高速公路事故多發(fā)點(diǎn)護(hù)欄感知報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐孝輝，高 謙，瓦慶標(biāo)，吳太芬，徐智涵

（貴州省貴陽公路管理局，貴州 貴陽 550000）

0 引言

早在20世紀(jì)60年代國外就已經(jīng)開始研究道路交通事故安全預(yù)警，開發(fā)出交通事故智能預(yù)警系統(tǒng)是其研究的重點(diǎn)方向；20世紀(jì)90年代，美國開始大幅度地增加科研投入于道路交通安全領(lǐng)域上，隨后又相繼建立起多種道路交通事故預(yù)警管理系統(tǒng)。同一時(shí)期，歐洲各國在實(shí)施道路交通事故現(xiàn)場(chǎng)緊急救援方面做了大量工作，建立了較為完善的交通事故緊急救援系統(tǒng)，有效地減少了交通事故數(shù)量和交通事故傷亡人數(shù)。

發(fā)達(dá)國家在道路交通安全預(yù)警系統(tǒng)和智能交通系統(tǒng)方面已經(jīng)進(jìn)行了深入研究和應(yīng)用，這些系統(tǒng)在實(shí)踐應(yīng)用中均取得了良好的效果。在護(hù)欄監(jiān)測(cè)報(bào)警領(lǐng)域，Sung-Youn Cho等[1]采用加速度傳感器安裝于護(hù)欄上，當(dāng)護(hù)欄上的加速度傳感器識(shí)別到一定程度的物理沖擊時(shí)，建立的情境感知系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)，加速度傳感器傳來的標(biāo)量大小和方向信息會(huì)傳送給情境感知系統(tǒng)。

在國內(nèi)，王勤[2]采用非線性顯示動(dòng)力分析，通過ABAQUS有限元軟件構(gòu)建了仿真模型，獲取了護(hù)欄上的加速度信息；采用三次樣條插值方法定位護(hù)欄上的碰撞點(diǎn)，提出了優(yōu)化三軸加速度傳感器的鋪設(shè)密度。黃贊華[3]通過分析公路護(hù)欄問題存在的現(xiàn)狀，研究國內(nèi)外護(hù)欄設(shè)計(jì)原則、規(guī)范差異及影響因素，研究了車輛碰撞公路護(hù)欄的數(shù)值模擬。張海波[4]從交通事故風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、事故車型分布、護(hù)欄損毀特征及事故時(shí)間分布等方面系統(tǒng)分析了區(qū)域道路波形護(hù)欄碰撞事故的特征，從而為道路安全管理提供參考依據(jù)。鄧小健[5]提出的道路安全護(hù)欄技術(shù)系統(tǒng)將光纜通信技術(shù)、音頻和視頻技術(shù)集成應(yīng)用于一體；該系統(tǒng)不但具有控制預(yù)警、救援支撐、道路安全預(yù)防等功能，還有道路安全的音視頻信息采集、存儲(chǔ)和傳輸?shù)墓δ?，為道路安全管理提供信息依?jù)。李晨曦[6]基于實(shí)際光纖數(shù)據(jù)的試驗(yàn)分析，驗(yàn)證了基于分布式光纖傳感技術(shù)在檢測(cè)車輛撞擊道路護(hù)欄事故的可行性。王霞霞[7]利用LoRa和NBIoT兩種物聯(lián)網(wǎng)傳輸方案，并結(jié)合華為IoT設(shè)計(jì)了一種高速公路護(hù)欄碰撞監(jiān)控系統(tǒng)的整體框架。文金朝等[8]根據(jù)干涉原理和Φ-OTDR原理，研究了光纜振動(dòng)對(duì)相干光在光纖中傳輸?shù)挠绊?，提出一種基于光纜振動(dòng)的高速公路護(hù)欄碰撞告警方法，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出高速公路護(hù)欄碰撞警告系統(tǒng)。

綜上，雖然我國在公路護(hù)欄碰撞檢測(cè)做了相關(guān)研究，但在護(hù)欄主動(dòng)預(yù)警及事故應(yīng)急救援響應(yīng)方面仍有不足。因此，通過設(shè)計(jì)山區(qū)護(hù)欄感知報(bào)警系統(tǒng)，在傳統(tǒng)波形梁護(hù)欄基礎(chǔ)上，經(jīng)過技術(shù)改造，賦予波形護(hù)欄一定的自我感知能力，在不降低防護(hù)作用的前提下感知車輛碰撞情況，并將碰撞檢測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)與管理系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，通過熱成像攝像機(jī)和高清智能攝像機(jī)自動(dòng)跟蹤監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)判斷交通事故程度，實(shí)現(xiàn)事故多發(fā)點(diǎn)碰撞事故主動(dòng)預(yù)警，遠(yuǎn)程辨別事故烈度與人員傷亡，及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急報(bào)警救援系統(tǒng)，提高公路安全防護(hù)水平。

1 事故多發(fā)點(diǎn)護(hù)欄碰撞事故原因分析

車輛與波形護(hù)欄發(fā)生碰撞主要有3種原因，其一是駕駛員自身因素。在山區(qū)公路上，往往會(huì)出現(xiàn)駕駛員不規(guī)范行車，超速行駛、隨意變道等時(shí)有發(fā)生，一旦出現(xiàn)這些不良行為，車輛就會(huì)有高風(fēng)險(xiǎn)失控，駕駛員應(yīng)急反應(yīng)力下降的同時(shí)，再加上原始車速過快，最后釀成撞擊波形護(hù)欄，甚至是沖破波形護(hù)欄的事故。其二是自然因素。在雨霧天氣，道路不但能見度很低，而且路面濕滑，車輛高速行駛情況下，視線受阻，一旦發(fā)生緊急狀況，車輛來不及制動(dòng)，輪胎打滑，極易引發(fā)車輛碰撞護(hù)欄交通事故；甚至在山區(qū)多山路段因暴雨造成山體滑坡，泥石墜落砸中車輛或者直接影響車輛變道。在夜間影響下，山區(qū)公路上駕駛員的視線基本受到可見范圍狹窄的限制，同時(shí)，由于車輛遠(yuǎn)近光燈切換不及時(shí)，視線受阻，來不及緊急制動(dòng)，極有可能導(dǎo)致車輛撞擊護(hù)欄。其三是人為破壞因素。山區(qū)公路上除了交通事故造成的護(hù)欄碰撞以外，還存在人為破壞護(hù)欄的情況。如2016年4月21日，6名男子為了達(dá)到使走私車輛能通過便道進(jìn)入高速公路的目的，對(duì)護(hù)欄板進(jìn)行拆除。又如2017年10月—2018年3月期間，一名女子多次與另一犯罪嫌疑人勾結(jié)作案，其利用微信群聯(lián)系逃費(fèi)車輛，另一人負(fù)責(zé)破壞高速公路防護(hù)欄、鐵絲網(wǎng)，同時(shí)引導(dǎo)貨車下高速偷逃過路費(fèi)。這些人為私自拆除護(hù)欄對(duì)高速公路上正常行駛的車輛造成了嚴(yán)重的安全隱患。

通過對(duì)山區(qū)公路事故多發(fā)點(diǎn)護(hù)欄碰撞事故的分析，明確了因護(hù)欄碰撞或者被破壞而來不及處理造成的一系列交通事故的痛點(diǎn)，從而提出對(duì)護(hù)欄感知報(bào)警系統(tǒng)的需求，此系統(tǒng)在不改變護(hù)欄傳統(tǒng)防護(hù)作用的前提下，賦予護(hù)欄感知能力，可以在發(fā)生事故時(shí)及時(shí)反饋?zhàn)o(hù)欄的當(dāng)前狀態(tài)，掌握事故發(fā)生地點(diǎn)，提高事故救援效率，減少路產(chǎn)損失。

2 事故多發(fā)點(diǎn)護(hù)欄感知報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 護(hù)欄感知報(bào)警系統(tǒng)需求分析

根據(jù)對(duì)山區(qū)公路事故多發(fā)點(diǎn)波形護(hù)欄碰撞事故的調(diào)查情況，發(fā)現(xiàn)在某些區(qū)域路段交通流較大，一旦發(fā)生事故再加上沒有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行有效地把控，會(huì)加劇二次事故的發(fā)生，造成更加嚴(yán)重的交通事故；而某些特殊路段交通流較小，人跡稀疏，一旦發(fā)生嚴(yán)重交通事故，會(huì)因?yàn)榫仍徛龑?dǎo)致事故加重。并且在調(diào)查過程發(fā)現(xiàn)，存在多起人為破壞護(hù)欄事件，以及車輛碰撞護(hù)欄后肇事逃逸現(xiàn)象，對(duì)國家路產(chǎn)造成損失。目前國內(nèi)公路大都缺少交通事故報(bào)警技術(shù)，同時(shí)尚無成熟的技術(shù)對(duì)波形梁護(hù)欄進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以及在事故發(fā)生的事故點(diǎn)或者在人為破壞護(hù)欄位置能夠進(jìn)行定位。故開展波形護(hù)欄智能感知報(bào)警系統(tǒng)的研究。

山區(qū)公路波形護(hù)欄智能感知報(bào)警系統(tǒng)的功能需求主要有：車輛-護(hù)欄碰撞事故與人為破壞波形護(hù)欄等碰撞/沖擊事件智能感知定位；快速報(bào)警與抓拍、遠(yuǎn)程圖像傳輸；后臺(tái)管控中心緊急處理與聯(lián)動(dòng)報(bào)警。

2.1.1 感知定位需求

山區(qū)公路護(hù)欄碰撞事故易發(fā)，但是緊急救援效率低。同時(shí)車輛碰撞波形護(hù)欄后肇事逃逸以及人為私自破壞情況嚴(yán)重，造成大量路產(chǎn)損失，甚至危及到后續(xù)車輛的駕駛安全；因此需要設(shè)計(jì)出波形護(hù)欄進(jìn)行感知報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)山區(qū)公路上的波形護(hù)欄遭到撞擊或者異常沖擊，護(hù)欄可以產(chǎn)生感知并定位，并將撞擊事故以及撞擊位置傳送出去。

2.1.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控需求

山區(qū)公路護(hù)欄碰撞事故發(fā)生時(shí)有不同程度的撞擊，或者其他非車輛的異常撞擊，如果不能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行一定的判斷，很有可能浪費(fèi)人力和物資資源，在事故多發(fā)的時(shí)候還會(huì)導(dǎo)致同階段發(fā)生的重大事故救援不及時(shí)，甚至加劇事故嚴(yán)重程度；因此當(dāng)事件發(fā)生的時(shí)候，要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控并把控。

2.1.3 聯(lián)動(dòng)報(bào)警需求

碰撞事故發(fā)生后，后臺(tái)管控中心警報(bào)系統(tǒng)觸發(fā)，提醒工作人員緊急處理，當(dāng)監(jiān)控到現(xiàn)場(chǎng)事故點(diǎn)是嚴(yán)重的交通事故或者是車輛刮擦，碰撞轉(zhuǎn)向時(shí)，馬上緊急報(bào)警，通知相關(guān)部門，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行管控；當(dāng)監(jiān)控到現(xiàn)場(chǎng)是人為破壞，或者是泥石墜落撞擊護(hù)欄時(shí)，對(duì)道路上后續(xù)車輛進(jìn)行警示減緩車速，同時(shí)捕捉現(xiàn)場(chǎng)涉事人員，并通知相關(guān)部門進(jìn)行阻止和處理。

2.2 護(hù)欄感知報(bào)警系統(tǒng)工作流程

山區(qū)公路波形護(hù)欄智能感知報(bào)警系統(tǒng)由控制主機(jī)單元、感知單元、路側(cè)監(jiān)控單元及后臺(tái)管控單元4個(gè)部分組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛-波形護(hù)欄及人為破壞或滑坡巨石墜落波形護(hù)欄事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與報(bào)警功能。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程見圖1。

圖1 護(hù)欄感知報(bào)警系統(tǒng)工作流程示意圖

2.3 護(hù)欄感知報(bào)警系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)山區(qū)公路對(duì)于波形護(hù)欄智能感知報(bào)警系統(tǒng)的3個(gè)需求，本節(jié)將其歸結(jié)為波形護(hù)欄智能感知、視頻監(jiān)控以及聯(lián)動(dòng)報(bào)警，系統(tǒng)功能示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能示意圖

2.3.1 感知定位功能設(shè)計(jì)

波形護(hù)欄智能感知系統(tǒng)根據(jù)車輛對(duì)護(hù)欄的碰撞、行人敲擊或者撞擊以及山體滑坡的沖擊的力學(xué)原理，使護(hù)欄可實(shí)現(xiàn)感知異常碰撞/撞擊事件的功能。沿著一邊的波形護(hù)欄走向，安裝上傳感光纜，同時(shí)通過埋于地下的傳感光纜，連接到另一邊安裝好的波形護(hù)欄上，與光纜傳感器構(gòu)成回路，形成一個(gè)感應(yīng)區(qū)域。在每一個(gè)感應(yīng)區(qū)域里面發(fā)生在光纜上的振動(dòng)包含了波形護(hù)欄受到碰撞或沖擊時(shí)的聲音和位置信息，處理器通過檢測(cè)干涉發(fā)生的光強(qiáng)和時(shí)間提取出振動(dòng)的音頻和位置信息。處理器通過對(duì)振動(dòng)光纜傳遞的光波信息進(jìn)行智能分析，確認(rèn)目標(biāo)觸發(fā)報(bào)警，同時(shí)還能夠分析出是在哪一個(gè)防區(qū)里面，提高了位置精度，也提高事故救援效率，降低肇事逃逸事件，減少路產(chǎn)損失。

感知單元是由傳感光纜和光纜傳感器組成。傳感光纜采用單模鎧裝2芯起定制光纜，波長1 550 nm。光纜傳感器主要由邁克爾遜光纖干涉儀組成，完成振動(dòng)信號(hào)探測(cè)的功能。

傳感光纜具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，根據(jù)山區(qū)公路現(xiàn)場(chǎng)情況主要有兩種安裝方式：一種是地面之上的安裝，將其敷設(shè)在波形護(hù)欄的背側(cè)；另一種是地面之下的安裝，安裝在地底，達(dá)到完成傳感光纜和光纜傳感器之間的回路，構(gòu)成一個(gè)感應(yīng)區(qū)域；若是在某些山區(qū)路段，一面依靠山體而建不需要護(hù)欄，則僅在有護(hù)欄的一側(cè)形成感應(yīng)區(qū)域的回路。在山區(qū)公路事故多發(fā)點(diǎn)路段，因路段長度不統(tǒng)一，而傳感光纜的長度有一定的限制，因此在較長事故多發(fā)點(diǎn)路段，可以采取多個(gè)感應(yīng)區(qū)的方式來彌補(bǔ)其局限性。

2.3.2 視頻監(jiān)控功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)控單元主要采用熱成像筒機(jī)和高清可見光球機(jī)的組合。該監(jiān)控單元和主機(jī)控制單元聚合在一個(gè)立柱之上，這樣方便主機(jī)控制單元對(duì)監(jiān)控單元下達(dá)指令，一旦在某個(gè)感應(yīng)區(qū)域內(nèi)發(fā)生碰撞事故，處理器立即控制攝像機(jī)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)跟蹤和監(jiān)測(cè)。熱成像攝像機(jī)可以聯(lián)動(dòng)可見光攝像機(jī)變焦對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別及跟蹤，而且能夠避免盲區(qū)監(jiān)測(cè)。相比普通的跟蹤球機(jī)，熱成像球機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)是在熱成像上做智能偵測(cè)。因此即使在很遠(yuǎn)距離或很差的光照環(huán)境下，熱成像球機(jī)也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。同時(shí)，熱成像攝像機(jī)可利用熱成像鏡頭的超強(qiáng)探測(cè)能力以及集成在熱成像的智能功能對(duì)山區(qū)公路波形護(hù)欄進(jìn)行獨(dú)立智能偵測(cè)，當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)生碰撞或沖擊時(shí)，可觸發(fā)報(bào)警。

2.3.3 報(bào)警聯(lián)動(dòng)功能設(shè)計(jì)

前端感知單元一旦遭到異常碰撞和沖擊，控制主機(jī)單元會(huì)立即發(fā)送報(bào)警信號(hào)到后臺(tái)管控中心。同時(shí)控制主機(jī)處理器啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的攝像機(jī)對(duì)發(fā)生事故的感應(yīng)區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，并傳送到后臺(tái)特定的報(bào)警監(jiān)視器組上顯示與報(bào)警有關(guān)的視頻圖像。系統(tǒng)提供防區(qū)設(shè)置、報(bào)警管理等功能，能夠配置多種報(bào)警規(guī)則，實(shí)現(xiàn)各區(qū)域報(bào)警聯(lián)動(dòng)機(jī)制，如在電腦客戶端發(fā)出聲音報(bào)警、在大屏自動(dòng)彈出報(bào)警位置感應(yīng)區(qū)域的視頻圖像等。

聯(lián)動(dòng)報(bào)警功能主要由GPRS無線通訊技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。GPRS技術(shù)是對(duì)數(shù)據(jù)予以高速處理的一種技術(shù)，其通過分組的方式將資料向用戶進(jìn)行傳輸，連接和傳輸均十分便捷。分組通信技術(shù)的應(yīng)用，可以確保設(shè)備或者用戶在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的過程中，避免固定占用在無線通信進(jìn)行時(shí)。波形護(hù)欄感知報(bào)警系統(tǒng)無線通信傳輸方向示意圖見圖3。

圖3 通訊報(bào)警示意圖

從圖3可以看出，GPRS無線通信技術(shù)在PC端電腦以及監(jiān)控單元和主機(jī)控制單元之間的設(shè)備進(jìn)行構(gòu)建，可以對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸。在護(hù)欄感知報(bào)警系統(tǒng)中，監(jiān)控單元采集到的實(shí)時(shí)視頻圖像，以及主機(jī)控制單元發(fā)出的報(bào)警信號(hào)，都可以通過GPRS無線通信分組通信技術(shù)傳送到PC端電腦上；經(jīng)后臺(tái)管控中心工作人員確定后，通過GPRS短信功能，將警報(bào)信息傳達(dá)給相關(guān)部門緊急處理，同時(shí)還可以將實(shí)時(shí)視頻圖像發(fā)送至相關(guān)人員移動(dòng)終端，讓相關(guān)人員把控現(xiàn)場(chǎng)狀況。

3 結(jié)語

此系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)施使得一旦事故多發(fā)點(diǎn)護(hù)欄發(fā)生交通事故或意外事故，相關(guān)管理部門可以在第一時(shí)間準(zhǔn)確地了解事故的位置情況，并立即開展救援，不僅可以大大提高救援的效率，也可以在面對(duì)汽車刮擦等輕微事故或人為破壞等原因造成護(hù)欄損壞時(shí)，使得路政管理部門能夠及時(shí)知曉并開展護(hù)欄維護(hù)工作，有效地避免了因護(hù)欄功能失效而產(chǎn)生的安全隱患。

針對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，開發(fā)了一系列便捷、穩(wěn)定而有效的軟硬件傳感、控制和通信設(shè)備，通過GPRS無線傳輸技術(shù)保證了數(shù)據(jù)的有效性和實(shí)時(shí)性，并建立了后臺(tái)管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了感知定位、實(shí)時(shí)監(jiān)控、圖像傳輸以及聯(lián)動(dòng)報(bào)警救援的一體化和自動(dòng)化。

該護(hù)欄感知報(bào)警系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)于建立高速公路一體化的安全管控平臺(tái)具有突出的作用，它具備良好的兼容性和可拓展性，必要時(shí)可以進(jìn)行二次開發(fā)，通過改變系統(tǒng)端口的協(xié)議可以使其與其他交通管控設(shè)備或交通智能系統(tǒng)連接，從而發(fā)揮更大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

現(xiàn)階段對(duì)于護(hù)欄的研究主要集中在護(hù)欄防碰撞以及護(hù)欄碰撞的檢測(cè)方法或者碰撞事故的特征分析上面，對(duì)于發(fā)生交通事故或者發(fā)生護(hù)欄碰撞后，提高救援或者維修的及時(shí)性作用不明顯，因此該系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)施可以針對(duì)碰撞后發(fā)生損壞的護(hù)欄，通過現(xiàn)場(chǎng)感知和后臺(tái)管控的一體化，采取及時(shí)有效的維修工作，從而恢復(fù)護(hù)欄的安全防護(hù)功能，大大降低不必要的交通事故發(fā)生以及人員傷亡。