智能化监测车辆占用紧急停车带的装置设计

胡心语

(重庆交通大学 交通运输学院,重庆 400000)

0 引言

随着交通强国战略的实施,我国交通事业迅猛发展,正逐步向世界一流现代化综合交通体系迈进。 高速公路作为“发达的快速网”主要组成结构之一,不仅能够为地区带来经济效益,还能够增强区域社会价值。高速公路在为人们的出行带来便利的同时,也给交通安全管理带来了较大的压力。

目前我国处理高速公路违规占用紧急停车带的方式有两种:一是智能监控技术,在交通事故频发的路段设置电子眼进行对车辆的实时监控,发现车辆违规占用紧急停车带时将进行抓拍,这种监测方式足够智能化、不消耗人力,但是存在着一定弊端:监测范围不够全面且需监控设备一天24 小时处于工作状态,不够环保、不具有较高的经济效益。 二是交警现场执法,警员巡查时发现违规停车行为,这种监测方式全靠人工采集且监测频率较低,同时监测范围不够全面可能会诱导熟知高速公路路况的驾驶人在没有监控设备的路段占用紧急停车带进行行驶,快至监控范围时提前换道至行车道的行为发生。 由于高速公路上车辆的行车速度较快,驾驶人的反应时间较长,若违规车辆突然变道可能导致驾驶人来不及反应,与违规车辆产生碰撞从而导致交通事故的发生。 现场执法方式管理效率低,不是长效之举,只适用于某特定情况。

鉴于上述两种方式并不能从根本上降低违规占用紧急停车带这一行为的发生频率,故将弥补现存监测方法的漏洞,将一种新型的智能化监测装置覆盖整个高速公路网,进行对违规行为的实时监测。 当车辆通过激光对射阵列时,会阻断激光发射器发出的红外光线,激光接收器由于无法接收到红外光信号,输出信号发生变化,通过采集激光接收器输出信号变化发送到监控系统,启动旋转摄像头拍摄车辆行为,同时报警装置开启,利用过蜂鸣器和警示灯提示后方车辆此处紧急停车带被占用,后台通过NB-IoT 技术信息处理系统对实时拍摄视频进行分析,对车辆进行定位和识别,智能化制定处理方案、人员分派等。

1 设计原理

本课题小组所设计的装置工作原理大致如下:当车辆想驶入紧急停车带时,车身会产生一定的偏转角,阻碍一直处于工作状态的激光对射模块的正常运行。由于车身会遮挡激光对射模块所发出的光线,激光接收器接收不到光,位于光电传感器中光敏电阻的光学效应会随之发生变化——光敏电阻的阻值随着光强的减小而减小。 只要激光装置发出的光线被车辆切断,处于电路中的光敏电阻阻值就会减小,使得电路中的电流增大,从而达到所连接旋转摄像头的工作电流,使得一直处于待机状态的旋转摄像头被激发成工作状态,对车辆的行为进行录制。 同时报警装置会被触发,即警示灯和蜂鸣器开始工作,从而提示后方车辆此处紧急停车带被占用,避免发生追尾碰撞事故。 后台通过窄带物联网 (NB-IoT) 技术对监控得到的视频进行信息处理,判断是否存在违法占用的行为,若存在违法占用行为,则对进入紧急停车带的车辆进行车牌识别、定位等处理,若是事故车辆占用紧急停车带,则智能化制定方案,控制中心进行人员调度,指派专业人员前往进行处理,具体流程如图1 所示。

图1 装置流程

2 硬件构成

该智能化监测装置主要由激光对射模块和光电传感器相结合构成的检测系统、旋转摄像头和报警装置的监控警示系统、基于窄带物联网 (NB-IoT) 技术的信息处理系统三大系统模块所构成。 系统的组件可以分为3 个部分。

2.1 检测系统

检测系统将激光对射模块与光电传感系统相结合,由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲,经过目标反射后激光向各方向散射[1]。 部分散射光返回到传感器接收器,被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。 雪崩光电二极管的内部具有放大功能的,因此这种光学传感器能检测到非常微弱的光信号,并将光信号转化为相应的电信号。 又因为激光对射模块发出的光束都是平行光很适合用来捕获车辆的行驶轨迹,故它在研究装置中起到了判断车辆是否偏离正常的行驶路线,是否违规占用紧急停车带的作用,以及作为光敏系统的承载原件,使整个装置能顺利进行下一步。

同时在激光的发射、接收装置处都配备供电装置,使得光传感系统中光敏电阻所需要的闭合电路完全具备。 当入射光消失后,由光子激发产生的电子—空穴对将复合,光敏电阻的阻值将发生变化,当在间隔一定时间内,光照强度在这时间发生了一定的变化,经过单片机控制光敏电阻传感器收到光信号后转换成电信号,控制继电器的电位发生改变,使其达到摄像头和报警器的工作电流时,两者将被激发进入工作状态。 光敏电阻对光的强弱敏感度较高,此光传感系统能够很好地衔接上激光装置,同时能作为监控警示系统的激发装置,对整个系统而言起到了承上启下的作用。

2.2 监控警示系统

在车辆正常行驶,未进入紧急停车带时,摄像头一直处于待机状态,从而节省电量能源,并极大地延长摄像头的使用寿命,有效地降低成本。 当间隔时间内光照强度发生一定的变化时,由光传感系统从而输出相应的报警电信号,该报警信号可被报警控制器接收,联动摄像头启动拍摄。 旋转摄像头不再局限于所面对的车道,而是能够全方位无死角地观测车辆的行驶轨迹,完成对违规行为的实时录制。

该装置配有专门的报警模块,该模块包含蜂鸣器和警示器。 当有车辆进入紧急停车带时,光电传感器内的光敏电阻阻值减小,达到报警模块的工作电流,此时蜂鸣器和警示器内开始工作,即提醒驾驶员紧急停车带被占用,从而规避危险事故的发生的风险。 报警模块的关闭必须经由交警,避免发生违规占用紧急停车带的司机私自关闭蜂鸣器和警示器的行为。

2.3 NB-IoT 技术信息处理系统

本系统采用基于窄带物联网(NB-IoT)[2]的设备与管理平台构成,主要分为感知层、定位层和传输层3层结构。 感知层由NB-IoT 模组的报警控制器装置组成,当感知到车辆进入紧急停车带并引发报警模块时,就通过NB-IoT 模组与无线网络通信。 同时,NB-IoT具有定位功能,通过OTDOA、E-CID 等包括基于WLAN和蓝牙等的定位技术,可以对存在车辆违规占用紧急停车带行为的路段进行定位。 NB-IoT 模块具备支撑连接的能力,能够向平台报其支持的定位技术,网络侧依据终端的能力和当下的无线环境,选择合适的定位技术,从而实现车联网的应用。 传输层采用先进的NB-IoT 广域通信技术[3],中国网络运营商的NB-IoT网络接入,NB-IoT 终端接收到定位层模块发送的数据后实时转发给NB-IoT 基站, NB-IoT 基站最终将数据发送至互联网上指定IP 和端口的服务器。

3 创新特色

3.1 竖向埋设激光装置

激光器所发射的激光为定向激光,只朝一个方向发射。 光束的发散度极小,大约只有0.001 弧度[4],接近平行。 因其具有较高的优越性,所以它在日常生活中应用广泛,如激光测距、激光测速等,又因为激光检测属于非接触式的检测方式,不会影响车辆的行驶,其精度高、测量范围大、检测时间短还具有很高的空间分辨率,完全适用于对移动速度较快的物体进行检测。我们项目选择采用激光装置检测车辆是否存在违规行驶行为,将激光装置顺应车道的走向埋设在车道边缘线上。 并没有采用一般的横向安置方式,而是安装在同一竖向直线上,这种埋设手法不仅不会阻碍车辆的正常行驶,还能精准定位车辆的位置,判断其是否越线驶入紧急停车带。

3.2 激光对射模块与光电传感器的有机结合

传统的高速公路违章拍照原理为:地面埋设感应线圈,横杆架设数码相机,当车辆经过线圈所在路面,电子眼会感应到汽车产生的压力,通过传感器将信号采集到中央处理器,送到寄存器暂存。 但是感应线圈的埋设大面积破坏路面,对工人的技术水平要求高,当线圈受损后只能重新安装,难以实施维修。 基于感应线圈难以大范围使用这一情况,可使用激光装置与光敏系统的结合来代替线圈进行对车辆违规行为的检测。 激光装置容易安装,且对其他交通破坏不大,能普遍适用于各种高速公路路面。 当光敏电阻受到脉冲光照射时,光电流要经过一段时间才能达到稳定值,而在停止光照后,光电流也不会立刻为零,利用光敏电阻的时延特性,可以用来控制所连接摄像头的打开。 激光检测车辆是否占用车道,光敏系统控制摄像头打开,两者的有机结合可以很好地取代感应线圈,同时保证预期效果的实现。

3.3 覆盖范围广

高速公路现存的摄像头一般都是在事故多发地段设置违章的摄像头,监测对象只存在于某一具体的规定的范围内,所以其覆盖的范围较小。 笔者小组充分考虑这一情况,所选用的拍摄装置不是普通的电子拍摄装置,而是旋转摄像头,让拍摄装置具有多角度拍摄的功能。 其工作原理是主要依靠电视云台,它是完成摄像机在垂直方向和水平方向上的高速旋转和精确定位的基础。 电视云台主要有两个部位机组成,分别控制着水平转动和垂直转动。 采用双极性电流驱动法,通过两个相位电流产生电流差,从而来驱动电动机,同时通过芯片或者FPGA 可模拟正弦波形的电波,减小两个步进电机的步距角,最终完成云台在水平方向和垂直方向的精确并稳定旋转,使得课题小组研发的自动拍摄装置的拍摄覆盖范围变大变广。

3.4 软硬件平台联动开发

通过激光对射模块与光电传感系统的有机结合对是否存在车辆进入紧急停车带进行判断,旋转摄像头系统记录车辆行为并发送到信息处理系统,将基于无线蜂窝网络构建的NB-IoT 与有线通信技术相结合的信息处理系统应用于高速公路紧急停车带非法占用报警系统,对采集到的行为智能化判断并进行分类,根据不同的情况给出不同的指令,若存在非法占用的行为,则智能识别车牌并进行相关处罚,若存在车辆出现故障的情况,则对车辆进行定位,并调派相关人员前往现场。

4 展望

该装置从解决社会安全隐患出发,致力于解决高速公路上出现的一些违规违章行为,并且通过一系列简单的装置组合达到对高速公路上违规占用紧急停车带的危险行为进行监测的目的。 当研究成熟以后将不再局限于高速公路上使用,而是普遍适用于各种级别公路实现对道路上压白线行为的监测。 基于激光监测车辆偏转对占用紧急停车带的行为进行研究,顺应时代的需要将节能环保这一理念融合在设计理念中,充分利用了激光对射模块和光学感应器的光学效应,发挥了NB-IoT 技术信息处理系统的智能优越性,使我们整个装置集监、警、判、管为一体,打造新型智能化监测车辆占用紧急停车带系统,在进行紧急停车带监测、管理和预警的同时,能够对占用车辆的状态进行判断,及时对出现事故的车辆进行处理,避免更大事故的发生,并且能够对违规占用的车辆及时记录车牌和录像,方便执法人员进行处罚。 但是该装置也存在一些问题,比如,高速公路处于能见度较低的情况对于激光对射模与光电传感器的影响比较大,原因是对精度要求很高的光敏电阻,对于光的明暗变化更加敏感,所以当装置处于雾、霾、雨、雪等天气情况时,该装置可能会存在一定的误差,使得摄像头与警报器被激发工作的频率提高。 此外,由于激光具有沿直线传播的这一光学特性,该装置仅适用于小幅度弯道且距离较长的路段,不适用于在有急转弯的地方,这就缩小了该装置的应用范围。

5 结语

该装置依据当今智能交通的发展趋势,结合高速公路建设发展的现状,利用激光对射模块和光电传感器,避免了在每个紧急停车带设置24h 摄像头,减少了人力资源的浪费,突出了环保特色,同时通过结合警示系统和NB-IoT 技术信息处理系统,能够满足对监测违规占用高速公路紧急停车带的安全需求,体现了智能交通的便利。