楊遠(yuǎn)洪 賈曉坤

收稿日期：2024-03-14

作者簡(jiǎn)介：楊遠(yuǎn)洪（1987—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：公路工程附屬設(shè)施施工及設(shè)計(jì)。

摘要 針對(duì)涉路施工中因來往車輛給施工人員造成的安全隱患，現(xiàn)有預(yù)警裝置多以警示燈、警戒牌、警戒線等形式出現(xiàn)，這些設(shè)施僅對(duì)來往車輛起到警示作用，施工工人卻無法即時(shí)感知。為此，文章提出了一種能使施工工人主動(dòng)感知危險(xiǎn)信號(hào)的預(yù)警系統(tǒng)?；谥鲃?dòng)探測(cè)的設(shè)計(jì)原則，通過在施工道路養(yǎng)護(hù)區(qū)域前設(shè)置三級(jí)路障，并在路障上安裝測(cè)速裝置，利用ZigBee無線傳輸協(xié)議將速度信號(hào)傳遞給施工工人的馬甲，馬甲上的震動(dòng)反饋模塊會(huì)根據(jù)速度值的大小決定是否震動(dòng)報(bào)警以提醒工人；進(jìn)一步，震動(dòng)模塊采用PWM控制原理，會(huì)根據(jù)超速信號(hào)的大小調(diào)整震動(dòng)強(qiáng)度。此外，文章結(jié)合實(shí)際情況中車輛剎車的狀況，以及駕駛員的反應(yīng)時(shí)間，通過計(jì)算得出各級(jí)路障之間設(shè)置的距離以及每一級(jí)路障設(shè)置的最小速度閾值，建立了主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)模型。該模型對(duì)降低涉路預(yù)警領(lǐng)域的施工工人危險(xiǎn)系數(shù)和完善該領(lǐng)域的預(yù)警方法具有重要意義。

關(guān)鍵詞 涉路預(yù)警；主動(dòng)探測(cè)；ZigBee；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào) U231.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）09-0009-03

0 引言

隨著我國(guó)的綜合國(guó)力增強(qiáng)，各項(xiàng)基礎(chǔ)工程建設(shè)逐漸納入日程，交通工程施工建設(shè)是重要建設(shè)工程之一[1]，而日常的養(yǎng)護(hù)和修補(bǔ)作業(yè)是其中的一大重要內(nèi)容。涉路施工工程往往伴隨著道路的半運(yùn)行化，來往的車輛可能會(huì)給施工人員造成極大的安全隱患。因此，涉路建筑工地的安全管理非常重要，需要采取一系列的安全保護(hù)措施。目前，工地上大多采取一些傳統(tǒng)的保護(hù)措施，比如施工工人戴安全帽，穿施工馬甲，施工工地附近拉警戒線，立警示路障等，但是這些措施只能被動(dòng)地保護(hù)工人安全，當(dāng)險(xiǎn)情真正來臨時(shí)，對(duì)于正在進(jìn)行施工養(yǎng)護(hù)作業(yè)的工人來說，其警示措施是很容易被忽視的。為了更好地保障工人安全，如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)是城市軌道交通項(xiàng)目施工安全風(fēng)險(xiǎn)管理研究的一個(gè)重要課題[2]。采用一種更加主動(dòng)的預(yù)防措施，即基于施工工地主動(dòng)預(yù)防的防護(hù)系統(tǒng)十分重要。該系統(tǒng)可以對(duì)來往車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，還可以將報(bào)警信號(hào)傳達(dá)到施工工人，從而最大限度地提高施工工人的安全保障水平。

1 主動(dòng)預(yù)防系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

施工工地主動(dòng)預(yù)防系統(tǒng)主要由三級(jí)智慧路障防護(hù)區(qū)、智慧馬甲和無線傳輸系統(tǒng)組成。接近施工區(qū)域的汽車在抵達(dá)防護(hù)區(qū)時(shí)，智慧路障上的測(cè)速傳感器會(huì)測(cè)量到車速，并將此數(shù)值與預(yù)先設(shè)置的最小速度閾值進(jìn)行比較并判斷，決定是否發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以及是否將該信號(hào)通過無線傳輸系統(tǒng)傳輸給智慧馬甲，由智慧馬甲做出對(duì)應(yīng)的響應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工工人做出警示，提高了施工工地的安全性。

1.1 智慧路障

智慧路障由測(cè)速傳感器、無線信號(hào)發(fā)射器和上面的警報(bào)燈組成。智慧路障設(shè)計(jì)為三級(jí)的防護(hù)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)梯度預(yù)警，對(duì)車輛的不同車速和不同的制動(dòng)效果做出不同等級(jí)的報(bào)警效果。具體來說，第一級(jí)防護(hù)區(qū)域設(shè)置在距離施工工地100 m處，最小速度閾值為100 km/h；第二級(jí)防護(hù)區(qū)域設(shè)置在距離施工工地50 m處，最小速度閾值為60 km/h；第三級(jí)防護(hù)區(qū)域設(shè)置在距離施工工地30 m處，最小速度閾值為40 km/h。

這樣設(shè)置的依據(jù)是：首先不計(jì)駕駛者的反應(yīng)時(shí)間，設(shè)車輛的制動(dòng)力為F，且有F

上述分析僅基于剎車過程，經(jīng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，普通人遇到險(xiǎn)情的反應(yīng)時(shí)間約為0.2 s。該文將遇到驚嚇后做出反應(yīng)的時(shí)間考慮在內(nèi)，即將反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)至1 s，則制動(dòng)距離為：，得到考慮駕駛員反應(yīng)時(shí)間時(shí)不同車速下的制動(dòng)距離。取剎車起始速度為40 km/h、60 km/h和100 km/h三種情況，可以得到制動(dòng)距離的理論數(shù)值。在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)置時(shí)，每級(jí)防護(hù)區(qū)路障距離施工工地的距離應(yīng)大于該理論值，并留有一定的余量。因此，可以得到防護(hù)區(qū)距離工地的距離和最小速度閾值。

每一級(jí)防護(hù)區(qū)的路障對(duì)抵達(dá)該防護(hù)區(qū)的車輛速度進(jìn)行捕獲，將捕獲后的車速與該級(jí)防護(hù)區(qū)所設(shè)置的最小速度閾值進(jìn)行比較，如果大于該防護(hù)區(qū)的最小速度閾值，那么就會(huì)啟動(dòng)該路障上面設(shè)置的警報(bào)燈，警報(bào)燈閃爍對(duì)該超速車輛進(jìn)行提示。同時(shí)，智慧馬甲通過無線接收方式接收到報(bào)警信號(hào)，并做出響應(yīng)。

下面對(duì)三級(jí)防護(hù)區(qū)是否執(zhí)行動(dòng)作并且發(fā)送信號(hào)進(jìn)行討論：

（1）當(dāng)超過第一級(jí)防護(hù)區(qū)設(shè)置的最小速度閾值時(shí)，該級(jí)防護(hù)區(qū)執(zhí)行動(dòng)作，路障警報(bào)燈閃爍并發(fā)送信號(hào)給智慧馬甲，使智慧馬甲做出報(bào)警動(dòng)作。反之，該級(jí)防護(hù)區(qū)不執(zhí)行動(dòng)作。

（2）當(dāng)車輛的車速滿足第一級(jí)動(dòng)作的條件后，如果滿足第二級(jí)防護(hù)區(qū)的動(dòng)作條件，第二級(jí)防護(hù)區(qū)的路障警報(bào)燈閃爍并發(fā)送信號(hào)給智慧馬甲。反之，此級(jí)路障報(bào)警燈不閃爍，但仍發(fā)送信號(hào)給智慧馬甲，使智慧馬甲取消報(bào)警動(dòng)作。

（3）當(dāng)車速滿足第一、二級(jí)防護(hù)區(qū)設(shè)置的最小速度閾值后，將來到第三級(jí)防護(hù)區(qū)，若滿足第二級(jí)防護(hù)區(qū)的動(dòng)作條件，則第三級(jí)防護(hù)區(qū)的路障警報(bào)燈閃爍并發(fā)送信號(hào)給智慧馬甲。反之，此級(jí)路障報(bào)警燈不閃爍，但仍發(fā)送信號(hào)給智慧馬甲，使智慧馬甲取消報(bào)警動(dòng)作。

1.2 智慧馬甲

智慧馬甲由震動(dòng)反饋模塊、報(bào)警指示燈和報(bào)警蜂鳴器組成。震動(dòng)反饋模塊設(shè)置在肩部、肩胛骨處，報(bào)警蜂鳴器設(shè)置在肩部，報(bào)警指示燈設(shè)置在腹部以及對(duì)應(yīng)后背的位置。智慧馬甲具體工作原理對(duì)應(yīng)于智慧路障發(fā)送信號(hào)的三種狀態(tài)[3]：

（1）第一種狀態(tài)，只有智慧馬甲上的震動(dòng)反饋模塊執(zhí)行動(dòng)作。

（2）第二種狀態(tài)，智慧馬甲上的震動(dòng)反饋模塊和報(bào)警指示燈同時(shí)作用。

（3）第三種狀態(tài)，智慧馬甲上的震動(dòng)反饋模塊、報(bào)警指示燈以及報(bào)警蜂鳴器同時(shí)作用。

需要特別說明的是，在智慧馬甲上的三種報(bào)警狀態(tài)中都有震動(dòng)反饋模塊，此模塊的報(bào)警邏輯非簡(jiǎn)單的數(shù)字量報(bào)警，報(bào)警的控制邏輯是基于PWM原理進(jìn)行工作。簡(jiǎn)單來說，車速越高，震動(dòng)反饋的強(qiáng)度越大。

PWM即脈沖寬度調(diào)制原理，是一種用于控制調(diào)節(jié)電子設(shè)備輸出的技術(shù)，通過改變占空比不同的矩形脈沖寬度控制輸出值。該智慧馬甲上所用的震動(dòng)反饋模塊支持通過該原理對(duì)震動(dòng)強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。具體來說，通過改變單片機(jī)IO口輸出脈沖的寬度調(diào)節(jié)電壓輸出，對(duì)應(yīng)不同的震動(dòng)強(qiáng)度?？刂七壿嫗椋寒?dāng)智慧路障反饋速度信號(hào)給智慧馬甲時(shí)，智慧馬甲上的處理器會(huì)區(qū)分此信號(hào)，判斷該信號(hào)來自哪一級(jí)防護(hù)區(qū)，該區(qū)分方式是通過發(fā)送數(shù)據(jù)的從機(jī)地址進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；其次處理器會(huì)將該速度值與預(yù)先設(shè)定好的最小速度閾值作比較，并進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，具體為，將實(shí)時(shí)速度值同最小速度閾值做差，并將此差值與最小速度閾值的一半作商，得到的結(jié)果即為震動(dòng)模塊的占空比，即占空比。同最小速度閾值的一半作商的目的是為了放大超速信號(hào)，使系統(tǒng)面對(duì)超速的反應(yīng)更加靈敏。

1.3 無線傳輸系統(tǒng)

該系統(tǒng)的無線通信技術(shù)使用了ZigBee協(xié)議，該技術(shù)是最近發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術(shù)，功耗低，被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工控場(chǎng)合的無線方式[4]。該協(xié)議相比其他無線傳輸協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是功耗低、抗干擾力強(qiáng)、傳輸速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、自組網(wǎng)能力強(qiáng)。雖然相較于藍(lán)牙和WiFi，該協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的速率較低，但是在本系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景下，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小，在傳輸速率上體現(xiàn)不出較大的差異性。

具體的通信過程為：ZigBee模塊協(xié)調(diào)器將智慧路障的ZigBee模塊和智慧馬甲上的ZigBee模塊進(jìn)行組網(wǎng)，智慧路障上的測(cè)速傳感器首先通過中央處理器對(duì)檢測(cè)到的速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再?zèng)Q定是否發(fā)送給智慧馬甲；若智慧馬甲收到數(shù)據(jù)，再經(jīng)過中央處理器對(duì)數(shù)據(jù)做處理，最后作出對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

2 軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件部分

考慮應(yīng)用場(chǎng)景在戶外，所以該系統(tǒng)的供電采用光儲(chǔ)聯(lián)合供電。在白天太陽輻射充裕時(shí)，由于光生伏打效應(yīng)在光伏電池產(chǎn)生電壓，通過DC/DC進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換，一部分電壓加載在一定的負(fù)載上產(chǎn)生輸出電流給系統(tǒng)供電，另一部分電能則輸入到電池形成充電電壓。在夜晚沒有太陽輻射時(shí)，電池作為主要供電來源，產(chǎn)生放電電流[5]。該設(shè)計(jì)降低了功耗與后期維護(hù)成本。

該系統(tǒng)的硬件部分分為兩大部分，第一部分是智慧路障，第二部分是智慧馬甲，兩者均采用單片機(jī)作為控制中心，都由光儲(chǔ)聯(lián)合供電。此外，智慧路障由ZigBee無線傳輸模塊、報(bào)警燈和速度傳感器組成。智慧馬甲由ZigBee無線傳輸模塊、震動(dòng)模塊、蜂鳴器和報(bào)警燈組成。

整個(gè)主動(dòng)預(yù)防系統(tǒng)的工作原理大致為：超速信號(hào)被設(shè)置在離施工工地具有一定距離的智慧防護(hù)區(qū)進(jìn)行提前識(shí)別，通過ZigBee協(xié)議將處理后的信號(hào)發(fā)送給正在施工工地作業(yè)的工人身上的智慧馬甲，對(duì)不同程序的危險(xiǎn)信號(hào)能夠做出不同的報(bào)警提示，實(shí)現(xiàn)讓施工工人預(yù)先得知危險(xiǎn)、提前撤離危險(xiǎn)區(qū)域、提高施工安全性的目的。整個(gè)系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

2.2 軟件部分

施工工地主動(dòng)預(yù)防系統(tǒng)主程序的流程圖如圖2所示，該系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行裝置初始化，智慧路障上的速度傳感器采集速度數(shù)據(jù)，并在中央處理器里逐級(jí)決定是否產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并將此信號(hào)傳輸給智慧馬甲。若決定發(fā)送報(bào)警信號(hào)，那么再對(duì)通信是否故障進(jìn)行判斷，若通信沒有故障，則速度值寫入發(fā)送緩存區(qū)，然后由ZigBee模塊發(fā)送緩存區(qū)的數(shù)據(jù)，同時(shí)智慧路障上的報(bào)警燈閃爍。若低于最小速度閾值，在檢查沒有通信故障后，再由單片機(jī)逐級(jí)決定是不發(fā)送信號(hào)還是發(fā)送震動(dòng)減弱信號(hào)。

施工工地主動(dòng)預(yù)防系統(tǒng)的子程序流程圖如圖3所示。在智慧馬甲接收數(shù)據(jù)前，首先要判斷是否存在通信故障，如果通信存在故障那么智慧馬甲產(chǎn)生故障報(bào)警，需要進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。相反，智慧馬甲可以接收來自智慧路障的報(bào)警信號(hào)，再進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警任務(wù)。

3 結(jié)語

該文設(shè)計(jì)了一種基于施工工地主動(dòng)預(yù)防的保護(hù)系統(tǒng)，由分布在智慧路障和智慧馬甲上的中央處理器和無線通信模塊組成。系統(tǒng)通過測(cè)量接近施工工地的車輛速度，由ZigBee無線傳輸模塊發(fā)送和接收車速，最后通過中央處理器對(duì)不同的車輛做出多樣化的報(bào)警提示信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工工人在面對(duì)車禍險(xiǎn)情時(shí)的警示。此外，系統(tǒng)還具有通信自檢、故障報(bào)警等功能，是一套低成本、智能化、可有效提高施工工人安全性的主動(dòng)預(yù)防系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]代華北. 軌道交通工程施工安全監(jiān)控管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J]. 居業(yè)， 2019（2）： 25+29.

[2]商兆濤， 尹志凱， 張紅彬， 等. 城市軌道交通施工安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警體系研究[J]. 河南科學(xué)， 2020（5）： 740-748.

[3]王軍雷， 應(yīng)世杰， 李百川. 高速公路汽車追尾預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)， 2006（4）： 122-125.

[4]周怡颋， 凌志浩， 吳勤勤. ZigBee無線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討[J]. 自動(dòng)化儀表， 2005（6）： 5-9.

[5]張純杰， 趙志剛， 高溥. 光儲(chǔ)聯(lián)合供電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)預(yù)處理[J]. 電子設(shè)計(jì)工程， 2014（20）： 131-134+138.