在高速公路绿色通道现场,对大量绿通车辆的尺寸进行了测量,并对测量数据进行了统计和分析。最后对绿通车辆的车型进行了新定义,从绿通车辆驾驶室与货箱之间间隙长短的角度来进行划分,将绿通车辆分为“长车”和“短车”两种类型。“长车”所挂接的货箱与驾驶室具有70~200 cm的间距,而“短车”货箱与驾驶室之间的间距则很小,不会超过30 cm。“长车”和“短车”的驾驶室前部到货箱前部的距离差异很大,这就决定了在这两种类型被检车辆通过检测区域的过程中,射线发生器开启的逻辑不同。因此确定绿通车辆的类型是准确实现驾驶室避让的前提。

在绿通车辆进入检测区域后,将依次通过4组传感器节点。首先定义绿通车辆驾驶室前端从第3组传感器节点行驶到第4组传感器节点的平均速度为 V₂;货厢尾部从第2组传感器节点行驶到第3组传感器节点的平均速度为 V₃。当驾驶室前部到达第2组传感器节点时,第2组传感器节点将获得一个上跳沿信号;此时通过第1组传感器节点的输出电平信号对绿通车辆类型进行初步判断,若输出为低电平信号,则判定“长车”;若输出为高电平信号,则判定为“短车”。

若判定为“长车”,则需要继续判断出货厢前端和尾部分别与第3组传感器节点的相对位置。当车辆驾驶室前部到达第4组传感器节点时,第4组传感器节点输出上跳沿信号;然后继续等到车辆货厢前端到达第3组传感器节点时,第3组传感器节点输出上跳沿信号,此时启动延时;当延时0.5/ V₂ s后,开启射线发生器以及向上位机发送开始采集图像指令;当车辆货厢尾部到达第3组传感器节点时,第3组传感器节点输出下跳沿信号,此时启动延时;当延时0.5/ V₃ s后,关闭射线发生器以及向上位机发送结束采集图像指令。“长车”通过检测区域时,4组传感器节点和控制信号的时序如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 “长车”的时序图Fig.2 Timing diagram of “Long Vehicle”

若判定绿通车辆类型为“短车”,则需要判断出车辆货厢前端与第4组传感器节点的相对位置和车辆货厢尾部与第3组传感器节点的相对位置。当车辆驾驶室前部到达第4组传感器节点时,第4组传感器节点获得一个上跳沿信号;此时开启射线发生器以及向上位机发送开始采集图像指令;当车辆货厢尾部到达第3组传感器节点时,第3组传感器节点获得一个下跳沿信号,此时启动延时;当延时0.5/ V₃ s后,关闭射线发生器以及向上位机发送结束采集图像指令。“短车”通过检测区域时,4组传感器节点和控制信号的时序如图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 “短车”的时序图Fig.3 Timing diagram of “Short Vehicle”

在测试的过程中发现了有些异常的绿通车辆(此后简称为“异常长车”),其驾驶室的长度大于第1组传感器节点与第2组传感器节点之间的距离。在区分绿通车辆类型时会把这种“异常长车”误判为“短车”,从而导致驾驶室避让控制逻辑的混乱,进而导致驾驶室避让控制的失败。因此首次将绿通车辆类型判定为“短车”后,还需要对绿通车辆类型作进一步的判定。

在首次将车辆类型判定为“短车”后,且绿通车辆在碰到第4组传感器节点之前,若第1组传感器节点先后产生过下跳沿和上跳沿信号,则初次的车型判定是错误的,否则是正确的。若是再次确认绿通车辆类型是“短车”,则继续保持“短车”的控制逻辑;若再次确认绿通车辆类型是“长车”,则判定车辆为“异常长车”,在此后的控制逻辑需要按照“长车”的控制逻辑进行。当“异常长车”通过检测区域时,4组传感器节点和控制信号的时序如图4所示。

图4

Fig.4

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	图4 “异常长车”的时序图Fig.4 Timing diagram of “Special Long Vehicle”

另外,对于整个绿通车辆驾驶室避让控制系统,还需要处理外界因素对系统的干扰问题,尤其是过往行人对检测系统造成的影响。当过往行人误入检测区域时,一方面可能射线对过往人员造成伤害,另一方面当对随后的绿通车辆进行检测时可能导致控制逻辑混乱。为了防止此类事件的发生,首先必须从管理的角度出发,禁止过往行人通过绿通检测车道;另外,更需要从驾驶室避让控制系统软件设计来排除这类干扰。

过往行人误入检测车道的方式主要有正向和反向通过检测区域的情况。当行人正向和逆向通过检测区域时,4组传感器节点和控制信号的时序分别如图5(a)(b)所示。由于行人与车辆通过检测区域的时序具有差异性,因此可以通过软件设计来排除行人对系统造成的干扰。

图5

Fig.5

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	图5 行人通过检测区域的时序图Fig.5 Timing diagram of the pedestrian passing by the detection area

根据车辆驾驶室避让机制,可以建立该机制与状态自动机之间的映射关系,进而建立基于有限状态机的车辆驾驶室避让控制。车辆驾驶室避让状态机,在每次状态转换后的后继状态都是唯一的,故该状态机为确定的有限状态自动机。由于触发车辆驾驶室避让状态机的一种状态转换到另外一个状态的输入量是不一样的,因此每个状态都要获取4组传感器的状态信息,当输入量符合触发条件时,状态机将切换到下一个状态。

通过对绿通车辆驾驶室避让控制原理的分析,将避让流程分为10个状态。每一个状态都是避让流程一个阶段的行为总和的反映,也是驾驶室避让控制成功的保证。状态机的所有状态及状态与状态之间的转换关系如下。

(1) S₀表示车辆未到达检测区域的状态。处于该状态期间,若第二组传感器节点输出上跳沿信号,则状态转换为 S₁,否则保持原状态不变。

(2) S₁表示车辆驾驶室到达第二组传感器节点位置的状态。处于该状态时,若第一组传感器节点输出为低电平信号,则状态改变为 S₂;若第一组传感器节点输出为高电平信号,则状态转换为 S₅。

(3) S₂表示车辆首次被确认为“长车”的状态。处于该状态期间,若第四组传感器节点输出上跳沿信号,则状态转换为 S₃,否则保持原状态不变。

(4) S₃表示“长车”驾驶室到达第四组传感器节点位置的状态。处于该状态期间,若第三组传感器节点输出上调沿信号,则立即启动定时器,且状态转换为 S₄,否则保持原状态不变。

(5) S₄表示开启光栅前的延时状态。若延时时间到,则状态转换为 S₇,否则保持原状态不变。

(6) S₅表示车辆被判定为“短车”的状态。处于该状态期间,若第四组传感器节点输出上跳沿信号,则状态转换为 S₆,否则保持原状态不变。

(7) S₆表示“短车”驾驶室到达第四组传感器节点位置的状态。从到达 S₅状态起至到达 S₆状态之前,若第二组传感器节点先后产生了下跳沿和上跳沿信号,则状态转换为 S₃,否则状态转换为 S₇。

(8) S₇表示开启光栅的状态。处于该状态期间,若第三组传感器节点输出下跳沿信号,则启动延时定时器,且状态转换为 S₈,否则保持原状态不变。

(9) S₈表示关闭光栅前的延时状态。处于该状态期间,若关闭光栅前的延时时间到,则状态转换为 S₉,否则保持原状态不变。

驾驶室避让控制有限状态机中的每一个事件都代表了一系列相关动作执行的结果,这里根据驾驶室避让控制流程设计了20个事件。对状态机在状态转换过程中出现的事件作如下定义:

(1) I₀₁表示车辆到达第二组传感器节点位置时,第二组传感器节点输出上跳沿; I₀₀表示车辆还没有到达第二组传感器节点位置时的状态转移事件。

(2) I₁₁表示第一次判定车辆车型为“长车”; I₁₂表示第一次判定车辆车型为“短车”; I₁₀表示未进行车辆判定。

(3) I₂₁表示“长车”驾驶室到达第四组传感器节点位置时,第四组传感器节点输出上跳沿; I₂₀表示“长车”驾驶室还没有到达第四组传感器节点位置。

(4) I₃₁表示“长车”货箱到达第三组传感器节点位置时,第三组传感器节点输出上跳沿; I₃₀表示“长车”货箱没有到达第三组传感器节点位置。

(5) I₄₁表示延时开启光栅的时间到; I₄₀表示延时开启光栅的时间未到。

(6) I₅₁表示车辆驾驶室到达第四组传感器节点位置时,第四组传感器节点输出上跳沿的状态转移事件; I₅₀表示车辆驾驶室没有到达第四组传感器节点位置。

(7) I₆₁表示车辆驾驶室到达第四组传感器节点位置之前,第二组传感器节点先后产生了下跳沿和上跳沿信号,则再次确认车辆车型为“短车”的状态转移事件; I₆₂表示车辆驾驶室到达第四组传感器节点位置之前,第二组传感器节点没有先后产生下跳沿信号和上跳沿信号,则再次确认车辆车型为“长车”的状态转移事件; I₆₀表示车辆驾驶室还没有到达第四组传感器节点位置。

(8) I₇₁表示车辆货箱尾部到达第三组传感器节点位置时,第三组传感器节点输出下跳沿的状态转移事件; I₇₀表示车辆货箱尾部没有到达第三组传感器节点位置。

(9) I₈₁表示延时关闭光栅的时间到; I₈₀表示延时关闭光栅的时间未到。

基于上述分析,可得绿通车辆驾驶室避让有限状态自动机 M=( Q, Σ, δ, q₀, F),其中状态集合为 Q={ S₀、 S₁、 S₂、 S₃、 S₄、 S₅、 S₆、 S₇、 S₈、 S₉};输入集合为 Σ={ I₀₀、 I₀₁、 I₁₀、 I₁₁、 I₁₂、 I₂₀、 I₂₁、 I₃₀、 I₃₁、 I₄₀、 I₄₁、 I₅₀、 I₅₁、 I₆₀、 I₆₁、 I₆₂、 I₇₀、 I₇₁、 I₈₀、 I₈₁};初始状态为 S₀;接收状态集为 F={ S₉};状态转移函数为:

δ =S₁, δ =S₂,

δ =S₅, δ =S₃,

δ =S₄, δ =S₇,

δ =S₆, δ =S₇,

δ =S₃, δ =S₈,

δ =S₉, δ =S_i,( i=0,…,8)。

车辆驾驶室避让状态机的状态转移图如图6所示。当对绿通车辆货物进行检测时,绿通车辆将依次通过4组传感器节点,在此过程中将依次触发不同的事件,进而触发状态的转换。由状态转移图可知,若绿通车辆为“长车”,那么状态机将依次触发事件{ I₀₁、 I₁₁、 I₂₁、 I₃₁、 I₄₁、 I₇₁、 I₈₁},状态机的状态会从初始状态 S₀开始,依次经历状态{ S₀、 S₁、 S₂、 S₃、 S₄、 S₇、 S₈、 S₉};若绿通车辆为“短车”,那么状态机将依次触发事件{ I₀₁、 I₁₁、 I₅₁、 I₆₁、 I₇₁、 I₈₁},状态机的状态会从初始状态 S₀开始,依次得到状态{ S₀、 S₁、 S₅、 S₆、 S₇、 S₈、 S₉};若绿通车辆为“异常长车”,那么状态机将依次触发事件{ I₀₁、 I₁₁、 I₅₁、 I₆₂、 I₃₁、 I₄₁、 I₇₁、 I₈₁},状态机的状态会从初始状态 S₀开始,依次得到状态{ S₀、 S₁、 S₅、 S₆、 S₃、 S₄、 S₇、 S₈、 S₉}。

图6

Fig.6

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	图6 状态转移图Fig.6 Diagram of state transition

车辆驾驶室避让的状态转移图是驾驶室避让控制有限状态机模型设计的最后结果,也是编写控制程序的依据。在状态机模型中,事件触发引起状态机进行相应的处理,产生输出并向下一个状态转移,根据具体的输出和当前状态进入相应的状态转移函数入口进行处理,状态转移函数按照在状态机中的作用可分为正常转移函数和健壮性处理过程中的转移函数,每一个状态转移函数关联一次状态转移过程。