趙偉，劉文沛，鄭杰，張啟貴 （宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

1 引言

近年來，隨著國家大規(guī)模對高速公路建設(shè)的投入，群眾出行更多地選擇了高速自駕的方式，來節(jié)省時間和提高工作效率，但與此同時對于交通運輸?shù)男枨蟛辉賰H限于滿足其運載量，更多的是對安全性、舒適性、便利性等提出了更高要求。由此，交通建設(shè)的不平衡也是當(dāng)前中國交通建設(shè)事業(yè)所需要解決的主要矛盾。其中，對于高速路段的水網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)滯后和排水系統(tǒng)規(guī)劃的不合理這些問題都是我國交通建設(shè)矛盾的一方面。雨水季節(jié)的大量降雨是改變路面狀況和影響交通安全的一個重要因素，雨水對道路交通的影響主要表現(xiàn)為導(dǎo)致道路前方能見度和路面抗滑性發(fā)生顯著降低，使得車輛發(fā)生側(cè)滑、追尾等一系列交通安全事故的概率大大提高。這對于雨后積水的高速地勢偏低路段表現(xiàn)較為突出。其主體特征表現(xiàn)為發(fā)生范圍廣、積水時間過長、對公路的運營及管理影響嚴(yán)重、生命財產(chǎn)損失巨大。因此，及時采取有效的措施對部分高速路段積水問題進(jìn)行智能監(jiān)測預(yù)警尤為重要。

基于此，本項目提出了一種基于高速公路積水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計方案，結(jié)合Vissim軟件進(jìn)行車流仿真模擬，以期能夠有效地改善高速積水不能及時預(yù)警的問題，從而減少交通事故的發(fā)生。

2 預(yù)警系統(tǒng)總體設(shè)計

結(jié)合道路積水監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計要求，本預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計將采用“分散監(jiān)測，集中控制”模式，與此同時系統(tǒng)可以分成四層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)想結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集傳感器網(wǎng)絡(luò)采用水位監(jiān)測器為基本單元，將多個監(jiān)測器安裝在已勘察好的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，不同區(qū)域的監(jiān)測器之間通過地址碼來進(jìn)行區(qū)別，通過5G有線或者是無線的方式構(gòu)成數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。該體系主要以超聲波傳感器為重要核心。超聲波水位計安裝于被測區(qū)域上方，設(shè)備探頭向該區(qū)域發(fā)射超聲波光束，聲波在空氣中以某一速度傳播，在液體表面產(chǎn)生反射波，其中一部分被探頭重新接收，再結(jié)合空氣中聲波的傳播速度，依據(jù)反射波傳輸距離與時間成正比，即可計算出傳輸距離，進(jìn)而可得到被測區(qū)域水位值。以此來通過該系統(tǒng)對多個監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行雨量、水位等一系列參數(shù)的實時監(jiān)測。然后將收集到的數(shù)據(jù)自動上傳到服務(wù)器，由此實現(xiàn)數(shù)據(jù)的錄入目的。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸層部分則是利用安裝在設(shè)備上的終端單元來接收通過數(shù)據(jù)采集的基本單元輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析、加工，以此形成了服務(wù)器－車－服務(wù)器的關(guān)系樞紐關(guān)系，以此為用戶提供了準(zhǔn)確、及時的數(shù)據(jù)服務(wù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)處理中心之間通過串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，數(shù)據(jù)處理中心的主要任務(wù)是讀取前端傳感器采集的數(shù)據(jù)，按照預(yù)定的算法進(jìn)行處理，提取出相應(yīng)的特征參數(shù)，比如水位差、剎車距離等。然后通過無線收發(fā)設(shè)備傳給指揮控制中心，并且控制中心將對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、處理和檢索。將輸入的數(shù)據(jù)儲存于數(shù)據(jù)庫后，由服務(wù)器進(jìn)行檢索處理，然后實時反饋相應(yīng)的信息給駕駛員。

2.4 數(shù)據(jù)應(yīng)用

數(shù)據(jù)應(yīng)用主要是對經(jīng)過控制中心處理過的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行實體化應(yīng)用。通過終端檢索處理過的數(shù)據(jù)利用相關(guān)服務(wù)器應(yīng)用到不同的交通導(dǎo)航軟件上，以便用戶能夠更加便捷地獲取信息。綜上所述，本系統(tǒng)構(gòu)造具備條理化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化及智能化的特色，易于擴(kuò)展，確立了道路積水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的良好解決方案。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)的硬件裝置主要是由超聲波水位感應(yīng)監(jiān)測器、GPRS通信監(jiān)測器、外部儲存器、主服務(wù)控制中心、LED警示屏、電源電路組成。

3.1 超聲波水位感應(yīng)監(jiān)測器

結(jié)合系統(tǒng)需求，綜合考慮測量原理、精度、經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境適應(yīng)性等方面因素，選擇超聲波傳感器作為本系統(tǒng)的水位測量儀器。超聲波水位計安裝于被測區(qū)域上方，設(shè)備探頭向該區(qū)域發(fā)射超聲波光束，聲波在空氣中以某一速度傳播，在液體表面產(chǎn)生反射波，其中一部分被探頭重新接收，再結(jié)合空氣中聲波的傳播速度，依據(jù)反射波傳輸距離與時間成正比，即可計算出傳輸距離，進(jìn)而可得到水位值。

3.2 GPRS通信監(jiān)測器

同時利用GPRS通信網(wǎng)絡(luò)分組交換技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸方式，來接收由多個超聲波水位監(jiān)測器傳入的監(jiān)測區(qū)域的水位情況?？焖冁i定監(jiān)測區(qū)域某積水的路段狀況，快速傳輸給外部儲存器。達(dá)到該系統(tǒng)對多個監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行雨量、水位等一系列參數(shù)的實時監(jiān)測的目的。

3.3 主服務(wù)控制中心

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)處理中心之間通過串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，接收外部儲存器輸入的相關(guān)數(shù)據(jù)，按照預(yù)定的算法進(jìn)行處理，提取出相應(yīng)的特征參數(shù)，比如水位差、剎車距離等。然后通過5G無線收發(fā)設(shè)備傳給服務(wù)控制中心，并且控制中心將對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、處理和檢索。將輸入的數(shù)據(jù)儲存于數(shù)據(jù)庫后，由服務(wù)器進(jìn)行檢索處理，然后實時反饋相應(yīng)的信息傳至移動終端和LED顯示屏上進(jìn)行體現(xiàn)。

3.4 LED警示屏

通過主服務(wù)器控制中心檢索處理上傳的信息投射到LED顯示屏上，來警示駕駛員前方不明路段有積水情況，給出駕駛員足夠的反應(yīng)時間和安全減速距離。以此達(dá)到安全通過積水路段的目的。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

將實時監(jiān)測的區(qū)域內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、分析打包傳輸?shù)街鞣?wù)器。相關(guān)數(shù)據(jù)有實時降雨參數(shù)、待測區(qū)域內(nèi)的水位深度等水文參數(shù)。

為了實現(xiàn)駕駛員安全便捷地通過該積水路段，我們與車載導(dǎo)航系統(tǒng)公司進(jìn)行合作，構(gòu)建系統(tǒng)插件，介于車載導(dǎo)航系統(tǒng)之上。我們將加上語音播報設(shè)備，以提示駕駛員減速行駛。

將由分析過后的數(shù)據(jù)作為觸發(fā)條件，一旦達(dá)到條件則將會在車載導(dǎo)航系統(tǒng)頁面上進(jìn)行顯示，前方道路積水，并提供語言播報“前方積水，請減速”提醒駕駛員謹(jǐn)慎駕駛。

5 積水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的仿真與實現(xiàn)

同時為了驗證設(shè)計方案的可行性，本文利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OMNeT+和交通仿真軟件Vissim進(jìn)行驗證，而且通過搭建實體網(wǎng)絡(luò)的方法來獲得更好的實際測試效果。

5.1 信息采集模擬仿真

通過在OMNeT+中創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)模型，以5G有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。對信息采集模塊的調(diào)試之后，首先在普通道路兩旁放置了水位傳感器和雨量采集器，并構(gòu)建小型信息接送站模擬中心服務(wù)器，同時將感應(yīng)器采集到的所有數(shù)據(jù)通過接收器發(fā)送至服務(wù)中心完成數(shù)據(jù)的采集。與此同時通過用vissim交通模擬軟件來構(gòu)建三維積水道路來模擬實際道路積水情況來達(dá)到仿真效果，當(dāng)待測區(qū)域內(nèi)達(dá)到一定積水時，就會通過水位監(jiān)測器收集相關(guān)信息，由主服務(wù)器將分析過后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED警示屏上，如圖2所示。

圖2 Vissim軟件模擬圖

5.2 預(yù)警信息發(fā)送模擬

通過pc端和手機(jī)客戶端建立通信通道來模擬預(yù)警信息的發(fā)送，與此同時在積水路段前方足夠減速的區(qū)域設(shè)置LED警示牌。中心服務(wù)器接收的雨量超過設(shè)置的閾值時，就會向手機(jī)客戶端發(fā)送預(yù)警信息并且在LED警示牌上顯示積水情況。

5.3 手機(jī)客戶端接收信息模擬仿真

通過編寫相關(guān)程序軟件來實現(xiàn)手機(jī)接收信息。管理員通過管理端來實現(xiàn)維護(hù)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)并對整個系統(tǒng)后臺進(jìn)行后臺管理。用戶可以通過下載客戶端進(jìn)行預(yù)警信息的接收，如圖3所示。

圖3 客戶端軟件模擬圖

6 結(jié)語

本文通過對高速公路積水問題的研究，提供了一整套監(jiān)測系統(tǒng)。在經(jīng)常積水高速路段安裝依靠太陽能儲電的水位監(jiān)測設(shè)備，實時監(jiān)測積水情況并收集數(shù)據(jù)發(fā)送給終端，終端計算機(jī)經(jīng)過狀況分析以后傳輸給手機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)和到足夠減速距離外的LED提示燈以便提醒駕駛員前方路段有積水情況。根據(jù)所研究內(nèi)容從而形成一個更加完善的高速公路積水預(yù)警系統(tǒng)，由此最大限度解決了駕駛員在雨天對前方路段不明的判斷和不必要的人員傷亡及財產(chǎn)損失，同時也給安全出行帶來便捷舒適的環(huán)境。聯(lián)合汽車上的導(dǎo)航系統(tǒng)，對道路狀況進(jìn)行提前播報。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，可以結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)，更加快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和信息反饋。能夠高效地減少因高速路段積水而引發(fā)的長期交通事故的概率。最大限度地解決和完善在高速上由道路積水而引發(fā)的交通安全問題，具有一定的現(xiàn)實意義與較好的市場應(yīng)用前景，可以對我國道路交通安全建設(shè)提供一定的理論基礎(chǔ)和現(xiàn)實依據(jù)。