高速公路沿線智能落石監(jiān)測與預警系統(tǒng)

孫鳳婷 周君曉 劉 勇 曲銘玨 蘇凡珈

（東北林業(yè)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(qū)延伸，山區(qū)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(tǒng)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(yōu)點，但不能對災害程度災害發(fā)生地點做出判斷。目前，邊坡智能監(jiān)測的技術和儀器已趨于成熟，還有根據巖體破壞特點研發(fā)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(jiān)測技術，成本高，在我國高速公路日益發(fā)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(lián)網的高速公路落石監(jiān)測與預警系統(tǒng)，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(fā)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(jiān)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(tǒng)是在災害發(fā)生后的起始時刻捕捉危險信號并發(fā)出警報，提供了輔助災前預報的第二道防線。給出了系統(tǒng)在公路邊坡和居民區(qū)山坡中的布設原則。該系統(tǒng)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(jiān)測內部及坡面的變形。最常用的監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)安裝在實際工程的破體內，該邊坡的變形實施分布式監(jiān)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(jiān)測中的一種新技術，發(fā)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(tǒng)總體設計

2.1 設計思路

針對傳統(tǒng)的高速公路沿線落石防護方法不能判斷落石事件發(fā)生及發(fā)生地點、先進智能監(jiān)測技術成本高、不易普及的缺點，該作品設計了一種落石監(jiān)測與預警系統(tǒng)，主要包括監(jiān)測模塊、預警模塊、物聯(lián)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(lián)網支持下的監(jiān)控終端將發(fā)出警報，由監(jiān)控中心的工作人員對落石發(fā)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(tǒng)將持續(xù)監(jiān)測。系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 流程圖

2.2 監(jiān)測模塊

監(jiān)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(jié)電位器、電源指示燈、電源組成。

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

監(jiān)測模塊正極接入3.3V～5.0V的電壓，將監(jiān)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(jiān)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(tài)，監(jiān)測裝置處于伺服狀態(tài)。工作狀態(tài)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(fā)出警報，同時通過物聯(lián)網將該信號傳回監(jiān)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(jiān)測模塊繼續(xù)監(jiān)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(fā)出端發(fā)出警報。在信號發(fā)出端設置了蜂鳴報警器，在信號接收端即監(jiān)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(jiān)測模塊監(jiān)測到振動且振動幅值超過閾值時，蜂鳴報警器發(fā)出警報。

延時模塊用于制造信號傳回監(jiān)控中心的時間差。在連續(xù)的攔截網路段中，將振動監(jiān)測模塊呈等距離布置，每隔200m布置1個振動監(jiān)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(jiān)測模塊傳回的數據有時差。

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

2.4 物聯(lián)網模塊

現在汽車工業(yè)的發(fā)展，人們生活水平的提高，生活節(jié)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(lián)網的出現，在一定程度上將會有效地緩解這一狀況[6]。

物聯(lián)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(xié)議、支持注冊包功能、支持穩(wěn)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(tǒng)具有一定的應用前景。

基于WH-NB75-BA模塊設計的物聯(lián)網開發(fā)模塊，在CoAP協(xié)議的支持下，能實時將振動信號傳回監(jiān)控終端，實現監(jiān)測模塊到監(jiān)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(jiān)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(jiān)控終端。

物聯(lián)網模塊的基本參數包括物聯(lián)網模塊工作電壓、SIM卡的工作電壓值、物聯(lián)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(tǒng)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(fā)生地點做出判斷，邊坡智能監(jiān)測的技術和儀器成本高，在我國高速公路日益發(fā)展的前提下無法普及應用，設計監(jiān)測模塊能夠實時監(jiān)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(fā)生地點的范圍做出預警，通過物聯(lián)網模塊傳出預警信息；設計物聯(lián)網模塊能實現監(jiān)測模塊到監(jiān)控終端網絡的雙向數據透明傳輸的目的；設計監(jiān)控終端模塊，方便工作人員做出下一步工作。

將監(jiān)測模塊、預警模塊、物聯(lián)網模塊和WEACT STM32開發(fā)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(jiān)測模塊、預警模塊和物聯(lián)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(tǒng)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(jiān)測與預警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于高速公路或者山區(qū)公路的落石監(jiān)測，救援裝置長時間布置在山區(qū)事故多發(fā)路段，事故發(fā)生時，監(jiān)測裝置能及時的做出判斷、發(fā)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(jié)約了成本，若將該系統(tǒng)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(fā)展，山區(qū)公路不斷得到開發(fā)建設，高速公路沿線落石事故造成的損失不斷增加，山區(qū)路段安全保障面臨著巨大挑戰(zhàn)。該救援裝置為事故多發(fā)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(qū)高速公路的沿線進行推廣。