智能施工警示移动信息LED发布屏设计与应用

潘 扬

(广西交通投资集团南宁高速公路运营有限公司,广西 南宁 530022)

0 引言

高速公路施工现场存在作业面多、工种多、工程机械多、现场作业复杂、安全隐患动态复杂等特点,在施工安全管理方面必须严格遵循《安全生产法》,规范施工行为,加强施工人员的安全培训,除此之外,还应在施工地段安放明显、醒目的安全警示、预警设备[1]。而传统的警示效果不明显,对过往的车辆速度反映不够直观,尤其在海拔高的山区施工,多浓雾天气,施工车辆驾驶员看不清限速警示和安全信息提示牌,存在重大的施工安全隐患。

为提高施工安全保障,设计了高速公路智能警示移动信息LED发布屏系统,现场监测设备可对过往施工车辆进行速度检测、警示超速和抓拍取证,可对现场情况视频监控、录像回查,也可以发布调度指令、通告以及相关的道路信息。

1 智能施工警示移动信息LED发布屏总体设计方案

系统由现场监测设备和管控平台两部分组成。现场监测设备放置在施工区域,一般面向来车方向,包括测速、LED信息发布屏、车牌识别、爆闪警示灯、太阳能供电系统、4G无线通信传输模块等部件;管控云平台软件安装在云端服务器,可在监控室PC电脑端看或通过手机APP进行查看控制,汇集各种监测信息和向监测设备发布指令。系统架构图如图1所示。

发布屏系统总体设计创新点如下:

(1)系统使用4G移动网络传输,没有网线的限制,可以完全按现场需求摆放监测设备,克服了施工区域多、分散广的困难,提升安全管理水平。

(2)监测设备使用电池+太阳能供电,可以摆脱电线的限制,在现场使用时更加方便。还可根据环境亮度自动调节屏体亮度,实现自动节能、延长电池工作时间。即使是通电条件较差的施工现场,也可以连续工作10 h。

图1 LED发布屏系统总体架构设计图

(3)现场监测设备自带移动推车,设备移动十分便捷,可以满足施工作业区域多变的需求。

(4)可以实现超速车辆的闭环管控。现场监测设备带雷达测速功能,将车速实时显示以提醒车辆驾驶人,并对超速车辆进行抓拍上传报警,告知安全管理人员,同步通过短信通知施工车辆驾驶员。

2 智能警示移动信息LED发布屏硬件设计

智能警示移动信息LED发布屏硬件设计结构如图2所示。

图2 LED发布屏硬件设计结构图

由图2可知,智能警示移动信息LED发布屏的核心通信部件(即中央控制处理器MCU)是摄像机,其他硬件的通信基本都是与中央控制处理器进行数据传输,如LED控制卡、微波测速雷达、GPS北斗定位,4G通信模块,其中LED控制卡、测速雷达、GPS北斗定位、温湿度检测模块等均是通过串口实现与中央控制处理器的通信。各主要模块技术特点如下。

2.1 微波测速雷达模块

测速模块采用微波式测速雷达,根据自身与目标物之间的相对运动产生的频率效应,即多普勒效应原理来确定施工区域过往车辆的速度,主要通过雷达模块与地面发生的多普勒频移计算得出。根据该原理,车辆的水平运动速度V与接收波频率fd之间的关系为:

(1)

式中:λ——雷达模块发送的微波的波长(m);

α——微波雷达沿发射方向与水平地面夹角,即雷达安装角(°);

fd——微波接收频率(Hz)[2]。

测速雷达选用电源为DC12V直流电源,输出方式为RS485串口,具备测速显示,设置超速阈值功能,若所测车速超过所设置的阈值,显示的车速改变颜色,由绿色变成红色,低于所设置的阈值,车速显示为绿色。测速雷达通过RS485串口实现与相机通信,摄像机获取实时车速与阈值判断,如果实时车速超过阈值则为超速。通过上述实时车速展示,可有效地提示驾驶员文明驾驶,按施工区域安全规范行车。

2.2 智能车牌识别摄像机

智能车牌识别摄像机是专门为移动信息屏设计的带算力的MCU模块,是智能警示移动信息LED发布屏最为核心的部件,一体化模块设计要求其除了其本身具有的抓拍、车牌识别、录像、支持GB28181协议等功能外,增加了定制功能,集成有与外接设备通信的接口功能,摄像机集成的硬件部件如图3所示。

摄像机内部程序与测速雷达通过RS485实时通信,对经过抓拍区域的所有车辆进行测速,同时抓拍进行车牌识别取证,获取车辆通行时的图像,记录下车辆经过的时间、车型、方向、地点等数据[3]。

图3 摄像机集成的硬件部件图

3 智能警示移动信息LED发布屏系统软件设计

智能警示移动信息LED发布屏软件设计主要包含摄像机软件、后台服务、前端页面(Web端、移动APP端)三部分。系统采用微服务的B/S架构系统,后端使用Spring Cloud技术,前端使用JQuery、Bootstrap模板,数据库使用MySQL,使用Intellij IDEA集成开发环境,由于Spring Cloud内部集成了Tomcat,所以后台系统运行只需要运行启动类,通过相应地址就可以访问相关服务。架构层次清晰,保证服务具有较好性能和较高的稳定性[4]。

3.1 软件关键技术

摄像机软件部分融合了AI视频图像分析识别、自动预警等,系统采用国标协议视频流接入实现与后台服务监控系统无缝集成,对过往施工车辆进行速度检测、警示超速和抓拍取证,同时可联动现场警灯、音箱、扬声器等设备,并将报警信息通过手机客户端推送给相关管理人员。

摄像机软件部分除了摄像机本身支持摄像头软件部分外,还需要定制开发集成与硬件之间的通信,如与4G无线通信模块之间的通信;与测速雷达之间的通信,包含获取实时测速值和设置超速阈值,判断是否超速等;与LED控制卡之间的通信,主要是通过串口发送数据给控制卡;与定位模块之间的通信;通过4G网络,实现摄像机与后端服务器平台及客户端间基于MD5加密的无线TCP/IP通信,其设计框架如图4所示。

图4 系统软件架构图

由图4可知,摄像机通过4G网络为桥梁,将采集的数据(车速、识别的车牌、判断是否超速状态、图片、定位经纬度等)依据MD5加密好的TCP/IP协议上传数据给服务器或接收服务器发送的数据进而实现远程控制。同时摄像机通过GB28181协议注册到视频服务平台,在视频服务平台即可查看实时视频,通过视频网址实现在客户端查看实时视频。服务器接收摄像机上传的数据后保存到数据中心[5]。

3.2 手机端APP应用

由于施工现场的复杂性,Web端网页无法满足实际应用场景,故开发了移动手机端APP。该APP具有本地和远程监控功能,在设备断网或者信号不稳定的情况下,可以通过手机APP实现本地发布更新信息屏内容、获取报警信息、车速抓拍照片等,有效保障施工现场的智慧化实时监控管理。

4 应用和优势

目前智能警示移动信息LED发布屏系统在在建的大新至凭祥高速公路、田东至大新高速公路等高速公路施工现场中均有应用,主要使用场所有在建的收费站、在建的隧道出入口等。在这些施工区域为了保障施工人员的生命安全和财产安全,严格要求限速通行。经过现场监测设备区域的车辆中有95%采取了减速措施将车速降低到限速值以下,其他车辆也采取了减速措施。系统应用效果良好,期间未发生交通事故。与传统的限速警告标志相比,本设计能明显有效地警示过往车辆在通过施工区域时要严格按安全行车规则减速通行、文明驾驶,达到了减少现场发生交通事故的目的,实现了施工区域安全生产的智能化、数字化管理,极大提升了施工安全性。

5 结语

本文针对高速公路施工区域车辆超速行驶存在的安全隐患提供了新科学解决方案,采用雷达移动测速与智能摄像机超速抓拍的雷视融合方法,加强了施工车辆的管理,可预防及减少疲劳驾驶、超速驾驶导致的安全事故,并实时将检测的数据上传到服务器,保证数据的可靠性、实时性,实现远程发布施工标语。本文还通过应用案例测试,证明车速和抓拍效果及时、可靠,信息屏安全警示效果明显,为施工区域施工人员的生命安全和财产安全提供了有力保障。