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摘要：随着我国高速公路的快速发展，高速公路上的隧道数量也大大增加。高速隧道作为高速公路上隐蔽带状的特殊结构物，具有内部视野狭窄、能见度低、噪声大、洞口有白洞效应和出入口处黑洞等特点，极易引发高速公路拥堵事故。近年来，因高速隧道拥堵所造成的交通事故数一直高居不下，因此解决隧道拥堵问题至关重要。
关键词：高速隧道；减缓拥堵；监测系统；道路安全。
引言：随着我国经济的飞速增长，高速公路隧道的建设日新月异。尤其是进入21世纪，我国公路隧道数量年增长高达20%，由于我国在高速隧道运营管理以及事故处理及救援方面的研究起步较晚，缺少相关建设经验，使得高速隧道内经常发生交通事故，造成大量的人员伤亡和经济损失。一般来说来往车辆对隧道内情况的不了解，一但遇到隧道内拥堵或其他突发事件无法迅速做出正确有效的判断，极易发生二次交通事故，形成更大范围的高速拥堵。因此，研究预防高速隧道内交通事故发生的系统很有必要，通过了解高速隧道通行情况，进行隧道交通预警，并向周边车辆释放隧道交通情况以及隧道内适应车速。我们的这款隧道拥堵预警系统，有针对性的研究如何预防隧道交通事故的发生，这对改善我国高速隧道内交通安全环境具有十分重要的意义。
材料方法：本研究拟设计一种隧道拥堵情况分析系统，该装置是以Arduino单片机为核心的控制系统，通过漫反射传感器、光电传感器两种传感器同时监控。在隧道相隔合适距离安装一个光敏二极管模块，通过D/A转换对光线进行采样，反馈给单片机进行处理；在隧道出入口的各个车道上方安装一个漫反射传感器，将数据传输至单片机。对比两项结果，通过对光敏二极管模块检测的隧道亮度数据、计数器记录的进出车辆数据进行处理分析，更加准确的得到隧道拥堵情况，以便做出正确的拥堵警告。
功能设计：本检测装置以Arduino为核心，通过LM64-D5NCK光电传感器模块和光敏二极管一起检测，LM64-D5NCK光电传感器模块对隧道中对来往的车辆进行检测，将获得的数据传输到Arduino单片机中，单片机再对信号进行处理，最后将进入隧道车辆、隧道内车辆以及通过隧道车辆在显示屏中显示，同时光敏二极管模块对来往车辆的光线强弱进行检测，将获得的数据传输到Arduino单片机中，通过对比两项结果，对光敏电阻模块检测的隧道亮度数据、LM64-D5NCK光电传感器模块记录的进出车辆数据进行处理分析，更加准确的得到隧道拥堵情况。首先根据不同的地理因素、不同时间段给光电传感器的光强阈值设置合适的阈值函数；其次，利用光电传感器采集隧道内的光强信号，由处理器判断隧道内的交通流量；然后，隧道内的车辆停放状态根据测速仪获得的隧道内车速数据，对测速仪进行了改进，并安装了隧道的第一部分和最后一部分。计数器用于计算当前隧道中的车辆数。当处理器接收到的光敏数据超过设定的阈值时，判断隧道内的当前拥塞情况，通过隧道内的光电传感器和光敏传感器获取隧道内的速度和车辆数，逐步分析和评估隧道内的拥塞水平。同时，导出信号，在隧道前方的LED显示屏上显示隧道内的交通状况，提示将要进入隧道的司机。
1、系统设计
本系统主要由Arduino芯片、LM64-D5NCK光电传感器模块、光电传感器模块、LCD12864点阵液晶扩张板模块等硬件部分。总电路图中分为电源电路、晶振电路、复位电路、按键电路、报警模块以及红外测距电路组成。如图1.2所示.
图1 系统设计
图1.1 Arduino实物图
1.1 Arduino单片机
Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE）。它构建于开放原始码simple I/O介面版，并且具有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。主要包含两个的部分：硬件部分是可以用来做电路连接的Arduino电路板；另外一个则是Arduino IDE。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器。
1.2 LM64-D5NCK光电传感器模块
LM64-D5NCK光电传感器模块是一种光电传感器，它集成了传输与连接，其检测距离可以按照用户需求进行调节。由于高速公路隧道长，可见光低，而LM64-D5NCK光电传感器有检测距离长，价格低，安装方便，受可见光干扰小，使用方便等优点。因此LM64-D5NCK光电传感器模块的特质，适合用于检测隧道中车辆的数量，从而判断隧道是否发生拥挤。
图1.2 LM64-D5NCK光电传感器NPN型
1.3 区间测速摄像头
测速区间由两个区间测速摄像头组成，即在区间的首端和末端各安装一个区间测速摄像头，当车辆进入该区域的时候记录车速，离开该区域时再一次记录车速，从而计算平均速度 （式中V—平均速度；S—路程，T—时间），从而判断所测区间是否发生车辆拥堵。如图2.4.2所示。由于区间测速摄像头的成本较贵，因此在本次设计中并没有采用，但经过查找资料，以及数据分析证明，区间测速摄像头可以用于高速公路隧道检测装置。
图1.3 区间测速原理图
1.4 光敏二极管模块
光电二极管也被称为光电二极管。光电二极管的结构是类似半导体二极管的，光电二极管的核心是PN结，将其安装在透明玻璃外壳内管顶处，PN结具有光敏性和单向导电性。所以光敏二极管工作时应加必需的反向电压（光敏二极管在电路中一般处于反向状态的）。在不存在光的情况下，有一个很小的反向饱和漏电流，与暗电流割断的光电二极管。当暴露在光下时，反向饱和明显漏电流增加，并变成与入射光强度的量而变化的光电流。当光入射在PN结，可在PN结中产生空穴 - 电子对，使得少数载流子的密度迅速增长。这些载体在反向电压漂移，大大增加了反向电流。因此，光的强度可以用来改变目前在电路中。光电二极管常被用来检测周围环境中光的亮度和强度。与光敏电阻相比，光电二极管具有更好的指向性，可以在固定的方向上感知光源。如图1.4所示。
图1.4光电传感器实物图
1.5 LCD12864点阵液晶扩展模块
2014年最新推出的12864液晶板采用的是带汉字库图形点阵液晶显示模块，具有串行和并行接口，背光控制开关（串行与并行模式均可使用），对比度调节旋钮，板上集成IDC6插座和IDC14插座，可通过套件中附送的专用连接线与Arduino传感器扩展板连接。其中各个接口的作用如表1.5所示。
表1.5 12864液晶屏接口定义
2.系统软件设计
2.1 编程环境
本设计使用Keil uVision4进行软件编程，Keil uVision4作为Arduino官方编程，其可以更好地利用新的用户界面打开屏幕空间和更有效地组织多个窗口，提供一个界面整洁，高效的环境能够方便的进行编写程序以及程序的上传。新版本可以辅助更多最新的ARM芯片，还添加一些新功能。
烧写程序界面如图2.1。
图2.1 烧写程序界面
图2.2 高速公路隧道检测系统流程图
2.2 系统软件设计
高速公路隧道检测系统硬件设计完成，而最重要的是内部的软件设计，因为软件设计关系到这个产品是否能根据硬件功能如期的做出运算，从而拿到我们预期的结果，在软件设计中使用的语言是C语言，此语言表达直白简洁。
第一，我们首先查阅并分析隧道拥堵情况有关文献资料，对整个系统进行分析，并设计硬件电路图。焊接电路图，根据硬件焊接出电路板和设计程序以及调试程序，处理数据。
第二，进行功能的设计、运行的设计、数据格式的设计以及跑程序出现错误等处理，这些为主要都软件设计基础，为整体的概要设计。
第三，在软件编码过程中，对于程序的算法以及各模块功能准确的相应和正常工作，从而实现对本终端一些功能能持续稳定。
调试：在软件设计中对于开发代码进行调试，无误后烧录在单片机里，对各个功能进行有效测试，以及是否能正常显示隧道入车数量、隧道内车辆数、隧道出车数等数据，上传的数据是否格式正确，测试通常需要测试三次或三次以上以确定软件程序在单片机里跑起来是否稳定无误。高速公路隧道检测系统流程图，如图2.2所示。
系统首先进行初始化，当隧道入口入出时，入车数自增1，再参与运算，同时隧道内车辆数自增1，出车数不参与运算；当隧道出口出车时，出车数自增1，同时隧道内车辆数自减1，入车数不参与运算。
结论：高速公路的存在不但是为国家交通运输，为信息传播也带来很大的便利，同时对社会经济发展起到异常重要的作用。高速公路是我国非常重要的交通设施，在多山的中国高速公路隧道的数量快速增长，行驶车辆日益增加，完善的隧道交通管实时检测系统将发挥越来越重要的作用。实现实时检测隧道交通路况信息，高效的动态交通控制，实现一个高效、安全、便捷、环保的综合安全交通系统显得尤为重要。本文针对隧道中经常出现的交通拥堵现象，采用理论分析与实物的制作，对隧道内的车辆进行实时检测，判断隧道内是否畅通。
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论文作者:刘津1,白杨2,王颖1,况琪1,张月恒1,朴嘉庆1
论文发表刊物:《基层建设》2019年第22期
论文发表时间:2019/10/29
标签：隧道论文; 传感器论文; 车辆论文; 光电论文; 模块论文; 高速公路论文; 区间论文; 《基层建设》2019年第22期论文;