高速公路护栏碰撞监控系统探讨

唐逸TANG Yi

（无锡市德宁节能科技有限公司，无锡 214000）

0 引言

随着我国经济的发展以及人民生活水平的不断提高，汽车的数量也在不断地增加。由于高速公路上的车流量较大，随之而来的交通事故也在频频发生，而公路上的护栏时常会受到不同程度的损坏。然而，正是因为高速公路上时有发生此类交通事故会导致人员伤亡及财产损失，因此本文研究出了一种基于物联网的护理碰撞监控报警系统，使用传感器技术能够对高速公路上的护栏进行实时监控，然后再通过互联网技术对车辆碰撞护栏时的信息进行处理并上传至道路管理部门，最后管理人员能够根据护栏发出的警报进行碰撞车辆的跟踪定位，从而实现道路黄金救援。

1 高速公路护栏碰撞监控系统总体架构设计原则

1.1 信息实时性原则

在高速公路中，驾驶人员会因为疲劳驾驶或突发意外情况导致车辆出现失控现象，从而撞击护栏引发交通事故。然而，因为高速公路大部分修建在偏远地区，因此车辆发生碰撞时，其撞击时间与地点无法第一时间进行确认。所以，针对护栏碰撞监控系统的设计时，首先需要将信息实时性纳入其中。如：当车辆在行驶过程中发生碰撞，护栏内的监控设备进行及时报警并显示准确的撞击地点，然后将信息第一时间传输至交警部门，随后交警能够第一时间抵达事故发生现场，对被困人员及车辆进行及时救助，从而避免事故进一步扩大。

1.2 信息完整性原则

此外，针对护栏碰撞监控系统进行设计时，还需要进一步对碰撞信息进行完善处理。在现场实际情况中，碰撞车辆的撞击地点、撞击部位、撞击时间等各个因素都需要第一时间进行记录并传输到相关部门，而交警人员也需要全面掌握事故现场的所有信息才能准确派出警力进行救援。

1.3 信息记忆性原则

最后，系统的设计还需要依据碰撞信息的记忆性原则。如：当车辆行驶过程中突发意外情况而撞击护栏，护栏能够第一时间进行报警并对撞击前后的车辆运行轨迹进行记录，并且该记录能够保存一个月，以便后续做现场事故分析所需。

2 高速公路护栏碰撞监控系统总体架构设计

2.1 架构组成部分

护栏碰撞监控系统的总体架构主要是由3个部分组成，其中包括感知层、网络层、应用层等。

2.1.1 感知层 感知层的作用是负责信数据的接入，通过相应的传感器设备能够将用户在高速公路上行驶过程中发生碰撞时的所有数据进行上报。其中的传感器类型可以采用目前市面上的高级应用设备无线传感器，通过采用无线传输的方式（NB-IOT与Lora），将信息进行上传至后台。

2.1.2 网络层 网络层的作用是通过不同协议进行网络连接，然后将感知层所传输的数据进行转换并上传至上层。在实际情况中，高速公路的路段绝大部分是被运营商网络所覆盖着，因此网络层被默认设计成蜂窝网络。当系统无法接收网络讯号或网络较差不稳定时，网络层可以被设计成为节点箱，而一个节点箱能够控制多个传感器设备。其中，网络层的节点箱是通过Lora双信号通道进行设计的，包括接收通道与传输通道两部分。

2.1.3 应用层 应用层的作用是能够及时处理上层（网络层）所上传的信息数据，然后通过一系列的加工处理，转化成为所需要的目标数据。包括：车辆运行轨迹数据，碰撞实现监测数据、智能控制等，应用层一般由两部分组成：PC端与云端服务器。

2.2 应用层架构组成部分

2.2.1 PC端

应用层的PC端是用于部署前置机，然后通过Lora网关能够与不同节点箱之间实现信息交互，同时也能够向云端GUI发送节点箱的信息数据。

2.2.2 云端服务器

云端服务器是基于IOT下的一种物联网平台。云端服务器用于部署GUI与NB两个网关。其中，NB网关主要负责接收传感器所发送的数据，然后上传至云端服务器GUI处。而云端GUI是碰撞系统的重要组成部分，主要作用是用于系统的正常运行。

3 系统内部交互场景分析

3.1 场景震动传感器通过LORA通道上报参数接受GUI控制

震动传感器可以应用于偏远山区或者蜂窝信号无法完全覆盖的地区。基于LORA无线射频模块下的震动传感器能够将现场所发生的振动数据通过远距离无线电的传播形式上传至节点箱，节点箱在接收到的相关数据后，经过一系列转化后成为业务场景数据，并且可以通过添加LORA设备、ID信息等上传至前置机，而前置机会把接收到的数据信息转换成为用户协议数据，最后上传至GUI服务器实现人机交互。

3.2 场景震动传感器通过NB-IOT通道上报参数接受GUI控制

此情景多用于城市或者蜂窝信号覆盖较好的地区。基于NB震动传感器能够将现场所发生的振动数据通过蜂窝信号上传至IOT平台然后再传输至NB网关，而NB网关在接收到相关的数据后，经过一系列转化后成为业务场景数据，并且可以通过添加NB-IOT设备、ID信息等上传至前置机，而前置机会把接收到的数据信息转换成为用户协议数据，最后上传至GUI服务器实现人机交互。

4 案例分析

在高速公路中车辆与公路护栏之间发生碰撞是一件常见却又复杂的事件，在高速公路中行驶的车辆往往会伴随巨大的能力，此时若与护栏发生碰撞，车辆将会发生偏移或冲出护栏等极其危险的情况，而护栏也会因为车辆巨大的冲击力发生不同程度的损坏。

车辆与护栏发生碰撞时，二者之间的撞击角度与速度是整个碰撞事故的重要条件及决定因素。除此之外，车辆在受到碰撞后的行驶路线以及车身的受力范围也在事故分析因素内。

4.1 高速公路护栏碰撞事故现场调研

本文以宣曲高速公路为例（如图1），该项目为国家高速公路网G56杭瑞高速公路云南境内的重要路段，路线全 长105.85km（其 中 主 线94.303km，G60连 接 线11.547km），路线由东北向西南展布于宣威市、沾益区、经开区、马龙区境内，起点位于宣威城南，接普立至宣威高速公路，止点位于马龙区大瓦仓，接宣曲高速延长线至大昌高速，后与昆曲高速公路相连。全线采用高速公路标准建设，设计时速100km/h，其中宣威至沾益段74.9km采用双向四车道，路基宽26m；沾益至曲靖段及G60连接线共30.947km采用双向六车道，路基宽33.5m，全线在热水、卡郎、菱角、红瓦房、沾益、大龙潭、曲靖等7处均设互通立交。

4.2 护栏碰撞监控系统框架设计

本项目宣曲高速公路采用的护栏碰撞监控系统是一种基于技术的智能设备，主要涵盖了碰撞事故监控及报警两大板块。具体的设备是护栏应力传感器以及道路两旁的监控装置。其中的应力传感器的作用是用于监测护栏的受损程度，而监控装置主要的作用是用于全天实时对公路的路况进行监控并且针对碰撞事故进行及时拍照，第一时间获取现场的信息。而这些监测设备能够对碰撞车辆进行实时监控，然后根据护栏受到的撞击情况，通过专业的数据处理第一时间获取到车辆信息，再通过网络与GPS卫星系统发送报警信息，从而提高高速公路交通事故的救援能力（如图2）。

针对整个实时监控系统来说，最关键的位置在于摄像头的装置位置，摄像头的安装位置必须要满足对整个全路段进行无死角监控，并且能够及时对碰撞事故现场进行拍照。通过整合监控系统所上传的现场数据信息，再利用传感器自动传输到系统后台，并根据现场实际情况采用对应的措施及时进行处理。

本项目所采用的护栏碰撞监控系统的摄像头是利用4K高清摄像头进行监控与拍摄。通过电子抓拍事发现场，然后经过无线网络传输至后台的云端服务器系统进行数据的处理与整合，最后传输到平台的报警中心，接到指令后管理人员与交警能够第一时间赶到事故现场进行处理，包括车辆与人员的救助以及道路护栏的维护。

摄像头采集模块在整个系统中起到了十分重要的作用。为了能够满足监控系统采集事故现场的图像数据传输功能，本项目所选用的摄像头为CJ-OV528串口摄像头。因此，当车辆发生碰撞时，系统的控制系统将“拍照”指令发送至摄像头的驱动程序，从而能够及时地对事故现场进行抓拍，生成的图像数据将被储存在云端后台。

4.3 公路护栏碰撞事故特征分析

4.3.1 空间分布特征

①急转弯路段。根据相关的研究数据表明，大多数的事故发生的路段在急转弯路段。因此，高速公路的急转弯道十分考验驾驶员的操作能力。有相关研究人员表明，驾驶人员驾驶车辆行驶在弯道过程中，由于视觉盲区或车速过快等因素，导致驾驶人员遇到急转弯时反应不及时，导致冲向道路护栏从而引发交通事故。

②陡坡路段。由于本文所研究的宣曲高速位于山区路段，因此该路况存在较大的坡度差异，尤其是陡坡较多，所以相关的设计人员会采用纵断面进行处理。车辆在行驶的过程中，会受到速度与重力的双重影响，驾驶人员就需要使用制动系统进行减速，多次重复下来，车辆的制动片的温度就会升高，而导致的结果则是制动片减速效果缓慢，严重情况下甚至会出现刹车失灵等现象，最终引发交通事故。

③组合路段。除此以外，高速公路中的组合路段同样也是常见的事故发生地点，其中的组合路段是指急转弯路段与陡坡路段结合路段。二者兼备了弯道与坡道的特点，因此存在更高的安全风险。组合路段相较于上述的两种路段类型来说，其更加容易使驾驶员出现误判道路路况的现象，从而引发更加危险的交通事故。

4.3.2 车型分布特征

根据图3可以看出，高速公路所发生的交通事故中车型多以大型货车和小型客车为主，所占的比例也较大。

4.4 护栏碰撞监控系统研究

护栏碰撞监控系统主要是以应力传感器为核心。其原理是当车辆行驶在高速公路中，发生交通事故碰撞到公路两旁的护栏时，应力传感器能够及时检测出车辆碰撞时所引起的冲击力变化，然后通过传感器的应力变化检测出车辆以及护栏的受损情况。本项目所研究护栏碰撞监控系统正是基于应力检测原理为基础，研究出了一种基于石墨棒为碰撞检测材料，从而设计出了护栏碰撞监控系统的仿真模型。

护栏应力传感器是由传感单元、信号调节电路及带数字总线接口的微处理器组合成为的一个整体。波形护栏应力传感单元主要是获取车辆碰撞或人为破坏信号，而信号调节电路主要将信号转换为数字信息，微处理器主要负责信号的非线性矫正达到减小误差的目的。

如图4所示，应力传感器是由应力传感单元、信号调节电路、微处理器以及总线接口等组成，其中的应力传感单元是由石墨棒、电阻、同轴线以及其他设备元件组合而成；信号调节电路是指车辆碰撞护栏时所产生的电信号，但是这种电信号需要经过调理电路进行转换调节成为可以直接使用的数字信号，其工作原理将传感器所传输的模拟信号转换成为可供分析的数字信号，从而能够实现数据采集、数据控制、数据计算等一系列数据处理；微处理器需要接收不同的测量信号，本项目所采用的微处理器是STM32F103型号，能够满足护栏碰撞监控系统的正常运行使用。

4.5 护栏碰撞仿真分析及结果

①小型客车。本项目所采用的小客车规格为1.5t，碰撞起始接触位置位于护栏中，即12号护栏与13号护栏的连接位置处，碰撞点以及碰撞点前后节点的位置作为3个不同的监测点，其中的不同节点的监测指标数据方向所呈现出的加速度与位移曲线不同。护栏在受到碰撞后相应的节点加速度就出现了变化，11号节点与13号节点的加速度均在t=0.095s时达到峰值；12号节点呈现出的效果是护栏刚受到碰撞时，其加速度就达到了最大值。根据碰撞初期来看，12号节点的位移将逐步增大，与此同时由于11号、13号节点的位移减小，此后的节点位移就会不断增大，最终节点内的位移将会随之波动。②中型客车。本项目所采用的中型客车规格为10t，碰撞起始接触位置位于护栏中，即12号护栏与13号护栏的连接位置处，碰撞点以及碰撞点前后节点的位置作为3个不同的监测点，护栏在受到碰撞后相应的节点加速度就出现了变化，11号节点与13号节点的加速度均在t=0.175s时达到峰值，12号节点呈现出的效果是护栏刚受到碰撞时，其加速度就达到了最大值。根据碰撞初期来看，12号节点的位移将逐步增大，与此同时由于11号、13号节点的位移减小，此后的节点位移就会不断增大，最终节点内的位移将会随之波动。③中型货车。本项目所采用的中型客车规格为10t，碰撞起始接触位置位于护栏中，即12号护栏与13号护栏的连接位置处，碰撞点以及碰撞点前后节点的位置作为3个不同的监测点，护栏在受到碰撞后相应的节点加速度就出现了变化，11号节点与13号节点的加速度均在t=0.175s时达到峰值，12号节点呈现出的效果是护栏刚受到碰撞时，其加速度就达到了最大值。根据碰撞初期来看，12号节点的位移将逐步增大，与此同时由于11号、13号节点的位移减小，此后的节点位移就会不断增大，最终节点内的位移将会随之波动。

根据上述的研究可以得出，本项目所采用的护栏检测设备（应力传感器）是由石墨棒、钢管、同轴线等不同的传感单元组合而成的，然后通过传感器在不同车型的碰撞条件下进行应力分析，最后得出该护栏碰撞监控系统具有可行性。

5 结语

综上所述，本文通过设计了一种应用于高速公路的护栏碰撞监控系统，该监控系统能够有效监控行驶在高路公路上的车辆发生意外时撞击护栏的整个过程，系统采用了Lora和NB-IOT两种传输协议以及石墨应急传感器（护栏碰撞检测设备），能够覆盖至本项目的山区高速公路中使用，通过瞬时响应以及警报等特征能够对高速公路的道路安全进行实时监控，也提高了高速公路安全事故的救援效率。