高速公路護欄碰撞監(jiān)控系統(tǒng)探討

唐逸TANG Yi

（無錫市德寧節(jié)能科技有限公司，無錫 214000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高，汽車的數(shù)量也在不斷地增加。由于高速公路上的車流量較大，隨之而來的交通事故也在頻頻發(fā)生，而公路上的護欄時常會受到不同程度的損壞。然而，正是因為高速公路上時有發(fā)生此類交通事故會導(dǎo)致人員傷亡及財產(chǎn)損失，因此本文研究出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的護理碰撞監(jiān)控報警系統(tǒng)，使用傳感器技術(shù)能夠?qū)Ω咚俟飞系淖o欄進行實時監(jiān)控，然后再通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對車輛碰撞護欄時的信息進行處理并上傳至道路管理部門，最后管理人員能夠根據(jù)護欄發(fā)出的警報進行碰撞車輛的跟蹤定位，從而實現(xiàn)道路黃金救援。

1 高速公路護欄碰撞監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計原則

1.1 信息實時性原則

在高速公路中，駕駛?cè)藛T會因為疲勞駕駛或突發(fā)意外情況導(dǎo)致車輛出現(xiàn)失控現(xiàn)象，從而撞擊護欄引發(fā)交通事故。然而，因為高速公路大部分修建在偏遠地區(qū)，因此車輛發(fā)生碰撞時，其撞擊時間與地點無法第一時間進行確認(rèn)。所以，針對護欄碰撞監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計時，首先需要將信息實時性納入其中。如：當(dāng)車輛在行駛過程中發(fā)生碰撞，護欄內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備進行及時報警并顯示準(zhǔn)確的撞擊地點，然后將信息第一時間傳輸至交警部門，隨后交警能夠第一時間抵達事故發(fā)生現(xiàn)場，對被困人員及車輛進行及時救助，從而避免事故進一步擴大。

1.2 信息完整性原則

此外，針對護欄碰撞監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計時，還需要進一步對碰撞信息進行完善處理。在現(xiàn)場實際情況中，碰撞車輛的撞擊地點、撞擊部位、撞擊時間等各個因素都需要第一時間進行記錄并傳輸?shù)较嚓P(guān)部門，而交警人員也需要全面掌握事故現(xiàn)場的所有信息才能準(zhǔn)確派出警力進行救援。

1.3 信息記憶性原則

最后，系統(tǒng)的設(shè)計還需要依據(jù)碰撞信息的記憶性原則。如：當(dāng)車輛行駛過程中突發(fā)意外情況而撞擊護欄，護欄能夠第一時間進行報警并對撞擊前后的車輛運行軌跡進行記錄，并且該記錄能夠保存一個月，以便后續(xù)做現(xiàn)場事故分析所需。

2 高速公路護欄碰撞監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

2.1 架構(gòu)組成部分

護欄碰撞監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)主要是由3個部分組成，其中包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等。

2.1.1 感知層 感知層的作用是負責(zé)信數(shù)據(jù)的接入，通過相應(yīng)的傳感器設(shè)備能夠?qū)⒂脩粼诟咚俟飞闲旭傔^程中發(fā)生碰撞時的所有數(shù)據(jù)進行上報。其中的傳感器類型可以采用目前市面上的高級應(yīng)用設(shè)備無線傳感器，通過采用無線傳輸?shù)姆绞剑∟B-IOT與Lora），將信息進行上傳至后臺。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層的作用是通過不同協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)連接，然后將感知層所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換并上傳至上層。在實際情況中，高速公路的路段絕大部分是被運營商網(wǎng)絡(luò)所覆蓋著，因此網(wǎng)絡(luò)層被默認(rèn)設(shè)計成蜂窩網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)系統(tǒng)無法接收網(wǎng)絡(luò)訊號或網(wǎng)絡(luò)較差不穩(wěn)定時，網(wǎng)絡(luò)層可以被設(shè)計成為節(jié)點箱，而一個節(jié)點箱能夠控制多個傳感器設(shè)備。其中，網(wǎng)絡(luò)層的節(jié)點箱是通過Lora雙信號通道進行設(shè)計的，包括接收通道與傳輸通道兩部分。

2.1.3 應(yīng)用層 應(yīng)用層的作用是能夠及時處理上層（網(wǎng)絡(luò)層）所上傳的信息數(shù)據(jù)，然后通過一系列的加工處理，轉(zhuǎn)化成為所需要的目標(biāo)數(shù)據(jù)。包括：車輛運行軌跡數(shù)據(jù)，碰撞實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)、智能控制等，應(yīng)用層一般由兩部分組成：PC端與云端服務(wù)器。

2.2 應(yīng)用層架構(gòu)組成部分

2.2.1 PC端

應(yīng)用層的PC端是用于部署前置機，然后通過Lora網(wǎng)關(guān)能夠與不同節(jié)點箱之間實現(xiàn)信息交互，同時也能夠向云端GUI發(fā)送節(jié)點箱的信息數(shù)據(jù)。

2.2.2 云端服務(wù)器

云端服務(wù)器是基于IOT下的一種物聯(lián)網(wǎng)平臺。云端服務(wù)器用于部署GUI與NB兩個網(wǎng)關(guān)。其中，NB網(wǎng)關(guān)主要負責(zé)接收傳感器所發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后上傳至云端服務(wù)器GUI處。而云端GUI是碰撞系統(tǒng)的重要組成部分，主要作用是用于系統(tǒng)的正常運行。

3 系統(tǒng)內(nèi)部交互場景分析

3.1 場景震動傳感器通過LORA通道上報參數(shù)接受GUI控制

震動傳感器可以應(yīng)用于偏遠山區(qū)或者蜂窩信號無法完全覆蓋的地區(qū)。基于LORA無線射頻模塊下的震動傳感器能夠?qū)F(xiàn)場所發(fā)生的振動數(shù)據(jù)通過遠距離無線電的傳播形式上傳至節(jié)點箱，節(jié)點箱在接收到的相關(guān)數(shù)據(jù)后，經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)化后成為業(yè)務(wù)場景數(shù)據(jù)，并且可以通過添加LORA設(shè)備、ID信息等上傳至前置機，而前置機會把接收到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成為用戶協(xié)議數(shù)據(jù)，最后上傳至GUI服務(wù)器實現(xiàn)人機交互。

3.2 場景震動傳感器通過NB-IOT通道上報參數(shù)接受GUI控制

此情景多用于城市或者蜂窩信號覆蓋較好的地區(qū)。基于NB震動傳感器能夠?qū)F(xiàn)場所發(fā)生的振動數(shù)據(jù)通過蜂窩信號上傳至IOT平臺然后再傳輸至NB網(wǎng)關(guān)，而NB網(wǎng)關(guān)在接收到相關(guān)的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)化后成為業(yè)務(wù)場景數(shù)據(jù)，并且可以通過添加NB-IOT設(shè)備、ID信息等上傳至前置機，而前置機會把接收到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成為用戶協(xié)議數(shù)據(jù)，最后上傳至GUI服務(wù)器實現(xiàn)人機交互。

4 案例分析

在高速公路中車輛與公路護欄之間發(fā)生碰撞是一件常見卻又復(fù)雜的事件，在高速公路中行駛的車輛往往會伴隨巨大的能力，此時若與護欄發(fā)生碰撞，車輛將會發(fā)生偏移或沖出護欄等極其危險的情況，而護欄也會因為車輛巨大的沖擊力發(fā)生不同程度的損壞。

車輛與護欄發(fā)生碰撞時，二者之間的撞擊角度與速度是整個碰撞事故的重要條件及決定因素。除此之外，車輛在受到碰撞后的行駛路線以及車身的受力范圍也在事故分析因素內(nèi)。

4.1 高速公路護欄碰撞事故現(xiàn)場調(diào)研

本文以宣曲高速公路為例（如圖1），該項目為國家高速公路網(wǎng)G56杭瑞高速公路云南境內(nèi)的重要路段，路線全 長105.85km（其 中 主 線94.303km，G60連 接 線11.547km），路線由東北向西南展布于宣威市、沾益區(qū)、經(jīng)開區(qū)、馬龍區(qū)境內(nèi)，起點位于宣威城南，接普立至宣威高速公路，止點位于馬龍區(qū)大瓦倉，接宣曲高速延長線至大昌高速，后與昆曲高速公路相連。全線采用高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計時速100km/h，其中宣威至沾益段74.9km采用雙向四車道，路基寬26m；沾益至曲靖段及G60連接線共30.947km采用雙向六車道，路基寬33.5m，全線在熱水、卡郎、菱角、紅瓦房、沾益、大龍?zhí)丁⑶傅?處均設(shè)互通立交。

4.2 護欄碰撞監(jiān)控系統(tǒng)框架設(shè)計

本項目宣曲高速公路采用的護欄碰撞監(jiān)控系統(tǒng)是一種基于技術(shù)的智能設(shè)備，主要涵蓋了碰撞事故監(jiān)控及報警兩大板塊。具體的設(shè)備是護欄應(yīng)力傳感器以及道路兩旁的監(jiān)控裝置。其中的應(yīng)力傳感器的作用是用于監(jiān)測護欄的受損程度，而監(jiān)控裝置主要的作用是用于全天實時對公路的路況進行監(jiān)控并且針對碰撞事故進行及時拍照，第一時間獲取現(xiàn)場的信息。而這些監(jiān)測設(shè)備能夠?qū)ε鲎曹囕v進行實時監(jiān)控，然后根據(jù)護欄受到的撞擊情況，通過專業(yè)的數(shù)據(jù)處理第一時間獲取到車輛信息，再通過網(wǎng)絡(luò)與GPS衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送報警信息，從而提高高速公路交通事故的救援能力（如圖2）。

針對整個實時監(jiān)控系統(tǒng)來說，最關(guān)鍵的位置在于攝像頭的裝置位置，攝像頭的安裝位置必須要滿足對整個全路段進行無死角監(jiān)控，并且能夠及時對碰撞事故現(xiàn)場進行拍照。通過整合監(jiān)控系統(tǒng)所上傳的現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息，再利用傳感器自動傳輸?shù)较到y(tǒng)后臺，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用對應(yīng)的措施及時進行處理。

本項目所采用的護欄碰撞監(jiān)控系統(tǒng)的攝像頭是利用4K高清攝像頭進行監(jiān)控與拍攝。通過電子抓拍事發(fā)現(xiàn)場，然后經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至后臺的云端服務(wù)器系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的處理與整合，最后傳輸?shù)狡脚_的報警中心，接到指令后管理人員與交警能夠第一時間趕到事故現(xiàn)場進行處理，包括車輛與人員的救助以及道路護欄的維護。

攝像頭采集模塊在整個系統(tǒng)中起到了十分重要的作用。為了能夠滿足監(jiān)控系統(tǒng)采集事故現(xiàn)場的圖像數(shù)據(jù)傳輸功能，本項目所選用的攝像頭為CJ-OV528串口攝像頭。因此，當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時，系統(tǒng)的控制系統(tǒng)將“拍照”指令發(fā)送至攝像頭的驅(qū)動程序，從而能夠及時地對事故現(xiàn)場進行抓拍，生成的圖像數(shù)據(jù)將被儲存在云端后臺。

4.3 公路護欄碰撞事故特征分析

4.3.1 空間分布特征

①急轉(zhuǎn)彎路段。根據(jù)相關(guān)的研究數(shù)據(jù)表明，大多數(shù)的事故發(fā)生的路段在急轉(zhuǎn)彎路段。因此，高速公路的急轉(zhuǎn)彎道十分考驗駕駛員的操作能力。有相關(guān)研究人員表明，駕駛?cè)藛T駕駛車輛行駛在彎道過程中，由于視覺盲區(qū)或車速過快等因素，導(dǎo)致駕駛?cè)藛T遇到急轉(zhuǎn)彎時反應(yīng)不及時，導(dǎo)致沖向道路護欄從而引發(fā)交通事故。

②陡坡路段。由于本文所研究的宣曲高速位于山區(qū)路段，因此該路況存在較大的坡度差異，尤其是陡坡較多，所以相關(guān)的設(shè)計人員會采用縱斷面進行處理。車輛在行駛的過程中，會受到速度與重力的雙重影響，駕駛?cè)藛T就需要使用制動系統(tǒng)進行減速，多次重復(fù)下來，車輛的制動片的溫度就會升高，而導(dǎo)致的結(jié)果則是制動片減速效果緩慢，嚴(yán)重情況下甚至?xí)霈F(xiàn)剎車失靈等現(xiàn)象，最終引發(fā)交通事故。

③組合路段。除此以外，高速公路中的組合路段同樣也是常見的事故發(fā)生地點，其中的組合路段是指急轉(zhuǎn)彎路段與陡坡路段結(jié)合路段。二者兼?zhèn)淞藦澋琅c坡道的特點，因此存在更高的安全風(fēng)險。組合路段相較于上述的兩種路段類型來說，其更加容易使駕駛員出現(xiàn)誤判道路路況的現(xiàn)象，從而引發(fā)更加危險的交通事故。

4.3.2 車型分布特征

根據(jù)圖3可以看出，高速公路所發(fā)生的交通事故中車型多以大型貨車和小型客車為主，所占的比例也較大。

4.4 護欄碰撞監(jiān)控系統(tǒng)研究

護欄碰撞監(jiān)控系統(tǒng)主要是以應(yīng)力傳感器為核心。其原理是當(dāng)車輛行駛在高速公路中，發(fā)生交通事故碰撞到公路兩旁的護欄時，應(yīng)力傳感器能夠及時檢測出車輛碰撞時所引起的沖擊力變化，然后通過傳感器的應(yīng)力變化檢測出車輛以及護欄的受損情況。本項目所研究護欄碰撞監(jiān)控系統(tǒng)正是基于應(yīng)力檢測原理為基礎(chǔ)，研究出了一種基于石墨棒為碰撞檢測材料，從而設(shè)計出了護欄碰撞監(jiān)控系統(tǒng)的仿真模型。

護欄應(yīng)力傳感器是由傳感單元、信號調(diào)節(jié)電路及帶數(shù)字總線接口的微處理器組合成為的一個整體。波形護欄應(yīng)力傳感單元主要是獲取車輛碰撞或人為破壞信號，而信號調(diào)節(jié)電路主要將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，微處理器主要負責(zé)信號的非線性矯正達到減小誤差的目的。

如圖4所示，應(yīng)力傳感器是由應(yīng)力傳感單元、信號調(diào)節(jié)電路、微處理器以及總線接口等組成，其中的應(yīng)力傳感單元是由石墨棒、電阻、同軸線以及其他設(shè)備元件組合而成；信號調(diào)節(jié)電路是指車輛碰撞護欄時所產(chǎn)生的電信號，但是這種電信號需要經(jīng)過調(diào)理電路進行轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)成為可以直接使用的數(shù)字信號，其工作原理將傳感器所傳輸?shù)哪M信號轉(zhuǎn)換成為可供分析的數(shù)字信號，從而能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)控制、數(shù)據(jù)計算等一系列數(shù)據(jù)處理；微處理器需要接收不同的測量信號，本項目所采用的微處理器是STM32F103型號，能夠滿足護欄碰撞監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行使用。

4.5 護欄碰撞仿真分析及結(jié)果

①小型客車。本項目所采用的小客車規(guī)格為1.5t，碰撞起始接觸位置位于護欄中，即12號護欄與13號護欄的連接位置處，碰撞點以及碰撞點前后節(jié)點的位置作為3個不同的監(jiān)測點，其中的不同節(jié)點的監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)方向所呈現(xiàn)出的加速度與位移曲線不同。護欄在受到碰撞后相應(yīng)的節(jié)點加速度就出現(xiàn)了變化，11號節(jié)點與13號節(jié)點的加速度均在t=0.095s時達到峰值；12號節(jié)點呈現(xiàn)出的效果是護欄剛受到碰撞時，其加速度就達到了最大值。根據(jù)碰撞初期來看，12號節(jié)點的位移將逐步增大，與此同時由于11號、13號節(jié)點的位移減小，此后的節(jié)點位移就會不斷增大，最終節(jié)點內(nèi)的位移將會隨之波動。②中型客車。本項目所采用的中型客車規(guī)格為10t，碰撞起始接觸位置位于護欄中，即12號護欄與13號護欄的連接位置處，碰撞點以及碰撞點前后節(jié)點的位置作為3個不同的監(jiān)測點，護欄在受到碰撞后相應(yīng)的節(jié)點加速度就出現(xiàn)了變化，11號節(jié)點與13號節(jié)點的加速度均在t=0.175s時達到峰值，12號節(jié)點呈現(xiàn)出的效果是護欄剛受到碰撞時，其加速度就達到了最大值。根據(jù)碰撞初期來看，12號節(jié)點的位移將逐步增大，與此同時由于11號、13號節(jié)點的位移減小，此后的節(jié)點位移就會不斷增大，最終節(jié)點內(nèi)的位移將會隨之波動。③中型貨車。本項目所采用的中型客車規(guī)格為10t，碰撞起始接觸位置位于護欄中，即12號護欄與13號護欄的連接位置處，碰撞點以及碰撞點前后節(jié)點的位置作為3個不同的監(jiān)測點，護欄在受到碰撞后相應(yīng)的節(jié)點加速度就出現(xiàn)了變化，11號節(jié)點與13號節(jié)點的加速度均在t=0.175s時達到峰值，12號節(jié)點呈現(xiàn)出的效果是護欄剛受到碰撞時，其加速度就達到了最大值。根據(jù)碰撞初期來看，12號節(jié)點的位移將逐步增大，與此同時由于11號、13號節(jié)點的位移減小，此后的節(jié)點位移就會不斷增大，最終節(jié)點內(nèi)的位移將會隨之波動。

根據(jù)上述的研究可以得出，本項目所采用的護欄檢測設(shè)備（應(yīng)力傳感器）是由石墨棒、鋼管、同軸線等不同的傳感單元組合而成的，然后通過傳感器在不同車型的碰撞條件下進行應(yīng)力分析，最后得出該護欄碰撞監(jiān)控系統(tǒng)具有可行性。

5 結(jié)語

綜上所述，本文通過設(shè)計了一種應(yīng)用于高速公路的護欄碰撞監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效監(jiān)控行駛在高路公路上的車輛發(fā)生意外時撞擊護欄的整個過程，系統(tǒng)采用了Lora和NB-IOT兩種傳輸協(xié)議以及石墨應(yīng)急傳感器（護欄碰撞檢測設(shè)備），能夠覆蓋至本項目的山區(qū)高速公路中使用，通過瞬時響應(yīng)以及警報等特征能夠?qū)Ω咚俟返牡缆钒踩M行實時監(jiān)控，也提高了高速公路安全事故的救援效率。