物联网技术在警车出警安全上的应用

夏玲玲 倪雪莉 祁嘉诚 茹愿

摘 要：据统计，每年有很多因警车出警执行任务中发生交通事故牺牲和负伤的民警。随着物联网技术的迅速发展和应用，可以通过多种传感器和摄像头实时监测驾驶员驾驶行为和警车行驶状态，提高警车出警的安全性。文章首先分析了警车出警执行任务中发生交通事故的原因，同时针对事故原因以及传统警车存在的安全缺陷，提出通过传感器实时监测并远程控制车速，加强安全带和安全气囊的防护能力，对驾驶员行为状态进行监测，对车身撞击的预警以及基于车辆网优化警车的出警线路等，从而提高警车出警的安全性，减少生命和财产的损失。

关键词：物联网;传感器;警车安全;控制技术

1    警车出警安全的必要性

和平年代，公安队伍是一支牺牲最多、奉献最大的队伍。新中国成立以来，有1.4万余名民警牺牲，10余万名民警因公负伤，3 700余名民警被评为烈士。交通事故是我国公安民警伤亡的最大威胁，我国每年因交通事故牺牲的人民警察有数百人之多。出现频率最高的十类事故原因分别为未保持安全距离、其他操作不当、制动不当、转向不当、妨碍安全行车行为、违章变更车道、疲劳驾车、违章倒车、超速行驶和爆胎。究其不可控制的客观原因主要有：路况环境差，道路交通管制相对落后以及机动车数量激增等原因。然而，不可忽略由于警车出警情况的特殊性和复杂性，民警在出警执行任务中为了争取时间迅速到达现场，往往会存在超速行驶、违法变道以及疲劳驾驶等危险的驾驶行为。这些行为增加了警车出警发生交通事故的概率，成为民警在出警执行任务中因交通事故牺牲的主观原因。衡水枣强县公安局城关派出所民警刘永兴于2016年1月18日，驾车查找一辆涉嫌非法运输烟花爆竹的货车时发生交通事故，因伤势严重抢救无效，光荣牺牲，年仅31岁。内蒙古阿拉善左旗公安局交通警察大队副教导员王顺利同志在2018年2月18日，时值万家团圆的新春佳节，与另一名战友在道路执勤巡查的途中，意外发生交通事故，不幸因公牺牲，终年55岁。这些血的教训，告诉我们警车出警的安全性已经成为和平年代公安民警执行任务安全的一个重大问题，解决这一问题迫在眉睫。

2    物联网相关技术概述

2.1  物联网

物联网（Internet of Things，IOT）是指通过信息传感设备，包括如：射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等各种装置和技术，按照约定的协议，将任何物体与Internet相连接，物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。一个简明的定义可以表述为：IOT是“万物相连的互联网”，是将各种信息传感设备与互联网结合起来，实现在任何时间、任何地点，让所有能够被独立寻址的物体（或设备）实现互联互通的网络。

2.2  传感器技术

在国际上IOT又被称为传感网，它是借助现代电子信息技术，将微型的感应芯片嵌入物体中，使物体具有智能化功能，借助无线网络技术，使人与物、物与物之间可以“交流”，如“天猫精灵”“小爱同学”等人工智能终端，让人们以自然语言对话的交互方式，实现影音娱乐、信息查询、生活服务等功能操作，成为人们的家庭助手。事实上，在物联网应用中，传感器技术是一项重要的支撑技术，传感器是指能感受规定的被测量，利用物理效应、化学效应、生物效应，把被测的物理量、化学量、生物量等转换成可用输出信号（一般为电量）的器件或装置。

2.3  车辆网

车联网的概念来自于物联网，即车辆物联网，是以道路上行驶中的车辆为信息感知对象，借助新一代信息通信技术，实现车与车、人、路、信息服务平台之间的网络连接，提升车辆整体的智能驾驶水平，为驾驶员提供安全、舒适、智能、高效的驾驶感受与交通服务，同时提高交通运行效率[1]。车联网的研究应用可以实现车辆自动驾驶、解决交通拥堵等问题，是未来智能交通、智慧城市建设的重要依托。

3    应用物联网技术提高警车出警安全性

3.1  实时监测警车的行驶速度

在警察出警过程，往往会因为时间紧迫、情况紧急造成超速行驶等问题。根据调查显示，近年来超速行驶肇事的道路交通事故次数和死亡人数居高不下，直接财产损失超过数十亿元。因此，应用物联网技术对警车出警的行驶速度进行远程监测和控制显得尤为重要。随着传感器技术的发展，汽车属于相对成熟的物联网应用领域[2]。微处理器是汽车智能系统中的控制中心，负责对处理器传回的数据进行处理和分析，根据实际情况做出正确的判断，并指挥其他系统按步骤完成指令操作[3]。通过在警车上安装包括红外线探测器，微波雷达探测器，环形线圈车辆检测器等传感器设备，由中央处理单元对安装在车身不同部位的传感器采集的信号进行实时处理和分析。智能控制系统将车辆的实时行驶速度与综合交通路况环境得出的限制行驶速度进行比较，自动判断车辆的安全状态，并通过速度报警信息及时提醒警车驾驶员，降低车辆行驶速度。如果驾驶员不减速，则利用车辆控制模块控制车速，从而达到警车减速安全行驶的目的。

3.2  提高警车内安全带和安全气囊的防护能力

汽车安全系统主要包括主动安全系统和被动安全系统。其中主动安全系统用于预防交通事故的发生，被动安全系统主要用于车辆发生交通事故后减少由于车辆碰撞而造成对车内驾驶员、乘客以及其他车辆和行人的伤害[4]。警车内被动安全系统主要包括安全带和安全气囊，在驾驶座安全帶和安全气囊上的智能控制主要为碰撞检测。传统安全带可以防止驾驶员和乘客身体遇到紧急情况时倾斜。在控制单元的作用下，车辆发生碰撞时，安全带会快速收紧，缩短驾驶员由于惯性向前移动的距离。改进后的智能安全带控制系统能够根据车辆行驶过程中的安全带收紧频次和距离，对警车驾驶员注意力是否分散做出判断，并发出警告。传统的安全气囊通过传感器检测到异常的减速信号，控制折叠包中的氮化物，合理的形成一个软垫进行缓冲，取代传统的瞬间充气弹出，避免对驾驶员造成二次伤害，起到有效的保护作用。改进后的智能安全气囊基于传统安全气囊，增加了许多传感器和智能控制系统，集成了先进的传感器技术、视频处理技术和信息处理技术，根据检测到的车辆碰撞信息对安全气囊爆炸管理系统进行智能控制。例如，智能安全气囊系统通过探测座位上的人员体重、乘坐姿势、位置、是否系有安全带以及碰撞的车速与车辆形变量的大小等，快速判断出车辆受损的严重程度，确定安全气囊爆炸的最佳时间与强度，实现智能保护[5]。因此应用智能安全带和智能安全气囊系统可以充分发挥警车被动安全系统的保护效果，提高警车内安全带和安全气囊的防护能力。

3.3  实时监测警车驾驶员的行为状态

很多交通事故的发生是由驾驶员的危险驾驶行为导致的。为了给驾驶员提供更安全的驾驶环境，学术研究者以及各智能科技公司的技术研发人员加大了对车辆驾驶员健康监测的研究力度。孙同辉等[6]针对驾驶员在车辆行驶过程中突发疾病或者突然失去驾驶能力的现象，基于车联网设计了一个健康监测系统。通过为警车驾驶员配备便携穿戴设备，在警车行驶过程中实时检测驾驶员的体温、心率、脉搏、驾驶时间、是否过量吸烟饮酒等指标，综合分析、显示、评价驾驶员的健康状况，对异常指标进行预警，防止驾驶员在行车过程中因突发疾病、过量饮酒等影响安全驾驶。根据目前的最新消息，Affectiva公司（情绪识别公司）的核心技术—Affdex（情绪识别技术），将与国内汽车企业合作研发新一代的多模态驾驶员状态监控以及舱内情绪感知技术。随着物联网与人工智能技术的深度融合，Dragon Drive（声龙驾驶）与Affdex技術相结合，可以基于口头、手势、触摸以及视觉检测等来实现车辆与驾驶员的交互。因此，除了为警车驾驶员配备便携穿戴设备以外，还可以应用Affdex技术对驾驶员的脸部进行扫描，依据识别出的面部表情来判断驾驶员的内心情感波动情况。通过短距离无线通信技术，将采集到的警车驾驶员各类行为状态数据传输到智能控制系统，经过数据处理和分析得出驾驶员的驾驶状态，并对异常数据进行报警提高驾驶安全性。

3.4  提高警车智能防撞系统的预警能力

警车出警过程中往往因时间紧迫、情况紧急会出现超速行驶的行为，车辆在高速行驶中的主要安全威胁来自于车辆行驶时的撞击而不是车辆变道时的剐蹭。当高速行驶中的两车之间的距离小于安全距离时，应用车辆智能防撞系统可以自动调整车速或在紧急情况下制动，从而有效地避免车辆前后端碰撞事故的发生。通过在警车周围安装传感器、专用摄像头以及车载GPS设备，采集前车和本车的位置数据，基于卡尔曼滤波算法对位置信息数据进行预处理，得到某一时刻车辆位置信息的最优值。结合得到的车辆位置信息，通过对车辆紧急制动过程分析得到临界预警距离和临界制动距离，建立车辆纵向碰撞分级预警模型，并且根据不同的预警等级对驾驶员进行相应的语音提示、警告直至辅助驾驶、制动[7]。

3.5  选择安全高效的警车出警线路

城市内部道路交通往往比较复杂，以往警车出警执行任务行驶的路线大都根据经验或是主观判断。有时选择的线路不仅拥堵，而且道路安全状况不佳，降低了出警效率。因此，为了提高出警效率，设计高效安全的路径规划和车辆换道算法，计算出最佳的警车出警线路显得尤为重要。现有的路径规划算法往往采用静态的城市道路地理信息和历史路况信息，以及交通信息中心提供的实时交通状态信息数据来进行路径的规划，而忽略了道路上的车辆数目及车辆间的相互作用。城市道路上车辆数目的动态变化及车辆间的相互作用逐渐成了影响警车出警效率和行驶安全性的主要因素之一，传统的路径规划算法已经无法满足现今城市道路的导航需求。对此，武汉大学吴黎兵教授提出了一种车联网环境下的城市车辆协同选路方法，该方法通过收集并分析联网车辆的行驶规划信息，在为警车出警提供更适用于实际交通状况的路径规划方案的同时减少车辆选路行为对其他民众车辆正常出行带来的负面影响[8]。当然类似的基于车联网的路径规划算法还有很多，110指挥中心可以根据此类算法，在警车出警时推荐安全高效的出警线路，提高出警效率。

4    结语

通过对警车出警执行任务中发生交通事故的现状进行调查，发现可以通过应用物联网、人工智能等相关技术提高警车出警的安全性。事实上，在排除一些不可避免的如雨雪天等自然因素以外，在改进警车车身安全性的同时还需要增加警车对外界环境的感知和预警，以及对警车驾驶员的行为状态的监测和提醒。通过应用物联网技术全方面地提升警车主动和被动安全系统的防护能力，从根本上减少警车出警执行任务中因交通事故引起的伤亡。

[参考文献]

[1]井骁.浅析车联网技术与应用[J].上海汽车，2019（4）：9-12.

[2]梁建君.IoT正在成为重要的使能技术[J].广东通信技术，2018（8）：17-20.

[3]张雯娣，颉方正，冯乐雯.探究汽车安全技术的智能化发展趋势[J].科技展望，2016（24）：188.

[4]姚君霞.汽车主动安全系统的研究综述[J].南方农机，2018（12）：97-98.

[5]杨生旺.浅析智能科技对汽车安全性设计的影响[J].时代汽车，2019（17）：99-100.

[6]孙同辉，邵开丽.基于车联网的健康监测系统的设计[J].物联网技术，2019（12）：19-22.

[7]石建军，汪旭，付玉.基于车联网的车辆纵向碰撞分级预警研究[J].重庆交通大学学报，2020（9）：1-7.

[8]吴黎兵，范静，聂雷，等.一种车联网环境下的城市车辆协同选路方法[J].计算机学报，2017（7）：1600-1613.

（编辑 傅金睿）