公路养护安全作业主动预警系统设计

黄熹媛，黄凤英，范保骏

（1.厦门市公路桥隧维护与应急中心，福建 厦门 361000；2.厦门大学嘉庚学院，福建 漳州 363105；3.厦门道衡传感科技有限公司，福建 厦门 361000）

0 引 言

保障公路施工作业人员和车辆驾驶人员的安全是一项关系到人民生命财产安全、社会稳定以及各项事业健康发展的重要工作。随着高速公路和城市快速道路的增多，车辆在各种道路上的行驶速度加快，如果驾驶人员对公路作业人员设置的固定警示标志未能及时识别，极有可能造成事故发生[1-3]。因此，本文结合无线通信技术，设计了车辆距离检测、信号传输和控制电路，实现了预警范围可调、无线远距离报警、可以车载安装的公路安全养护作业预警系统，对保障公路养护作业人员、车辆驾驶安全具有较大的意义[4-6]。

1 系统创新点

（1）本系统采用了基于激光雷达的公路养护作业主动预警方式，可以实现0～150 m或更大距离范围的车辆入侵监测和报警。

（2）本系统在监测主机系统前端设置可见光激光器，可以克服由于激光雷达发射光是不可见的红外光以及发射方向难以确定的问题。

（3）通过优化电路设计和采用低功耗模块，可以缩短从目标探测信号获得到声光报警信号产生的时间，在不使用较大容量电池的情况下，允许监测系统主机和无线接收模块长时间工作。

（4）本系统设计了可远距离无线声光报警方案，便于施工人员根据实际作业场景灵活放置声光报警装置，对车辆和作业人员的安全均能起到有效报警和保护作用。

2 系统设计

本文设计的公路养护安全作业主动预警系统可以在110 m距离以外识别车道来车、迅速反应并进行声光报警。本系统主要由激光监测主机、声光报警器、远程接收端三部分组成，如图1所示。

图1 系统组成示意图

系统工作原理是：激光监测模块按一定发散角度发射一束调制的激光束，如图2所示，当发射的激光遇到障碍物（如车辆）时，物体将激光反射回发射端。激光接收模块可以识别发射回来的调制信号的变化，计算出反射物体（来车）的距离，并将该距离信息传送给主机控制模块。主机控制模块根据实时的距离信息以及预先设置的来车报警距离判定是否触发声光报警器报警。该系统还具有远程无线传输报警信号的功能，用户可以根据实际应用需要选择在监测主机端或远程接收端进行声光报警。另外，可通过该系统的面板按键灵活设置来车报警距离阈值，方便作业人员使用。

图2 激光监测模块发射的激光光束示意图

3 主要功能模块设计

激光监测主机系统内部包含：激光监测模块、主机控制模块、无线发射模块、按键模块、显示模块以及充电电池等，其硬件原理如图3所示。远程接收端主要包括无线接收模块、充电电池。

图3 系统控制模块电路原理

3.1 激光监测模块

激光监测模块主要功能为发射探测激光，并获得被测物体距离。本文选择了TF03-180 这款工业级高速测量的激光雷达，量程最高可达180 m，激光探测角度为0.5°，与激光发射模块距离不同的光斑尺寸即为激光探测区域，如图4所示。TF03-180内部集成针对室外强光和雨雪雾环境的补偿算法，使其在强光和雨雾环境下依然可以正常工作，适合公路养护户外作业使用，同时该模块还具有多种测量模式和参数供客户自主选择配置，以满足不同客户的测距需求[7-8]。

图4 与激光发射模块距离不同的激光光斑尺寸

3.2 主机控制模块

主机控制模块主要协调控制各电路模块的工作。本文采用ESP32模块作为主控模块，ESP32是一系列低成本、低功耗的单片机微控制器，集成了WiFi和双模蓝牙，具有最佳的功耗性能、射频性能、稳定性、通用性和可靠性，适用于各种应用场景和不同功耗需求[9]。

主机控制模块不断接收来自激光监测模块返回的距离值，若接收到的距离值低于预设报警阈值则触发报警器报警，同时将距离信息发送到显示屏上进行显示。控制电路模块还设计了定时器和掉电保护，报警预设阈值保存在FLASH ROM中，每次开机都会自动载入上次保存的报警阈值。本设计还增加了一键消音功能，设计时将消音按键连接到继电器控制端即可一键关闭报警器声音，该功能可使用户测试时不受声音干扰。

3.3 电源模块

本系统监测主机采用20 Ah的大容量可充电锂电池，通常情况下可供系统连续8 h工作。主机面板有电池电量显示，电力不足时可及时充电；无线接收报警端使用12.8 Ah可充电锂电池，也可保证接收机8 h正常工作[10]。

3.4 无线发送接收模块

本系统的无线发送接收模块主要采用基于LoRa无线通信技术的低功耗、远距离无线开关量收发对传模块，空旷地区无线传输距离可达5 km，如图5所示。本系统需要进行远程报警时，将报警信息通过LoRa模块传给远端的接收端，当远程端接收到信号时即可触发报警器报警。

图5 报警信号无线发射与接收示意图

4 系统测试

本设计制作完成的激光监测主机系统与远程接收端样机如图6所示。根据公路作业人员的情况和设计需求，本设计产品可安装在施工作业皮卡车后挡板支架上，方便施工和作业人员的操作和使用。本系统进行了多次实地路面测试，如图7所示，分别设置30 m、50 m、80 m、120 m四种不同报警阈值距离，对准运行车辆，本系统均能迅速识别目标并响应进行声光报警。

图6 监测系统主机与无线接收报警器

图7 系统路面测试

5 结 语

本文设计的公路安全养护作业主动预警系统可以对受监测道路上0～150 m范围内来车进行快速报警。通过无线发射接收模块，可以将报警信息在0～5 km范围传输，将声光报警信号有效地传送给作业人员和车辆驾驶人员。经现场测试，证明了本文设计的公路养护作业安全预警系统灵活性高、性能稳定，可以有效地对公路作业区发生的碰撞进行预警，为公路养护作业人员提供安全保障，具有很好的实际运用价值。