CN105702032B - 一种路侧事故监测和报警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种路侧事故监测和报警系统，包括通过无线网络依次连接的数据采集模块、数据处理模块及事故信息发布模块，所述的数据采集模块包括用于采集路侧护栏振动信息的加速度传感器和Zigbee通信单元，所述的数据采集模块通过所述的Zigbee通信单元与数据处理模块通信，所述的数据处理模块包括依次连接的数据接收单元、数据处理单元及3G远程单元，所述的数据接收单元用于接收加速度传感器采集的加速度数据，所述的事故信息发布模块用于接收和发布报警信息，并存储加速度数据。与现有技术相比，本发明具有定位准确、速度快等优点，弥补了现有路侧事故监测系统的不足。
Description
技术领域
本发明属于道路事故监测和信息自动采集技术领域，尤其是涉及一种路侧事故监测和报警系统。
背景技术
汽车冲撞防护栏是高速公路上常见的安全事故之一，我国14％的道路交通事故由车辆侧撞护栏造成，常因事故处理不及时而造成救援延误，导致公路通行能力下降甚至局部公路运输瘫痪，并诱发二次事故，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。建立高速公路交通事故监测系统，有利于及时发现交通事故，获知事故发生地，从而加快事故处理响应速度，减少经济损失，并可积累交通事故相关数据进行整理和深入分析，为交通管理部门避免事故的再发生提出有效的控制措施，为交通安全改进方法的实施提供科学依据。
目前，我国高速公路路侧事故监测方法主要包括电话上报、巡警巡逻和视频监控。群众电话上报方式及时性差，且上报人难以描述事故发生的准确位置；巡警巡逻的方式难以保证事故监测的及时性，耗费大量人力；视频监控减少了事故监测的人力消耗，但监控系统的建设投资巨大，且存在监控死角。总之，现有的事故监测手段效率低下，人力财力成本高、难以保证事故处理的响应速度和事故信息记录的完整性和准确性。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种定位准确、响应快速、自动化程度高的路侧事故监测和报警系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种路侧事故监测和报警系统，包括通过无线网络依次连接的数据采集模块、数据处理模块及事故信息发布模块，
所述的数据采集模块包括用于采集路侧护栏振动信息的加速度传感器和 Zigbee通信单元，所述的数据采集模块通过所述的Zigbee通信单元与数据处理模块通信，加速度传感器为电容式重力加速度传感器。
所述的数据处理模块包括依次连接的数据接收单元、数据处理单元及3G远程单元，所述的数据接收单元用于接收加速度传感器采集的加速度数据，所述的数据处理单元用于分析处理加速度数据，所述的3G远程单元用于向事故信息发布模块传送加速度数据和报警信息，
所述的事故信息发布模块用于接收和发布报警信息，并存储加速度数据。
所述的数据采集模块还包括相互连接的第一单片机和为第一单片机供电的第一电源，所述的Zigbee通信单元和加速度传感器均与第一单片机连接，第一电源为3.6～5V的蓄电池，通过稳压芯片进行供电。
所述的数据处理模块还包括相互连接的第二单片机和为第二单片机供电的第二电源，所述的数据接收单元、数据处理单元及3G远程单元均与第二单片机连接，第二电源为3.6～5V的蓄电池，通过稳压芯片进行供电。
所述的数据处理单元中设有用于处理加速度数据的数据处理器和用于生成报警信息的报警信息生成器。数据处理器根据碰撞判断算法、定位算法及烈度分级算法处理加速度数据。事先将这些算法写入数据处理器的芯片中。
所述的数据处理器的工作过程如下：
(1)求出加速度数据的均方根值，并判断是否发生碰撞，如果是，则执行步骤(2)，否则，不做处理；若均方根超过设定值，则判定发生碰撞；
(2)运用三次样条插值函数作出加速度均方根值沿空间坐标的分布图，找到极值点并作为碰撞点位置；
(3)根据K-Means聚类算法对加速度均方根值进行聚类分析，对应不同程度的碰撞烈度。
所述的三次样条插值函数中自然边界条件取S”(x0)＝S”(xn)＝0。
所述的事故信息发布模块包括依次连接的信息接收服务器、数据库单元及报警信息显示单元。
所述的数据采集模块按设定间距均匀布置在高速公路路侧防护栏跨中部位的外侧，实时检测垂直于防护栏走向的水平加速度。
所述的数据采集模块由高强度工程塑料保护外壳封装，并向外延伸出天线。
所述的事故信息发布模块设置在高速公路工作站。
本发明的第一单片机、Zigbee通信单元、加速度传感器及第一电源均设置在一面包板上，构成无线传感器网络节点。
本系统的工作过程如下：
(1)选取合适的加速度传感器、Zigbee通信单元和蓄电池，在面包板上制成数据采集模块；
(2)将数据采集模块固定于公路路侧护栏的跨中外侧部位，数据采集模块布置的间距根据Zigbee通信单元的有效最大传输距离确定，并保证一定的冗余；
(3)数据处理模块的铺设间距根据数据采集模块中Zigbee通信单元的有效最大传输距离确定，其布置亦需保证一定的冗余度；
(4)数据采集模块不断向数据处理模块发送加速度传感器的检测数据；
(5)当汽车撞击路侧护栏时，数据处理模块内嵌的数据处理单元将检测到数据异常，并对数据进行处理，得到包括碰撞点位置、碰撞烈度在内的报警信息，并向管理中心发布事故警报；
(6)事故警报通过3G无线网络传输至高速公路工作站内的事故信息发布模块；
(7)高速公路工作站接收到事故警报后，按数据处理模块MAC地址(唯一标识)获取数据处理模块位置，从而确定事故发生地位置，并进行事故处理；
(8)高速公路工作站接收的事故相关信息可自动存入数据库单元，用于后续分析。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用Zigbee通信单元和3G远程单元进行无线传输，具有经济易行、无需布线、组网速度快等特点，成本低，易推广；
(2)本发明可克服传统道路事故监测方法人力物力耗费大、效率低下的缺点，有利于实现高速公路交通事故监测的智能化；
(3)事故信息发布模块中有数据库单元能实现事故信息数据的自动存储积累，可为事故原因分析提供有力的数据支持。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图；
图2为本发明的系统工作流程图；
图3为数据采集模块的结构框图；
图4为数据处理模块的结构框图；
图5为双向四车道高速公路上数据采集模块布置示意图；
图中标识为：A数据采集模块，B数据处理模块，C事故信息发布模块，1Zigbee通信单元，2第一单片机，3第一电源，4第二电源，5第二单片机，6数据接收单元，7数据处理单元，8 3G远程单元，9信息接收服务器，10数据库单元，11报警信息显示单元，12加速度传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种路侧事故监测和报警系统，包括通过无线网络依次连接的数据采集模块A、数据处理模块B及事故信息发布模块C，如图3所示，数据采集模块A包括用于采集路侧护栏振动信息的加速度传感器12、Zigbee通信单元1，相互连接的第一单片机2和为第一单片机2供电的第一电源3，Zigbee通信单元1和加速度传感器均与第一单片机2连接，第一电源3为3.6～5V的蓄电池，容量>6000mAh；通过稳压芯片进行供电，数据采集模块A通过Zigbee通信单元1与数据处理模块B通信，本实施例中加速度传感器12是型号为ADXL103的电容式重力加速度传感器12，LLC封装。Zigbee通信单元1是型号为CC2530F256的Zigbee芯片，支持2.4GHz IEEE 802.15.4协议数据收发；稳压芯片型号为AMS1117-3.3，输出电压3.3V，输入电压4.3-15V，SOT-223封装。如图3所示为本实施例数据采集模块A的连接框图。第一单片机2、Zigbee通信单元1、加速度传感器12及第一电源3均设置在一面包板上，由高强度工程塑料保护外壳封装，并向外延伸出天线，构成无线传感器网络节点，并按设定间距均匀布置在高速公路路侧防护栏跨中部位的外侧，实时检测垂直于防护栏走向的水平加速度。
数据采集模块A工作时，加速度传感器12建议频率为20Hz，量程为±10g，精度为0.1g(g为重力加速度)。
如图4所示，数据处理模块B包括依次连接的数据接收单元6、数据处理单元 7、3G远程单元8及相互连接的第二单片机5和为第二单片机5供电的第二电源4，数据接收单元6用于接收加速度传感器12采集的加速度数据，数据处理单元7用于分析处理加速度数据，3G远程单元8用于向事故信息发布模块C传送加速度数据和报警信息，数据接收单元6、数据处理单元7及3G远程单元8均与第二单片机5连接，第二电源4为7～8V的蓄电池，容量>1000mAh，通过稳压芯片进行供电，稳压芯片型号为LM1085，输入电源电压，输出5.0V。LM1117-ADJ，输入5.0V，输出4.0V，AMS1117-3.3，输入5.0V，输出3.3V。数据接收单元6是型号为CC2530F256的Zigbee芯片，支持2.4GHz IEEE 802.15.4协议数据收发，外围电路简单，拥有12位8通道ADC转换，RHA封装。3G远程单元8是型号为SIM900A的GSM芯片，支持GPRS/WCDMA标准，供电3.4-4.5V，UART接口配置。第一单片机2和第二单片机5相同，型号为STM32，封装LQFP32，具有UART通讯功能。
数据处理模块B工作时，稳压芯片LM1085经电源电压输入后稳压5V给数据处理单元7和为后续稳压芯片供电，AMS1117-3.3经5V输入稳压3.3V给数据接收单元6供电，可调输出芯片LM1117-ADJ输入5V输出4V给3G远程单元8供电。
数据处理单元7供电2.8-6V，具有UART接口，其中设有用于处理加速度数据的数据处理器和用于生成报警信息的报警信息生成器，其中，数据处理器根据碰撞判断算法、定位算法及烈度分级算法处理加速度数据。事先将这些算法写入数据处理器的芯片中。
数据处理器的工作过程如下：
(1)求出加速度数据的均方根值，并判断是否发生碰撞，如果是，则执行步骤(2)，否则，不做处理；
(2)运用三次样条插值函数作出加速度均方根值沿空间坐标的分布图，找到极值点并作为碰撞点位置，其中，三次样条插值函数中自然边界条件取S”(x0)＝S”(xn)＝0；
(3)根据K-Means聚类算法对加速度均方根值进行聚类分析，对应不同程度的碰撞烈度。
事故信息发布模块C包括依次连接的信息接收服务器9、数据库单元10及报 警信息显示单元11，用于接收和发布报警信息，并存储加速度数据。事故信息发布模块C设置在高速公路工作站。
如图2所示，本系统的工作过程如下：
(1)选取合适的加速度传感器12、Zigbee通信单元1和蓄电池，在面包板上制成数据采集模块A；
(2)将数据采集模块A固定于公路路侧护栏的跨中外侧部位，数据采集模块A布置的间距根据Zigbee通信单元1的有效最大传输距离确定，并保证一定的冗余；
(3)数据处理模块B的铺设间距根据数据采集模块A中Zigbee通信单元1的有效最大传输距离确定，其布置亦需保证一定的冗余度；
(4)数据采集模块A不断向数据处理模块B发送加速度传感器12的检测数据；
(5)当汽车撞击路侧护栏时，位于防护栏上的加速度传感器12采用泛洪法向临数据处理模块B发出路由请求，用基于能量的数据处理模块B选择算法选择数据处理模块B，经过定向扩散路由协议在数据采集模块A和数据处理模块B间建立路由，将垂直于护栏走向的水平加速度值传至数据处理模块B，数据处理模块B内的数据处理单元7对加速度数据进行检测碰撞、定位碰撞点、分级碰撞烈度等一系列算法演算后，得到碰撞报警信息。碰撞报警信息和原始加速度数据通过3G远程单元8发送到事故信息发布模块C，由高速公路工作站发布报警信息，并将原始数据存入数据库单元10；
(6)事故警报通过3G无线网络传输至高速公路工作站内的事故信息发布模块C；
(7)高速公路工作站接收到事故警报后，按数据处理模块BMAC地址(唯一标识)获取数据处理模块B位置，从而确定事故发生地位置，并进行事故处理；
(8)高速公路工作站接收的事故相关信息可自动存入数据库单元10，用于后续分析。
此外，本系统各组成部分的空间布设方案和设备的功耗、成本分析如下：
(1)空间布设
系统布设时，由于受Zigbee通信单元1有效传输距离的限制，建议数据采集 模块A在防护栏上的布设间距L的取值范围为400-600米，并且以双向四车道高速公路为例，道路内、外侧栏杆上的数据采集设备应交错布置以提高节点覆盖率和重叠度，提高系统工作精度，布设方案如图5所示。
数据处理模块B与数据采集模块A的布设密度比例建议为1:20。
事故信息发布模块C布设在高速公路沿线工作站处。
(2)数据采集模块A功耗分析
通信芯片CC2530F25睡眠模式电流1uA，发送模式电流29mA，接收模式电流24mA。加速度传感器12芯片ADXL103正常工作电流0.7mA，稳压芯片AMS1117-3.3效率与电池压降相关。正常情况无事故发生，CC2530F25睡眠模式电流忽略，节点能耗集中在加速度传感器12芯片消耗，每月能耗约500mAh。建议配置容量>6000mAh的蓄电池，预计更换时间为1年。
(3)数据采集模块A成本分析
数据采集设备中各芯片成本与外围电路元件(开关、指示灯、按键等)成本总计约30元。按铺设间距L＝500m计算，每千公里设备成本约为24万元。
(4)数据处理模块B功耗分析
数据处理模块B节点正常能耗约每月1000mAh。建议配置容量>6000mAh电池，预计更换时间为半年。
(5)数据处理模块B成本分析
数据处理模块B中各模块芯片与外围电路元件(开关、指示灯、按键等)成本总计约250元。按与数据采集模块A铺设间距1:20的比例布置，每千公里设备成本约10万元。
应当理解的是，上述内容仅用于示例性说明或解释本发明的原理和典型实施方式，而不构成对本发明的限制。因此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内的修改、替换等，都应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种路侧事故监测和报警系统，其特征在于，包括通过无线网络依次连接的数据采集模块、数据处理模块及事故信息发布模块，
所述的数据采集模块包括用于采集路侧护栏振动信息的加速度传感器和Zigbee通信单元，所述的数据采集模块通过所述的Zigbee通信单元与数据处理模块通信，
所述的数据处理模块包括依次连接的数据接收单元、数据处理单元及3G远程单元，所述的数据接收单元用于接收加速度传感器采集的加速度数据，所述的数据处理单元用于分析处理加速度数据，所述的数据处理单元中设有用于处理加速度数据的数据处理器和用于生成报警信息的报警信息生成器，所述的3G远程单元用于向事故信息发布模块传送加速度数据和报警信息，
所述的事故信息发布模块用于接收和发布报警信息，并存储加速度数据；
数据采集模块不断向数据处理模块发送加速度传感器的检测数据；当汽车撞击路侧护栏时，数据处理模块内嵌的数据处理单元将检测到数据异常，并对数据进行处理，得到包括碰撞点位置、碰撞烈度在内的报警信息，并向管理中心发布事故警报；事故警报通过3G无线网络传输至高速公路工作站内的事故信息发布模块，
所述的数据处理器的工作过程如下：
(1)求出加速度数据的均方根值，并判断是否发生碰撞，如果是，则执行步骤(2)，否则，不做处理；
(2)运用三次样条插值函数作出加速度均方根值沿空间坐标的分布图，找到极值点并作为碰撞点位置；
(3)根据K-Means聚类算法对加速度均方根值进行聚类分析，对应不同程度的碰撞烈度。
2.根据权利要求1所述的一种路侧事故监测和报警系统，其特征在于，所述的数据采集模块还包括相互连接的第一单片机和为第一单片机供电的第一电源，所述的Zigbee通信单元和加速度传感器均与第一单片机连接。
3.根据权利要求1所述的一种路侧事故监测和报警系统，其特征在于，所述的数据处理模块还包括相互连接的第二单片机和为第二单片机供电的第二电源，所述的数据接收单元、数据处理单元及3G远程单元均与第二单片机连接。
4.根据权利要求1所述的一种路侧事故监测和报警系统，其特征在于，所述的三次样条插值函数中自然边界条件取S”(x0)＝S”(xn)＝0。
5.根据权利要求1所述的一种路侧事故监测和报警系统，其特征在于，所述的事故信息发布模块包括依次连接的信息接收服务器、数据库单元及报警信息显示单元。
6.根据权利要求1所述的一种路侧事故监测和报警系统，其特征在于，所述的数据采集模块按设定间距均匀布置在高速公路路侧防护栏跨中部位的外侧，实时检测垂直于防护栏走向的水平加速度。
7.根据权利要求1所述的一种路侧事故监测和报警系统，其特征在于，所述的数据采集模块由高强度工程塑料保护外壳封装。
8.根据权利要求1所述的一种路侧事故监测和报警系统，其特征在于，所述的事故信息发布模块设置在高速公路工作站。
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