胡心語

(重慶交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院,重慶 400000)

0 引言

隨著交通強國戰(zhàn)略的實施,我國交通事業(yè)迅猛發(fā)展,正逐步向世界一流現(xiàn)代化綜合交通體系邁進。 高速公路作為“發(fā)達的快速網(wǎng)”主要組成結(jié)構(gòu)之一,不僅能夠為地區(qū)帶來經(jīng)濟效益,還能夠增強區(qū)域社會價值。高速公路在為人們的出行帶來便利的同時,也給交通安全管理帶來了較大的壓力。

目前我國處理高速公路違規(guī)占用緊急停車帶的方式有兩種:一是智能監(jiān)控技術(shù),在交通事故頻發(fā)的路段設(shè)置電子眼進行對車輛的實時監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)車輛違規(guī)占用緊急停車帶時將進行抓拍,這種監(jiān)測方式足夠智能化、不消耗人力,但是存在著一定弊端:監(jiān)測范圍不夠全面且需監(jiān)控設(shè)備一天24 小時處于工作狀態(tài),不夠環(huán)保、不具有較高的經(jīng)濟效益。 二是交警現(xiàn)場執(zhí)法,警員巡查時發(fā)現(xiàn)違規(guī)停車行為,這種監(jiān)測方式全靠人工采集且監(jiān)測頻率較低,同時監(jiān)測范圍不夠全面可能會誘導(dǎo)熟知高速公路路況的駕駛?cè)嗽跊]有監(jiān)控設(shè)備的路段占用緊急停車帶進行行駛,快至監(jiān)控范圍時提前換道至行車道的行為發(fā)生。 由于高速公路上車輛的行車速度較快,駕駛?cè)说姆磻?yīng)時間較長,若違規(guī)車輛突然變道可能導(dǎo)致駕駛?cè)藖聿患胺磻?yīng),與違規(guī)車輛產(chǎn)生碰撞從而導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。 現(xiàn)場執(zhí)法方式管理效率低,不是長效之舉,只適用于某特定情況。

鑒于上述兩種方式并不能從根本上降低違規(guī)占用緊急停車帶這一行為的發(fā)生頻率,故將彌補現(xiàn)存監(jiān)測方法的漏洞,將一種新型的智能化監(jiān)測裝置覆蓋整個高速公路網(wǎng),進行對違規(guī)行為的實時監(jiān)測。 當車輛通過激光對射陣列時,會阻斷激光發(fā)射器發(fā)出的紅外光線,激光接收器由于無法接收到紅外光信號,輸出信號發(fā)生變化,通過采集激光接收器輸出信號變化發(fā)送到監(jiān)控系統(tǒng),啟動旋轉(zhuǎn)攝像頭拍攝車輛行為,同時報警裝置開啟,利用過蜂鳴器和警示燈提示后方車輛此處緊急停車帶被占用,后臺通過NB-IoT 技術(shù)信息處理系統(tǒng)對實時拍攝視頻進行分析,對車輛進行定位和識別,智能化制定處理方案、人員分派等。

1 設(shè)計原理

本課題小組所設(shè)計的裝置工作原理大致如下:當車輛想駛?cè)刖o急停車帶時,車身會產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)角,阻礙一直處于工作狀態(tài)的激光對射模塊的正常運行。由于車身會遮擋激光對射模塊所發(fā)出的光線,激光接收器接收不到光,位于光電傳感器中光敏電阻的光學(xué)效應(yīng)會隨之發(fā)生變化——光敏電阻的阻值隨著光強的減小而減小。 只要激光裝置發(fā)出的光線被車輛切斷,處于電路中的光敏電阻阻值就會減小,使得電路中的電流增大,從而達到所連接旋轉(zhuǎn)攝像頭的工作電流,使得一直處于待機狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)攝像頭被激發(fā)成工作狀態(tài),對車輛的行為進行錄制。 同時報警裝置會被觸發(fā),即警示燈和蜂鳴器開始工作,從而提示后方車輛此處緊急停車帶被占用,避免發(fā)生追尾碰撞事故。 后臺通過窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT) 技術(shù)對監(jiān)控得到的視頻進行信息處理,判斷是否存在違法占用的行為,若存在違法占用行為,則對進入緊急停車帶的車輛進行車牌識別、定位等處理,若是事故車輛占用緊急停車帶,則智能化制定方案,控制中心進行人員調(diào)度,指派專業(yè)人員前往進行處理,具體流程如圖1 所示。

圖1 裝置流程

2 硬件構(gòu)成

該智能化監(jiān)測裝置主要由激光對射模塊和光電傳感器相結(jié)合構(gòu)成的檢測系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)攝像頭和報警裝置的監(jiān)控警示系統(tǒng)、基于窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT) 技術(shù)的信息處理系統(tǒng)三大系統(tǒng)模塊所構(gòu)成。 系統(tǒng)的組件可以分為3 個部分。

2.1 檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)將激光對射模塊與光電傳感系統(tǒng)相結(jié)合,由激光發(fā)射二極管對準目標發(fā)射激光脈沖,經(jīng)過目標反射后激光向各方向散射[1]。 部分散射光返回到傳感器接收器,被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。 雪崩光電二極管的內(nèi)部具有放大功能的,因此這種光學(xué)傳感器能檢測到非常微弱的光信號,并將光信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號。 又因為激光對射模塊發(fā)出的光束都是平行光很適合用來捕獲車輛的行駛軌跡,故它在研究裝置中起到了判斷車輛是否偏離正常的行駛路線,是否違規(guī)占用緊急停車帶的作用,以及作為光敏系統(tǒng)的承載原件,使整個裝置能順利進行下一步。

同時在激光的發(fā)射、接收裝置處都配備供電裝置,使得光傳感系統(tǒng)中光敏電阻所需要的閉合電路完全具備。 當入射光消失后,由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對將復(fù)合,光敏電阻的阻值將發(fā)生變化,當在間隔一定時間內(nèi),光照強度在這時間發(fā)生了一定的變化,經(jīng)過單片機控制光敏電阻傳感器收到光信號后轉(zhuǎn)換成電信號,控制繼電器的電位發(fā)生改變,使其達到攝像頭和報警器的工作電流時,兩者將被激發(fā)進入工作狀態(tài)。 光敏電阻對光的強弱敏感度較高,此光傳感系統(tǒng)能夠很好地銜接上激光裝置,同時能作為監(jiān)控警示系統(tǒng)的激發(fā)裝置,對整個系統(tǒng)而言起到了承上啟下的作用。

2.2 監(jiān)控警示系統(tǒng)

在車輛正常行駛,未進入緊急停車帶時,攝像頭一直處于待機狀態(tài),從而節(jié)省電量能源,并極大地延長攝像頭的使用壽命,有效地降低成本。 當間隔時間內(nèi)光照強度發(fā)生一定的變化時,由光傳感系統(tǒng)從而輸出相應(yīng)的報警電信號,該報警信號可被報警控制器接收,聯(lián)動攝像頭啟動拍攝。 旋轉(zhuǎn)攝像頭不再局限于所面對的車道,而是能夠全方位無死角地觀測車輛的行駛軌跡,完成對違規(guī)行為的實時錄制。

該裝置配有專門的報警模塊,該模塊包含蜂鳴器和警示器。 當有車輛進入緊急停車帶時,光電傳感器內(nèi)的光敏電阻阻值減小,達到報警模塊的工作電流,此時蜂鳴器和警示器內(nèi)開始工作,即提醒駕駛員緊急停車帶被占用,從而規(guī)避危險事故的發(fā)生的風險。 報警模塊的關(guān)閉必須經(jīng)由交警,避免發(fā)生違規(guī)占用緊急停車帶的司機私自關(guān)閉蜂鳴器和警示器的行為。

2.3 NB-IoT 技術(shù)信息處理系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)[2]的設(shè)備與管理平臺構(gòu)成,主要分為感知層、定位層和傳輸層3層結(jié)構(gòu)。 感知層由NB-IoT 模組的報警控制器裝置組成,當感知到車輛進入緊急停車帶并引發(fā)報警模塊時,就通過NB-IoT 模組與無線網(wǎng)絡(luò)通信。 同時,NB-IoT具有定位功能,通過OTDOA、E-CID 等包括基于WLAN和藍牙等的定位技術(shù),可以對存在車輛違規(guī)占用緊急停車帶行為的路段進行定位。 NB-IoT 模塊具備支撐連接的能力,能夠向平臺報其支持的定位技術(shù),網(wǎng)絡(luò)側(cè)依據(jù)終端的能力和當下的無線環(huán)境,選擇合適的定位技術(shù),從而實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。 傳輸層采用先進的NB-IoT 廣域通信技術(shù)[3],中國網(wǎng)絡(luò)運營商的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)接入,NB-IoT 終端接收到定位層模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)后實時轉(zhuǎn)發(fā)給NB-IoT 基站, NB-IoT 基站最終將數(shù)據(jù)發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)上指定IP 和端口的服務(wù)器。

3 創(chuàng)新特色

3.1 豎向埋設(shè)激光裝置

激光器所發(fā)射的激光為定向激光,只朝一個方向發(fā)射。 光束的發(fā)散度極小,大約只有0.001 弧度[4],接近平行。 因其具有較高的優(yōu)越性,所以它在日常生活中應(yīng)用廣泛,如激光測距、激光測速等,又因為激光檢測屬于非接觸式的檢測方式,不會影響車輛的行駛,其精度高、測量范圍大、檢測時間短還具有很高的空間分辨率,完全適用于對移動速度較快的物體進行檢測。我們項目選擇采用激光裝置檢測車輛是否存在違規(guī)行駛行為,將激光裝置順應(yīng)車道的走向埋設(shè)在車道邊緣線上。 并沒有采用一般的橫向安置方式,而是安裝在同一豎向直線上,這種埋設(shè)手法不僅不會阻礙車輛的正常行駛,還能精準定位車輛的位置,判斷其是否越線駛?cè)刖o急停車帶。

3.2 激光對射模塊與光電傳感器的有機結(jié)合

傳統(tǒng)的高速公路違章拍照原理為:地面埋設(shè)感應(yīng)線圈,橫桿架設(shè)數(shù)碼相機,當車輛經(jīng)過線圈所在路面,電子眼會感應(yīng)到汽車產(chǎn)生的壓力,通過傳感器將信號采集到中央處理器,送到寄存器暫存。 但是感應(yīng)線圈的埋設(shè)大面積破壞路面,對工人的技術(shù)水平要求高,當線圈受損后只能重新安裝,難以實施維修。 基于感應(yīng)線圈難以大范圍使用這一情況,可使用激光裝置與光敏系統(tǒng)的結(jié)合來代替線圈進行對車輛違規(guī)行為的檢測。 激光裝置容易安裝,且對其他交通破壞不大,能普遍適用于各種高速公路路面。 當光敏電阻受到脈沖光照射時,光電流要經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)定值,而在停止光照后,光電流也不會立刻為零,利用光敏電阻的時延特性,可以用來控制所連接攝像頭的打開。 激光檢測車輛是否占用車道,光敏系統(tǒng)控制攝像頭打開,兩者的有機結(jié)合可以很好地取代感應(yīng)線圈,同時保證預(yù)期效果的實現(xiàn)。

3.3 覆蓋范圍廣

高速公路現(xiàn)存的攝像頭一般都是在事故多發(fā)地段設(shè)置違章的攝像頭,監(jiān)測對象只存在于某一具體的規(guī)定的范圍內(nèi),所以其覆蓋的范圍較小。 筆者小組充分考慮這一情況,所選用的拍攝裝置不是普通的電子拍攝裝置,而是旋轉(zhuǎn)攝像頭,讓拍攝裝置具有多角度拍攝的功能。 其工作原理是主要依靠電視云臺,它是完成攝像機在垂直方向和水平方向上的高速旋轉(zhuǎn)和精確定位的基礎(chǔ)。 電視云臺主要有兩個部位機組成,分別控制著水平轉(zhuǎn)動和垂直轉(zhuǎn)動。 采用雙極性電流驅(qū)動法,通過兩個相位電流產(chǎn)生電流差,從而來驅(qū)動電動機,同時通過芯片或者FPGA 可模擬正弦波形的電波,減小兩個步進電機的步距角,最終完成云臺在水平方向和垂直方向的精確并穩(wěn)定旋轉(zhuǎn),使得課題小組研發(fā)的自動拍攝裝置的拍攝覆蓋范圍變大變廣。

3.4 軟硬件平臺聯(lián)動開發(fā)

通過激光對射模塊與光電傳感系統(tǒng)的有機結(jié)合對是否存在車輛進入緊急停車帶進行判斷,旋轉(zhuǎn)攝像頭系統(tǒng)記錄車輛行為并發(fā)送到信息處理系統(tǒng),將基于無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的NB-IoT 與有線通信技術(shù)相結(jié)合的信息處理系統(tǒng)應(yīng)用于高速公路緊急停車帶非法占用報警系統(tǒng),對采集到的行為智能化判斷并進行分類,根據(jù)不同的情況給出不同的指令,若存在非法占用的行為,則智能識別車牌并進行相關(guān)處罰,若存在車輛出現(xiàn)故障的情況,則對車輛進行定位,并調(diào)派相關(guān)人員前往現(xiàn)場。

4 展望

該裝置從解決社會安全隱患出發(fā),致力于解決高速公路上出現(xiàn)的一些違規(guī)違章行為,并且通過一系列簡單的裝置組合達到對高速公路上違規(guī)占用緊急停車帶的危險行為進行監(jiān)測的目的。 當研究成熟以后將不再局限于高速公路上使用,而是普遍適用于各種級別公路實現(xiàn)對道路上壓白線行為的監(jiān)測。 基于激光監(jiān)測車輛偏轉(zhuǎn)對占用緊急停車帶的行為進行研究,順應(yīng)時代的需要將節(jié)能環(huán)保這一理念融合在設(shè)計理念中,充分利用了激光對射模塊和光學(xué)感應(yīng)器的光學(xué)效應(yīng),發(fā)揮了NB-IoT 技術(shù)信息處理系統(tǒng)的智能優(yōu)越性,使我們整個裝置集監(jiān)、警、判、管為一體,打造新型智能化監(jiān)測車輛占用緊急停車帶系統(tǒng),在進行緊急停車帶監(jiān)測、管理和預(yù)警的同時,能夠?qū)φ加密囕v的狀態(tài)進行判斷,及時對出現(xiàn)事故的車輛進行處理,避免更大事故的發(fā)生,并且能夠?qū)`規(guī)占用的車輛及時記錄車牌和錄像,方便執(zhí)法人員進行處罰。 但是該裝置也存在一些問題,比如,高速公路處于能見度較低的情況對于激光對射模與光電傳感器的影響比較大,原因是對精度要求很高的光敏電阻,對于光的明暗變化更加敏感,所以當裝置處于霧、霾、雨、雪等天氣情況時,該裝置可能會存在一定的誤差,使得攝像頭與警報器被激發(fā)工作的頻率提高。 此外,由于激光具有沿直線傳播的這一光學(xué)特性,該裝置僅適用于小幅度彎道且距離較長的路段,不適用于在有急轉(zhuǎn)彎的地方,這就縮小了該裝置的應(yīng)用范圍。

5 結(jié)語

該裝置依據(jù)當今智能交通的發(fā)展趨勢,結(jié)合高速公路建設(shè)發(fā)展的現(xiàn)狀,利用激光對射模塊和光電傳感器,避免了在每個緊急停車帶設(shè)置24h 攝像頭,減少了人力資源的浪費,突出了環(huán)保特色,同時通過結(jié)合警示系統(tǒng)和NB-IoT 技術(shù)信息處理系統(tǒng),能夠滿足對監(jiān)測違規(guī)占用高速公路緊急停車帶的安全需求,體現(xiàn)了智能交通的便利。