高速公路事故多发点护栏感知报警系统的设计

徐孝辉，高 谦，瓦庆标，吴太芬，徐智涵

（贵州省贵阳公路管理局，贵州 贵阳 550000）

0 引言

早在20世纪60年代国外就已经开始研究道路交通事故安全预警，开发出交通事故智能预警系统是其研究的重点方向；20世纪90年代，美国开始大幅度地增加科研投入于道路交通安全领域上，随后又相继建立起多种道路交通事故预警管理系统。同一时期，欧洲各国在实施道路交通事故现场紧急救援方面做了大量工作，建立了较为完善的交通事故紧急救援系统，有效地减少了交通事故数量和交通事故伤亡人数。

发达国家在道路交通安全预警系统和智能交通系统方面已经进行了深入研究和应用，这些系统在实践应用中均取得了良好的效果。在护栏监测报警领域，Sung-Youn Cho等[1]采用加速度传感器安装于护栏上，当护栏上的加速度传感器识别到一定程度的物理冲击时，建立的情境感知系统会产生报警。当报警发生时，加速度传感器传来的标量大小和方向信息会传送给情境感知系统。

在国内，王勤[2]采用非线性显示动力分析，通过ABAQUS有限元软件构建了仿真模型，获取了护栏上的加速度信息；采用三次样条插值方法定位护栏上的碰撞点，提出了优化三轴加速度传感器的铺设密度。黄赞华[3]通过分析公路护栏问题存在的现状，研究国内外护栏设计原则、规范差异及影响因素，研究了车辆碰撞公路护栏的数值模拟。张海波[4]从交通事故风险点、事故车型分布、护栏损毁特征及事故时间分布等方面系统分析了区域道路波形护栏碰撞事故的特征，从而为道路安全管理提供参考依据。邓小健[5]提出的道路安全护栏技术系统将光缆通信技术、音频和视频技术集成应用于一体；该系统不但具有控制预警、救援支撑、道路安全预防等功能，还有道路安全的音视频信息采集、存储和传输的功能，为道路安全管理提供信息依据。李晨曦[6]基于实际光纤数据的试验分析，验证了基于分布式光纤传感技术在检测车辆撞击道路护栏事故的可行性。王霞霞[7]利用LoRa和NBIoT两种物联网传输方案，并结合华为IoT设计了一种高速公路护栏碰撞监控系统的整体框架。文金朝等[8]根据干涉原理和Φ-OTDR原理，研究了光缆振动对相干光在光纤中传输的影响，提出一种基于光缆振动的高速公路护栏碰撞告警方法，以此为基础设计出高速公路护栏碰撞警告系统。

综上，虽然我国在公路护栏碰撞检测做了相关研究，但在护栏主动预警及事故应急救援响应方面仍有不足。因此，通过设计山区护栏感知报警系统，在传统波形梁护栏基础上，经过技术改造，赋予波形护栏一定的自我感知能力，在不降低防护作用的前提下感知车辆碰撞情况，并将碰撞检测系统、监控系统与管理系统联动，通过热成像摄像机和高清智能摄像机自动跟踪监控现场判断交通事故程度，实现事故多发点碰撞事故主动预警，远程辨别事故烈度与人员伤亡，及时启动应急报警救援系统，提高公路安全防护水平。

1 事故多发点护栏碰撞事故原因分析

车辆与波形护栏发生碰撞主要有3种原因，其一是驾驶员自身因素。在山区公路上，往往会出现驾驶员不规范行车，超速行驶、随意变道等时有发生，一旦出现这些不良行为，车辆就会有高风险失控，驾驶员应急反应力下降的同时，再加上原始车速过快，最后酿成撞击波形护栏，甚至是冲破波形护栏的事故。其二是自然因素。在雨雾天气，道路不但能见度很低，而且路面湿滑，车辆高速行驶情况下，视线受阻，一旦发生紧急状况，车辆来不及制动，轮胎打滑，极易引发车辆碰撞护栏交通事故；甚至在山区多山路段因暴雨造成山体滑坡，泥石坠落砸中车辆或者直接影响车辆变道。在夜间影响下，山区公路上驾驶员的视线基本受到可见范围狭窄的限制，同时，由于车辆远近光灯切换不及时，视线受阻，来不及紧急制动，极有可能导致车辆撞击护栏。其三是人为破坏因素。山区公路上除了交通事故造成的护栏碰撞以外，还存在人为破坏护栏的情况。如2016年4月21日，6名男子为了达到使走私车辆能通过便道进入高速公路的目的，对护栏板进行拆除。又如2017年10月—2018年3月期间，一名女子多次与另一犯罪嫌疑人勾结作案，其利用微信群联系逃费车辆，另一人负责破坏高速公路防护栏、铁丝网，同时引导货车下高速偷逃过路费。这些人为私自拆除护栏对高速公路上正常行驶的车辆造成了严重的安全隐患。

通过对山区公路事故多发点护栏碰撞事故的分析，明确了因护栏碰撞或者被破坏而来不及处理造成的一系列交通事故的痛点，从而提出对护栏感知报警系统的需求，此系统在不改变护栏传统防护作用的前提下，赋予护栏感知能力，可以在发生事故时及时反馈护栏的当前状态，掌握事故发生地点，提高事故救援效率，减少路产损失。

2 事故多发点护栏感知报警系统设计

2.1 护栏感知报警系统需求分析

根据对山区公路事故多发点波形护栏碰撞事故的调查情况，发现在某些区域路段交通流较大，一旦发生事故再加上没有对现场进行有效地把控，会加剧二次事故的发生，造成更加严重的交通事故；而某些特殊路段交通流较小，人迹稀疏，一旦发生严重交通事故，会因为救援缓慢导致事故加重。并且在调查过程发现，存在多起人为破坏护栏事件，以及车辆碰撞护栏后肇事逃逸现象，对国家路产造成损失。目前国内公路大都缺少交通事故报警技术，同时尚无成熟的技术对波形梁护栏进行实时监控以及在事故发生的事故点或者在人为破坏护栏位置能够进行定位。故开展波形护栏智能感知报警系统的研究。

山区公路波形护栏智能感知报警系统的功能需求主要有：车辆-护栏碰撞事故与人为破坏波形护栏等碰撞/冲击事件智能感知定位；快速报警与抓拍、远程图像传输；后台管控中心紧急处理与联动报警。

2.1.1 感知定位需求

山区公路护栏碰撞事故易发，但是紧急救援效率低。同时车辆碰撞波形护栏后肇事逃逸以及人为私自破坏情况严重，造成大量路产损失，甚至危及到后续车辆的驾驶安全；因此需要设计出波形护栏进行感知报警系统，当山区公路上的波形护栏遭到撞击或者异常冲击，护栏可以产生感知并定位，并将撞击事故以及撞击位置传送出去。

2.1.2 远程监控需求

山区公路护栏碰撞事故发生时有不同程度的撞击，或者其他非车辆的异常撞击，如果不能对现场进行一定的判断，很有可能浪费人力和物资资源，在事故多发的时候还会导致同阶段发生的重大事故救援不及时，甚至加剧事故严重程度；因此当事件发生的时候，要对现场情况进行远程监控并把控。

2.1.3 联动报警需求

碰撞事故发生后，后台管控中心警报系统触发，提醒工作人员紧急处理，当监控到现场事故点是严重的交通事故或者是车辆刮擦，碰撞转向时，马上紧急报警，通知相关部门，对现场进行管控；当监控到现场是人为破坏，或者是泥石坠落撞击护栏时，对道路上后续车辆进行警示减缓车速，同时捕捉现场涉事人员，并通知相关部门进行阻止和处理。

2.2 护栏感知报警系统工作流程

山区公路波形护栏智能感知报警系统由控制主机单元、感知单元、路侧监控单元及后台管控单元4个部分组成，可实现对车辆-波形护栏及人为破坏或滑坡巨石坠落波形护栏事件进行实时监控与报警功能。整个系统的工作流程见图1。

图1 护栏感知报警系统工作流程示意图

2.3 护栏感知报警系统功能设计

根据山区公路对于波形护栏智能感知报警系统的3个需求，本节将其归结为波形护栏智能感知、视频监控以及联动报警，系统功能示意图如图2所示。

图2 系统功能示意图

2.3.1 感知定位功能设计

波形护栏智能感知系统根据车辆对护栏的碰撞、行人敲击或者撞击以及山体滑坡的冲击的力学原理，使护栏可实现感知异常碰撞/撞击事件的功能。沿着一边的波形护栏走向，安装上传感光缆，同时通过埋于地下的传感光缆，连接到另一边安装好的波形护栏上，与光缆传感器构成回路，形成一个感应区域。在每一个感应区域里面发生在光缆上的振动包含了波形护栏受到碰撞或冲击时的声音和位置信息，处理器通过检测干涉发生的光强和时间提取出振动的音频和位置信息。处理器通过对振动光缆传递的光波信息进行智能分析，确认目标触发报警，同时还能够分析出是在哪一个防区里面，提高了位置精度，也提高事故救援效率，降低肇事逃逸事件，减少路产损失。

感知单元是由传感光缆和光缆传感器组成。传感光缆采用单模铠装2芯起定制光缆，波长1 550 nm。光缆传感器主要由迈克尔逊光纤干涉仪组成，完成振动信号探测的功能。

传感光缆具有很强的环境适应能力，根据山区公路现场情况主要有两种安装方式：一种是地面之上的安装，将其敷设在波形护栏的背侧；另一种是地面之下的安装，安装在地底，达到完成传感光缆和光缆传感器之间的回路，构成一个感应区域；若是在某些山区路段，一面依靠山体而建不需要护栏，则仅在有护栏的一侧形成感应区域的回路。在山区公路事故多发点路段，因路段长度不统一，而传感光缆的长度有一定的限制，因此在较长事故多发点路段，可以采取多个感应区的方式来弥补其局限性。

2.3.2 视频监控功能设计

系统监控单元主要采用热成像筒机和高清可见光球机的组合。该监控单元和主机控制单元聚合在一个立柱之上，这样方便主机控制单元对监控单元下达指令，一旦在某个感应区域内发生碰撞事故，处理器立即控制摄像机对该区域进行自动跟踪和监测。热成像摄像机可以联动可见光摄像机变焦对目标进行识别及跟踪，而且能够避免盲区监测。相比普通的跟踪球机，热成像球机的最大优势是在热成像上做智能侦测。因此即使在很远距离或很差的光照环境下，热成像球机也能及时发现目标进行跟踪。同时，热成像摄像机可利用热成像镜头的超强探测能力以及集成在热成像的智能功能对山区公路波形护栏进行独立智能侦测，当目标产生碰撞或冲击时，可触发报警。

2.3.3 报警联动功能设计

前端感知单元一旦遭到异常碰撞和冲击，控制主机单元会立即发送报警信号到后台管控中心。同时控制主机处理器启动对应的摄像机对发生事故的感应区域进行自动监控，并传送到后台特定的报警监视器组上显示与报警有关的视频图像。系统提供防区设置、报警管理等功能，能够配置多种报警规则，实现各区域报警联动机制，如在电脑客户端发出声音报警、在大屏自动弹出报警位置感应区域的视频图像等。

联动报警功能主要由GPRS无线通讯技术来实现。GPRS技术是对数据予以高速处理的一种技术，其通过分组的方式将资料向用户进行传输，连接和传输均十分便捷。分组通信技术的应用，可以确保设备或者用户在进行数据通信的过程中，避免固定占用在无线通信进行时。波形护栏感知报警系统无线通信传输方向示意图见图3。

图3 通讯报警示意图

从图3可以看出，GPRS无线通信技术在PC端电脑以及监控单元和主机控制单元之间的设备进行构建，可以对信息数据进行无线传输。在护栏感知报警系统中，监控单元采集到的实时视频图像，以及主机控制单元发出的报警信号，都可以通过GPRS无线通信分组通信技术传送到PC端电脑上；经后台管控中心工作人员确定后，通过GPRS短信功能，将警报信息传达给相关部门紧急处理，同时还可以将实时视频图像发送至相关人员移动终端，让相关人员把控现场状况。

3 结语

此系统的开发和实施使得一旦事故多发点护栏发生交通事故或意外事故，相关管理部门可以在第一时间准确地了解事故的位置情况，并立即开展救援，不仅可以大大提高救援的效率，也可以在面对汽车刮擦等轻微事故或人为破坏等原因造成护栏损坏时，使得路政管理部门能够及时知晓并开展护栏维护工作，有效地避免了因护栏功能失效而产生的安全隐患。

针对系统功能的实现，开发了一系列便捷、稳定而有效的软硬件传感、控制和通信设备，通过GPRS无线传输技术保证了数据的有效性和实时性，并建立了后台管控平台，实现了感知定位、实时监控、图像传输以及联动报警救援的一体化和自动化。

该护栏感知报警系统的开发对于建立高速公路一体化的安全管控平台具有突出的作用，它具备良好的兼容性和可拓展性，必要时可以进行二次开发，通过改变系统端口的协议可以使其与其他交通管控设备或交通智能系统连接，从而发挥更大的社会效益和经济效益。

现阶段对于护栏的研究主要集中在护栏防碰撞以及护栏碰撞的检测方法或者碰撞事故的特征分析上面，对于发生交通事故或者发生护栏碰撞后，提高救援或者维修的及时性作用不明显，因此该系统的开发和实施可以针对碰撞后发生损坏的护栏，通过现场感知和后台管控的一体化，采取及时有效的维修工作，从而恢复护栏的安全防护功能，大大降低不必要的交通事故发生以及人员伤亡。