高速公路沿线智能落石监测与预警系统

2021-08-26孙凤婷周君晓曲铭珏苏凡珈

中国新技术新产品 2021年10期

孙凤婷周君晓刘勇曲铭珏苏凡珈

（东北林业大学交通学院，黑龙江哈尔滨 150000 ）

0 引言

近年来，国内高速公路的建设步伐不断加快，通车里程不断向偏远地区延伸，山区路段受地理地质因素限制，工程建设过程中不可避免地会出现一些危险岩石。

传统的高速公路落石防护措施如浆砌片石护坡、落石防护网等，有成本低的优点，但不能对灾害程度灾害发生地点做出判断。目前，边坡智能监测的技术和仪器已趋于成熟，还有根据岩体破坏特点研发的技术，如仪表观测法、测量机器人技术[1]等，在这个基础上的落石监测技术，成本高，在我国高速公路日益发展的前提下无法做到普及。

针对上述遇到的问题，该项目拟设计一个基于振动传感器与物联网的高速公路落石监测与预警系统，工作中心人员通过对数据传回的时间判断落石的地点范围，从而发出预警，保证人身安全以及避免经济损失。

1 国内外研究现状

关于高速公路边坡落石灾害的监测和预警，国内外许多学者都做出了研究、提出了应对方案。

王杰、叶茂等人[2]采用工程地质学、图像处理、通信技术相结合的方法，编写了一套基于视频影像的崩塌落石检测代码，并设计了相应的硬件搭载设备。该系统是在灾害发生后的起始时刻捕捉危险信号并发出警报，提供了辅助灾前预报的第二道防线。给出了系统在公路边坡和居民区山坡中的布设原则。该系统灵敏度可满足要求，但抗干扰能力还有待提高。测斜仪器观测是通过在边坡上安装有关仪器，监测内部及坡面的变形。最常用的监测仪器就是测斜仪[3]，一般是需要先在边坡上钻孔，埋入带有导槽的测斜管，测斜仪沿着导槽放入。通过记录不同深度处的测斜仪读数，推导处随着测斜管变形的坡体内部变形。隋海波等人[4]将设计的 BOTDR 变形监测系统安装在实际工程的破体内，该边坡的变形实施分布式监测，取得了较好的效果。浙江大学的李焕强[5]等结合光纤 BOTDR 和 FBG 技术进行边坡模型试验的坡面变形测量。总体来讲，光纤传感是边坡监测中的一种新技术，发展迅猛，但目前仍处于实验科研和验证阶段，各种传感器技术水平、安装施工工艺等不够成熟。

2 系统总体设计

2.1 设计思路

针对传统的高速公路沿线落石防护方法不能判断落石事件发生及发生地点、先进智能监测技术成本高、不易普及的缺点，该作品设计了一种落石监测与预警系统，主要包括监测模块、预警模块、物联网模块3个部分。在现有边坡防护网的基础上，将该作品设计的装置呈等距离排布，当有落石落下时，落石将对铁丝网造成冲击振动，若振幅达到或超过阈值，在物联网支持下的监控终端将发出警报，由监控中心的工作人员对落石发生地点进行判断，并通过网络将信息传达至沿线广播，避免因此造成的人身安全以及经济损失。若振幅未达到阈值，系统将持续监测。系统工作流程如图1所示。

图1 流程图

2.2 监测模块

监测模块由RISYM高灵敏振动传感器、开关信号指示灯、灵敏度调节电位器、电源指示灯、电源组成。

灵敏度电位调节器的本质是可调节的电子元件，它由1个电阻体和1个转动系统组成。监测模块断电状态下，电阻体的2个固定触点之间有外加电压，通过转动系统改变触点在电阻体上的位置，进而调节监测模块的电阻值，该电阻值的大小初步确定了监测模块监测振动阈值。

监测模块正极接入3.3V～5.0V的电压，将监测模块整体置于PCB线路板上，电源正负极整体接入PCB线路板，由PCB线路板上的USB充电口对其供电。

基于RISYM高灵敏振动传感器模块设计的监测模块，输出信号较干净，波形较好。通电情况下，开关信号指示灯和电源指示灯处于常亮状态，监测装置处于伺服状态。工作状态下，当落石落下、铁丝网感受到振动时，灵敏震动传感器对该振动信号的振幅进行初步判断，若振幅达到阈值，则判断为落石，预警模块将发出警报，同时通过物联网将该信号传回监控终端；若振幅未达到阈值，则判断为其他可忽略的振动源，监测模块继续监测。

2.3 预警模块

预警模块由蜂鸣警报器、时间模块和延时模块组成。

蜂鸣警报器在信号发出端发出警报。在信号发出端设置了蜂鸣报警器，在信号接收端即监控终端设置了信号传回路线。蜂鸣警报器是一个一体化结构的电子元件，采用直流电压供电。将蜂鸣警报器布置于PCB板上，通过PCB板上USB电源接口供电。监测模块监测到振动且振动幅值超过阈值时，蜂鸣报警器发出警报。

延时模块用于制造信号传回监控中心的时间差。在连续的拦截网路段中，将振动监测模块呈等距离布置，每隔200m布置1个振动监测模块。考虑到振动传感器传回数据的快速反应性，使用具有延时功能的模块，对振动传感器的快速反应特性造成一定延迟，以便使相邻监测模块传回的数据有时差。

时间模块联网后可自动校准显示时间，同时将振动事件发生时的时间实时传回监控终端。根据数据传回监控终端的速度快慢，工作人员能对发生落石的位置范围做出判断，进而向外发出警告信息。

2.4 物联网模块

现在汽车工业的发展，人们生活水平的提高，生活节奏加快，私家车数量的剧增，使公路、桥梁、公交、停车场等使用捉襟见肘，而物联网的出现，在一定程度上将会有效地缓解这一状况[6]。

物联网模块型号选用NB75，通过NB-loT网络实现数据传输。WH-NB75-BA功能特点相对齐全，具有支持CoAP协议、支持注册包功能、支持稳恒扩展指令集、与GPRS和4G模块硬件封装兼容，更换成本低等特点。NB75模块还有一个重要特点是低功耗，这为装置的应用性和经济性提供了保障。NB-loT网络传输具有强链接、高覆盖、低功耗、低成本的技术特点。在同一基站的情况下，NB-loT网络传输比现有无线技术提高50～100倍的接入数，其覆盖能力强功耗低，对于一些不经常使用更换电池的设备和场合具有高适配性。以上特点，均为该装置的沿线布置提供了可能性，该系统具有一定的应用前景。

基于WH-NB75-BA模块设计的物联网开发模块，在CoAP协议的支持下，能实时将振动信号传回监控终端，实现监测模块到监控终端网络的双向数据透明传输的目标。将NB75-BA模块布置在PCB板上，用串口线连接监控终端和评估板串口，同时将天线接到模块上，SIM卡安装在卡槽中，通电后，即可实现数据实时传回监控终端。

物联网模块的基本参数包括物联网模块工作电压、SIM卡的工作电压值、物联网工作温度范围等，具体数值如表1所示。

表1 基本参数

2.5 整体设计

考虑到传统的高速公路落石防护措施如浆砌片石护坡、落石防护网等，不能对灾害程度以及灾害发生地点做出判断，边坡智能监测的技术和仪器成本高，在我国高速公路日益发展的前提下无法普及应用，设计监测模块能够实时监测沿线振动并对振动振幅大小做出判断，判断振动源是否为落石；设计预警模块可以对落石发生地点的范围做出预警，通过物联网模块传出预警信息；设计物联网模块能实现监测模块到监控终端网络的双向数据透明传输的目的；设计监控终端模块，方便工作人员做出下一步工作。

将监测模块、预警模块、物联网模块和WEACT STM32开发板进行总体设计与布置，设计出的电路图如图2所示。

图2 电路图

综上所述，基于监测模块、预警模块和物联网所设计的PCB板如图3所示。

图3 PCB实物图

控制代码如下。

3 应用前景

考虑到传统的高速公路落石防护措施的缺点，该项目设计了基于振动传感器的高速公路落石监测与预警系统，该系统可用于高速公路或者山区公路的落石监测，救援装置长时间布置在山区事故多发路段，事故发生时，监测装置能及时的做出判断、发出警告，一方面方便救援人员实施救援，一方面警告即将来往车辆；装置用电量小，为长时间布置在高速公路沿线两侧节约了成本，若将该系统投入使用，有可观的应用前景。