基于物联网技术的安全预警系统设计与研究

徐阳

摘 要：高速公路在使用过程中会出现不同程度的破损，通常高速公路养护过程不在中断交通前提下进行，这样会导致高速公路行驶路面变窄，在车辆高速通过时容易造成养护人员人身伤亡事故。文章基于公路养护人员的人身安全需求，设计一种基于物联网技术的预警保护系统，通过对过往车辆的检测和分析，为养护人员提供安全预警，有效保护公路养护人员的人身财产安全。

关键词：高速公路;养护人员;物联网;预警系统

0 引言

随着我国城市化建设进程的不断推进，高速公路成为城市发展的主动脉，承担着城市发展的重要责任。随着高速公路通行车辆的不断增加，路面破损等公路损耗也在不断增加，这种情况的发生影响了高速公路使用的安全性和稳定性，因此需要及时进行路面维修。现阶段的高速公路养护维修都是在不中断交通的情况下进行，养护维修工作会占用路面空间，使得路面变窄。在车辆高速行驶的高速公路上，狭窄的施工路段存在很多的交通安全隐患，容易造成养护工作人员的人身财产伤亡。

现阶段路面养护维修工作采取的防护手段比较单一且落后，仅仅是采用了围栏、安全提示标志、警示灯、路面锥桶，并辅以人工警示等。该种手段主要是针对汽车驾驶人员的警示，使其尽可能注意养护施工区域。但这种手段无法体现对养护工作人员的主动防护，一旦出现可视条件差、车辆失控、驾驶人员走神等状况，这些被动手段很难起到对工作人员的保护作用，因此迫切需要一种对公路养护人员的主动预警防护手段[1-4]。

基于上述原因，本文设计了一种基于物联网技术的高速公路养护人员预警保护系统。该系统通过设置可以移动预警检测装置，建立多级检测机制。在车辆通过预警检测装置时分析车辆运行速度，根据车輛经过多级装置时的速度状态来判断驾驶员是否处于正常驾驶或者危险驾驶状态。一旦判断车辆处于危险驾驶状态，则会经由最后一级预警装置向养护人员佩戴的预警肩灯发送预警信号，从而让养护人员在危险车辆到来之前尽快撤离工作现场，避免可能发生的危险事故。通过上述主动预警提示操作，实现交通安全主动防护，保障公路养护人员的路面工作安全、警示过往车辆、减少交通事故的目的。

2 设计思路与原理

2.1 设计思路

本系统主要由可移动式预警检测装置、引导指示牌和警示肩灯共同组成，工作时系统使用多级可移动式预警检测装置构建前后多级检测结构，前后级之间使用无线物联网技术进行数据传输，中间使用引导指示牌起到预警引导作用，后级检测装置将最终分析结果发送给养护人员佩戴的警示肩灯，实现对养护人员的预警提示。系统组成如图1所示。

该系统中，可移动式预警检测装置属于核心部分，其内部组成包括雷达测速单元、摄像单元、LED显示单元、核心控制单元、物联网无线传输单元和供电单元灯，引导指示牌作为辅助预警装置起到信息提示作用，预警肩灯作为系统警示末端，起到最终的提示作用。移动式预警监测装置如图2所示。

（1）雷达测速单元，采用高精度窄带波雷达，在工作时雷达会发射固定频率的脉冲波，如遇到活动目标时，回波的频率与发射频率出现频率差即多普勒频率。根据多普勒频率的大小，可以测出目标对雷达的相对运动速度。

（2）视频抓拍单元，采用CCD图像采集器，具有超高的图像分辨率。当测速雷达检测到有车辆经过时，摄像头会拍摄1～3张高清照片并在本地存储，同时摄像单元采用的新型技术可以使得在同一张照片内清晰显示驾驶者容貌和车辆拍照等信息。

（3）LED显示单元，用于显示施工状态提示、经过车辆车速等，通过预警检测装置上的LED显示屏，可以显示施工提示信息、车辆限速信息等。同时，对检测车辆的即时速度进行显示，提醒车辆驾驶员对车速在合理范围内进行控制。

（4）核心处理单元，主要为高速处理器，其主要功能为对即时获取的速度信息进行处理和分析，判断过往车辆在当前行驶状态下是否会威胁路面养护人员生命安全，控制物联网无线传输单元发送预警等级信息。

（5）物联网无线传输单元，用于实现预警装置和肩灯数据传输，通过无线传输单元能够将经处理器处理后的数据进行传输。物联网无线通信技术可以实现低电能消耗、大传播距离的优势，而且无须单独设置基站，减少了使用成本，提高了使用价值。

（6）引导指示牌，为太阳能双色频闪灯，主要起到隔离警戒作用。频闪灯可以安装到多种载体上，在高速公路系统中可以安装到警示锥筒上，在提高锥桶警示效果的同时，还能改善能见度低、夜间等视野不良视野条件下的预警效果。

（7）预警肩灯，为双色肩灯，设置常规交替闪烁、高速闪烁、爆闪等多种闪烁功能，内部集成震动马达，可以在肩灯闪烁的同时提供震动功能。通过内置物联网通信模块，可以接受预警装置发送的预警信息，并将其转化为肩灯的不同闪烁和震动类型，对佩戴者进行预警提示。

2.2 工作原理

本文以二级预警系统为例作工作原理分析。预警系统经过两级车速分析判断车辆运行状态，通过分析结果决定发送不同等级的预警状态。系统工作时，首先需要在公路施工侧来车方向摆放两级移动式预警检测装置，二级预警装置之间保持足够的距离，以保证足够的缓冲距离和反应时间。

运行过程中，前级预警装置首先会对来向车辆进行车速检测，同时抓拍车辆运行照片，并通过LED显示屏对车辆驾驶员进行施工警示和车速提示，内置的高速处理器根据雷达检测到的车辆速度信息对车辆运行状态进行分析，并将车辆车牌、车速等信息存储后通过物联网无线技术传输给后级预警装置。后级预警装置在获取到前级预警装置发送过来的信息后，会对经过其检测区域的车辆进行车速检测、拍照，并使用前级系统发送过来的检测信息进行信息比照分析，判断被测车辆通过两级预警装置时所处的运行状态，从而判断车辆所处的运行状态是否危险，是否会影响公路养护人员生命安全。本系统在实际工作中采用图3的使用模式。

2.3 预警提示模式

预警肩灯作为整个预警系统的末端起到最终的警示作用，其通过获取后级预警装置传输的预警信息，以肩灯的闪烁和震动状态作为警示效果，为使用者提供不同的危险等级提示。

（1）预警一级：车辆超速通过两级预警装置，危险度极高，肩灯爆闪，高速震动;

（2）预警二级：车辆超速通过前级预警装置，未超速通过后级预警装置，危险度中，肩灯高速闪烁，轻度震动;

（3）预警三级：车辆未超速通过两级预警装置，危险度低，肩灯缓速闪烁，无震动。

根据预警肩灯的不同提示状态，公路养护人员可以预先对来向车辆的车速状态进行预估，通过瞭望、躲避、撤离等手段来应对可能发生的交通危险，从而尽可能避免人身财产受到损害。

2.4 系统功能实现

本系统的最终目的是希望能够在养护人员在施工地点工作时，对过往车辆信息的行驶状态及时了解，从而提高主动防护能力。同时希望能够通过预警装置LED显示屏上现实的车牌、速度等信息，对驾驶员进行信息警示。

根据上述设计需求，本系统实现了以下功能：（1）对车辆的感应和速度检测功能;（2）对于数据的高速处理功能;（3）LED屏幕能够明显显示出施工状况和车辆运行速度;    （4）无线传输网络通信良好，在实现多级信息互传基础上更能够实现信息上传;（5）良好的信息反馈机制，实现主动安全预警。

基于上述设计，本系统可以实现对养护人员人身安全的主动防护功能，大大提升了公路养护人员的作业安全性。

3 社会效益分析

本方案的实施，可以给高速公路施工维护的工人提供有效的安全预警信息，提高工人主动安全防护的能力，减少施工工人安全事故，提高施工安全性。主要体现在以下几个方面。

（1）提高主动安全防护性。通过主动的预警系统设计，大大增加了公路养护人员的主动防护手段，减少了对汽车驾驶员的依赖，可在双重防护机制下，将安全防护主动权紧紧握在公路养护人员自己手里。

（2）降低事故发生率。通过本系统的双向提示机制，既能够让车辆驾驶员及时了解道路养护状况，又能对公路养护人员进行直观、有效的预警提示，从驾驶员和养护人员双重角度增加了安全保障的“保护锁”。

（3）推动公路安全人性化发展。本交通预警系统的应用，能改变传统公路养护人员被动的安全防护模式，大幅提升相关人员的主动安全防护效果，给予公路养护人员更好的人身安全保障。

（4）提供事故依据。本系统在进行预警的同时，还可以提供相关数据信息。一旦预警机制没有最终起到作用，造成人员伤亡的惨剧，本系统内存储的车辆速度信息和抓拍功能可以为后期事故追责的证据，为交警部门、保险部门等提供责任认定、经济理赔等的判断依据。

4 结语

我国的高速公路总里程已经超过15万km，已经成为国家经济发展主动脉，高速公路成为名副其实的“黄金路”。正是在这种情况下，高速公路的维护更显重要，维护好高速公路，才能让经济动脉不栓塞。有效保护公路养护人员，是让高速公路更好地为社会服务、为经济服务的前提。本设计通过增加主动检测预警机制，尽可能地提升公路养护维护人员的人身安全性，并且结合LED、频闪灯等装置，能在能见度低和夜间条件下保障施工人员的人身安全。结合“智慧交通”建设项目的蓬勃发展，人身安全的主动预警技术研究还会不断深入，本设计可以为相关研究提供一定的参考。

[参考文献]

[1]郑荣莉.高速公路二次交通事故预警及信息发布研究[D].西安：长安大学，2010.

[2]武雄，孟博.公路工程施工安全管理分析[J].辽宁省交通高等专科学校学报，2013（4）：124-126.

[3]吕富艳.加强高速公路临时占道施工封閉措施[J].辽宁省交通高等专科学校学报，2017（3）：11-12.

[4]焦明东.智能预警系统在公路弯道中的应用研究[J].内蒙古公路与运输，2019（6）：48-52.

（编辑 傅金睿）