基于NB-IoT地磁车检技术的公路急转弯及岔路口的路况预警系统

陈 瑜

(广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

公路交通事故事关人民生命和财产的安全，预防事故发生不仅要提高人们安全行驶的意识，更需要加强公路智能交通设施的建设。目前公路地形复杂多样，特别是偏僻山区或乡村的公路，存在弯道多、岔路口多、车辆复杂、驾驶人安全意识薄弱、交通安全监管不到位等一系列问题。很多公路交通安全事故发生的地点都是在公路急转弯及岔路口等特殊路况上，在驾驶车通过公路急转弯或岔路口路况时，驾驶者不仅仅对前方交通状况缺乏足够的了解，还很难在这极其短暂的应变时间内对当前路况做出正确的判断，最终因为误判路况导致交通事故的发生。此时，亟须一种先进的智能交通系统平台，就公路急转弯及岔路口等特殊路段进行即时动态的侦测、警告、引导和管制。为此，借助物联网、云计算技术，本文提出了一种基于NB-IoT地磁车检技术的公路弯道及交叉路口路况预警系统，并对其在公路弯道及交叉路口的应用展开探讨。

1 系统技术原理

1.1 NB-IoT技术原理

Narrow Band Internet of Things，简称NB-IoT，即窄带宽物联网技术。该技术核心在于支持低功耗设备在WAN(简称Wide Area Network)的蜂窝数据连接。NB-IoT是从最初的2G移动通讯逐步发展而来，NB-IoT使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存[1]。

1.2 地磁检测原理

已知地磁场大小为0.5～0.6 Gs(1 T=10 000 Gs，已知一个黑板吸铁的磁场强度为1 500～2 000 Gs)。若传感器传感范围在-10～10 Gs，灵敏度为10 mGs，当检测到微弱的磁场变化时，便能输出变化明显的电平信号，这样才可能实现停车的传感检测。如图1所示，除非有行车通过路面，地面磁场才会有所变化，否则地面磁场会一直稳定不变。因此，通过利用地磁传感器对地球磁场变化的感应来检测机动车辆。

图1 地磁检测原理图

1.3 结合NB-IoT的地磁车检技术

NB-IoT技术优点非常明显，比现有无线技术多提供50～100倍的接入数，其中一个扇区就能支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构[2]。NB-IoT技术在特殊的地方(如山区道路、地下室等地方)覆盖能力强，比LTE提升20 dB增益，相当于提升了100倍覆盖区域能力[3]。最重要的是，NB-IoT技术的低功耗特性很明显，特别对于一些不能经常更换电池的设备和场合，电池使用寿命长达几年。与LoRa技术相比，NB-IoT技术无须重新建网，射频和天线基本上都是复用的[4]。因此基于以上功能特点，可采用NB-IoT传输来取代传统地磁感应器的无线网关部分。

事实上，在车检系统中的感应技术发展相对比较成熟，主要有纯地磁感应器、声波感应器及红外探测器等方法，而相比较基于NB-IoT的地磁传感器，这些方法因地制宜，各有特点，详情如表1所示。

表1 车检技术对比分析表

根据表1的对比可知，本文所采用的基于NB-IoT地磁车检技术的路况预警系统，不仅能够使得传输不再受距离限制，还能大大减少成本投入，提高系统通信的稳定性。

2 系统总体设计

2.1 系统架构分析

考虑到当前交通道路的路况及地磁技术的最新发展，本文提出了一种基于NB-IoT的地磁感应路况预警系统，如图2所示，整个系统主要由视频检测单元、信息显示单元、语音警示单元、NB-IoT地磁车检单元、路况管理平台、用户移动端APP等6部分组成。

图2 路况预警系统平台架构图

其中，NB-IoT地磁车检单元可实时采集公路行车的数据，并通过NB-IoT网络进行数据传输；视频检测单元核心部件为智能摄像机，具备车牌识别、车型识别、车衣识别、路障识别、车流量统计、能见度、天气状况等检测功能；信息显示单元的屏幕可根据实际定制大小，主要用来显示前方路况信息及行车信息；语音警示单元主要当检测到有来车，会有语音提示，如“前方来车减速慢行”；路况管理平台运行在云上，是基于LAMP(Linux+Apache+PHP+MySQL)技术组成的系统，主要功能为处理公路急转弯及岔路口采集回来的信息，如方位信息、路障信息、能见度信息、路段交通历史事故信息、天气状况、车辆通过速度、车型信息、车牌信息、管理信息等信息内容，同时也可以输出各类统计报表，便于进行数据分析；用户移动端APP通过云服务器访问该公路的急转弯和岔路口的基本信息，用户的手机号已经在后台和定位终端进行了绑定，用户只需要打开手机APP，输入手机号和验证码，点击登录按钮，即可看到自己当前位置附近的公路急转弯和岔路口路线，提前了解路况。

2.2 系统运行机制

在确定整个路况预警系统平台架构后，可设计路况预警系统的运行机制如下页图3所示，利用NB-IoT地磁车检技术的工作原理，首先在交通道路不利的地形处，埋设NB-IoT地磁传感器车道及双向车道分界线区域作为预警区，一旦车辆接近系统前方的预警区，触发来向预警，视频检测单元检测车辆的信息(车速、车牌、车型等信息)，显示单元显示车辆基本信息及提醒语减速慢行注意安全内容，语音警示单元广播“车辆减速慢行，注意安全”等警语，同时通过NB-IoT发出信号给去向预警区域的显示单元显示车辆基本信息及提醒语减速慢行注意安全内容、语音警示单元广播“车辆减速慢行，注意安全”等警语。当车辆通过，且近距离无其他车辆或行人通过时，在来向预警区域与去向预警区域中，其具备提示功能的相关设备设施就会暂时进入休眠模式，此时，车辆便可安全通过该公路的急转弯或岔路口了。同时，每一次行车所触发NB-IoT地磁传感器得到的来车预警信息都会通过NB-IoT及网络传到IoT管理云平台，管理云平台最终根据所得到的数据信息进行分析预测，提前将分析预测的信息发送到车主手机移动端APP，也能进一步提醒车主在预警区域减速慢行、注意安全。

图3 系统运行机制框架图

3 系统应用场景

在公路上存在很多急转弯、岔路口等特殊路段，本文基于NB-IoT地磁车检技术路况预警系统，分别就NB-IoT地磁车检的安装部署以及在公路急转弯、公路岔路口的实际应用场景情况展开设计分析。

3.1 NB-IoT地磁车检的安装部署

在公路上，当行车在急转弯和岔路口上时，车子最大车速为60 km/h，在遇到前方路况异常时，直觉上驾驶者就要进行变道完成安全行驶，需花费的时间为3～5 s，而NB-IoT地磁车检信号的传输最大距离为90 m(信号传输时间忽略不计)，那么就需要在距离弯道转折点或路口分叉点60～70 m处设置NB-IoT地磁车检器。因此，为了在车道以及双向车道分界线上埋设地磁，且要避免车辆在不按照交通规则行驶时发生漏检的情况，可根据图5车辆行驶方式的组合，在车道上依次埋入2行6个NB-IoT地磁车检器，加强车辆检测的精度。设置两道NB-IoT地磁车检单元的预警线如下页图4所示，通过车辆先后经过检测器的顺序以及检测器触发时间等来判断车辆的行驶状态，包括行驶方向以及行驶速度等。

(a)越线行驶方式

3.2 在公路急转弯的应用

常见的公路急转弯如图5所示，在车辆通过公路急转弯时，整个路况系统的运行流程为：行车从A端方向向B端方向通过急转弯行驶时，可在A端放置1套信息显示单元和1套语音警示单元，B端各放置1套视频检测单元，将B端方向的路况信息和车辆信息在A端的信息显示单元打印出来，同时触发语音警示单元进行预警，提醒A端方向的车辆减速慢行，注意交通安全。反之，B端方向路线一样。

图5 急转弯应用场景示意图

3.3 在公路岔路口的应用

常见的公路岔路口如图6所示，在车辆通行公路岔路口处，整个路况系统的运行流程为：行车从A端方向通过路口到B端方向时，同时有B端方向和C端方向的行车通过路口向A端方向行驶，可在A端方向放置1套信息显示单元和1套语音警示单元，B端和C端各放置1套视频检测单元，将B端方向和C端方向的路况信息和车辆信息在A端的信息显示单元显示出来，提醒A端方向的车辆减速慢行，注意交通安全，整个流程所检测的数据信息通过NB-IoT网络传输到后台进行分析预判。

图6 岔路口应用场景示意图

4 结语

公路急转弯和岔路口处，由于视野盲区大、车速控制不顺、车辆复杂、路况环境差、监管不到位，会直接影响到行车的安全。本文通过采用基于NB-IoT地磁车检技术开发一个公路急转弯和岔路口的路况预警系统，依托NB-IoT地磁车检技术触发系统实时获取车辆信息和路况信息，再通过NB-IoT和互联网技术实现数据交互，经过数据分析技术，对所得的车辆信息和路况信息进行研判，并将得到的预警信息直观展现出来。该系统的应用能进一步保证公路急转弯及岔路口的行车安全，同时也能够极大减少公路急转弯及岔路口的交通事故，对公路路况的智能交通监控领域提供了应用参考。