基于物聯(lián)網(wǎng)的車輛碰撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

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(1.西南科技大學(xué) 制造過(guò)程測(cè)試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010;2.四川雅康高速公路有限責(zé)任公司，成都 610041)

0 引言

隨著社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，我國(guó)公路總里程已躍居世界第一[1]。與此同時(shí)伴隨著汽車保有量的持續(xù)上升，隨之而來(lái)造成交通事故的頻繁發(fā)生。據(jù)我國(guó)衛(wèi)生部門統(tǒng)計(jì)，在近千例交通事故中，僅有14.3%受傷人員能及時(shí)乘救護(hù)車到達(dá)醫(yī)院進(jìn)行救治，40%當(dāng)場(chǎng)死亡，30%受傷者因?yàn)閾尵炔患皶r(shí)而死亡[2]。因此，快速準(zhǔn)確定位車禍現(xiàn)場(chǎng)位置，縮短車禍救援響應(yīng)時(shí)間對(duì)于保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全尤為重要。

目前，對(duì)于高速路上的事故預(yù)警主要依靠監(jiān)控?cái)z像或受害人員主動(dòng)報(bào)警等方式[3]。但我國(guó)高速公路東西南北跨度大、行車環(huán)境復(fù)雜，部分地區(qū)存在通信信號(hào)覆蓋不全面或受害者無(wú)法準(zhǔn)確描述車禍發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)位置等難題。當(dāng)前對(duì)于高速路車禍監(jiān)測(cè)預(yù)警研究主要有兩類：1)基于車輛碰撞產(chǎn)生的物理信號(hào)進(jìn)行事故判斷，包括噪聲、位移、振動(dòng)信息等[4-8]；2)對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要通過(guò)車載加速度傳感器設(shè)備表征其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[9-10]。上述車禍預(yù)警方式中物理信號(hào)監(jiān)測(cè)易受環(huán)境干擾、車載傳感器由于造價(jià)頗高和日常維護(hù)等原因而難以普遍推廣。

當(dāng)今一些發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)，德國(guó)，日本等在高速公路安全預(yù)警方面都有一套較為成熟的運(yùn)行機(jī)制。美國(guó)的高速公路交通事故緊急救援管理系統(tǒng)(FIM)[11]，是一個(gè)相互輔助、相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng)工程，其子系統(tǒng)涵蓋了高速公路路況信息和交通運(yùn)行狀況監(jiān)控系統(tǒng)，可在24小時(shí)不間斷地對(duì)高速公路上發(fā)生的一切事故和狀況進(jìn)行監(jiān)控。但該監(jiān)控系統(tǒng)仍高度依賴高速路上的監(jiān)控?cái)z像頭進(jìn)行信息采集，依靠人力進(jìn)行事故識(shí)別，故缺少事故智能自動(dòng)識(shí)別和報(bào)警的主動(dòng)性，日本各大汽車制造企業(yè)如豐田、三菱等公司提出了“先進(jìn)的安全汽車(ASV)計(jì)劃”[12]，一直致力于新型安全汽車技術(shù)的研究開發(fā)，主要是通過(guò)單片機(jī)控制車禍自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。利用信息感知、動(dòng)態(tài)辨識(shí)等技術(shù)來(lái)提高的主動(dòng)安全性。在德國(guó)，新生產(chǎn)的汽車搭載一種車禍自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是根據(jù)汽車發(fā)生車禍后的氣囊裝置自動(dòng)釋放，進(jìn)而啟動(dòng)應(yīng)急救援程序自動(dòng)撥打緊急電話，急救中心收到車禍預(yù)警后，將通過(guò)衛(wèi)星搜索事故車輛預(yù)先安裝的定位芯片以獲得具體的車禍位置，再啟動(dòng)救援響應(yīng)。據(jù)測(cè)試，本系統(tǒng)可以將平均救助時(shí)間縮短50%左右[13]?；诖耍狙芯刻岢龌谖锫?lián)網(wǎng)對(duì)高速路波形梁鋼護(hù)欄進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控來(lái)識(shí)別和判斷重大交通事故的發(fā)生并加以報(bào)警。

1 碰撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

本碰撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由三大模塊組成：第一部分是數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集事故中車輛碰撞波形梁鋼護(hù)欄產(chǎn)生的加速度物理信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)碰撞沖擊后物理響應(yīng)的識(shí)別與感知；第二部分是數(shù)據(jù)傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集信號(hào)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸，同時(shí)將事故發(fā)生處地理坐標(biāo)一并發(fā)送至碰撞監(jiān)測(cè)云平臺(tái)；第三部分是數(shù)據(jù)處理及預(yù)警反饋模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)碰撞物理信息的提取及車禍嚴(yán)重程度的識(shí)別，進(jìn)而反饋至碰撞監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，以便于高速公路管理部門及時(shí)掌握事故發(fā)生狀態(tài)和地點(diǎn)，從而展開高效施救。

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

失控車輛在碰撞護(hù)欄的過(guò)程中，會(huì)發(fā)生持續(xù)的碰撞變形，根據(jù)我國(guó)汽車正面碰撞標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20913-2007《乘用車正面偏置碰撞的乘員保護(hù)》規(guī)定[14]，時(shí)速為50 km/h碰撞時(shí)要求汽車安全氣囊必須打開，而碰撞持續(xù)變形時(shí)間一般為40～80 ms，此時(shí)間會(huì)隨車速增加逐漸減少。故車速越高，碰撞時(shí)的加速度越大，造成人員傷亡的可能性也就越大。因此，可通過(guò)碰撞發(fā)生時(shí)的加速度大小直接表征事故的嚴(yán)重程度。則車速為50 km/h時(shí)碰撞其加速度介于173.6～347.2 m/s2，即17.7～35.4 g(g=9.8 m/s2)。則可通過(guò)設(shè)置加速度的閾值隔離偶然碰撞事件以提高系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度，減少由動(dòng)物等外界偶然碰撞造成的系統(tǒng)誤報(bào)。

參照交通行業(yè)JT/T 281-2007《公路波形梁鋼護(hù)欄》標(biāo)準(zhǔn)[15]，當(dāng)前高速路護(hù)欄多為二波紋和三波紋波形梁，其安裝主要通過(guò)螺栓與立柱連接?；诖?，本方案將加速度傳感器設(shè)計(jì)成護(hù)欄同尺寸螺栓結(jié)構(gòu)，將加速度傳感芯片與控制電路集成至一塊PCB板置于螺栓頭內(nèi)部，再將此傳感器安裝于護(hù)欄上。當(dāng)車輛碰撞護(hù)欄時(shí)，護(hù)欄由于受到?jīng)_擊瞬間產(chǎn)生加速度信號(hào)，傳感器受激振動(dòng)采集加速度信息，經(jīng)后端算法處理分析加速度是否過(guò)大，可直接判斷是否發(fā)生嚴(yán)重事故。智能螺栓傳感器其安裝及實(shí)物如圖1所示。

本傳感檢測(cè)電路主要實(shí)現(xiàn)三大功能：加速度信號(hào)的檢測(cè)、A/D轉(zhuǎn)換以及與外部的通信傳輸功能，本設(shè)計(jì)使用的傳感器為三軸MEMS加速度計(jì)，其型號(hào)為ADLX375。采用14引腳LGA封裝，其具體參數(shù)如表1中所示。

圖1 智能螺栓加速度傳感器安裝及內(nèi)部電路圖

項(xiàng)目參數(shù)封裝體積3 mm×5 mm×1 mm功耗35 μA (測(cè)量模式)0.1 μA(待機(jī)模式)測(cè)量范圍±200 g工作溫度-40～+85℃開啟和喚醒時(shí)間1.4 ms

本傳感器封裝體積小,能較好地安裝在智能螺栓空腔內(nèi)部，保證了智能螺栓整體結(jié)構(gòu)的緊湊性，其喚醒時(shí)間短，能夠在碰撞加速度達(dá)到峰值前瞬間開始監(jiān)測(cè)；功耗低，達(dá)到?jīng)_擊閾值才開始工作，其他時(shí)間均保持待機(jī)狀態(tài)，能有效降低監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能耗，進(jìn)一步保證路段監(jiān)測(cè)的有效性。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

基于高速路跨度大、里程長(zhǎng)等特點(diǎn)，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模塊主要由采集儀和網(wǎng)關(guān)組成。采集儀一方面是保證與傳感檢測(cè)電路進(jìn)行串口通信，接收采集到的加速度信號(hào)，另一方面通過(guò)LoRa[16]無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)與監(jiān)測(cè)平臺(tái)通過(guò)4G通信模塊連接，能保證在較短時(shí)間內(nèi)海量數(shù)據(jù)的即時(shí)傳輸，有效提高預(yù)警響應(yīng)時(shí)效性。而LoRa傳輸不受節(jié)點(diǎn)和長(zhǎng)度影響，適用于稀疏且長(zhǎng)距監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，能有效代替有線傳輸，進(jìn)而降低系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)傳輸成本。采集儀和網(wǎng)關(guān)電路設(shè)計(jì)版圖及其實(shí)物如圖2、3所示。

圖2 采集儀電路

圖3 網(wǎng)關(guān)電路

1.3 數(shù)據(jù)處理及預(yù)警反饋模塊

數(shù)據(jù)處理及預(yù)警反饋模塊主要包含智能螺栓傳感器監(jiān)測(cè)單元、數(shù)據(jù)處理單元、處理結(jié)果反饋單元三大模塊。采集儀將傳感器感知的碰撞信號(hào)通過(guò)LoRa傳輸至網(wǎng)關(guān)，再通過(guò)4G通信傳輸至監(jiān)測(cè)平臺(tái)服務(wù)器。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析算法對(duì)采集到的物理信息進(jìn)行即時(shí)處理分析，并對(duì)事故程度做出判斷。監(jiān)測(cè)平臺(tái)將處理結(jié)果通過(guò)關(guān)聯(lián)號(hào)碼反饋至路段監(jiān)測(cè)人員(如救援中心、路段管理人員或交警支隊(duì)等)而預(yù)警。如圖4為本研究基于物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的車禍碰撞監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)。

圖4 車禍碰撞監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)界面

圖5 碰撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程

在軟件平臺(tái)對(duì)監(jiān)測(cè)道路沿線分布的智能螺栓傳感器進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)其分布位置進(jìn)行經(jīng)緯度標(biāo)記一并錄入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，則碰撞發(fā)生時(shí)預(yù)警信息能準(zhǔn)確反映車禍發(fā)生地、發(fā)生時(shí)間和閾值警報(bào)等級(jí)相關(guān)信息，以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)并準(zhǔn)確預(yù)警車禍發(fā)生狀況，為實(shí)施救援提供有效信息。

1.4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展離不開軟件系統(tǒng)的架構(gòu)和硬件設(shè)備的支持，完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包含感知層、通信傳輸層和應(yīng)用層(包括處理子層和應(yīng)用子層)。在設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的車輛碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中：其感知層中以三軸MEMS加速度計(jì)為傳感芯片，用來(lái)監(jiān)測(cè)車輛與護(hù)欄碰撞過(guò)程中的振動(dòng)加速度信息，其高赫茲采樣頻率有效的保證了碰撞發(fā)生時(shí)物理信息的完整與準(zhǔn)確性。同時(shí)，線路傳輸-LoRa技術(shù)-4G通信三級(jí)傳輸網(wǎng)絡(luò)共同架構(gòu)組成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通信傳輸層，多通信技術(shù)的融合有效保證了整體物聯(lián)網(wǎng)預(yù)警監(jiān)測(cè)信號(hào)和預(yù)警信息的快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)路段的即時(shí)傳輸與實(shí)時(shí)監(jiān)控。最后，本物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用層中的監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)搭載了針對(duì)多物理參數(shù)快速響應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法，可通過(guò)云臺(tái)算法解耦車禍信息，包括：表征車禍嚴(yán)重程度等級(jí)的加速度值、車禍發(fā)生處準(zhǔn)確路段的定位信息、車禍發(fā)生事件等，基于此，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可進(jìn)一步將車禍預(yù)警信息發(fā)送至相關(guān)路段的管理人員展開救援，以此改變高速公路中現(xiàn)有車輛碰撞的監(jiān)測(cè)模式，提高車禍救援響應(yīng)的時(shí)效性，保證人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

本系統(tǒng)大致的工作流程如圖5所示。首先系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)云平臺(tái)加載數(shù)據(jù)處理算法，智能螺栓傳感器設(shè)定加速度大小等級(jí)判斷閾值，采集儀與網(wǎng)關(guān)連接。隨后監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感模塊與通信模塊自檢功能是否正常，系統(tǒng)無(wú)故障則正式上線工作。此時(shí)，加速度傳感器以及采集板和網(wǎng)關(guān)都處于低功耗的休眠模式，當(dāng)有車輛碰撞振動(dòng)發(fā)生時(shí)，傳感器自動(dòng)檢測(cè)加速度值的大小，并與設(shè)定的加速度等級(jí)閾值進(jìn)行比較，若超過(guò)閾值，則進(jìn)行加速度信號(hào)采集，并傳回加速度信號(hào)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件進(jìn)行算法分析并表征撞擊程度。隨后監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)算法處理結(jié)果自動(dòng)將已編輯好的報(bào)警短信發(fā)送到相關(guān)聯(lián)的手機(jī)號(hào)碼，快速將事故信息反映到相關(guān)部門，啟動(dòng)事故相關(guān)的應(yīng)急處理流程。

2 系統(tǒng)測(cè)試及分析

基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體功能的驗(yàn)證其核心就在于感知層和通信傳輸層功能的實(shí)現(xiàn)。為保證護(hù)欄結(jié)構(gòu)的完整性，在感知層中基于護(hù)欄同尺寸連接螺栓搭載了三軸加速度傳感芯片，在通信傳輸層中構(gòu)建了三級(jí)數(shù)據(jù)傳感網(wǎng)絡(luò)。故本系統(tǒng)功能測(cè)試主要有：1)驗(yàn)證搭建的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)通信功能是否正常，包括遠(yuǎn)距離通信傳輸測(cè)試和多個(gè)傳感器同時(shí)觸發(fā)是否會(huì)影響通信；2)驗(yàn)證本系統(tǒng)的智能螺栓加速度傳感器采集的加速度大小是否正常，即監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性驗(yàn)證。

2.1 監(jiān)測(cè)平臺(tái)通信功能驗(yàn)證

戶外測(cè)試以挖掘機(jī)撞擊護(hù)欄模擬車輛碰撞，采集儀和網(wǎng)關(guān)設(shè)置距離約500 m，通過(guò)手持終端對(duì)采集儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括經(jīng)緯度、傳感器編號(hào)等，撞擊測(cè)試如圖6所示。

圖6 監(jiān)測(cè)平臺(tái)通信測(cè)試

模擬車輛碰撞測(cè)試監(jiān)測(cè)平臺(tái)遠(yuǎn)程傳輸通信，經(jīng)測(cè)試碰撞發(fā)生后20秒內(nèi)監(jiān)測(cè)平臺(tái)即可顯示碰撞時(shí)間、各傳感器編號(hào)、分布位置、振動(dòng)加速度大小等信息，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸通信，以及多個(gè)傳感器同時(shí)觸發(fā)不會(huì)影響系統(tǒng)通信，能同時(shí)顯示各傳感器感知狀態(tài)，即表明本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高速公路監(jiān)測(cè)段遠(yuǎn)程全區(qū)域的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2 系統(tǒng)采集的加速度大小準(zhǔn)確性驗(yàn)證

準(zhǔn)確性對(duì)比驗(yàn)證傳感器采用美國(guó)SD公司的三軸MEMS加速度傳感器，其型號(hào)為SDI 2460-050，其采樣頻率最高可達(dá)10 kHz，測(cè)量范圍為±50 g，配套的采集儀是SD公司G-Logger 3330，可將傳感器輸出的離散信號(hào)擬合成加速度波形圖像，并能對(duì)傳感器進(jìn)行個(gè)性化采集設(shè)置，智能螺栓傳感器加速度大小準(zhǔn)確性驗(yàn)證測(cè)試如圖7所示。

圖7 加速度大小準(zhǔn)確性驗(yàn)證

模擬高速護(hù)欄碰撞模型構(gòu)建測(cè)試平臺(tái)，如圖7(b)所示。將本研究設(shè)計(jì)的智能螺柱傳感器ADLX375與SD公司三軸加速度傳感器SDI 2460-050安裝至護(hù)欄上，使其能夠同時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)。兩傳感器采樣頻率均配置為3 200 Hz。試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 加速度大小準(zhǔn)確性驗(yàn)證測(cè)試

由圖8所示，對(duì)測(cè)試平臺(tái)加載沖擊激勵(lì)后，本研究設(shè)計(jì)的智能螺栓傳感器ADLX375和美國(guó)SDI 2460-050三軸加速度傳感器其測(cè)試結(jié)果顯示的加速度峰值大小及其出現(xiàn)時(shí)間基本吻合，即兩傳感器監(jiān)測(cè)到的加速度信號(hào)其幅值和相位分布基本一致。則可表明本研究設(shè)計(jì)的智能螺柱傳感器ADLX375可實(shí)現(xiàn)對(duì)碰撞過(guò)程中加速度大小的準(zhǔn)確測(cè)量。

3 總結(jié)

本文基于物聯(lián)網(wǎng)搭建了高速路護(hù)欄碰撞智能監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理及預(yù)警反饋模塊組成。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)碰撞信號(hào)的有效實(shí)時(shí)采集，系統(tǒng)加速度傳感器其休眠和監(jiān)測(cè)兩種工作狀態(tài)的切換有效的降低了系統(tǒng)能耗。LoRa傳輸與4G傳輸兩種方式的結(jié)合，既降低了系統(tǒng)整體造價(jià)又保證了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)同步傳輸?shù)挠行?。系統(tǒng)軟件平臺(tái)算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)碰撞物理信息的提取及車禍嚴(yán)重程度的識(shí)別，能在20秒內(nèi)快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對(duì)車禍碰撞狀態(tài)的感知并預(yù)警，極大的提升了高速路車禍救援響應(yīng)效率，對(duì)保障高速路行車安全與人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的意義。