基于NB-IoT地磁車檢技術的公路急轉彎及岔路口的路況預警系統

陳 瑜

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

公路交通事故事關人民生命和財產的安全，預防事故發生不僅要提高人們安全行駛的意識，更需要加強公路智能交通設施的建設。目前公路地形復雜多樣，特別是偏僻山區或鄉村的公路，存在彎道多、岔路口多、車輛復雜、駕駛人安全意識薄弱、交通安全監管不到位等一系列問題。很多公路交通安全事故發生的地點都是在公路急轉彎及岔路口等特殊路況上，在駕駛車通過公路急轉彎或岔路口路況時，駕駛者不僅僅對前方交通狀況缺乏足夠的了解，還很難在這極其短暫的應變時間內對當前路況做出正確的判斷，最終因為誤判路況導致交通事故的發生。此時，亟須一種先進的智能交通系統平臺，就公路急轉彎及岔路口等特殊路段進行即時動態的偵測、警告、引導和管制。為此，借助物聯網、云計算技術，本文提出了一種基于NB-IoT地磁車檢技術的公路彎道及交叉路口路況預警系統，并對其在公路彎道及交叉路口的應用展開探討。

1 系統技術原理

1.1 NB-IoT技術原理

Narrow Band Internet of Things，簡稱NB-IoT，即窄帶寬物聯網技術。該技術核心在于支持低功耗設備在WAN(簡稱Wide Area Network)的蜂窩數據連接。NB-IoT是從最初的2G移動通訊逐步發展而來，NB-IoT使用License頻段，可采取帶內、保護帶或獨立載波等三種部署方式，與現有網絡共存[1]。

1.2 地磁檢測原理

已知地磁場大小為0.5～0.6 Gs(1 T=10 000 Gs，已知一個黑板吸鐵的磁場強度為1 500～2 000 Gs)。若傳感器傳感范圍在-10～10 Gs，靈敏度為10 mGs，當檢測到微弱的磁場變化時，便能輸出變化明顯的電平信號，這樣才可能實現停車的傳感檢測。如圖1所示，除非有行車通過路面，地面磁場才會有所變化，否則地面磁場會一直穩定不變。因此，通過利用地磁傳感器對地球磁場變化的感應來檢測機動車輛。

圖1 地磁檢測原理圖

1.3 結合NB-IoT的地磁車檢技術

NB-IoT技術優點非常明顯，比現有無線技術多提供50～100倍的接入數，其中一個扇區就能支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優化的網絡架構[2]。NB-IoT技術在特殊的地方(如山區道路、地下室等地方)覆蓋能力強，比LTE提升20 dB增益，相當于提升了100倍覆蓋區域能力[3]。最重要的是，NB-IoT技術的低功耗特性很明顯，特別對于一些不能經常更換電池的設備和場合，電池使用壽命長達幾年。與LoRa技術相比，NB-IoT技術無須重新建網，射頻和天線基本上都是復用的[4]。因此基于以上功能特點，可采用NB-IoT傳輸來取代傳統地磁感應器的無線網關部分。

事實上，在車檢系統中的感應技術發展相對比較成熟，主要有純地磁感應器、聲波感應器及紅外探測器等方法，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，詳情如表1所示。

表1 車檢技術對比分析表

根據表1的對比可知，本文所采用的基于NB-IoT地磁車檢技術的路況預警系統，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，提高系統通信的穩定性。

2 系統總體設計

2.1 系統架構分析

考慮到當前交通道路的路況及地磁技術的最新發展，本文提出了一種基于NB-IoT的地磁感應路況預警系統，如圖2所示，整個系統主要由視頻檢測單元、信息顯示單元、語音警示單元、NB-IoT地磁車檢單元、路況管理平臺、用戶移動端APP等6部分組成。

圖2 路況預警系統平臺架構圖

其中，NB-IoT地磁車檢單元可實時采集公路行車的數據，并通過NB-IoT網絡進行數據傳輸；視頻檢測單元核心部件為智能攝像機，具備車牌識別、車型識別、車衣識別、路障識別、車流量統計、能見度、天氣狀況等檢測功能；信息顯示單元的屏幕可根據實際定制大小，主要用來顯示前方路況信息及行車信息；語音警示單元主要當檢測到有來車，會有語音提示，如“前方來車減速慢行”；路況管理平臺運行在云上，是基于LAMP(Linux+Apache+PHP+MySQL)技術組成的系統，主要功能為處理公路急轉彎及岔路口采集回來的信息，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、車輛通過速度、車型信息、車牌信息、管理信息等信息內容，同時也可以輸出各類統計報表，便于進行數據分析；用戶移動端APP通過云服務器訪問該公路的急轉彎和岔路口的基本信息，用戶的手機號已經在后臺和定位終端進行了綁定，用戶只需要打開手機APP，輸入手機號和驗證碼，點擊登錄按鈕，即可看到自己當前位置附近的公路急轉彎和岔路口路線，提前了解路況。

2.2 系統運行機制

在確定整個路況預警系統平臺架構后，可設計路況預警系統的運行機制如下頁圖3所示，利用NB-IoT地磁車檢技術的工作原理，首先在交通道路不利的地形處，埋設NB-IoT地磁傳感器車道及雙向車道分界線區域作為預警區，一旦車輛接近系統前方的預警區，觸發來向預警，視頻檢測單元檢測車輛的信息(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減速慢行注意安全內容，語音警示單元廣播“車輛減速慢行，注意安全”等警語，同時通過NB-IoT發出信號給去向預警區域的顯示單元顯示車輛基本信息及提醒語減速慢行注意安全內容、語音警示單元廣播“車輛減速慢行，注意安全”等警語。當車輛通過，且近距離無其他車輛或行人通過時，在來向預警區域與去向預警區域中，其具備提示功能的相關設備設施就會暫時進入休眠模式，此時，車輛便可安全通過該公路的急轉彎或岔路口了。同時，每一次行車所觸發NB-IoT地磁傳感器得到的來車預警信息都會通過NB-IoT及網絡傳到IoT管理云平臺，管理云平臺最終根據所得到的數據信息進行分析預測，提前將分析預測的信息發送到車主手機移動端APP，也能進一步提醒車主在預警區域減速慢行、注意安全。

圖3 系統運行機制框架圖

3 系統應用場景

在公路上存在很多急轉彎、岔路口等特殊路段，本文基于NB-IoT地磁車檢技術路況預警系統，分別就NB-IoT地磁車檢的安裝部署以及在公路急轉彎、公路岔路口的實際應用場景情況展開設計分析。

3.1 NB-IoT地磁車檢的安裝部署

在公路上，當行車在急轉彎和岔路口上時，車子最大車速為60 km/h，在遇到前方路況異常時，直覺上駕駛者就要進行變道完成安全行駛，需花費的時間為3～5 s，而NB-IoT地磁車檢信號的傳輸最大距離為90 m(信號傳輸時間忽略不計)，那么就需要在距離彎道轉折點或路口分叉點60～70 m處設置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地磁，且要避免車輛在不按照交通規則行駛時發生漏檢的情況，可根據圖5車輛行駛方式的組合，在車道上依次埋入2行6個NB-IoT地磁車檢器，加強車輛檢測的精度。設置兩道NB-IoT地磁車檢單元的預警線如下頁圖4所示，通過車輛先后經過檢測器的順序以及檢測器觸發時間等來判斷車輛的行駛狀態，包括行駛方向以及行駛速度等。

(a)越線行駛方式

3.2 在公路急轉彎的應用

常見的公路急轉彎如圖5所示，在車輛通過公路急轉彎時，整個路況系統的運行流程為：行車從A端方向向B端方向通過急轉彎行駛時，可在A端放置1套信息顯示單元和1套語音警示單元，B端各放置1套視頻檢測單元，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，同時觸發語音警示單元進行預警，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 急轉彎應用場景示意圖

3.3 在公路岔路口的應用

常見的公路岔路口如圖6所示，在車輛通行公路岔路口處，整個路況系統的運行流程為：行車從A端方向通過路口到B端方向時，同時有B端方向和C端方向的行車通過路口向A端方向行駛，可在A端方向放置1套信息顯示單元和1套語音警示單元，B端和C端各放置1套視頻檢測單元，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，提醒A端方向的車輛減速慢行，注意交通安全，整個流程所檢測的數據信息通過NB-IoT網絡傳輸到后臺進行分析預判。

圖6 岔路口應用場景示意圖

4 結語

公路急轉彎和岔路口處，由于視野盲區大、車速控制不順、車輛復雜、路況環境差、監管不到位，會直接影響到行車的安全。本文通過采用基于NB-IoT地磁車檢技術開發一個公路急轉彎和岔路口的路況預警系統，依托NB-IoT地磁車檢技術觸發系統實時獲取車輛信息和路況信息，再通過NB-IoT和互聯網技術實現數據交互，經過數據分析技術，對所得的車輛信息和路況信息進行研判，并將得到的預警信息直觀展現出來。該系統的應用能進一步保證公路急轉彎及岔路口的行車安全，同時也能夠極大減少公路急轉彎及岔路口的交通事故，對公路路況的智能交通監控領域提供了應用參考。