基于物聯網技術的安全預警系統設計與研究

徐陽

摘 要：高速公路在使用過程中會出現不同程度的破損，通常高速公路養護過程不在中斷交通前提下進行，這樣會導致高速公路行駛路面變窄，在車輛高速通過時容易造成養護人員人身傷亡事故。文章基于公路養護人員的人身安全需求，設計一種基于物聯網技術的預警保護系統，通過對過往車輛的檢測和分析，為養護人員提供安全預警，有效保護公路養護人員的人身財產安全。

關鍵詞：高速公路;養護人員;物聯網;預警系統

0 引言

隨著我國城市化建設進程的不斷推進，高速公路成為城市發展的主動脈，承擔著城市發展的重要責任。隨著高速公路通行車輛的不斷增加，路面破損等公路損耗也在不斷增加，這種情況的發生影響了高速公路使用的安全性和穩定性，因此需要及時進行路面維修。現階段的高速公路養護維修都是在不中斷交通的情況下進行，養護維修工作會占用路面空間，使得路面變窄。在車輛高速行駛的高速公路上，狹窄的施工路段存在很多的交通安全隱患，容易造成養護工作人員的人身財產傷亡。

現階段路面養護維修工作采取的防護手段比較單一且落后，僅僅是采用了圍欄、安全提示標志、警示燈、路面錐桶，并輔以人工警示等。該種手段主要是針對汽車駕駛人員的警示，使其盡可能注意養護施工區域。但這種手段無法體現對養護工作人員的主動防護，一旦出現可視條件差、車輛失控、駕駛人員走神等狀況，這些被動手段很難起到對工作人員的保護作用，因此迫切需要一種對公路養護人員的主動預警防護手段[1-4]。

基于上述原因，本文設計了一種基于物聯網技術的高速公路養護人員預警保護系統。該系統通過設置可以移動預警檢測裝置，建立多級檢測機制。在車輛通過預警檢測裝置時分析車輛運行速度，根據車輛經過多級裝置時的速度狀態來判斷駕駛員是否處于正常駕駛或者危險駕駛狀態。一旦判斷車輛處于危險駕駛狀態，則會經由最后一級預警裝置向養護人員佩戴的預警肩燈發送預警信號，從而讓養護人員在危險車輛到來之前盡快撤離工作現場，避免可能發生的危險事故。通過上述主動預警提示操作，實現交通安全主動防護，保障公路養護人員的路面工作安全、警示過往車輛、減少交通事故的目的。

2 設計思路與原理

2.1 設計思路

本系統主要由可移動式預警檢測裝置、引導指示牌和警示肩燈共同組成，工作時系統使用多級可移動式預警檢測裝置構建前后多級檢測結構，前后級之間使用無線物聯網技術進行數據傳輸，中間使用引導指示牌起到預警引導作用，后級檢測裝置將最終分析結果發送給養護人員佩戴的警示肩燈，實現對養護人員的預警提示。系統組成如圖1所示。

該系統中，可移動式預警檢測裝置屬于核心部分，其內部組成包括雷達測速單元、攝像單元、LED顯示單元、核心控制單元、物聯網無線傳輸單元和供電單元燈，引導指示牌作為輔助預警裝置起到信息提示作用，預警肩燈作為系統警示末端，起到最終的提示作用。移動式預警監測裝置如圖2所示。

（1）雷達測速單元，采用高精度窄帶波雷達，在工作時雷達會發射固定頻率的脈沖波，如遇到活動目標時，回波的頻率與發射頻率出現頻率差即多普勒頻率。根據多普勒頻率的大小，可以測出目標對雷達的相對運動速度。

（2）視頻抓拍單元，采用CCD圖像采集器，具有超高的圖像分辨率。當測速雷達檢測到有車輛經過時，攝像頭會拍攝1～3張高清照片并在本地存儲，同時攝像單元采用的新型技術可以使得在同一張照片內清晰顯示駕駛者容貌和車輛拍照等信息。

（3）LED顯示單元，用于顯示施工狀態提示、經過車輛車速等，通過預警檢測裝置上的LED顯示屏，可以顯示施工提示信息、車輛限速信息等。同時，對檢測車輛的即時速度進行顯示，提醒車輛駕駛員對車速在合理范圍內進行控制。

（4）核心處理單元，主要為高速處理器，其主要功能為對即時獲取的速度信息進行處理和分析，判斷過往車輛在當前行駛狀態下是否會威脅路面養護人員生命安全，控制物聯網無線傳輸單元發送預警等級信息。

（5）物聯網無線傳輸單元，用于實現預警裝置和肩燈數據傳輸，通過無線傳輸單元能夠將經處理器處理后的數據進行傳輸。物聯網無線通信技術可以實現低電能消耗、大傳播距離的優勢，而且無須單獨設置基站，減少了使用成本，提高了使用價值。

（6）引導指示牌，為太陽能雙色頻閃燈，主要起到隔離警戒作用。頻閃燈可以安裝到多種載體上，在高速公路系統中可以安裝到警示錐筒上，在提高錐桶警示效果的同時，還能改善能見度低、夜間等視野不良視野條件下的預警效果。

（7）預警肩燈，為雙色肩燈，設置常規交替閃爍、高速閃爍、爆閃等多種閃爍功能，內部集成震動馬達，可以在肩燈閃爍的同時提供震動功能。通過內置物聯網通信模塊，可以接受預警裝置發送的預警信息，并將其轉化為肩燈的不同閃爍和震動類型，對佩戴者進行預警提示。

2.2 工作原理

本文以二級預警系統為例作工作原理分析。預警系統經過兩級車速分析判斷車輛運行狀態，通過分析結果決定發送不同等級的預警狀態。系統工作時，首先需要在公路施工側來車方向擺放兩級移動式預警檢測裝置，二級預警裝置之間保持足夠的距離，以保證足夠的緩沖距離和反應時間。

運行過程中，前級預警裝置首先會對來向車輛進行車速檢測，同時抓拍車輛運行照片，并通過LED顯示屏對車輛駕駛員進行施工警示和車速提示，內置的高速處理器根據雷達檢測到的車輛速度信息對車輛運行狀態進行分析，并將車輛車牌、車速等信息存儲后通過物聯網無線技術傳輸給后級預警裝置。后級預警裝置在獲取到前級預警裝置發送過來的信息后，會對經過其檢測區域的車輛進行車速檢測、拍照，并使用前級系統發送過來的檢測信息進行信息比照分析，判斷被測車輛通過兩級預警裝置時所處的運行狀態，從而判斷車輛所處的運行狀態是否危險，是否會影響公路養護人員生命安全。本系統在實際工作中采用圖3的使用模式。

2.3 預警提示模式

預警肩燈作為整個預警系統的末端起到最終的警示作用，其通過獲取后級預警裝置傳輸的預警信息，以肩燈的閃爍和震動狀態作為警示效果，為使用者提供不同的危險等級提示。

（1）預警一級：車輛超速通過兩級預警裝置，危險度極高，肩燈爆閃，高速震動;

（2）預警二級：車輛超速通過前級預警裝置，未超速通過后級預警裝置，危險度中，肩燈高速閃爍，輕度震動;

（3）預警三級：車輛未超速通過兩級預警裝置，危險度低，肩燈緩速閃爍，無震動。

根據預警肩燈的不同提示狀態，公路養護人員可以預先對來向車輛的車速狀態進行預估，通過瞭望、躲避、撤離等手段來應對可能發生的交通危險，從而盡可能避免人身財產受到損害。

2.4 系統功能實現

本系統的最終目的是希望能夠在養護人員在施工地點工作時，對過往車輛信息的行駛狀態及時了解，從而提高主動防護能力。同時希望能夠通過預警裝置LED顯示屏上現實的車牌、速度等信息，對駕駛員進行信息警示。

根據上述設計需求，本系統實現了以下功能：（1）對車輛的感應和速度檢測功能;（2）對于數據的高速處理功能;（3）LED屏幕能夠明顯顯示出施工狀況和車輛運行速度;? ? （4）無線傳輸網絡通信良好，在實現多級信息互傳基礎上更能夠實現信息上傳;（5）良好的信息反饋機制，實現主動安全預警。

基于上述設計，本系統可以實現對養護人員人身安全的主動防護功能，大大提升了公路養護人員的作業安全性。

3 社會效益分析

本方案的實施，可以給高速公路施工維護的工人提供有效的安全預警信息，提高工人主動安全防護的能力，減少施工工人安全事故，提高施工安全性。主要體現在以下幾個方面。

（1）提高主動安全防護性。通過主動的預警系統設計，大大增加了公路養護人員的主動防護手段，減少了對汽車駕駛員的依賴，可在雙重防護機制下，將安全防護主動權緊緊握在公路養護人員自己手里。

（2）降低事故發生率。通過本系統的雙向提示機制，既能夠讓車輛駕駛員及時了解道路養護狀況，又能對公路養護人員進行直觀、有效的預警提示，從駕駛員和養護人員雙重角度增加了安全保障的“保護鎖”。

（3）推動公路安全人性化發展。本交通預警系統的應用，能改變傳統公路養護人員被動的安全防護模式，大幅提升相關人員的主動安全防護效果，給予公路養護人員更好的人身安全保障。

（4）提供事故依據。本系統在進行預警的同時，還可以提供相關數據信息。一旦預警機制沒有最終起到作用，造成人員傷亡的慘劇，本系統內存儲的車輛速度信息和抓拍功能可以為后期事故追責的證據，為交警部門、保險部門等提供責任認定、經濟理賠等的判斷依據。

4 結語

我國的高速公路總里程已經超過15萬km，已經成為國家經濟發展主動脈，高速公路成為名副其實的“黃金路”。正是在這種情況下，高速公路的維護更顯重要，維護好高速公路，才能讓經濟動脈不栓塞。有效保護公路養護人員，是讓高速公路更好地為社會服務、為經濟服務的前提。本設計通過增加主動檢測預警機制，盡可能地提升公路養護維護人員的人身安全性，并且結合LED、頻閃燈等裝置，能在能見度低和夜間條件下保障施工人員的人身安全。結合“智慧交通”建設項目的蓬勃發展，人身安全的主動預警技術研究還會不斷深入，本設計可以為相關研究提供一定的參考。

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（編輯 傅金睿）