智能施工警示移動信息LED發布屏設計與應用

潘 揚

(廣西交通投資集團南寧高速公路運營有限公司,廣西 南寧 530022)

0 引言

高速公路施工現場存在作業面多、工種多、工程機械多、現場作業復雜、安全隱患動態復雜等特點,在施工安全管理方面必須嚴格遵循《安全生產法》,規范施工行為,加強施工人員的安全培訓,除此之外,還應在施工地段安放明顯、醒目的安全警示、預警設備[1]。而傳統的警示效果不明顯,對過往的車輛速度反映不夠直觀,尤其在海拔高的山區施工,多濃霧天氣,施工車輛駕駛員看不清限速警示和安全信息提示牌,存在重大的施工安全隱患。

為提高施工安全保障,設計了高速公路智能警示移動信息LED發布屏系統,現場監測設備可對過往施工車輛進行速度檢測、警示超速和抓拍取證,可對現場情況視頻監控、錄像回查,也可以發布調度指令、通告以及相關的道路信息。

1 智能施工警示移動信息LED發布屏總體設計方案

系統由現場監測設備和管控平臺兩部分組成。現場監測設備放置在施工區域,一般面向來車方向,包括測速、LED信息發布屏、車牌識別、爆閃警示燈、太陽能供電系統、4G無線通信傳輸模塊等部件;管控云平臺軟件安裝在云端服務器,可在監控室PC電腦端看或通過手機APP進行查看控制,匯集各種監測信息和向監測設備發布指令。系統架構圖如圖1所示。

發布屏系統總體設計創新點如下:

(1)系統使用4G移動網絡傳輸,沒有網線的限制,可以完全按現場需求擺放監測設備,克服了施工區域多、分散廣的困難,提升安全管理水平。

(2)監測設備使用電池+太陽能供電,可以擺脫電線的限制,在現場使用時更加方便。還可根據環境亮度自動調節屏體亮度,實現自動節能、延長電池工作時間。即使是通電條件較差的施工現場,也可以連續工作10 h。

圖1 LED發布屏系統總體架構設計圖

(3)現場監測設備自帶移動推車,設備移動十分便捷,可以滿足施工作業區域多變的需求。

(4)可以實現超速車輛的閉環管控。現場監測設備帶雷達測速功能,將車速實時顯示以提醒車輛駕駛人,并對超速車輛進行抓拍上傳報警,告知安全管理人員,同步通過短信通知施工車輛駕駛員。

2 智能警示移動信息LED發布屏硬件設計

智能警示移動信息LED發布屏硬件設計結構如圖2所示。

圖2 LED發布屏硬件設計結構圖

由圖2可知,智能警示移動信息LED發布屏的核心通信部件(即中央控制處理器MCU)是攝像機,其他硬件的通信基本都是與中央控制處理器進行數據傳輸,如LED控制卡、微波測速雷達、GPS北斗定位,4G通信模塊,其中LED控制卡、測速雷達、GPS北斗定位、溫濕度檢測模塊等均是通過串口實現與中央控制處理器的通信。各主要模塊技術特點如下。

2.1 微波測速雷達模塊

測速模塊采用微波式測速雷達,根據自身與目標物之間的相對運動產生的頻率效應,即多普勒效應原理來確定施工區域過往車輛的速度,主要通過雷達模塊與地面發生的多普勒頻移計算得出。根據該原理,車輛的水平運動速度V與接收波頻率fd之間的關系為:

(1)

式中:λ——雷達模塊發送的微波的波長(m);

α——微波雷達沿發射方向與水平地面夾角,即雷達安裝角(°);

fd——微波接收頻率(Hz)[2]。

測速雷達選用電源為DC12V直流電源,輸出方式為RS485串口,具備測速顯示,設置超速閾值功能,若所測車速超過所設置的閾值,顯示的車速改變顏色,由綠色變成紅色,低于所設置的閾值,車速顯示為綠色。測速雷達通過RS485串口實現與相機通信,攝像機獲取實時車速與閾值判斷,如果實時車速超過閾值則為超速。通過上述實時車速展示,可有效地提示駕駛員文明駕駛,按施工區域安全規范行車。

2.2 智能車牌識別攝像機

智能車牌識別攝像機是專門為移動信息屏設計的帶算力的MCU模塊,是智能警示移動信息LED發布屏最為核心的部件,一體化模塊設計要求其除了其本身具有的抓拍、車牌識別、錄像、支持GB28181協議等功能外,增加了定制功能,集成有與外接設備通信的接口功能,攝像機集成的硬件部件如圖3所示。

攝像機內部程序與測速雷達通過RS485實時通信,對經過抓拍區域的所有車輛進行測速,同時抓拍進行車牌識別取證,獲取車輛通行時的圖像,記錄下車輛經過的時間、車型、方向、地點等數據[3]。

圖3 攝像機集成的硬件部件圖

3 智能警示移動信息LED發布屏系統軟件設計

智能警示移動信息LED發布屏軟件設計主要包含攝像機軟件、后臺服務、前端頁面(Web端、移動APP端)三部分。系統采用微服務的B/S架構系統,后端使用Spring Cloud技術,前端使用JQuery、Bootstrap模板,數據庫使用MySQL,使用Intellij IDEA集成開發環境,由于Spring Cloud內部集成了Tomcat,所以后臺系統運行只需要運行啟動類,通過相應地址就可以訪問相關服務。架構層次清晰,保證服務具有較好性能和較高的穩定性[4]。

3.1 軟件關鍵技術

攝像機軟件部分融合了AI視頻圖像分析識別、自動預警等,系統采用國標協議視頻流接入實現與后臺服務監控系統無縫集成,對過往施工車輛進行速度檢測、警示超速和抓拍取證,同時可聯動現場警燈、音箱、揚聲器等設備,并將報警信息通過手機客戶端推送給相關管理人員。

攝像機軟件部分除了攝像機本身支持攝像頭軟件部分外,還需要定制開發集成與硬件之間的通信,如與4G無線通信模塊之間的通信;與測速雷達之間的通信,包含獲取實時測速值和設置超速閾值,判斷是否超速等;與LED控制卡之間的通信,主要是通過串口發送數據給控制卡;與定位模塊之間的通信;通過4G網絡,實現攝像機與后端服務器平臺及客戶端間基于MD5加密的無線TCP/IP通信,其設計框架如圖4所示。

圖4 系統軟件架構圖

由圖4可知,攝像機通過4G網絡為橋梁,將采集的數據(車速、識別的車牌、判斷是否超速狀態、圖片、定位經緯度等)依據MD5加密好的TCP/IP協議上傳數據給服務器或接收服務器發送的數據進而實現遠程控制。同時攝像機通過GB28181協議注冊到視頻服務平臺,在視頻服務平臺即可查看實時視頻,通過視頻網址實現在客戶端查看實時視頻。服務器接收攝像機上傳的數據后保存到數據中心[5]。

3.2 手機端APP應用

由于施工現場的復雜性,Web端網頁無法滿足實際應用場景,故開發了移動手機端APP。該APP具有本地和遠程監控功能,在設備斷網或者信號不穩定的情況下,可以通過手機APP實現本地發布更新信息屏內容、獲取報警信息、車速抓拍照片等,有效保障施工現場的智慧化實時監控管理。

4 應用和優勢

目前智能警示移動信息LED發布屏系統在在建的大新至憑祥高速公路、田東至大新高速公路等高速公路施工現場中均有應用,主要使用場所有在建的收費站、在建的隧道出入口等。在這些施工區域為了保障施工人員的生命安全和財產安全,嚴格要求限速通行。經過現場監測設備區域的車輛中有95%采取了減速措施將車速降低到限速值以下,其他車輛也采取了減速措施。系統應用效果良好,期間未發生交通事故。與傳統的限速警告標志相比,本設計能明顯有效地警示過往車輛在通過施工區域時要嚴格按安全行車規則減速通行、文明駕駛,達到了減少現場發生交通事故的目的,實現了施工區域安全生產的智能化、數字化管理,極大提升了施工安全性。

5 結語

本文針對高速公路施工區域車輛超速行駛存在的安全隱患提供了新科學解決方案,采用雷達移動測速與智能攝像機超速抓拍的雷視融合方法,加強了施工車輛的管理,可預防及減少疲勞駕駛、超速駕駛導致的安全事故,并實時將檢測的數據上傳到服務器,保證數據的可靠性、實時性,實現遠程發布施工標語。本文還通過應用案例測試,證明車速和抓拍效果及時、可靠,信息屏安全警示效果明顯,為施工區域施工人員的生命安全和財產安全提供了有力保障。