检测设备构成。智慧交通管理系统的整体架构如图2所示。

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图2  路口交通管理系统

1.1 交通信息采集系统

交通信息采集系统是利用安装在车辆上和道路上的交通信息采集设备(传感器、摄像机等)进行车流量、车速、车长(车辆分型),车间距、拥堵状况等信息进行收集、处理和传输。是智慧交通管理系统中交通信息的数据源头。

1.1.1 交通信息检测器

交通信息检测器主要功能是接收检测器(地磁、摄像头)发送的检测数据,对得到的检测数据进行处理,然后将这些数据信息传输给别的子系统和交通指挥中心。设备配置有显示屏,可通过显示屏查看采集数据和通讯信息,也可通过显示屏设置通讯参数和对检测器进行参数配置。

广州致远电子采用Freescale i.MX6UL系列Cortex-A7处理器的M6G2C系列核心板做为控制器,设计出了交通信息检测器,检测器拥有丰富的接口资源和处理能力,并且配置了大容量工业级eMMC存储器和TF卡,用来存储采集数据。检测器可以通过网口进行固件的远程升级,减少后期的工作量。产品的方案框图如图3所示。核心板实物图如图4所示。

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图3  交通信息检测器方案

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图4  M6G2C核心板

1.1.2 地磁检测模块

对车流量的检测,目前使用最广的技术是通过地磁传感器进行检测。地磁检测模块内部具有控制器,控制器将检测到的数据处理过后通过无线模块发送到交通信息检测器。对于地磁监测模块7*24小时供电系统和稳定的无线传输需求,zigbee和LoRa的低功耗和高稳定性的组网模式应用于此优势就尤为明显,广州致远电子为用户提供Zigbee模块和LoRa模块来解决地磁检测模块的无线传输问题。同时还为用户提供各种天线布局方面的协助服务,为用户缩短研发周期、提升产品整体竞争力提供有效的保证。

1. Zigbee模块

ZM516X系列ZigBee无线模块是广州致远电子基于NXP的JN5168芯片开发的低功耗、高性能型ZigBee模块,它提供一个完整的基于IEEE802.15.4标准ISM(2.4-2.5GHz)频段的应用集成方案。支持FastZigBee、ZNET、JenNet-IP、ZigBee-PRO、RF4CE等协议,可快速应用于工业控制、工业数据采集、智能遥控器等场合。产品的图片如图5所示。

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图5  ZM516X系列ZigBee无线模块

2. LoRa模块

ZM470S系列产品是广州致远电子基于SI4432开发的一款工业级无线射频通讯模块,通过SPI接口与外部通信。最大通信距离超过1000米,产品的图片如图6所示。

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图6  ZM470S系列LoRa无线模块

1.1.3 环境信息检测器

随着汽车产业的高速发展,交通安全事故发生的概率越来越高,除了人为因素以及车辆因素,交通环境、道路因素也对交通事故有着巨大的影响。当出现雨雪、雾霾等天气情况时,会在很大程度上降低道路的能见性,为道路交通埋下安全隐患;如果出现结冰或是积水的情况,车辆在行驶过程中,容易出现发飘以及刹车失灵、打滑的现象,诱发交通安全事故。这就需要环境信息监测模块来对道路环境进行检测,并将检测数据上传到管理中心,为道路交通管理提供参考数据。

IOT-3960L是广州致远电子有限公司精心推出的一款工业级工控主板,可用于环境检测。该主板采用了Freescale的基于ARM9内核的i.MX28x处理器,可满足数据采集或更高水平用户互动的消费电子和工业控制应用。产品上面有485、CAN等有线通讯接口,可以与环境检测传感器模块进行有线组网;模块上面的miniPCIE无线通讯接口(适配WIFI、GPRS、ZigBee、RFID、3G等带miniPCIE接口的模块)可以与环境检测传感器模块进行无线组网。产品通过以太网将检测信息上传至环境监控中心,再利用基站无线传输将路况传输至用户终端。产品可以通过网口进行固件的远程升级,减少后期的工作量。产品的图片如图7所示。

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图7  IOT-3960L工控主板

1.2 交通信号控制系统

交通信号控制系统是集现代计算机、通信、和控制技术于一体的区域交通信号实时联网控制系统。系统主要功能是控制机动灯红、黄、绿及行人红、绿灯的通、禁行工作时间、自动执行控制设置。可根据不同路口或同一路口不同时间段车流量的大小,自动调节相应的通、禁行时间。对维护交通秩序,改善路口通行率,避免路口交通事故起到举足轻重的作用。

1.2.1 交通信号控制机

交通信号控制机的主要功能是控制交通信号灯和倒计时器,板上集成GPS校时模块、4G通信模块、无线模块、以太网等;可以接收行人按钮和红外遥控器发出的信号。

广州致远电子采用Freescale  i.MX6UL系列Cortex-A7处理器的M6G2C系列核心板做为控制器,设计出了交通信号控制器。控制器的方案设计如图8所示。

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图8  交通信号控制机方案

1.2.2 交通灯故障监测器

交通信号灯安置在灯杆上面,这样的户外环境容易受到雨水、雷电、高温等的损坏。信号灯故障时会造成交通拥堵甚至是交通事故。所以需要对信号灯进行故障检测。信号灯故障监测可以通过光敏传感器直接检测灯光,也可以通过检测信号灯的电压和电流来对信号灯的状态进行检测。检测结果通过以太网上传到交通管理中心,也可以通过GPRS直接上报给交通灯维护管理中心。

致远电子采用Freescale i.MX28系列ARM9处理器的M28A-T系列核心板做为控制器,设计出了交通灯故障监控器方案,ARM9处理器资源少于A7处理器,但价格便宜,且资源应用于该方案已经足够。设备可以通过网口和GPRS进行固件的远程升级,减少后期的工作量。方案框图如图9所示。核心板实物图如图10所示。

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图9  交通灯故障监控器方案

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图10  M28A-T核心板

在交通灯故障监控器上面用到了GPRS模块,该模块是交通灯故障信息上报的通讯模块。PCIE-SIM800G是广州致远电子有限公司推出的一款工业级GPRS模块,该模块采用SIMCOM公司SIM800G设计,模块尺寸小巧,可满足物联网数据采集或消费电子和工业控制等应用。产品如图11所示。

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图11  SIM800G工业级GPRS模块

1.2.3 检测模块

交通信号灯的故障监测除了监测器,还需要有检测模块。检测模块是信号灯故障的前沿哨岗,时刻关注着信号灯的一举一动,并将结果上报给监测器。在如今无线通信发达的时代,用无线通信来传输数据,去掉线缆的束缚,同时也节约了安装成本和维护成本。检测模块由采集处理和通信两部分组成,模块上有一个微处理器来协调完成这两部分工作。

AW824P2EF无线开发模块是广州致远电子有限公司基于NXP 的JN5161、LPC824芯片开发的低功耗、高性能型ZigBee二次开发模块。该模块完全满足检测模块的资源需求。其中LPC824是采用ARM@CortexTM M0+内核的32位低功耗处理器,主频高达30Mhz,支持32KB片内Flash存储器和8KB片内SRAM存储器。该处理器集成了灵活的外设模块,支持I2C、UART、SPI、ADC、TIMER等功能。而JN5161是NXP的ZigBee芯片,提供了一个完整的基于IEEE802.15.4标准ISM(2.4-2.5GHz)频段的应用集成方案,支持FastZigBee协议。产品图片如图12所示。

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图12  AW824P2EF无线开发模块

1.2.4 外围模块

交通信号控制系统除了交通信号控制机之外,还有很多的外围模块,其中包括倒计时器、信号灯、遥控器和行人按钮等。其中倒计时器用来显示红绿灯的持续时间;遥控器给交通人员使用,用做特殊情况下的交通指挥;行人按钮主要设置在对机动车影响较小的路段和交通线路长且方向单一、行人较少的路段、或者学校门口、保证学生过街安全。

1.3 视频监控系统

视频监控系统分为交通视频监控系统、治安卡口系统、电子警察系统。系统主要通过摄像机进行信息的采集,然后将采集信息进行分析和处理。

1.3.1 交通视频监控系统

交通视频监控系统前端采用IP高清摄像机或高速球机,通过视频传输专网将视频信号接入指挥中心,用以存储,调用和回放。所有高清视频图像通过光纤网络汇聚到指挥中心,统一存储到指挥中心,通过中心管理平台对存储策略统一进行管理,极大地提高了存储系统的灵活性。

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图13  交通视频监控系统

1.3.2 治安卡口系统

治安卡口系统能够对受监控路面的车辆信息进行自动采集和处理,为与车辆相关的刑事和治安案件、套牌和黑车的追查和侦破提供信息和凭证;卡口数据可作为车辆流量分析、交通诱导指引、交通指挥系统等子业务判别分析的基础信息。

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图14  治安卡口系统

1.3.3 电子警察系统

电子警察指可安装在信号控制的交叉路口和路段上,并对指定车道内机动车闯红灯违法行为进行自动检测和记录的系统。技术延伸之后,还可用于对逆行、违法变道、不按车道行驶等类型的交通违法行为进行自动检测和记录。

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图15  电子警察系统

1.4 交通诱导系统

交通诱导系统是基于电子、计算机、网络和通信等现代技术,根据出行者的起讫点向道路使用者提供最优路径引导指令或是通过获得实时交通信息帮助道路使用者找到一条从出发点到目的地的最优路径。这种系统的特点是把人、车、路综合起来考虑,通过诱导道路使用者的出行行为来改善路面交通系统,放置阻塞的发生。减少车辆在道路上的逗留时间,并且最终实现交通流在路网中各个路段上的合理分配。

交通诱导系统主要由交通信息控制中心、通讯系统、交通诱导信息发布系统组成。交通信息控制中心负责从交通网络中收集各种实时的交通信息,并进行信息处理;通讯系统负责信息控制中心与道路上车辆之间的数据交换;交通诱导信息发布系统主要是通过各种终端将诱导信息发布出去。广州致远电子采用Freescale  i.MX6UL系列Cortex-A7处理器的M6G2C系列核心板做为控制器,设计出了交通诱导控制器方案,该控制器作为诱导系统的终端设备,接收交通指挥中心发布的诱导信息、控制显示终端。设备可以通过网口和GPRS进行固件的远程升级,减少后期的工作量。控制器的方案设计如图16所示。

交通诱导控制器方案

图16  交通诱导控制器方案

1.5 环境适应性

智慧交通管理系统控制器及其各选配设备将通过致远电子EMC实验室、安规实验室、环境实验室等实际模拟恶劣应用状况试验。各分立器件均可至少达到EMC工业三级标准,有良好的静电抗性、雷击浪涌抗性、电瞬变群脉冲抗性、以及极低的EMI传导骚扰情况;可实现-40℃~+85℃的工业级环境适应性。为整套系统的可靠性安全稳定提供切实保障。

1.6 产品失效分析和故障检测方法

1.6.1 地磁模块

地磁模块的主要症结是电池的寿命,模块工作在地下,安装和维护都比较麻烦,更换电池的成本很高。模块还会受到水和尘土的侵蚀,特别是在大量的车流和重型车辆的反复挤压之后,侵蚀更加严重。产品的精度变化也是问题之一。目前市场上的电池寿命能达到5年以上,这样的使用寿命能满足使用的需求。在防水防尘方面,采用硅胶进行密封,能得到比较好的效果。除了在物理方面的防护,软件的检测也很重要。产品进行定期的自动校准,以保证测量精度,同时定期的进行自测,验证功能是否正常,并将检测结果上传给上级处理器,为产品的维护提供信息。

1.6.2 交通管理控制机箱

交通管理控制机箱放在道路旁或者悬挂在杆上,工作环境比较恶劣。长期受到粉尘、雨水、雷电等破坏,在特殊环境还会有盐雾。针对这些自然损害,机箱的结构在设计时充分考虑了防水,对于防尘也有一定的效果,机箱内外金属表面涂漆。结构能抵挡大部分的侵害,但还有一小部分的粉尘、水汽、盐雾还是可以进入机箱,所以机箱内部控制器的PCB板都涂有三防漆,以抵抗侵蚀。另外,信号机供电电源源于安装场所的用电网,存在电压波动、高次谐波、脉冲干扰。这就要求控制机箱里面设备的电源具有宽压输入的功能和良好的EMI保护性能。在通信线缆和电源线上面需要做好防雷击浪涌的保护。

1. 交通信号控制机

交通信号控制机是交通信号灯的直接控制部分,一旦出现故障会造成交通混乱甚至交通事故。信号机的驱动部分是功率放大电路,极易损坏,需要设计与之匹配的检测电路,将驱动电路的工作状态及时反馈给信号控制机。信号控制机的检测主要由交通灯故障监控器完成,并且设计冗余的驱动电路和信号灯,在某路信号灯发生异常时,能及时让冗余电路投入工作,从而不影响交通系统的正常运行。并同时将故障信息上报。除了物理的防护,产品定期的进行自测,以确认功能的完好,同时将测试信息上传到上级管理系统。

2. 其余控制器

交通管理控制机箱内其余控制器都是应用相同的物理保护方法。每个控制器都有自测程序,并定期进行自测,然后将自测的结果上传给上级管理中心。

1.6.3 环境监测传感器

交通管理系统中有大量的环境传感器,他们具有相同的工作环境,在物理保护方面类似。传感器的故障检测方法是将采集到的数据与大环境的平均数据进行对比,当检测数据与大环境平均数据相差较大时,就需要去检查确认是环境因素还是设备自身出现故障。

1.7 网络风暴

1.7.1 网络风暴的定义

由于网络拓扑的设计和连接问题,或其他原因导致广播在网段内大量复制,传播数据帧,导致网络性能下降,甚至网络瘫痪。这就是网络风暴。

1.7.2 网络风暴的内容

一个数据帧或包被传输到本地网段 (由广播域定义)上的每个节点就是广播;由于网络拓扑的设计和连接问题,或其他原因导致广播在网段内大量复制,传播数据帧,导致网络性能下降,甚至网络瘫痪。这就是广播风暴。广播风暴现象是最常见的数据洪泛之一.是一种典型的雪球效应。当广播风暴产生时,它们将在网络中无休止的传播.甚至可以在网络中无限制的不停的繁殖。过多的广播包消耗了大量的网络带宽.占用了大量的网络资源.导致正常的数据包无法正常在网络中传送.这时,网络设备处理器高负荷运转。不仅网络设备会受到影响。而且所有的主机都要接收链路层的广播数据包,因而受到危害每秒数万级的数据包通常都会使网卡工作异常繁忙.超出了处理器的负荷.设备操作系统反映迟缓,网络通讯严重受阻.严重地危害了网络的正常运行,大大降低了整个以太网的通信性能.甚至会造成网络的整体瘫痪。

1.7.3 网络风暴的预防

从实际经验来看,90%以上的网络广播风暴是病毒引起的的,因此在局域网中配备防病毒系统、购置IDS入侵检测系统、网络流量检测工具等,以加强网络吧病毒的防治,加强对网络线路运行状态的监控,及时发现和处理网络上的异常流量和病毒攻击等问题,并制定计算机安全管理制度,确保网络线路的正常运行。

切记不要使用集线器来组建共享式网络,而应该使用交换机组成交换式网络,并采用恰当划分VLAN、缩小广播域来隔离广播风暴,还可以在交换机上对千兆以太网口启用广播风暴控制,最大限度地避免网路再次陷入瘫痪。

1.7.4 网络风暴的排障

使用MRGT等流量查看软件可以查看出现短路的端口,如果交换机是可网管的,也可以通过逐个封闭端口来进行处理查找,进而找到有问题的设备,再检查是病毒引起的还是硬件损坏引起的,对症下药即可。

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