高速公路積水監測預警系統的研究和應用

趙偉，劉文沛，鄭杰，張啟貴 （宿州學院資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000）

1 引言

近年來，隨著國家大規模對高速公路建設的投入，群眾出行更多地選擇了高速自駕的方式，來節省時間和提高工作效率，但與此同時對于交通運輸的需求不再僅限于滿足其運載量，更多的是對安全性、舒適性、便利性等提出了更高要求。由此，交通建設的不平衡也是當前中國交通建設事業所需要解決的主要矛盾。其中，對于高速路段的水網系統建設滯后和排水系統規劃的不合理這些問題都是我國交通建設矛盾的一方面。雨水季節的大量降雨是改變路面狀況和影響交通安全的一個重要因素，雨水對道路交通的影響主要表現為導致道路前方能見度和路面抗滑性發生顯著降低，使得車輛發生側滑、追尾等一系列交通安全事故的概率大大提高。這對于雨后積水的高速地勢偏低路段表現較為突出。其主體特征表現為發生范圍廣、積水時間過長、對公路的運營及管理影響嚴重、生命財產損失巨大。因此，及時采取有效的措施對部分高速路段積水問題進行智能監測預警尤為重要。

基于此，本項目提出了一種基于高速公路積水監測預警系統設計方案，結合Vissim軟件進行車流仿真模擬，以期能夠有效地改善高速積水不能及時預警的問題，從而減少交通事故的發生。

2 預警系統總體設計

結合道路積水監測系統總體設計要求，本預警系統設計將采用“分散監測，集中控制”模式，與此同時系統可以分成四層結構，如圖1所示。

圖1 系統設想結構示意圖

2.1 數據采集

數據采集傳感器網絡采用水位監測器為基本單元，將多個監測器安裝在已勘察好的目標區域內，不同區域的監測器之間通過地址碼來進行區別，通過5G有線或者是無線的方式構成數據網絡。該體系主要以超聲波傳感器為重要核心。超聲波水位計安裝于被測區域上方，設備探頭向該區域發射超聲波光束，聲波在空氣中以某一速度傳播，在液體表面產生反射波，其中一部分被探頭重新接收，再結合空氣中聲波的傳播速度，依據反射波傳輸距離與時間成正比，即可計算出傳輸距離，進而可得到被測區域水位值。以此來通過該系統對多個監測區域進行雨量、水位等一系列參數的實時監測。然后將收集到的數據自動上傳到服務器，由此實現數據的錄入目的。

2.2 數據傳輸

數據傳輸層部分則是利用安裝在設備上的終端單元來接收通過數據采集的基本單元輸入的數據進行匯總、分析、加工，以此形成了服務器－車－服務器的關系樞紐關系，以此為用戶提供了準確、及時的數據服務。

2.3 數據處理

數據傳輸網絡與數據處理中心之間通過串口通信實現數據的交換，數據處理中心的主要任務是讀取前端傳感器采集的數據，按照預定的算法進行處理，提取出相應的特征參數，比如水位差、剎車距離等。然后通過無線收發設備傳給指揮控制中心，并且控制中心將對輸入的數據進行存儲、處理和檢索。將輸入的數據儲存于數據庫后，由服務器進行檢索處理，然后實時反饋相應的信息給駕駛員。

2.4 數據應用

數據應用主要是對經過控制中心處理過的數據結果進行實體化應用。通過終端檢索處理過的數據利用相關服務器應用到不同的交通導航軟件上，以便用戶能夠更加便捷地獲取信息。綜上所述，本系統構造具備條理化、模塊化、網絡化及智能化的特色，易于擴展，確立了道路積水監測預警系統的良好解決方案。

3 系統硬件設計

整個系統的硬件裝置主要是由超聲波水位感應監測器、GPRS通信監測器、外部儲存器、主服務控制中心、LED警示屏、電源電路組成。

3.1 超聲波水位感應監測器

結合系統需求，綜合考慮測量原理、精度、經濟性與環境適應性等方面因素，選擇超聲波傳感器作為本系統的水位測量儀器。超聲波水位計安裝于被測區域上方，設備探頭向該區域發射超聲波光束，聲波在空氣中以某一速度傳播，在液體表面產生反射波，其中一部分被探頭重新接收，再結合空氣中聲波的傳播速度，依據反射波傳輸距離與時間成正比，即可計算出傳輸距離，進而可得到水位值。

3.2 GPRS通信監測器

同時利用GPRS通信網絡分組交換技術的無線數據傳輸方式，來接收由多個超聲波水位監測器傳入的監測區域的水位情況。快速鎖定監測區域某積水的路段狀況，快速傳輸給外部儲存器。達到該系統對多個監測區域進行雨量、水位等一系列參數的實時監測的目的。

3.3 主服務控制中心

數據傳輸網絡與數據處理中心之間通過串口通信實現數據的交換，接收外部儲存器輸入的相關數據，按照預定的算法進行處理，提取出相應的特征參數，比如水位差、剎車距離等。然后通過5G無線收發設備傳給服務控制中心，并且控制中心將對輸入的數據進行存儲、處理和檢索。將輸入的數據儲存于數據庫后，由服務器進行檢索處理，然后實時反饋相應的信息傳至移動終端和LED顯示屏上進行體現。

3.4 LED警示屏

通過主服務器控制中心檢索處理上傳的信息投射到LED顯示屏上，來警示駕駛員前方不明路段有積水情況，給出駕駛員足夠的反應時間和安全減速距離。以此達到安全通過積水路段的目的。

4 系統軟件設計

將實時監測的區域內的相關數據進行整合、分析打包傳輸到主服務器。相關數據有實時降雨參數、待測區域內的水位深度等水文參數。

為了實現駕駛員安全便捷地通過該積水路段，我們與車載導航系統公司進行合作，構建系統插件，介于車載導航系統之上。我們將加上語音播報設備，以提示駕駛員減速行駛。

將由分析過后的數據作為觸發條件，一旦達到條件則將會在車載導航系統頁面上進行顯示，前方道路積水，并提供語言播報“前方積水，請減速”提醒駕駛員謹慎駕駛。

5 積水監測預警系統的仿真與實現

同時為了驗證設計方案的可行性，本文利用網絡仿真軟件OMNeT+和交通仿真軟件Vissim進行驗證，而且通過搭建實體網絡的方法來獲得更好的實際測試效果。

5.1 信息采集模擬仿真

通過在OMNeT+中創建網絡模型，以5G有線網絡進行傳輸數據。對信息采集模塊的調試之后，首先在普通道路兩旁放置了水位傳感器和雨量采集器，并構建小型信息接送站模擬中心服務器，同時將感應器采集到的所有數據通過接收器發送至服務中心完成數據的采集。與此同時通過用vissim交通模擬軟件來構建三維積水道路來模擬實際道路積水情況來達到仿真效果，當待測區域內達到一定積水時，就會通過水位監測器收集相關信息，由主服務器將分析過后的數據傳輸到LED警示屏上，如圖2所示。

圖2 Vissim軟件模擬圖

5.2 預警信息發送模擬

通過pc端和手機客戶端建立通信通道來模擬預警信息的發送，與此同時在積水路段前方足夠減速的區域設置LED警示牌。中心服務器接收的雨量超過設置的閾值時，就會向手機客戶端發送預警信息并且在LED警示牌上顯示積水情況。

5.3 手機客戶端接收信息模擬仿真

通過編寫相關程序軟件來實現手機接收信息。管理員通過管理端來實現維護服務器上的數據并對整個系統后臺進行后臺管理。用戶可以通過下載客戶端進行預警信息的接收，如圖3所示。

圖3 客戶端軟件模擬圖

6 結語

本文通過對高速公路積水問題的研究，提供了一整套監測系統。在經常積水高速路段安裝依靠太陽能儲電的水位監測設備，實時監測積水情況并收集數據發送給終端，終端計算機經過狀況分析以后傳輸給手機導航系統和到足夠減速距離外的LED提示燈以便提醒駕駛員前方路段有積水情況。根據所研究內容從而形成一個更加完善的高速公路積水預警系統，由此最大限度解決了駕駛員在雨天對前方路段不明的判斷和不必要的人員傷亡及財產損失，同時也給安全出行帶來便捷舒適的環境。聯合汽車上的導航系統，對道路狀況進行提前播報。隨著5G網絡的高速發展，可以結合5G網絡，更加快速地進行數據采集和信息反饋。能夠高效地減少因高速路段積水而引發的長期交通事故的概率。最大限度地解決和完善在高速上由道路積水而引發的交通安全問題，具有一定的現實意義與較好的市場應用前景，可以對我國道路交通安全建設提供一定的理論基礎和現實依據。