基于智能三角警示牌的交通事故告警系統(tǒng)研究

張賓 王辰 梅娟

基金項目：無錫城市職業(yè)技術學院2021校級科研（專項）課題；項目編號：WXCY-2021-KY-10。

作者簡介：張賓（1989— ），男，江蘇徐州人，工程師，碩士；研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應用技術。

摘要：隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人民的生活水平不斷提高，我國汽車保有量逐年增多，交通事故和車輛故障時有發(fā)生，由此引起的二次交通事故也屢見不鮮。文章利用物聯(lián)網(wǎng)技術、電子信息技術設計了基于智能三角警示牌的告警系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠將事故和故障車輛位置信息、占用車道情況實時準確地展示給后車，提醒后車主動避讓，有效降低二次交通事故發(fā)生的概率和事故發(fā)生后的損失。

關鍵詞：智能三角警示牌；告警系統(tǒng)；二次交通事故

中圖分類號：TP311.5? 文獻標志碼：A

0? 引言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人民的生活水平不斷提高，我國汽車保有量逐年增多，交通事故和車輛故障時有發(fā)生。根據(jù)國家統(tǒng)計局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)［1］，近些年我國交通事故相關情況如圖1所示，2017—2021年，我國民用汽車保有量和機動車駕駛人員均逐年上升，而因汽車造成的交通事故數(shù)量、傷亡人數(shù)及直接經(jīng)濟損失雖有波動，但都處在較高的水平，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來了比較大的影響。從事故原因的角度分析，因事故現(xiàn)場的人員、車輛、拋灑物及救援設備等因素造成的二次交通事故，相比一次事故給人身和財產(chǎn)安全帶來的傷害往往更大［2］，因此對二次事故的處理和預警應更為重視?，F(xiàn)行道路交通安全法規(guī)定，在車輛無法移動時，需要將三角警示牌放置于相應位置以提醒后續(xù)車輛謹慎駕駛，但總有駕駛員因各種原因沒能及時發(fā)現(xiàn)三角警示牌和事故車輛，造成二次交通事故，對人民的生命財產(chǎn)安全造成重大損失。綜上，亟需有效手段提高三角警示牌的警示效果，降低二次交通事故發(fā)生的概率和二次事故發(fā)生后的損失。

1? 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國交通部在2017年推出了一項名為“安全駕駛計劃”的項目，該計劃將使用車輛上的傳感器數(shù)據(jù)（如雷達、激光雷達、攝像頭等）以及其他信息源的數(shù)據(jù)（如GPS數(shù)據(jù)、天氣預報和道路狀況等）對可能影響行車安全的因素進行分析，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結果開發(fā)預警系統(tǒng)。加州大學伯克利分校的研究人員使用機器學習算法來檢測和預測二次事故，并在實際道路上進行了測試。密歇根州立大學的研究人員則開發(fā)了一種基于車輛傳感器數(shù)據(jù)的二次事故預警系統(tǒng)，并在真實道路上進行了測試。以色列的Mobileye公司開發(fā)了一種基于攝像頭的二次事故預警系統(tǒng)，可以檢測到其他車輛周圍的障礙物并發(fā)出警報。Uber公司也正在開發(fā)一種基于車輛傳感器數(shù)據(jù)的二次事故預警系統(tǒng)，以幫助駕駛員避免潛在的危險。

國內(nèi)，林謀有等［3］就高速公路二次交通事故成因和特點進行了分析，并對二次事故預警指標確定及二次事故預警指標范圍設置進行了研究。李曉敏等［4］通過問卷調(diào)查、資料查詢等途徑，分析了導致高速公路二次交通事故的主要原因，并建立了一套二次交通事故智能預防系統(tǒng)。沈旭東等［5］提出了基于攝像頭識別技術和傳感器技術的二次交通事故預警系統(tǒng)。

國外主要通過采集周圍車輛和環(huán)境信息來判斷二次交通事故風險，技術難度較大，成本比較高。國內(nèi)也有通過攝像頭等手段來檢測二次事故的預警系統(tǒng)，一方面成本高，另一方面視頻識別的可靠性和準確性也是要考慮的因素。因此，如何實現(xiàn)成本低、可靠性高的二次交通事故預警系統(tǒng)需要進一步的研究。

2? 基于智能三角警示牌的告警系統(tǒng)

為提高三角警示牌的警示效果，有效降低二次交通事故的風險，本文設計了以下基于智能三角警示牌的二次事故告警系統(tǒng)。

2.1? 系統(tǒng)構成

本文設計的二次交通事故告警系統(tǒng)包括智能三角警示牌、后臺服務和終端應用系統(tǒng)，如圖2所示。

各模塊的具體作用如下：

（1）智能三角警示牌。由通信模塊、定位模塊和配置模塊構成，在三角警示牌放置后，采集放置的經(jīng)緯度坐標數(shù)據(jù)，由配置模塊配置故障影響的車道信息，通過通信模塊將上述信息發(fā)送至后臺服務模塊。

（2）后臺服務。由數(shù)據(jù)接收處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)接口模塊構成，數(shù)據(jù)接收處理模塊接收智能三角警示牌發(fā)送的數(shù)據(jù)并對其進行處理，生成告警事件數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)存儲模塊將告警事件數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)接口模塊提供告警事件相關數(shù)據(jù)的RESTful查詢接口。

（3）應用系統(tǒng)。由告警管理系統(tǒng)、手機告警App和其他相關應用構成。告警管理系統(tǒng)用于展示和管理生成的告警信息，手機告警App用于展示前方告警信息，并在接近告警位置時進行告警提示。同時，后臺服務模塊提供了告警數(shù)據(jù)的相關接口，其他業(yè)務部門可以根據(jù)需求開發(fā)自己的應用，如交管部門、保險部門等。

2.2? 模塊設計

2.2.1? 智能三角警示牌

該模塊采用樂鑫科技的ESP32單片機作為控制核心，集成了通信模塊、定位模塊和配置模塊。

定位模塊采用基于位置的服務（Location Based Services，LBS）基站定位和全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）定位融合的技術，其中GNSS支持北斗和GPS定位。定位模塊的定位精度由環(huán)境決定，LBS在城區(qū)基站密度高的地方精度能夠達到50 m，而在郊區(qū)基站密度低的地方誤差甚至能夠達到5 000 m［5］，GNSS在室外環(huán)境下定位精度在m級。因此，在本文的應用場景中，智能三角警示牌在露天環(huán)境下，采用GNSS定位，在隧道、高架下或路兩邊有高山、高樓阻擋等與GNSS衛(wèi)星連接不暢的環(huán)境下，采用LBS定位技術。

由于LBS和GNSS的定位精度都無法準確定位到具體的車道，而事故占用影響的車道對于后方車輛是非常重要的信息，因此本文設計的智能三角警示牌中添加了配置模塊，通過撥碼的方式手動配置事故占用影響的車道。

通信模塊采用成熟穩(wěn)定的4G DTU模塊，能夠使用2G/3G/4G無線蜂窩移動網(wǎng)絡進行遠距離的數(shù)據(jù)傳輸，可以將ESP32單片機采集的位置信息、車道信息和時間信息通過串口數(shù)據(jù)轉換為IP數(shù)據(jù)透傳至服務器上。發(fā)送的數(shù)據(jù)采用json格式封裝，具體格式如下所示：

{

"id"： 2，

"longitude"： 120.18163，

"latitude"： 31.60806，

"laneno"："2，3"，

"time"： 1685980834000

}

其中id字段為三角警示牌的唯一ID，用于標識不同的三角警示牌；longitude和latitude分別是經(jīng)度和緯度，laneno表示占用的車道信息，如果同時占用多個車道，車道號之間用“，”分隔，time字段是自1970年1月1日（00：00：00 GMT）以來的時間，單位是ms，表示該條數(shù)據(jù)發(fā)送的時間。上述數(shù)據(jù)發(fā)送時間間隔為5 s。

2.2.2? 后臺服務

后臺服務主要包括數(shù)據(jù)接收處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)接口等部分，實現(xiàn)三角警示牌發(fā)送數(shù)據(jù)的接收、處理、存儲和發(fā)布功能。

數(shù)據(jù)接收模塊對智能三角警示牌發(fā)送的json數(shù)據(jù)進行接收和解析，應用的關鍵技術包括Netty框架、Apache Kafka流處理平臺以及FastJson解析庫等。Netty是一個異步事件驅動的網(wǎng)絡應用程序框架，基于非阻塞IO（Non-blocking IO，NIO）技術封裝了JDK的NIO，使用起來更加方便，且具備高并發(fā)、傳輸快、封裝好、適配強、效率高等優(yōu)點，適用于處理大量高并發(fā)的數(shù)據(jù)。為了防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)浪涌尖峰時來不及處理導致的數(shù)據(jù)丟失，本文采用Apache Kafka消息隊列作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，Netty收到的消息先存入消息隊列，然后通過消息處理線程取出，由FastJson庫將其解析成Java對象再做后續(xù)處理。

數(shù)據(jù)存儲模塊實現(xiàn)將上述java對象存儲到數(shù)據(jù)庫表中，數(shù)據(jù)接口模塊用于從中查詢某坐標附近的告警事件數(shù)據(jù)?？紤]到此場景下的讀取數(shù)量遠大于寫入數(shù)量，故將相對復雜耗時的操作在寫入數(shù)據(jù)庫時實現(xiàn)，從而降低獲取數(shù)據(jù)時的復雜度和耗時。數(shù)據(jù)接口的核心應用是查詢距離某個經(jīng)緯度坐標一定范圍內(nèi)的所有告警事件數(shù)據(jù)，為降低查詢時間本文采用以下設計。

（1）數(shù)據(jù)庫表索引設計。為加快查詢速度，數(shù)據(jù)庫表在設計中通常采用索引技術，因數(shù)據(jù)庫中以浮點數(shù)做索引通常比整數(shù)索引更慢，需要更多的存儲空間和計算資源，且由于浮點數(shù)精度問題，也可能導致數(shù)據(jù)不準確或不一致。所以，本文以0.001°為單位，將經(jīng)緯度轉換為整數(shù)作為索引，在此情況下距離誤差范圍在111 m×111 m以內(nèi)，能夠滿足獲取附近智能三角警示牌告警事件的需求，同時數(shù)據(jù)庫中也存儲浮點型的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，能夠精確定位智能三角警示牌的具體位置。

（2）附近智能三角警示牌告警事件經(jīng)緯度坐標查詢設計。一般情況下，為獲取數(shù)據(jù)庫表中距離某經(jīng)緯度坐標一定距離的所有經(jīng)緯度坐標，需要遍歷表中所有數(shù)據(jù)并計算距離，根據(jù)計算結果篩選符合條件的數(shù)據(jù)，這樣的處理方法在數(shù)據(jù)庫表中數(shù)據(jù)量比較大時會消耗大量時間。本文在前述索引設計的基礎上，將需要查詢經(jīng)緯度坐標以0.001°為單位轉換成整數(shù)，將距離轉換為經(jīng)緯度差值，上述查詢需求即可轉換為簡單的對數(shù)據(jù)庫表帶索引字段的條件查詢，且精度能夠滿需求。

數(shù)據(jù)存儲模塊采用MyBatis-Plus實現(xiàn)，它是一個基于MyBatis的增強工具，能夠簡化數(shù)據(jù)庫操作，提高開發(fā)效率。數(shù)據(jù)接口模塊利用EasyOpen實現(xiàn)，EasyOpe是一個簡單易用的接口開放平臺，平臺封裝了常用的參數(shù)校驗、結果返回等功能，開發(fā)者只需實現(xiàn)業(yè)務代碼即可。它的所有接口只提供一個URL，通過參數(shù)來區(qū)分不同業(yè)務。

2.2.3? 應用系統(tǒng)

應用系統(tǒng)模塊主要包括告警管理模塊、手機告警App以及其他應用等。告警管理模塊采用B/S架構，用于管理和展示智能三角警示牌生成的告警事件，方便交通管理部門用戶跟蹤告警事件的狀態(tài)，提供列表、GIS等形式直觀的告警事件展示和管理頁面，同時還具備新告警事件的彈窗提示等功能。支持告警事件歷史記錄查詢：告警管理模塊能夠保存所有的告警事件記錄，并支持根據(jù)時間、區(qū)域等多種條件進行查詢和篩選，便于交管部門統(tǒng)計分析事故發(fā)生規(guī)律特點，為交通管理安全改善措施提供數(shù)據(jù)支撐。

手機告警App模塊用于向終端用戶提醒前方告警事件具體信息。在用戶打開手機告警App后，該App會調(diào)用數(shù)據(jù)接口模塊提供的接口，查詢附近一定距離范圍內(nèi)的告警事件信息，并標注在App中的GIS地圖上。同時，手機告警App會判斷當前的導航路徑是否會經(jīng)過某一告警位置，如果會經(jīng)過，則在距離該位置一定距離時發(fā)出聲光告警，提示用戶謹慎駕駛，及時采取避讓措施。

除以上應用以外，有其他需求的用戶還可以通過調(diào)用數(shù)據(jù)接口模塊提供的在線接口，開發(fā)滿足自己需求的應用，本文設計的應用架構有較強的可擴展性。

3? 結語

交通安全是國家和社會的重要問題，其中二次交通事故的發(fā)生會給當事人和周圍的人帶來更大的危害和損失。本文利用現(xiàn)行主流的物聯(lián)網(wǎng)技術、電子信息技術設計了基于智能三角警示牌的告警系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠將故障車輛位置信息、占用車道情況實時準確地展示給后方駕駛人員，提醒后車主動避讓，能夠有效降低二次交通事故發(fā)生的概率，減少二次事故造成的損失。

參考文獻

［1］中華人民共和國國家統(tǒng)計局.年度數(shù)據(jù)查詢［EB/OL］.（2023-05-25）［2023-07-06］.https：//data.stats.gov.cn/adv.htm？m=advquery&cn=C01.

［2］余青原.高速公路交通事故救援中二次追尾事故成因及預防措施研究［J］.消防技術與產(chǎn)品信息，2016（5）：40-43，35.

［3］林謀有，劉國滿，盛敬，等.高速公路二次交通事故預警指標研究［J］.公路與汽運，2015（6）：53-56.

［4］李曉敏，徐勇，朱其祥，等.高速公路二次交通事故的預防系統(tǒng)研究［J］.現(xiàn)代信息科技，2020（6）：50-52.

［5］沈旭東，樓澤宇，盧玫.二次交通事故預警設備設計研究［J］.山東交通科技，2021（5）：103-105.

（編輯? 沈? 強）

Research on traffic accident warning system based on intelligent warning triangle

Zhang? Bin， Wang? Chen， Mei? Juan

（Wuxi City College of Vocational Technology， Wuxi 214000， China）

Abstract： With the rapid development of Chinas economy and the improvement of peoples living standards， the number of cars in China is increasing year by year. Traffic accidents and vehicle malfunctions occur from time to time， and secondary accidents caused by them are also common. This project uses Internet of Things （IoT） technology and electronic information technology to establish an alarm system based on intelligent triangular warning signs. The system can accurately and real-timely display fault vehicle location information and lane occupancy to subsequent vehicles， reminding them to actively avoid collision. It can effectively reduce the probability of secondary accidents and the losses incurred after secondary accidents occur.

Key words： intelligent warning triangle; warning system; secondary accident