高速公路沿線智能落石監(jiān)測與預(yù)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(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000 ）

0 引言

近年來，國內(nèi)高速公路的建設(shè)步伐不斷加快，通車?yán)锍滩粩嘞蚱h(yuǎn)地區(qū)延伸，山區(qū)路段受地理地質(zhì)因素限制，工程建設(shè)過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些危險(xiǎn)巖石。

傳統(tǒng)的高速公路落石防護(hù)措施如漿砌片石護(hù)坡、落石防護(hù)網(wǎng)等，有成本低的優(yōu)點(diǎn)，但不能對災(zāi)害程度災(zāi)害發(fā)生地點(diǎn)做出判斷。目前，邊坡智能監(jiān)測的技術(shù)和儀器已趨于成熟，還有根據(jù)巖體破壞特點(diǎn)研發(fā)的技術(shù)，如儀表觀測法、測量機(jī)器人技術(shù)[1]等，在這個(gè)基礎(chǔ)上的落石監(jiān)測技術(shù)，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(xiàng)目擬設(shè)計(jì)一個(gè)基于振動(dòng)傳感器與物聯(lián)網(wǎng)的高速公路落石監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，工作中心人員通過對數(shù)據(jù)傳回的時(shí)間判斷落石的地點(diǎn)范圍，從而發(fā)出預(yù)警，保證人身安全以及避免經(jīng)濟(jì)損失。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

關(guān)于高速公路邊坡落石災(zāi)害的監(jiān)測和預(yù)警，國內(nèi)外許多學(xué)者都做出了研究、提出了應(yīng)對方案。

王杰、葉茂等人[2]采用工程地質(zhì)學(xué)、圖像處理、通信技術(shù)相結(jié)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(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件搭載設(shè)備。該系統(tǒng)是在災(zāi)害發(fā)生后的起始時(shí)刻捕捉危險(xiǎn)信號并發(fā)出警報(bào)，提供了輔助災(zāi)前預(yù)報(bào)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(shè)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(guān)儀器，監(jiān)測內(nèi)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(dǎo)槽的測斜管，測斜儀沿著導(dǎo)槽放入。通過記錄不同深度處的測斜儀讀數(shù)，推導(dǎo)處隨著測斜管變形的坡體內(nèi)部變形。隋海波等人[4]將設(shè)計(jì)的 BOTDR 變形監(jiān)測系統(tǒng)安裝在實(shí)際工程的破體內(nèi)，該邊坡的變形實(shí)施分布式監(jiān)測，取得了較好的效果。浙江大學(xué)的李煥強(qiáng)[5]等結(jié)合光纖 BOTDR 和 FBG 技術(shù)進(jìn)行邊坡模型試驗(yàn)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(shù)，發(fā)展迅猛，但目前仍處于實(shí)驗(yàn)科研和驗(yàn)證階段，各種傳感器技術(shù)水平、安裝施工工藝等不夠成熟。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

針對傳統(tǒng)的高速公路沿線落石防護(hù)方法不能判斷落石事件發(fā)生及發(fā)生地點(diǎn)、先進(jìn)智能監(jiān)測技術(shù)成本高、不易普及的缺點(diǎn)，該作品設(shè)計(jì)了一種落石監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，主要包括監(jiān)測模塊、預(yù)警模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊3個(gè)部分。在現(xiàn)有邊坡防護(hù)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將該作品設(shè)計(jì)的裝置呈等距離排布，當(dāng)有落石落下時(shí)，落石將對鐵絲網(wǎng)造成沖擊振動(dòng)，若振幅達(dá)到或超過閾值，在物聯(lián)網(wǎng)支持下的監(jiān)控終端將發(fā)出警報(bào)，由監(jiān)控中心的工作人員對落石發(fā)生地點(diǎn)進(jìn)行判斷，并通過網(wǎng)絡(luò)將信息傳達(dá)至沿線廣播，避免因此造成的人身安全以及經(jīng)濟(jì)損失。若振幅未達(dá)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(dòng)傳感器、開關(guān)信號指示燈、靈敏度調(diào)節(jié)電位器、電源指示燈、電源組成。

靈敏度電位調(diào)節(jié)器的本質(zhì)是可調(diào)節(jié)的電子元件，它由1個(gè)電阻體和1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)組成。監(jiān)測模塊斷電狀態(tài)下，電阻體的2個(gè)固定觸點(diǎn)之間有外加電壓，通過轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)改變觸點(diǎn)在電阻體上的位置，進(jìn)而調(diào)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(dòng)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(fù)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(dòng)傳感器模塊設(shè)計(jì)的監(jiān)測模塊，輸出信號較干凈，波形較好。通電情況下，開關(guān)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(dāng)落石落下、鐵絲網(wǎng)感受到振動(dòng)時(shí)，靈敏震動(dòng)傳感器對該振動(dòng)信號的振幅進(jìn)行初步判斷，若振幅達(dá)到閾值，則判斷為落石，預(yù)警模塊將發(fā)出警報(bào)，同時(shí)通過物聯(lián)網(wǎng)將該信號傳回監(jiān)控終端；若振幅未達(dá)到閾值，則判斷為其他可忽略的振動(dòng)源，監(jiān)測模塊繼續(xù)監(jiān)測。

2.3 預(yù)警模塊

預(yù)警模塊由蜂鳴警報(bào)器、時(shí)間模塊和延時(shí)模塊組成。

蜂鳴警報(bào)器在信號發(fā)出端發(fā)出警報(bào)。在信號發(fā)出端設(shè)置了蜂鳴報(bào)警器，在信號接收端即監(jiān)控終端設(shè)置了信號傳回路線。蜂鳴警報(bào)器是一個(gè)一體化結(jié)構(gòu)的電子元件，采用直流電壓供電。將蜂鳴警報(bào)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(dòng)且振動(dòng)幅值超過閾值時(shí)，蜂鳴報(bào)警器發(fā)出警報(bào)。

延時(shí)模塊用于制造信號傳回監(jiān)控中心的時(shí)間差。在連續(xù)的攔截網(wǎng)路段中，將振動(dòng)監(jiān)測模塊呈等距離布置，每隔200m布置1個(gè)振動(dòng)監(jiān)測模塊?？紤]到振動(dòng)傳感器傳回?cái)?shù)據(jù)的快速反應(yīng)性，使用具有延時(shí)功能的模塊，對振動(dòng)傳感器的快速反應(yīng)特性造成一定延遲，以便使相鄰監(jiān)測模塊傳回的數(shù)據(jù)有時(shí)差。

時(shí)間模塊聯(lián)網(wǎng)后可自動(dòng)校準(zhǔn)顯示時(shí)間，同時(shí)將振動(dòng)事件發(fā)生時(shí)的時(shí)間實(shí)時(shí)傳回監(jiān)控終端。根據(jù)數(shù)據(jù)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(jìn)而向外發(fā)出警告信息。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)模塊

現(xiàn)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(shù)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(wǎng)的出現(xiàn)，在一定程度上將會(huì)有效地緩解這一狀況[6]。

物聯(lián)網(wǎng)模塊型號選用NB75，通過NB-loT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。WH-NB75-BA功能特點(diǎn)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(kuò)展指令集、與GPRS和4G模塊硬件封裝兼容，更換成本低等特點(diǎn)。NB75模塊還有一個(gè)重要特點(diǎn)是低功耗，這為裝置的應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性提供了保障。NB-loT網(wǎng)絡(luò)傳輸具有強(qiáng)鏈接、高覆蓋、低功耗、低成本的技術(shù)特點(diǎn)。在同一基站的情況下，NB-loT網(wǎng)絡(luò)傳輸比現(xiàn)有無線技術(shù)提高50～100倍的接入數(shù)，其覆蓋能力強(qiáng)功耗低，對于一些不經(jīng)常使用更換電池的設(shè)備和場合具有高適配性。以上特點(diǎn)，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(yīng)用前景。

基于WH-NB75-BA模塊設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)模塊，在CoAP協(xié)議的支持下，能實(shí)時(shí)將振動(dòng)信號傳回監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測模塊到監(jiān)控終端網(wǎng)絡(luò)的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)哪繕?biāo)。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(shí)將天線接到模塊上，SIM卡安裝在卡槽中，通電后，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回監(jiān)控終端。

物聯(lián)網(wǎng)模塊的基本參數(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)模塊工作電壓、SIM卡的工作電壓值、物聯(lián)網(wǎng)工作溫度范圍等，具體數(shù)值如表1所示。

表1 基本參數(shù)

2.5 整體設(shè)計(jì)

考慮到傳統(tǒng)的高速公路落石防護(hù)措施如漿砌片石護(hù)坡、落石防護(hù)網(wǎng)等，不能對災(zāi)害程度以及災(zāi)害發(fā)生地點(diǎn)做出判斷，邊坡智能監(jiān)測的技術(shù)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(yīng)用，設(shè)計(jì)監(jiān)測模塊能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測沿線振動(dòng)并對振動(dòng)振幅大小做出判斷，判斷振動(dòng)源是否為落石；設(shè)計(jì)預(yù)警模塊可以對落石發(fā)生地點(diǎn)的范圍做出預(yù)警，通過物聯(lián)網(wǎng)模塊傳出預(yù)警信息；設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)模塊能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測模塊到監(jiān)控終端網(wǎng)絡(luò)的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)哪康?；設(shè)計(jì)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(yù)警模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊和WEACT STM32開發(fā)板進(jìn)行總體設(shè)計(jì)與布置，設(shè)計(jì)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(yù)警模塊和物聯(lián)網(wǎng)所設(shè)計(jì)的PCB板如圖3所示。

圖3 PCB實(shí)物圖

控制代碼如下。

3 應(yīng)用前景

考慮到傳統(tǒng)的高速公路落石防護(hù)措施的缺點(diǎn)，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了基于振動(dòng)傳感器的高速公路落石監(jiān)測與預(yù)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(shí)間布置在山區(qū)事故多發(fā)路段，事故發(fā)生時(shí)，監(jiān)測裝置能及時(shí)的做出判斷、發(fā)出警告，一方面方便救援人員實(shí)施救援，一方面警告即將來往車輛；裝置用電量小，為長時(shí)間布置在高速公路沿線兩側(cè)節(jié)約了成本，若將該系統(tǒng)投入使用，有可觀的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

目前隨著我國經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的迅猛發(fā)展，山區(qū)公路不斷得到開發(fā)建設(shè)，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(jìn)行推廣。