高速公路沿線智能落石監測與預警系統

孫鳳婷 周君曉 劉 勇 曲銘玨 蘇凡珈

（東北林業大學交通學院，黑龍江 哈爾濱 150000 ）

0 引言

近年來，國內高速公路的建設步伐不斷加快，通車里程不斷向偏遠地區延伸，山區路段受地理地質因素限制，工程建設過程中不可避免地會出現一些危險巖石。

傳統的高速公路落石防護措施如漿砌片石護坡、落石防護網等，有成本低的優點，但不能對災害程度災害發生地點做出判斷。目前，邊坡智能監測的技術和儀器已趨于成熟，還有根據巖體破壞特點研發的技術，如儀表觀測法、測量機器人技術[1]等，在這個基礎上的落石監測技術，成本高，在我國高速公路日益發展的前提下無法做到普及。

針對上述遇到的問題，該項目擬設計一個基于振動傳感器與物聯網的高速公路落石監測與預警系統，工作中心人員通過對數據傳回的時間判斷落石的地點范圍，從而發出預警，保證人身安全以及避免經濟損失。

1 國內外研究現狀

關于高速公路邊坡落石災害的監測和預警，國內外許多學者都做出了研究、提出了應對方案。

王杰、葉茂等人[2]采用工程地質學、圖像處理、通信技術相結合的方法，編寫了一套基于視頻影像的崩塌落石檢測代碼，并設計了相應的硬件搭載設備。該系統是在災害發生后的起始時刻捕捉危險信號并發出警報，提供了輔助災前預報的第二道防線。給出了系統在公路邊坡和居民區山坡中的布設原則。該系統靈敏度可滿足要求，但抗干擾能力還有待提高。測斜儀器觀測是通過在邊坡上安裝有關儀器，監測內部及坡面的變形。最常用的監測儀器就是測斜儀[3]，一般是需要先在邊坡上鉆孔，埋入帶有導槽的測斜管，測斜儀沿著導槽放入。通過記錄不同深度處的測斜儀讀數，推導處隨著測斜管變形的坡體內部變形。隋海波等人[4]將設計的 BOTDR 變形監測系統安裝在實際工程的破體內，該邊坡的變形實施分布式監測，取得了較好的效果。浙江大學的李煥強[5]等結合光纖 BOTDR 和 FBG 技術進行邊坡模型試驗的坡面變形測量。總體來講，光纖傳感是邊坡監測中的一種新技術，發展迅猛，但目前仍處于實驗科研和驗證階段，各種傳感器技術水平、安裝施工工藝等不夠成熟。

2 系統總體設計

2.1 設計思路

針對傳統的高速公路沿線落石防護方法不能判斷落石事件發生及發生地點、先進智能監測技術成本高、不易普及的缺點，該作品設計了一種落石監測與預警系統，主要包括監測模塊、預警模塊、物聯網模塊3個部分。在現有邊坡防護網的基礎上，將該作品設計的裝置呈等距離排布，當有落石落下時，落石將對鐵絲網造成沖擊振動，若振幅達到或超過閾值，在物聯網支持下的監控終端將發出警報，由監控中心的工作人員對落石發生地點進行判斷，并通過網絡將信息傳達至沿線廣播，避免因此造成的人身安全以及經濟損失。若振幅未達到閾值，系統將持續監測。系統工作流程如圖1所示。

圖1 流程圖

2.2 監測模塊

監測模塊由RISYM高靈敏振動傳感器、開關信號指示燈、靈敏度調節電位器、電源指示燈、電源組成。

靈敏度電位調節器的本質是可調節的電子元件，它由1個電阻體和1個轉動系統組成。監測模塊斷電狀態下，電阻體的2個固定觸點之間有外加電壓，通過轉動系統改變觸點在電阻體上的位置，進而調節監測模塊的電阻值，該電阻值的大小初步確定了監測模塊監測振動閾值。

監測模塊正極接入3.3V～5.0V的電壓，將監測模塊整體置于PCB線路板上，電源正負極整體接入PCB線路板，由PCB線路板上的USB充電口對其供電。

基于RISYM高靈敏振動傳感器模塊設計的監測模塊，輸出信號較干凈，波形較好。通電情況下，開關信號指示燈和電源指示燈處于常亮狀態，監測裝置處于伺服狀態。工作狀態下，當落石落下、鐵絲網感受到振動時，靈敏震動傳感器對該振動信號的振幅進行初步判斷，若振幅達到閾值，則判斷為落石，預警模塊將發出警報，同時通過物聯網將該信號傳回監控終端；若振幅未達到閾值，則判斷為其他可忽略的振動源，監測模塊繼續監測。

2.3 預警模塊

預警模塊由蜂鳴警報器、時間模塊和延時模塊組成。

蜂鳴警報器在信號發出端發出警報。在信號發出端設置了蜂鳴報警器，在信號接收端即監控終端設置了信號傳回路線。蜂鳴警報器是一個一體化結構的電子元件，采用直流電壓供電。將蜂鳴警報器布置于PCB板上，通過PCB板上USB電源接口供電。監測模塊監測到振動且振動幅值超過閾值時，蜂鳴報警器發出警報。

延時模塊用于制造信號傳回監控中心的時間差。在連續的攔截網路段中，將振動監測模塊呈等距離布置，每隔200m布置1個振動監測模塊。考慮到振動傳感器傳回數據的快速反應性，使用具有延時功能的模塊，對振動傳感器的快速反應特性造成一定延遲，以便使相鄰監測模塊傳回的數據有時差。

時間模塊聯網后可自動校準顯示時間，同時將振動事件發生時的時間實時傳回監控終端。根據數據傳回監控終端的速度快慢，工作人員能對發生落石的位置范圍做出判斷，進而向外發出警告信息。

2.4 物聯網模塊

現在汽車工業的發展，人們生活水平的提高，生活節奏加快，私家車數量的劇增，使公路、橋梁、公交、停車場等使用捉襟見肘，而物聯網的出現，在一定程度上將會有效地緩解這一狀況[6]。

物聯網模塊型號選用NB75，通過NB-loT網絡實現數據傳輸。WH-NB75-BA功能特點相對齊全，具有支持CoAP協議、支持注冊包功能、支持穩恒擴展指令集、與GPRS和4G模塊硬件封裝兼容，更換成本低等特點。NB75模塊還有一個重要特點是低功耗，這為裝置的應用性和經濟性提供了保障。NB-loT網絡傳輸具有強鏈接、高覆蓋、低功耗、低成本的技術特點。在同一基站的情況下，NB-loT網絡傳輸比現有無線技術提高50～100倍的接入數，其覆蓋能力強功耗低，對于一些不經常使用更換電池的設備和場合具有高適配性。以上特點，均為該裝置的沿線布置提供了可能性，該系統具有一定的應用前景。

基于WH-NB75-BA模塊設計的物聯網開發模塊，在CoAP協議的支持下，能實時將振動信號傳回監控終端，實現監測模塊到監控終端網絡的雙向數據透明傳輸的目標。將NB75-BA模塊布置在PCB板上，用串口線連接監控終端和評估板串口，同時將天線接到模塊上，SIM卡安裝在卡槽中，通電后，即可實現數據實時傳回監控終端。

物聯網模塊的基本參數包括物聯網模塊工作電壓、SIM卡的工作電壓值、物聯網工作溫度范圍等，具體數值如表1所示。

表1 基本參數

2.5 整體設計

考慮到傳統的高速公路落石防護措施如漿砌片石護坡、落石防護網等，不能對災害程度以及災害發生地點做出判斷，邊坡智能監測的技術和儀器成本高，在我國高速公路日益發展的前提下無法普及應用，設計監測模塊能夠實時監測沿線振動并對振動振幅大小做出判斷，判斷振動源是否為落石；設計預警模塊可以對落石發生地點的范圍做出預警，通過物聯網模塊傳出預警信息；設計物聯網模塊能實現監測模塊到監控終端網絡的雙向數據透明傳輸的目的；設計監控終端模塊，方便工作人員做出下一步工作。

將監測模塊、預警模塊、物聯網模塊和WEACT STM32開發板進行總體設計與布置，設計出的電路圖如圖2所示。

圖2 電路圖

綜上所述，基于監測模塊、預警模塊和物聯網所設計的PCB板如圖3所示。

圖3 PCB實物圖

控制代碼如下。

3 應用前景

考慮到傳統的高速公路落石防護措施的缺點，該項目設計了基于振動傳感器的高速公路落石監測與預警系統，該系統可用于高速公路或者山區公路的落石監測，救援裝置長時間布置在山區事故多發路段，事故發生時，監測裝置能及時的做出判斷、發出警告，一方面方便救援人員實施救援，一方面警告即將來往車輛；裝置用電量小，為長時間布置在高速公路沿線兩側節約了成本，若將該系統投入使用，有可觀的應用前景。

4 結論

目前隨著我國經濟活動的迅猛發展，山區公路不斷得到開發建設，高速公路沿線落石事故造成的損失不斷增加，山區路段安全保障面臨著巨大挑戰。該救援裝置為事故多發路段的安全保障和救援提供了全新的形式與手段，可在全國范圍的山區高速公路的沿線進行推廣。