公路養(yǎng)護安全作業(yè)主動預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

黃熹媛，黃鳳英，范保駿

（1.廈門市公路橋隧維護與應(yīng)急中心，福建 廈門 361000；2.廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105；3.廈門道衡傳感科技有限公司，福建 廈門 361000）

0 引 言

保障公路施工作業(yè)人員和車輛駕駛?cè)藛T的安全是一項關(guān)系到人民生命財產(chǎn)安全、社會穩(wěn)定以及各項事業(yè)健康發(fā)展的重要工作。隨著高速公路和城市快速道路的增多，車輛在各種道路上的行駛速度加快，如果駕駛?cè)藛T對公路作業(yè)人員設(shè)置的固定警示標志未能及時識別，極有可能造成事故發(fā)生[1-3]。因此，本文結(jié)合無線通信技術(shù)，設(shè)計了車輛距離檢測、信號傳輸和控制電路，實現(xiàn)了預(yù)警范圍可調(diào)、無線遠距離報警、可以車載安裝的公路安全養(yǎng)護作業(yè)預(yù)警系統(tǒng)，對保障公路養(yǎng)護作業(yè)人員、車輛駕駛安全具有較大的意義[4-6]。

1 系統(tǒng)創(chuàng)新點

（1）本系統(tǒng)采用了基于激光雷達的公路養(yǎng)護作業(yè)主動預(yù)警方式，可以實現(xiàn)0～150 m或更大距離范圍的車輛入侵監(jiān)測和報警。

（2）本系統(tǒng)在監(jiān)測主機系統(tǒng)前端設(shè)置可見光激光器，可以克服由于激光雷達發(fā)射光是不可見的紅外光以及發(fā)射方向難以確定的問題。

（3）通過優(yōu)化電路設(shè)計和采用低功耗模塊，可以縮短從目標探測信號獲得到聲光報警信號產(chǎn)生的時間，在不使用較大容量電池的情況下，允許監(jiān)測系統(tǒng)主機和無線接收模塊長時間工作。

（4）本系統(tǒng)設(shè)計了可遠距離無線聲光報警方案，便于施工人員根據(jù)實際作業(yè)場景靈活放置聲光報警裝置，對車輛和作業(yè)人員的安全均能起到有效報警和保護作用。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的公路養(yǎng)護安全作業(yè)主動預(yù)警系統(tǒng)可以在110 m距離以外識別車道來車、迅速反應(yīng)并進行聲光報警。本系統(tǒng)主要由激光監(jiān)測主機、聲光報警器、遠程接收端三部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

系統(tǒng)工作原理是：激光監(jiān)測模塊按一定發(fā)散角度發(fā)射一束調(diào)制的激光束，如圖2所示，當(dāng)發(fā)射的激光遇到障礙物（如車輛）時，物體將激光反射回發(fā)射端。激光接收模塊可以識別發(fā)射回來的調(diào)制信號的變化，計算出反射物體（來車）的距離，并將該距離信息傳送給主機控制模塊。主機控制模塊根據(jù)實時的距離信息以及預(yù)先設(shè)置的來車報警距離判定是否觸發(fā)聲光報警器報警。該系統(tǒng)還具有遠程無線傳輸報警信號的功能，用戶可以根據(jù)實際應(yīng)用需要選擇在監(jiān)測主機端或遠程接收端進行聲光報警。另外，可通過該系統(tǒng)的面板按鍵靈活設(shè)置來車報警距離閾值，方便作業(yè)人員使用。

圖2 激光監(jiān)測模塊發(fā)射的激光光束示意圖

3 主要功能模塊設(shè)計

激光監(jiān)測主機系統(tǒng)內(nèi)部包含：激光監(jiān)測模塊、主機控制模塊、無線發(fā)射模塊、按鍵模塊、顯示模塊以及充電電池等，其硬件原理如圖3所示。遠程接收端主要包括無線接收模塊、充電電池。

圖3 系統(tǒng)控制模塊電路原理

3.1 激光監(jiān)測模塊

激光監(jiān)測模塊主要功能為發(fā)射探測激光，并獲得被測物體距離。本文選擇了TF03-180 這款工業(yè)級高速測量的激光雷達，量程最高可達180 m，激光探測角度為0.5°，與激光發(fā)射模塊距離不同的光斑尺寸即為激光探測區(qū)域，如圖4所示。TF03-180內(nèi)部集成針對室外強光和雨雪霧環(huán)境的補償算法，使其在強光和雨霧環(huán)境下依然可以正常工作，適合公路養(yǎng)護戶外作業(yè)使用，同時該模塊還具有多種測量模式和參數(shù)供客戶自主選擇配置，以滿足不同客戶的測距需求[7-8]。

圖4 與激光發(fā)射模塊距離不同的激光光斑尺寸

3.2 主機控制模塊

主機控制模塊主要協(xié)調(diào)控制各電路模塊的工作。本文采用ESP32模塊作為主控模塊，ESP32是一系列低成本、低功耗的單片機微控制器，集成了WiFi和雙模藍牙，具有最佳的功耗性能、射頻性能、穩(wěn)定性、通用性和可靠性，適用于各種應(yīng)用場景和不同功耗需求[9]。

主機控制模塊不斷接收來自激光監(jiān)測模塊返回的距離值，若接收到的距離值低于預(yù)設(shè)報警閾值則觸發(fā)報警器報警，同時將距離信息發(fā)送到顯示屏上進行顯示。控制電路模塊還設(shè)計了定時器和掉電保護，報警預(yù)設(shè)閾值保存在FLASH ROM中，每次開機都會自動載入上次保存的報警閾值。本設(shè)計還增加了一鍵消音功能，設(shè)計時將消音按鍵連接到繼電器控制端即可一鍵關(guān)閉報警器聲音，該功能可使用戶測試時不受聲音干擾。

3.3 電源模塊

本系統(tǒng)監(jiān)測主機采用20 Ah的大容量可充電鋰電池，通常情況下可供系統(tǒng)連續(xù)8 h工作。主機面板有電池電量顯示，電力不足時可及時充電；無線接收報警端使用12.8 Ah可充電鋰電池，也可保證接收機8 h正常工作[10]。

3.4 無線發(fā)送接收模塊

本系統(tǒng)的無線發(fā)送接收模塊主要采用基于LoRa無線通信技術(shù)的低功耗、遠距離無線開關(guān)量收發(fā)對傳模塊，空曠地區(qū)無線傳輸距離可達5 km，如圖5所示。本系統(tǒng)需要進行遠程報警時，將報警信息通過LoRa模塊傳給遠端的接收端，當(dāng)遠程端接收到信號時即可觸發(fā)報警器報警。

圖5 報警信號無線發(fā)射與接收示意圖

4 系統(tǒng)測試

本設(shè)計制作完成的激光監(jiān)測主機系統(tǒng)與遠程接收端樣機如圖6所示。根據(jù)公路作業(yè)人員的情況和設(shè)計需求，本設(shè)計產(chǎn)品可安裝在施工作業(yè)皮卡車后擋板支架上，方便施工和作業(yè)人員的操作和使用。本系統(tǒng)進行了多次實地路面測試，如圖7所示，分別設(shè)置30 m、50 m、80 m、120 m四種不同報警閾值距離，對準運行車輛，本系統(tǒng)均能迅速識別目標并響應(yīng)進行聲光報警。

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)主機與無線接收報警器

圖7 系統(tǒng)路面測試

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的公路安全養(yǎng)護作業(yè)主動預(yù)警系統(tǒng)可以對受監(jiān)測道路上0～150 m范圍內(nèi)來車進行快速報警。通過無線發(fā)射接收模塊，可以將報警信息在0～5 km范圍傳輸，將聲光報警信號有效地傳送給作業(yè)人員和車輛駕駛?cè)藛T。經(jīng)現(xiàn)場測試，證明了本文設(shè)計的公路養(yǎng)護作業(yè)安全預(yù)警系統(tǒng)靈活性高、性能穩(wěn)定，可以有效地對公路作業(yè)區(qū)發(fā)生的碰撞進行預(yù)警，為公路養(yǎng)護作業(yè)人員提供安全保障，具有很好的實際運用價值。