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)。同一時期，歐洲各國在實施道路交通事故現(xiàn)場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)進行了深入研究和應(yīng)用，這些系統(tǒng)在實踐應(yīng)用中均取得了良好的效果。在護欄監(jiān)測報警領(lǐng)域，Sung-Youn Cho等[1]采用加速度傳感器安裝于護欄上，當(dāng)護欄上的加速度傳感器識別到一定程度的物理沖擊時，建立的情境感知系統(tǒng)會產(chǎn)生報警。當(dāng)報警發(fā)生時，加速度傳感器傳來的標(biāo)量大小和方向信息會傳送給情境感知系統(tǒng)。

在國內(nèi)，王勤[2]采用非線性顯示動力分析，通過ABAQUS有限元軟件構(gòu)建了仿真模型，獲取了護欄上的加速度信息；采用三次樣條插值方法定位護欄上的碰撞點，提出了優(yōu)化三軸加速度傳感器的鋪設(shè)密度。黃贊華[3]通過分析公路護欄問題存在的現(xiàn)狀，研究國內(nèi)外護欄設(shè)計原則、規(guī)范差異及影響因素，研究了車輛碰撞公路護欄的數(shù)值模擬。張海波[4]從交通事故風(fēng)險點、事故車型分布、護欄損毀特征及事故時間分布等方面系統(tǒng)分析了區(qū)域道路波形護欄碰撞事故的特征，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]基于實際光纖數(shù)據(jù)的試驗分析，驗證了基于分布式光纖傳感技術(shù)在檢測車輛撞擊道路護欄事故的可行性。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)計了一種高速公路護欄碰撞監(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，研究了光纜振動對相干光在光纖中傳輸?shù)挠绊?，提出一種基于光纜振動的高速公路護欄碰撞告警方法，以此為基礎(chǔ)設(shè)計出高速公路護欄碰撞警告系統(tǒng)。

綜上，雖然我國在公路護欄碰撞檢測做了相關(guān)研究，但在護欄主動預(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)計山區(qū)護欄感知報警系統(tǒng)，在傳統(tǒng)波形梁護欄基礎(chǔ)上，經(jīng)過技術(shù)改造，賦予波形護欄一定的自我感知能力，在不降低防護作用的前提下感知車輛碰撞情況，并將碰撞檢測系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)與管理系統(tǒng)聯(lián)動，通過熱成像攝像機和高清智能攝像機自動跟蹤監(jiān)控現(xiàn)場判斷交通事故程度，實現(xiàn)事故多發(fā)點碰撞事故主動預(yù)警，遠程辨別事故烈度與人員傷亡，及時啟動應(yīng)急報警救援系統(tǒng)，提高公路安全防護水平。

1 事故多發(fā)點護欄碰撞事故原因分析

車輛與波形護欄發(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，往往會出現(xiàn)駕駛員不規(guī)范行車，超速行駛、隨意變道等時有發(fā)生，一旦出現(xiàn)這些不良行為，車輛就會有高風(fēng)險失控，駕駛員應(yīng)急反應(yīng)力下降的同時，再加上原始車速過快，最后釀成撞擊波形護欄，甚至是沖破波形護欄的事故。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，輪胎打滑，極易引發(fā)車輛碰撞護欄交通事故；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，由于車輛遠近光燈切換不及時，視線受阻，來不及緊急制動，極有可能導(dǎo)致車輛撞擊護欄。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欄碰撞以外，還存在人為破壞護欄的情況。如2016年4月21日，6名男子為了達到使走私車輛能通過便道進入高速公路的目的，對護欄板進行拆除。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)系逃費車輛，另一人負(fù)責(zé)破壞高速公路防護欄、鐵絲網(wǎng)，同時引導(dǎo)貨車下高速偷逃過路費。這些人為私自拆除護欄對高速公路上正常行駛的車輛造成了嚴(yán)重的安全隱患。

通過對山區(qū)公路事故多發(fā)點護欄碰撞事故的分析，明確了因護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，從而提出對護欄感知報警系統(tǒng)的需求，此系統(tǒng)在不改變護欄傳統(tǒng)防護作用的前提下，賦予護欄感知能力，可以在發(fā)生事故時及時反饋護欄的當(dāng)前狀態(tài)，掌握事故發(fā)生地點，提高事故救援效率，減少路產(chǎn)損失。

2 事故多發(fā)點護欄感知報警系統(tǒng)設(shè)計

2.1 護欄感知報警系統(tǒng)需求分析

根據(jù)對山區(qū)公路事故多發(fā)點波形護欄碰撞事故的調(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現(xiàn)場進行有效地把控，會加劇二次事故的發(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，會因為救援緩慢導(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欄事件，以及車輛碰撞護欄后肇事逃逸現(xiàn)象，對國家路產(chǎn)造成損失。目前國內(nèi)公路大都缺少交通事故報警技術(shù)，同時尚無成熟的技術(shù)對波形梁護欄進行實時監(jiān)控以及在事故發(fā)生的事故點或者在人為破壞護欄位置能夠進行定位。故開展波形護欄智能感知報警系統(tǒng)的研究。

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

2.1.1 感知定位需求

山區(qū)公路護欄碰撞事故易發(fā)，但是緊急救援效率低。同時車輛碰撞波形護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)計出波形護欄進行感知報警系統(tǒng)，當(dāng)山區(qū)公路上的波形護欄遭到撞擊或者異常沖擊，護欄可以產(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 遠程監(jiān)控需求

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

2.1.3 聯(lián)動報警需求

碰撞事故發(fā)生后，后臺管控中心警報系統(tǒng)觸發(fā)，提醒工作人員緊急處理，當(dāng)監(jiān)控到現(xiàn)場事故點是嚴(yán)重的交通事故或者是車輛刮擦，碰撞轉(zhuǎn)向時，馬上緊急報警，通知相關(guān)部門，對現(xiàn)場進行管控；當(dāng)監(jiān)控到現(xiàn)場是人為破壞，或者是泥石墜落撞擊護欄時，對道路上后續(xù)車輛進行警示減緩車速，同時捕捉現(xiàn)場涉事人員，并通知相關(guān)部門進行阻止和處理。

2.2 護欄感知報警系統(tǒng)工作流程

山區(qū)公路波形護欄智能感知報警系統(tǒng)由控制主機單元、感知單元、路側(cè)監(jiān)控單元及后臺管控單元4個部分組成，可實現(xiàn)對車輛-波形護欄及人為破壞或滑坡巨石墜落波形護欄事件進行實時監(jiān)控與報警功能。整個系統(tǒng)的工作流程見圖1。

圖1 護欄感知報警系統(tǒng)工作流程示意圖

2.3 護欄感知報警系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)山區(qū)公路對于波形護欄智能感知報警系統(tǒng)的3個需求，本節(jié)將其歸結(jié)為波形護欄智能感知、視頻監(jiān)控以及聯(lián)動報警，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

波形護欄智能感知系統(tǒng)根據(jù)車輛對護欄的碰撞、行人敲擊或者撞擊以及山體滑坡的沖擊的力學(xué)原理，使護欄可實現(xiàn)感知異常碰撞/撞擊事件的功能。沿著一邊的波形護欄走向，安裝上傳感光纜，同時通過埋于地下的傳感光纜，連接到另一邊安裝好的波形護欄上，與光纜傳感器構(gòu)成回路，形成一個感應(yīng)區(qū)域。在每一個感應(yīng)區(qū)域里面發(fā)生在光纜上的振動包含了波形護欄受到碰撞或沖擊時的聲音和位置信息，處理器通過檢測干涉發(fā)生的光強和時間提取出振動的音頻和位置信息。處理器通過對振動光纜傳遞的光波信息進行智能分析，確認(rèn)目標(biāo)觸發(fā)報警，同時還能夠分析出是在哪一個防區(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，完成振動信號探測的功能。

傳感光纜具有很強的環(huán)境適應(yīng)能力，根據(jù)山區(qū)公路現(xiàn)場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)在波形護欄的背側(cè)；另一種是地面之下的安裝，安裝在地底，達到完成傳感光纜和光纜傳感器之間的回路，構(gòu)成一個感應(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欄，則僅在有護欄的一側(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)點路段，可以采取多個感應(yīng)區(qū)的方式來彌補其局限性。

2.3.2 視頻監(jiān)控功能設(shè)計

系統(tǒng)監(jiān)控單元主要采用熱成像筒機和高清可見光球機的組合。該監(jiān)控單元和主機控制單元聚合在一個立柱之上，這樣方便主機控制單元對監(jiān)控單元下達指令，一旦在某個感應(yīng)區(qū)域內(nèi)發(fā)生碰撞事故，處理器立即控制攝像機對該區(qū)域進行自動跟蹤和監(jiān)測。熱成像攝像機可以聯(lián)動可見光攝像機變焦對目標(biāo)進行識別及跟蹤，而且能夠避免盲區(qū)監(jiān)測。相比普通的跟蹤球機，熱成像球機的最大優(yōu)勢是在熱成像上做智能偵測。因此即使在很遠距離或很差的光照環(huán)境下，熱成像球機也能及時發(fā)現(xiàn)目標(biāo)進行跟蹤。同時，熱成像攝像機可利用熱成像鏡頭的超強探測能力以及集成在熱成像的智能功能對山區(qū)公路波形護欄進行獨立智能偵測，當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)生碰撞或沖擊時，可觸發(fā)報警。

2.3.3 報警聯(lián)動功能設(shè)計

前端感知單元一旦遭到異常碰撞和沖擊，控制主機單元會立即發(fā)送報警信號到后臺管控中心。同時控制主機處理器啟動對應(yīng)的攝像機對發(fā)生事故的感應(yīng)區(qū)域進行自動監(jiān)控，并傳送到后臺特定的報警監(jiān)視器組上顯示與報警有關(guān)的視頻圖像。系統(tǒng)提供防區(qū)設(shè)置、報警管理等功能，能夠配置多種報警規(guī)則，實現(xiàn)各區(qū)域報警聯(lián)動機制，如在電腦客戶端發(fā)出聲音報警、在大屏自動彈出報警位置感應(yīng)區(qū)域的視頻圖像等。

聯(lián)動報警功能主要由GPRS無線通訊技術(shù)來實現(xiàn)。GPRS技術(shù)是對數(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)備或者用戶在進行數(shù)據(jù)通信的過程中，避免固定占用在無線通信進行時。波形護欄感知報警系統(tǒng)無線通信傳輸方向示意圖見圖3。

圖3 通訊報警示意圖

從圖3可以看出，GPRS無線通信技術(shù)在PC端電腦以及監(jiān)控單元和主機控制單元之間的設(shè)備進行構(gòu)建，可以對信息數(shù)據(jù)進行無線傳輸。在護欄感知報警系統(tǒng)中，監(jiān)控單元采集到的實時視頻圖像，以及主機控制單元發(fā)出的報警信號，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)后臺管控中心工作人員確定后，通過GPRS短信功能，將警報信息傳達給相關(guān)部門緊急處理，同時還可以將實時視頻圖像發(fā)送至相關(guān)人員移動終端，讓相關(guān)人員把控現(xiàn)場狀況。

3 結(jié)語

此系統(tǒng)的開發(fā)和實施使得一旦事故多發(fā)點護欄發(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，也可以在面對汽車刮擦等輕微事故或人為破壞等原因造成護欄損壞時，使得路政管理部門能夠及時知曉并開展護欄維護工作，有效地避免了因護欄功能失效而產(chǎn)生的安全隱患。

針對系統(tǒng)功能的實現(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)的有效性和實時性，并建立了后臺管控平臺，實現(xiàn)了感知定位、實時監(jiān)控、圖像傳輸以及聯(lián)動報警救援的一體化和自動化。

該護欄感知報警系統(tǒng)的開發(fā)對于建立高速公路一體化的安全管控平臺具有突出的作用，它具備良好的兼容性和可拓展性，必要時可以進行二次開發(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)揮更大的社會效益和經(jīng)濟效益。

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