基于NB-IoT地磁車檢技術(shù)的公路急轉(zhuǎn)彎及岔路口的路況預(yù)警系統(tǒng)

陳 瑜

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

公路交通事故事關(guān)人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全，預(yù)防事故發(fā)生不僅要提高人們安全行駛的意識(shí)，更需要加強(qiáng)公路智能交通設(shè)施的建設(shè)。目前公路地形復(fù)雜多樣，特別是偏僻山區(qū)或鄉(xiāng)村的公路，存在彎道多、岔路口多、車輛復(fù)雜、駕駛?cè)税踩庾R(shí)薄弱、交通安全監(jiān)管不到位等一系列問(wèn)題。很多公路交通安全事故發(fā)生的地點(diǎn)都是在公路急轉(zhuǎn)彎及岔路口等特殊路況上，在駕駛車通過(guò)公路急轉(zhuǎn)彎或岔路口路況時(shí)，駕駛者不僅僅對(duì)前方交通狀況缺乏足夠的了解，還很難在這極其短暫的應(yīng)變時(shí)間內(nèi)對(duì)當(dāng)前路況做出正確的判斷，最終因?yàn)檎`判路況導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。此時(shí)，亟須一種先進(jìn)的智能交通系統(tǒng)平臺(tái)，就公路急轉(zhuǎn)彎及岔路口等特殊路段進(jìn)行即時(shí)動(dòng)態(tài)的偵測(cè)、警告、引導(dǎo)和管制。為此，借助物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)，本文提出了一種基于NB-IoT地磁車檢技術(shù)的公路彎道及交叉路口路況預(yù)警系統(tǒng)，并對(duì)其在公路彎道及交叉路口的應(yīng)用展開探討。

1 系統(tǒng)技術(shù)原理

1.1 NB-IoT技術(shù)原理

Narrow Band Internet of Things，簡(jiǎn)稱NB-IoT，即窄帶寬物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。該技術(shù)核心在于支持低功耗設(shè)備在WAN(簡(jiǎn)稱Wide Area Network)的蜂窩數(shù)據(jù)連接。NB-IoT是從最初的2G移動(dòng)通訊逐步發(fā)展而來(lái)，NB-IoT使用License頻段，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波等三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存[1]。

1.2 地磁檢測(cè)原理

已知地磁場(chǎng)大小為0.5～0.6 Gs(1 T=10 000 Gs，已知一個(gè)黑板吸鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度為1 500～2 000 Gs)。若傳感器傳感范圍在-10～10 Gs，靈敏度為10 mGs，當(dāng)檢測(cè)到微弱的磁場(chǎng)變化時(shí)，便能輸出變化明顯的電平信號(hào)，這樣才可能實(shí)現(xiàn)停車的傳感檢測(cè)。如圖1所示，除非有行車通過(guò)路面，地面磁場(chǎng)才會(huì)有所變化，否則地面磁場(chǎng)會(huì)一直穩(wěn)定不變。因此，通過(guò)利用地磁傳感器對(duì)地球磁場(chǎng)變化的感應(yīng)來(lái)檢測(cè)機(jī)動(dòng)車輛。

圖1 地磁檢測(cè)原理圖

1.3 結(jié)合NB-IoT的地磁車檢技術(shù)

NB-IoT技術(shù)優(yōu)點(diǎn)非常明顯，比現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)多提供50～100倍的接入數(shù)，其中一個(gè)扇區(qū)就能支持10萬(wàn)個(gè)連接，支持低延時(shí)敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[2]。NB-IoT技術(shù)在特殊的地方(如山區(qū)道路、地下室等地方)覆蓋能力強(qiáng)，比LTE提升20 dB增益，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域能力[3]。最重要的是，NB-IoT技術(shù)的低功耗特性很明顯，特別對(duì)于一些不能經(jīng)常更換電池的設(shè)備和場(chǎng)合，電池使用壽命長(zhǎng)達(dá)幾年。與LoRa技術(shù)相比，NB-IoT技術(shù)無(wú)須重新建網(wǎng)，射頻和天線基本上都是復(fù)用的[4]。因此基于以上功能特點(diǎn)，可采用NB-IoT傳輸來(lái)取代傳統(tǒng)地磁感應(yīng)器的無(wú)線網(wǎng)關(guān)部分。

事實(shí)上，在車檢系統(tǒng)中的感應(yīng)技術(shù)發(fā)展相對(duì)比較成熟，主要有純地磁感應(yīng)器、聲波感應(yīng)器及紅外探測(cè)器等方法，而相比較基于NB-IoT的地磁傳感器，這些方法因地制宜，各有特點(diǎn)，詳情如表1所示。

表1 車檢技術(shù)對(duì)比分析表

根據(jù)表1的對(duì)比可知，本文所采用的基于NB-IoT地磁車檢技術(shù)的路況預(yù)警系統(tǒng)，不僅能夠使得傳輸不再受距離限制，還能大大減少成本投入，提高系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)分析

考慮到當(dāng)前交通道路的路況及地磁技術(shù)的最新發(fā)展，本文提出了一種基于NB-IoT的地磁感應(yīng)路況預(yù)警系統(tǒng)，如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由視頻檢測(cè)單元、信息顯示單元、語(yǔ)音警示單元、NB-IoT地磁車檢單元、路況管理平臺(tái)、用戶移動(dòng)端APP等6部分組成。

圖2 路況預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)圖

其中，NB-IoT地磁車檢單元可實(shí)時(shí)采集公路行車的數(shù)據(jù)，并通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；視頻檢測(cè)單元核心部件為智能攝像機(jī)，具備車牌識(shí)別、車型識(shí)別、車衣識(shí)別、路障識(shí)別、車流量統(tǒng)計(jì)、能見度、天氣狀況等檢測(cè)功能；信息顯示單元的屏幕可根據(jù)實(shí)際定制大小，主要用來(lái)顯示前方路況信息及行車信息；語(yǔ)音警示單元主要當(dāng)檢測(cè)到有來(lái)車，會(huì)有語(yǔ)音提示，如“前方來(lái)車減速慢行”；路況管理平臺(tái)運(yùn)行在云上，是基于LAMP(Linux+Apache+PHP+MySQL)技術(shù)組成的系統(tǒng)，主要功能為處理公路急轉(zhuǎn)彎及岔路口采集回來(lái)的信息，如方位信息、路障信息、能見度信息、路段交通歷史事故信息、天氣狀況、車輛通過(guò)速度、車型信息、車牌信息、管理信息等信息內(nèi)容，同時(shí)也可以輸出各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；用戶移動(dòng)端APP通過(guò)云服務(wù)器訪問(wèn)該公路的急轉(zhuǎn)彎和岔路口的基本信息，用戶的手機(jī)號(hào)已經(jīng)在后臺(tái)和定位終端進(jìn)行了綁定，用戶只需要打開手機(jī)APP，輸入手機(jī)號(hào)和驗(yàn)證碼，點(diǎn)擊登錄按鈕，即可看到自己當(dāng)前位置附近的公路急轉(zhuǎn)彎和岔路口路線，提前了解路況。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制

在確定整個(gè)路況預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)后，可設(shè)計(jì)路況預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制如下頁(yè)圖3所示，利用NB-IoT地磁車檢技術(shù)的工作原理，首先在交通道路不利的地形處，埋設(shè)NB-IoT地磁傳感器車道及雙向車道分界線區(qū)域作為預(yù)警區(qū)，一旦車輛接近系統(tǒng)前方的預(yù)警區(qū)，觸發(fā)來(lái)向預(yù)警，視頻檢測(cè)單元檢測(cè)車輛的信息(車速、車牌、車型等信息)，顯示單元顯示車輛基本信息及提醒語(yǔ)減速慢行注意安全內(nèi)容，語(yǔ)音警示單元廣播“車輛減速慢行，注意安全”等警語(yǔ)，同時(shí)通過(guò)NB-IoT發(fā)出信號(hào)給去向預(yù)警區(qū)域的顯示單元顯示車輛基本信息及提醒語(yǔ)減速慢行注意安全內(nèi)容、語(yǔ)音警示單元廣播“車輛減速慢行，注意安全”等警語(yǔ)。當(dāng)車輛通過(guò)，且近距離無(wú)其他車輛或行人通過(guò)時(shí)，在來(lái)向預(yù)警區(qū)域與去向預(yù)警區(qū)域中，其具備提示功能的相關(guān)設(shè)備設(shè)施就會(huì)暫時(shí)進(jìn)入休眠模式，此時(shí)，車輛便可安全通過(guò)該公路的急轉(zhuǎn)彎或岔路口了。同時(shí)，每一次行車所觸發(fā)NB-IoT地磁傳感器得到的來(lái)車預(yù)警信息都會(huì)通過(guò)NB-IoT及網(wǎng)絡(luò)傳到IoT管理云平臺(tái)，管理云平臺(tái)最終根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，提前將分析預(yù)測(cè)的信息發(fā)送到車主手機(jī)移動(dòng)端APP，也能進(jìn)一步提醒車主在預(yù)警區(qū)域減速慢行、注意安全。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制框架圖

3 系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景

在公路上存在很多急轉(zhuǎn)彎、岔路口等特殊路段，本文基于NB-IoT地磁車檢技術(shù)路況預(yù)警系統(tǒng)，分別就NB-IoT地磁車檢的安裝部署以及在公路急轉(zhuǎn)彎、公路岔路口的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景情況展開設(shè)計(jì)分析。

3.1 NB-IoT地磁車檢的安裝部署

在公路上，當(dāng)行車在急轉(zhuǎn)彎和岔路口上時(shí)，車子最大車速為60 km/h，在遇到前方路況異常時(shí)，直覺(jué)上駕駛者就要進(jìn)行變道完成安全行駛，需花費(fèi)的時(shí)間為3～5 s，而NB-IoT地磁車檢信號(hào)的傳輸最大距離為90 m(信號(hào)傳輸時(shí)間忽略不計(jì))，那么就需要在距離彎道轉(zhuǎn)折點(diǎn)或路口分叉點(diǎn)60～70 m處設(shè)置NB-IoT地磁車檢器。因此，為了在車道以及雙向車道分界線上埋設(shè)地磁，且要避免車輛在不按照交通規(guī)則行駛時(shí)發(fā)生漏檢的情況，可根據(jù)圖5車輛行駛方式的組合，在車道上依次埋入2行6個(gè)NB-IoT地磁車檢器，加強(qiáng)車輛檢測(cè)的精度。設(shè)置兩道NB-IoT地磁車檢單元的預(yù)警線如下頁(yè)圖4所示，通過(guò)車輛先后經(jīng)過(guò)檢測(cè)器的順序以及檢測(cè)器觸發(fā)時(shí)間等來(lái)判斷車輛的行駛狀態(tài)，包括行駛方向以及行駛速度等。

(a)越線行駛方式

3.2 在公路急轉(zhuǎn)彎的應(yīng)用

常見的公路急轉(zhuǎn)彎如圖5所示，在車輛通過(guò)公路急轉(zhuǎn)彎時(shí)，整個(gè)路況系統(tǒng)的運(yùn)行流程為：行車從A端方向向B端方向通過(guò)急轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，可在A端放置1套信息顯示單元和1套語(yǔ)音警示單元，B端各放置1套視頻檢測(cè)單元，將B端方向的路況信息和車輛信息在A端的信息顯示單元打印出來(lái)，同時(shí)觸發(fā)語(yǔ)音警示單元進(jìn)行預(yù)警，提醒A端方向的車輛減速慢行，注意交通安全。反之，B端方向路線一樣。

圖5 急轉(zhuǎn)彎應(yīng)用場(chǎng)景示意圖

3.3 在公路岔路口的應(yīng)用

常見的公路岔路口如圖6所示，在車輛通行公路岔路口處，整個(gè)路況系統(tǒng)的運(yùn)行流程為：行車從A端方向通過(guò)路口到B端方向時(shí)，同時(shí)有B端方向和C端方向的行車通過(guò)路口向A端方向行駛，可在A端方向放置1套信息顯示單元和1套語(yǔ)音警示單元，B端和C端各放置1套視頻檢測(cè)單元，將B端方向和C端方向的路況信息和車輛信息在A端的信息顯示單元顯示出來(lái)，提醒A端方向的車輛減速慢行，注意交通安全，整個(gè)流程所檢測(cè)的數(shù)據(jù)信息通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_(tái)進(jìn)行分析預(yù)判。

圖6 岔路口應(yīng)用場(chǎng)景示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

公路急轉(zhuǎn)彎和岔路口處，由于視野盲區(qū)大、車速控制不順、車輛復(fù)雜、路況環(huán)境差、監(jiān)管不到位，會(huì)直接影響到行車的安全。本文通過(guò)采用基于NB-IoT地磁車檢技術(shù)開發(fā)一個(gè)公路急轉(zhuǎn)彎和岔路口的路況預(yù)警系統(tǒng)，依托NB-IoT地磁車檢技術(shù)觸發(fā)系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取車輛信息和路況信息，再通過(guò)NB-IoT和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)所得的車輛信息和路況信息進(jìn)行研判，并將得到的預(yù)警信息直觀展現(xiàn)出來(lái)。該系統(tǒng)的應(yīng)用能進(jìn)一步保證公路急轉(zhuǎn)彎及岔路口的行車安全，同時(shí)也能夠極大減少公路急轉(zhuǎn)彎及岔路口的交通事故，對(duì)公路路況的智能交通監(jiān)控領(lǐng)域提供了應(yīng)用參考。