路政夜間施工車輛闖入報(bào)警提示系統(tǒng)

姜亮　曹帥　李桂秋　劉培　權(quán)雨欣

摘要：應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路政夜間施工車輛闖入報(bào)警提示系統(tǒng)。采用物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在傳統(tǒng)夜間施工警示牌的基礎(chǔ)上，構(gòu)建無(wú)線傳感器警戒預(yù)警網(wǎng)絡(luò)。并通過(guò)與GPS、NB-IOT模塊相結(jié)合，將獲取到的信息送到路政安全施工系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了路政夜間施工區(qū)域安全信息的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞 ：物聯(lián)網(wǎng);無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò);路政夜間施工;zigbee

中圖分類號(hào)：TP311 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）13-0043-03

1 背景介紹 ??

完善的道路交通體系是國(guó)家現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，對(duì)道路交通建設(shè)的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。在“十五”與“十一五”計(jì)劃期間，我國(guó)的道路交通建設(shè)高速展開(kāi)，其中高速公路建設(shè)、城市道路建設(shè)效果顯著。截至2015年4月，根據(jù)交通運(yùn)輸部網(wǎng)站發(fā)布的中國(guó)道路交通統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示，我國(guó)公路總里程已達(dá)446.39萬(wàn)公里，圍繞著高速公路的國(guó)家公路干線網(wǎng)絡(luò)已基本形成。但是隨著我國(guó)汽車保有量的飛速增長(zhǎng)，一些公路網(wǎng)絡(luò)已不能滿足日益增加的車流量需求，產(chǎn)生交通擁堵現(xiàn)象日益嚴(yán)重，所以我國(guó)“十二五”期間，對(duì)現(xiàn)有道路交通硬件設(shè)施的改造與擴(kuò)建，提高交通流量，加強(qiáng)維護(hù)，提升通行效率，是重點(diǎn)發(fā)展方向。

由于大多數(shù)道路的交通流量較大，為了減少對(duì)正常車輛通行的影響，路政部門(mén)在對(duì)道路進(jìn)行改造、擴(kuò)建與養(yǎng)護(hù)時(shí)，一般不會(huì)對(duì)道路進(jìn)行封閉施工，都是施工作業(yè)與車輛通行同時(shí)進(jìn)行。路政部門(mén)的施工時(shí)間大多選在夜間，在此時(shí)間段，道路上的車流量小，大型施工設(shè)備與材料運(yùn)輸方面進(jìn)行作業(yè)時(shí)可有效減少對(duì)交通的干擾，避免擁堵現(xiàn)象產(chǎn)生，降低環(huán)境污染與能源消耗。但是由于夜間道路光線強(qiáng)度偏弱，道路上物體的可見(jiàn)度降低，難以辨識(shí)，車輛駕駛?cè)藛T獲取道路環(huán)境信息的難度較大，加上施工區(qū)域?qū)е碌牡缆奋囕v通行寬度變窄與車道變換，而且司機(jī)此時(shí)間段易疲勞，容易產(chǎn)生嚴(yán)重的交通事故。根據(jù)美國(guó)高速公路合作研究組織第 627 號(hào)報(bào)告《白天和夜間施工區(qū)交通安全評(píng)價(jià)》（Traffic Safety Evaluation of Nighttime and Daytime Work Zones）中對(duì)紐約州 2000～2005 年高速公路施工作業(yè)區(qū)交通事故的統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表 1所示，從中可以發(fā)現(xiàn)，夜間在施工作業(yè)區(qū)范圍內(nèi)發(fā)生死亡事故的比例要比白天高[1]。

當(dāng)前道路夜間施工通常會(huì)布置現(xiàn)場(chǎng)警示牌，給予司機(jī)道路施工提醒，這對(duì)夜間正常駕駛的司機(jī)起到預(yù)警提示作用，能有效地避開(kāi)施工區(qū)域。但針對(duì)夜間疲勞駕駛的司機(jī)，警示牌很容易被忽略，這些司機(jī)往往撞上警示牌后繼續(xù)前行直至撞上施工區(qū)域人員與設(shè)備才會(huì)反應(yīng)過(guò)來(lái)，造成巨大的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失。

2總體方案設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)研究

Zigbee是一種新興的近距離，低復(fù)雜度，低功耗，低數(shù)據(jù)速率，低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。Zigbee采用ZigBee/802.15.4 協(xié)議自組織方式組網(wǎng)，這種架構(gòu)被稱為無(wú)線基礎(chǔ)構(gòu)架的無(wú)線局域網(wǎng)，這種架構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的設(shè)備按功能可分為3類[2]。

協(xié)調(diào)器是一個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)中啟動(dòng)的第一個(gè)設(shè)備，負(fù)責(zé)初始化一個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)，發(fā)布網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，使后續(xù)啟動(dòng)的路由器與終端節(jié)點(diǎn)可加入網(wǎng)絡(luò)。路由器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后執(zhí)行路由功能，為后續(xù)節(jié)點(diǎn)設(shè)備提供接入點(diǎn)與信息傳遞路徑。終端節(jié)點(diǎn)用于連接傳感器與執(zhí)行器設(shè)備，通過(guò)路由器加入網(wǎng)絡(luò)與傳遞信息。

路政夜間施工環(huán)境中布線困難，通信環(huán)境復(fù)雜，zigbee設(shè)備低功耗、低復(fù)雜度、可自組網(wǎng)的特點(diǎn)，便于在路政夜間施工復(fù)雜環(huán)境中的使用。

2.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇

Zigbee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下三種（圖1）。

星狀網(wǎng)絡(luò)是zigbee網(wǎng)絡(luò)中最簡(jiǎn)單的一種，以協(xié)調(diào)器為中心，構(gòu)建點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的單跳通信網(wǎng)絡(luò)，通信半徑為單跳距離，適用于類似智能家居的小范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋場(chǎng)景。

樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)是以協(xié)調(diào)器為核心構(gòu)建的層級(jí)多跳網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時(shí)需設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)深度與網(wǎng)絡(luò)容量。協(xié)調(diào)器作為初始父節(jié)點(diǎn)，次級(jí)節(jié)點(diǎn)作為子節(jié)點(diǎn)的加入網(wǎng)絡(luò)，多層之間依次構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。子節(jié)點(diǎn)只能與父節(jié)點(diǎn)通信，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)固定，適合網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大，但通信路徑固定的場(chǎng)合。

優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍可調(diào)，通信路徑固定，路由節(jié)點(diǎn)傳遞信息時(shí)，無(wú)須在存儲(chǔ)空間查找路由表，直接對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行判定便可進(jìn)行傳輸，通信時(shí)延短，實(shí)時(shí)性高。缺點(diǎn)：由于樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)通信路徑固定，子節(jié)點(diǎn)只能與其父節(jié)點(diǎn)通信，通信路徑單一，父節(jié)點(diǎn)一旦發(fā)生問(wèn)題，其子節(jié)點(diǎn)將脫離網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上添加Z-AODV路由算法，Z-AOVD路由算法能為信息幀傳遞發(fā)現(xiàn)路由成本最佳的路由，并把路由信息保存到路由表當(dāng)中，Z-AODV適用于連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸，彌補(bǔ)了樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)無(wú)法選擇最佳路由，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性不好的缺點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)間可以相互通信，為信息幀傳遞提供多條路由選擇，一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行[3]。

在路政夜間施工的復(fù)雜環(huán)境中，需求穩(wěn)定可靠無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題不影響整個(gè)通信。所以本系統(tǒng)的zigbee路政夜間施工安全監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.3 方案設(shè)計(jì)

路政夜間施工車輛闖入報(bào)警提示系統(tǒng)采用zigbee自組網(wǎng)技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)基于zigbee技術(shù)的便攜式激光對(duì)射報(bào)警器、便攜式激光對(duì)射報(bào)警器網(wǎng)關(guān)、便攜式報(bào)警接收器，在傳統(tǒng)夜間施工警示牌的基礎(chǔ)上，構(gòu)建無(wú)線傳感器警戒預(yù)警網(wǎng)絡(luò)（便攜式激光對(duì)射報(bào)警器網(wǎng)關(guān)為協(xié)調(diào)器，便攜式激光對(duì)射報(bào)警器與便攜式報(bào)警接收器為路由器或者終端節(jié)點(diǎn)）。當(dāng)車輛接近施工區(qū)域時(shí)，無(wú)線傳感器警戒預(yù)警網(wǎng)絡(luò)會(huì)根據(jù)傳感器獲取的信息進(jìn)行二個(gè)級(jí)別的預(yù)警，首先當(dāng)車輛接近時(shí)駛?cè)腩A(yù)警區(qū)域時(shí)，啟動(dòng)一級(jí)預(yù)警提醒駕駛?cè)藛T，當(dāng)一級(jí)預(yù)警無(wú)效，車輛繼續(xù)闖入警戒區(qū)域時(shí)啟動(dòng)二級(jí)預(yù)警，驚醒司機(jī)，同時(shí)施工人員佩帶的報(bào)警接收器也會(huì)以聲音和振動(dòng)的方式提醒施工人員，提前進(jìn)行安全避讓。并且基于zigbee技術(shù)與GPS、NB-IOT模塊相結(jié)合構(gòu)建的網(wǎng)關(guān)，將把獲取到的信息送到路政安全施工系統(tǒng)平臺(tái)，平臺(tái)上實(shí)時(shí)展示路政夜間施工點(diǎn)實(shí)時(shí)地理分布信息與施工安全信息.系統(tǒng)框圖如下（圖2）：

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 基于zigbee的便攜式激光探測(cè)報(bào)警器設(shè)計(jì)

基于zigbee的便攜式激光探測(cè)報(bào)警器是路政夜間施工車輛闖入報(bào)警提示系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知節(jié)點(diǎn)（如圖3）。該節(jié)點(diǎn)應(yīng)用毫米波雷達(dá)檢測(cè)車輛接近方向與速度，預(yù)測(cè)車輛是否會(huì)闖入施工區(qū)域，如果判定車輛行駛方向與速度對(duì)施工區(qū)域構(gòu)成威脅，啟動(dòng)一級(jí)預(yù)警進(jìn)行間歇性初步聲光預(yù)警，警醒車輛駕駛?cè)藛T。在預(yù)警沒(méi)有起作用的情況下，車輛闖入施工區(qū)域，節(jié)點(diǎn)的激光對(duì)射傳感器將檢測(cè)到車輛闖入，啟動(dòng)二級(jí)預(yù)警，節(jié)點(diǎn)的聲光報(bào)警連續(xù)開(kāi)啟，并通過(guò)zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送車輛闖入信息至施工人員隨身佩戴的便攜式報(bào)警接收器，提醒施工人員進(jìn)行安全避讓。

3.2 便攜式激光探測(cè)報(bào)警器網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

NB-IOT，Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是一種專為萬(wàn)物互聯(lián)打造的蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)。NB-IOT所占用的帶寬很窄，只需約180KHz，而且其使用頻段為L(zhǎng)icense，采用保護(hù)帶、帶內(nèi)、獨(dú)立載波三種方式部署，融入現(xiàn)有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，并且能夠直接部署在GSM、UMTS或LTE網(wǎng)絡(luò)，即2/3/4G的網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的復(fù)用，降低部署成本，實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。路政施工區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，不方便布線與供電，上傳數(shù)據(jù)量不大，NB-IOT正好滿足要求。

便攜式激光探測(cè)報(bào)警器網(wǎng)關(guān)應(yīng)用CC2530與GPS、NB-IOT模塊相結(jié)合構(gòu)建網(wǎng)關(guān)（如圖4），通過(guò)GPS模塊獲取路政施工區(qū)域位置信息，通過(guò)NB-IOT模塊上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器平臺(tái)。

3.3便攜式報(bào)警接收器設(shè)計(jì)

便攜式報(bào)警器接收器應(yīng)用CC2530與MP3語(yǔ)音解碼電路模塊、繼電器、震動(dòng)器相結(jié)合（如圖5），通過(guò)無(wú)線傳感器警戒預(yù)警網(wǎng)絡(luò)獲取施工區(qū)域安全信息，然后通過(guò)震動(dòng)與MP3語(yǔ)音解碼模塊播放相應(yīng)的提示警示信息，提醒路政施工人員。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行流程

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上電初始化建立一個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)，獲取GPS信息與初始化NB—IOT模塊，上傳數(shù)據(jù)至路政安全施工平臺(tái)。便攜式激光探測(cè)報(bào)警器與便攜式報(bào)警接收器上電后加入網(wǎng)絡(luò)，其中便攜式激光探測(cè)報(bào)警器通過(guò)傳感器采集路政施工區(qū)域安全信息，在觸發(fā)報(bào)警啟動(dòng)聲光報(bào)警的同時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)至網(wǎng)關(guān)與便攜式報(bào)警接收器，便攜式報(bào)警接收器接收?qǐng)?bào)警信號(hào)開(kāi)啟語(yǔ)音與震動(dòng)提醒。

在以上的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)路政夜間施工區(qū)域車輛闖入的有效預(yù)警，在驚醒司機(jī)的同時(shí)，提醒施工人員提前進(jìn)行安全避讓，并在路政安全施工平臺(tái)上實(shí)時(shí)展示路政夜間施工點(diǎn)實(shí)時(shí)地理分布信息與施工安全信息。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)應(yīng)用zigbee自組網(wǎng)技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，搭建的路政夜間施工車輛闖入報(bào)警提示系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)道路夜間施工標(biāo)識(shí)牌，增加了聲光報(bào)警與車輛闖入提前預(yù)警。施工人員通過(guò)本系統(tǒng)的可及時(shí)獲取警戒區(qū)域車輛闖入預(yù)警信息與定位車輛闖入方向，從而獲取更多的時(shí)間來(lái)有效的處理意外情況，有效減少人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。同時(shí)路政部門(mén)路政安全施工平臺(tái)也使更有效的了解路政施工情況，方便管理。

參考文獻(xiàn)：

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