,,,,,

(1.西南科技大學(xué) 制造過程測試技術(shù)教育部重點實驗室，四川 綿陽 621010;2.四川雅康高速公路有限責(zé)任公司，成都 610041)

0 引言

隨著社會基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進程的不斷加快，我國公路總里程已躍居世界第一[1]。與此同時伴隨著汽車保有量的持續(xù)上升，隨之而來造成交通事故的頻繁發(fā)生。據(jù)我國衛(wèi)生部門統(tǒng)計，在近千例交通事故中，僅有14.3%受傷人員能及時乘救護車到達醫(yī)院進行救治，40%當(dāng)場死亡，30%受傷者因為搶救不及時而死亡[2]。因此，快速準(zhǔn)確定位車禍現(xiàn)場位置，縮短車禍救援響應(yīng)時間對于保障人民的生命財產(chǎn)安全尤為重要。

目前，對于高速路上的事故預(yù)警主要依靠監(jiān)控攝像或受害人員主動報警等方式[3]。但我國高速公路東西南北跨度大、行車環(huán)境復(fù)雜，部分地區(qū)存在通信信號覆蓋不全面或受害者無法準(zhǔn)確描述車禍發(fā)生現(xiàn)場位置等難題。當(dāng)前對于高速路車禍監(jiān)測預(yù)警研究主要有兩類：1)基于車輛碰撞產(chǎn)生的物理信號進行事故判斷，包括噪聲、位移、振動信息等[4-8]；2)對車輛運動信息進行監(jiān)測，主要通過車載加速度傳感器設(shè)備表征其運動狀態(tài)[9-10]。上述車禍預(yù)警方式中物理信號監(jiān)測易受環(huán)境干擾、車載傳感器由于造價頗高和日常維護等原因而難以普遍推廣。

當(dāng)今一些發(fā)達國家如美國，德國，日本等在高速公路安全預(yù)警方面都有一套較為成熟的運行機制。美國的高速公路交通事故緊急救援管理系統(tǒng)(FIM)[11]，是一個相互輔助、相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng)工程，其子系統(tǒng)涵蓋了高速公路路況信息和交通運行狀況監(jiān)控系統(tǒng)，可在24小時不間斷地對高速公路上發(fā)生的一切事故和狀況進行監(jiān)控。但該監(jiān)控系統(tǒng)仍高度依賴高速路上的監(jiān)控攝像頭進行信息采集，依靠人力進行事故識別，故缺少事故智能自動識別和報警的主動性，日本各大汽車制造企業(yè)如豐田、三菱等公司提出了“先進的安全汽車(ASV)計劃”[12]，一直致力于新型安全汽車技術(shù)的研究開發(fā)，主要是通過單片機控制車禍自動報警系統(tǒng)。利用信息感知、動態(tài)辨識等技術(shù)來提高的主動安全性。在德國，新生產(chǎn)的汽車搭載一種車禍自動報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是根據(jù)汽車發(fā)生車禍后的氣囊裝置自動釋放，進而啟動應(yīng)急救援程序自動撥打緊急電話，急救中心收到車禍預(yù)警后，將通過衛(wèi)星搜索事故車輛預(yù)先安裝的定位芯片以獲得具體的車禍位置，再啟動救援響應(yīng)。據(jù)測試，本系統(tǒng)可以將平均救助時間縮短50%左右[13]?；诖耍狙芯刻岢龌谖锫?lián)網(wǎng)對高速路波形梁鋼護欄進行狀態(tài)監(jiān)控來識別和判斷重大交通事故的發(fā)生并加以報警。

1 碰撞監(jiān)測系統(tǒng)組成

本碰撞監(jiān)測系統(tǒng)主要由三大模塊組成：第一部分是數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集事故中車輛碰撞波形梁鋼護欄產(chǎn)生的加速度物理信號，實現(xiàn)對碰撞沖擊后物理響應(yīng)的識別與感知；第二部分是數(shù)據(jù)傳輸模塊，實現(xiàn)對采集信號的遠程實時傳輸，同時將事故發(fā)生處地理坐標(biāo)一并發(fā)送至碰撞監(jiān)測云平臺；第三部分是數(shù)據(jù)處理及預(yù)警反饋模塊，實現(xiàn)對碰撞物理信息的提取及車禍嚴(yán)重程度的識別，進而反饋至碰撞監(jiān)測云平臺，以便于高速公路管理部門及時掌握事故發(fā)生狀態(tài)和地點，從而展開高效施救。

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

失控車輛在碰撞護欄的過程中，會發(fā)生持續(xù)的碰撞變形，根據(jù)我國汽車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20913-2007《乘用車正面偏置碰撞的乘員保護》規(guī)定[14]，時速為50 km/h碰撞時要求汽車安全氣囊必須打開，而碰撞持續(xù)變形時間一般為40～80 ms，此時間會隨車速增加逐漸減少。故車速越高，碰撞時的加速度越大，造成人員傷亡的可能性也就越大。因此，可通過碰撞發(fā)生時的加速度大小直接表征事故的嚴(yán)重程度。則車速為50 km/h時碰撞其加速度介于173.6～347.2 m/s2，即17.7～35.4 g(g=9.8 m/s2)。則可通過設(shè)置加速度的閾值隔離偶然碰撞事件以提高系統(tǒng)的監(jiān)測精度，減少由動物等外界偶然碰撞造成的系統(tǒng)誤報。

參照交通行業(yè)JT/T 281-2007《公路波形梁鋼護欄》標(biāo)準(zhǔn)[15]，當(dāng)前高速路護欄多為二波紋和三波紋波形梁，其安裝主要通過螺栓與立柱連接?；诖?，本方案將加速度傳感器設(shè)計成護欄同尺寸螺栓結(jié)構(gòu)，將加速度傳感芯片與控制電路集成至一塊PCB板置于螺栓頭內(nèi)部，再將此傳感器安裝于護欄上。當(dāng)車輛碰撞護欄時，護欄由于受到?jīng)_擊瞬間產(chǎn)生加速度信號，傳感器受激振動采集加速度信息，經(jīng)后端算法處理分析加速度是否過大，可直接判斷是否發(fā)生嚴(yán)重事故。智能螺栓傳感器其安裝及實物如圖1所示。

本傳感檢測電路主要實現(xiàn)三大功能：加速度信號的檢測、A/D轉(zhuǎn)換以及與外部的通信傳輸功能，本設(shè)計使用的傳感器為三軸MEMS加速度計，其型號為ADLX375。采用14引腳LGA封裝，其具體參數(shù)如表1中所示。

圖1 智能螺栓加速度傳感器安裝及內(nèi)部電路圖

項目參數(shù)封裝體積3 mm×5 mm×1 mm功耗35 μA (測量模式)0.1 μA(待機模式)測量范圍±200 g工作溫度-40～+85℃開啟和喚醒時間1.4 ms

本傳感器封裝體積小,能較好地安裝在智能螺栓空腔內(nèi)部，保證了智能螺栓整體結(jié)構(gòu)的緊湊性，其喚醒時間短，能夠在碰撞加速度達到峰值前瞬間開始監(jiān)測；功耗低，達到?jīng)_擊閾值才開始工作，其他時間均保持待機狀態(tài)，能有效降低監(jiān)測系統(tǒng)能耗，進一步保證路段監(jiān)測的有效性。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

基于高速路跨度大、里程長等特點，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模塊主要由采集儀和網(wǎng)關(guān)組成。采集儀一方面是保證與傳感檢測電路進行串口通信，接收采集到的加速度信號，另一方面通過LoRa[16]無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)與監(jiān)測平臺通過4G通信模塊連接，能保證在較短時間內(nèi)海量數(shù)據(jù)的即時傳輸，有效提高預(yù)警響應(yīng)時效性。而LoRa傳輸不受節(jié)點和長度影響，適用于稀疏且長距監(jiān)測節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，能有效代替有線傳輸，進而降低系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)傳輸成本。采集儀和網(wǎng)關(guān)電路設(shè)計版圖及其實物如圖2、3所示。

圖2 采集儀電路

圖3 網(wǎng)關(guān)電路

1.3 數(shù)據(jù)處理及預(yù)警反饋模塊

數(shù)據(jù)處理及預(yù)警反饋模塊主要包含智能螺栓傳感器監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)處理單元、處理結(jié)果反饋單元三大模塊。采集儀將傳感器感知的碰撞信號通過LoRa傳輸至網(wǎng)關(guān)，再通過4G通信傳輸至監(jiān)測平臺服務(wù)器。監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析算法對采集到的物理信息進行即時處理分析，并對事故程度做出判斷。監(jiān)測平臺將處理結(jié)果通過關(guān)聯(lián)號碼反饋至路段監(jiān)測人員(如救援中心、路段管理人員或交警支隊等)而預(yù)警。如圖4為本研究基于物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的車禍碰撞監(jiān)測軟件平臺。

圖4 車禍碰撞監(jiān)測軟件平臺界面

圖5 碰撞監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

在軟件平臺對監(jiān)測道路沿線分布的智能螺栓傳感器進行編號，根據(jù)其分布位置進行經(jīng)緯度標(biāo)記一并錄入監(jiān)測系統(tǒng)，則碰撞發(fā)生時預(yù)警信息能準(zhǔn)確反映車禍發(fā)生地、發(fā)生時間和閾值警報等級相關(guān)信息，以實現(xiàn)快速響應(yīng)并準(zhǔn)確預(yù)警車禍發(fā)生狀況，為實施救援提供有效信息。

1.4 監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展離不開軟件系統(tǒng)的架構(gòu)和硬件設(shè)備的支持，完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包含感知層、通信傳輸層和應(yīng)用層(包括處理子層和應(yīng)用子層)。在設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的車輛碰撞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中：其感知層中以三軸MEMS加速度計為傳感芯片，用來監(jiān)測車輛與護欄碰撞過程中的振動加速度信息，其高赫茲采樣頻率有效的保證了碰撞發(fā)生時物理信息的完整與準(zhǔn)確性。同時，線路傳輸-LoRa技術(shù)-4G通信三級傳輸網(wǎng)絡(luò)共同架構(gòu)組成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通信傳輸層，多通信技術(shù)的融合有效保證了整體物聯(lián)網(wǎng)預(yù)警監(jiān)測信號和預(yù)警信息的快速響應(yīng)，實現(xiàn)了監(jiān)測路段的即時傳輸與實時監(jiān)控。最后，本物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用層中的監(jiān)測預(yù)警云平臺搭載了針對多物理參數(shù)快速響應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法，可通過云臺算法解耦車禍信息，包括：表征車禍嚴(yán)重程度等級的加速度值、車禍發(fā)生處準(zhǔn)確路段的定位信息、車禍發(fā)生事件等，基于此，本監(jiān)測系統(tǒng)可進一步將車禍預(yù)警信息發(fā)送至相關(guān)路段的管理人員展開救援，以此改變高速公路中現(xiàn)有車輛碰撞的監(jiān)測模式，提高車禍救援響應(yīng)的時效性，保證人民的生命財產(chǎn)安全。

本系統(tǒng)大致的工作流程如圖5所示。首先系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)云平臺加載數(shù)據(jù)處理算法，智能螺栓傳感器設(shè)定加速度大小等級判斷閾值，采集儀與網(wǎng)關(guān)連接。隨后監(jiān)測系統(tǒng)中傳感模塊與通信模塊自檢功能是否正常，系統(tǒng)無故障則正式上線工作。此時，加速度傳感器以及采集板和網(wǎng)關(guān)都處于低功耗的休眠模式，當(dāng)有車輛碰撞振動發(fā)生時，傳感器自動檢測加速度值的大小，并與設(shè)定的加速度等級閾值進行比較，若超過閾值，則進行加速度信號采集，并傳回加速度信號數(shù)據(jù)，監(jiān)測平臺軟件進行算法分析并表征撞擊程度。隨后監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)算法處理結(jié)果自動將已編輯好的報警短信發(fā)送到相關(guān)聯(lián)的手機號碼，快速將事故信息反映到相關(guān)部門，啟動事故相關(guān)的應(yīng)急處理流程。

2 系統(tǒng)測試及分析

基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)整體功能的驗證其核心就在于感知層和通信傳輸層功能的實現(xiàn)。為保證護欄結(jié)構(gòu)的完整性，在感知層中基于護欄同尺寸連接螺栓搭載了三軸加速度傳感芯片，在通信傳輸層中構(gòu)建了三級數(shù)據(jù)傳感網(wǎng)絡(luò)。故本系統(tǒng)功能測試主要有：1)驗證搭建的數(shù)據(jù)采集平臺通信功能是否正常，包括遠距離通信傳輸測試和多個傳感器同時觸發(fā)是否會影響通信；2)驗證本系統(tǒng)的智能螺栓加速度傳感器采集的加速度大小是否正常，即監(jiān)測的準(zhǔn)確性驗證。

2.1 監(jiān)測平臺通信功能驗證

戶外測試以挖掘機撞擊護欄模擬車輛碰撞，采集儀和網(wǎng)關(guān)設(shè)置距離約500 m，通過手持終端對采集儀進行參數(shù)設(shè)置，包括經(jīng)緯度、傳感器編號等，撞擊測試如圖6所示。

圖6 監(jiān)測平臺通信測試

模擬車輛碰撞測試監(jiān)測平臺遠程傳輸通信，經(jīng)測試碰撞發(fā)生后20秒內(nèi)監(jiān)測平臺即可顯示碰撞時間、各傳感器編號、分布位置、振動加速度大小等信息，實驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明本系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程實時傳輸通信，以及多個傳感器同時觸發(fā)不會影響系統(tǒng)通信，能同時顯示各傳感器感知狀態(tài)，即表明本系統(tǒng)可實現(xiàn)高速公路監(jiān)測段遠程全區(qū)域的在線實時監(jiān)測。

2.2 系統(tǒng)采集的加速度大小準(zhǔn)確性驗證

準(zhǔn)確性對比驗證傳感器采用美國SD公司的三軸MEMS加速度傳感器，其型號為SDI 2460-050，其采樣頻率最高可達10 kHz，測量范圍為±50 g，配套的采集儀是SD公司G-Logger 3330，可將傳感器輸出的離散信號擬合成加速度波形圖像，并能對傳感器進行個性化采集設(shè)置，智能螺栓傳感器加速度大小準(zhǔn)確性驗證測試如圖7所示。

圖7 加速度大小準(zhǔn)確性驗證

模擬高速護欄碰撞模型構(gòu)建測試平臺，如圖7(b)所示。將本研究設(shè)計的智能螺柱傳感器ADLX375與SD公司三軸加速度傳感器SDI 2460-050安裝至護欄上，使其能夠同時采集振動信號。兩傳感器采樣頻率均配置為3 200 Hz。試驗采集數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 加速度大小準(zhǔn)確性驗證測試

由圖8所示，對測試平臺加載沖擊激勵后，本研究設(shè)計的智能螺栓傳感器ADLX375和美國SDI 2460-050三軸加速度傳感器其測試結(jié)果顯示的加速度峰值大小及其出現(xiàn)時間基本吻合，即兩傳感器監(jiān)測到的加速度信號其幅值和相位分布基本一致。則可表明本研究設(shè)計的智能螺柱傳感器ADLX375可實現(xiàn)對碰撞過程中加速度大小的準(zhǔn)確測量。

3 總結(jié)

本文基于物聯(lián)網(wǎng)搭建了高速路護欄碰撞智能監(jiān)測預(yù)警平臺，該監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理及預(yù)警反饋模塊組成。經(jīng)測試，本系統(tǒng)可實現(xiàn)對碰撞信號的有效實時采集，系統(tǒng)加速度傳感器其休眠和監(jiān)測兩種工作狀態(tài)的切換有效的降低了系統(tǒng)能耗。LoRa傳輸與4G傳輸兩種方式的結(jié)合，既降低了系統(tǒng)整體造價又保證了數(shù)據(jù)遠程實時同步傳輸?shù)挠行浴Ｏ到y(tǒng)軟件平臺算法實現(xiàn)了對碰撞物理信息的提取及車禍嚴(yán)重程度的識別，能在20秒內(nèi)快速準(zhǔn)確的實現(xiàn)對車禍碰撞狀態(tài)的感知并預(yù)警，極大的提升了高速路車禍救援響應(yīng)效率，對保障高速路行車安全與人民生命財產(chǎn)安全具有重要的意義。