一种公路护栏碰撞远程智能监控系统及监控方法

本发明涉及公路交通领域，特别是一种公路护栏碰撞远程智能监控系统及监控方法。

背景技术：

随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，汽车保有量日益增多，高速公路上的通行车流量日益增加，交通事故也随之增加，公路护栏也会受到不同程度的破坏。目前我国的公路护栏在受到破坏后一般均无法进行自动报警，且无远程监控功能，仅仅依靠事故报警或巡查人员发现，这样通常无法在第一时间发现情况并做出维修，受到破坏的公路护栏会对路过的其他车辆造成一定的安全隐患。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种公路护栏碰撞远程智能监控系统，该系统不仅能够测出车辆碰撞护栏的严重程度，而且能够立刻将碰撞情况、时间和位置发送到系统平台上，可以实现24小时的无人监控和事故报警。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种公路护栏碰撞远程智能监控系统，设置在高速公路的每一对相邻的立柱5和位于所述每一对立柱5之间的栏板9上，所述系统包括碰撞信号接收与转换装置、碰撞传动装置、终端机模块8、云计算端、中央主机和供电装置；

碰撞信号接收与转换装置包括光栅式角度传感器3、编码器支架4和高速脉冲采集模块7；

编码器支架4布置在邻近一侧立柱5处的栏板9上背离高速公路的一侧，包括与栏板9固接的垂直段和与栏板9垂直布置的水平段；光栅式角度传感器3采用增量式编码器，固接在编码器支架4的水平段上，用于将光栅式角度传感器3上转轴的角位移转换为脉冲数输出；高速脉冲采集模块7与光栅式角度传感器3通过信号线连接，通过两个高速脉冲采集通道采集来自光栅式角度传感器3的脉冲信号，进行脉冲计数；高速脉冲采集模块7和终端机模块8通过信号线连接，向终端机模块8发送脉冲数据信息；

碰撞传动装置包括钢丝绳1、轮盘2、双孔铝套、弹簧片10和吊环活节螺丝6；

轮盘2通过其中心孔安装在邻近栏板9的一侧的编码器支架4上的光栅式角度传感器3的转轴上，位于栏板9的另一侧与轮盘2位于同一水平线的位置设有螺钉11；吊环活节螺丝6通过与螺母连接，固定在栏板9位于轮盘2和螺钉11之间的位置，并且与轮盘2和螺钉11位于同一水平线；钢丝绳1的一端卷绕在轮盘2上，通过双孔铝套固定，钢丝绳1的中段穿过吊环活节螺丝6，钢丝绳1的另一端固定在螺钉11上；弹簧片10通过螺钉安装在轮盘2上，弹簧片10的水平段和编码器支架4的水平段固连，通过螺钉固定，弹簧片10的竖直段和轮盘2接触，用于提供预紧力，防止轮盘2自转；

终端机模块8是数据采集远程监控的通讯模块，用于接收来自高速脉冲采集模块7的脉冲信号，内部集成有定位模块和通信模块，定位模块能够与通讯卫星进行通信，进行实时定位；通信模块能够进行数据传输，通过4g或5g网络将脉冲数据和位置信息传送到云计算端；

中央主机，即工作人员专用的、可直接发出操控命令的、对数据进行监控的计算机，在中央主机上能够登录相关平台，读取云计算端计算得到的数据信息；

云计算端包括脉冲数据接收模块、数据计算模块、实时数据监控模块和信息报警模块；

脉冲数据接收模块和终端机模块8通过无线通讯相连接进行数据传输，接收终端机模块8发送的脉冲数据信息；

数据计算模块根据脉冲数据接收模块接收到的脉冲数据信息，进行数据运算，包括光栅式角度传感器转轴转角、钢丝绳的伸长量、车辆碰撞力和栏板形变的计算；

实时数据监控模块包括实时数据表、实时数据曲线图和实时地图位置信息，将数据计算模块计算所得到的数据输出为数据表和曲线图，并且能够接收并显示终端机模块8的经纬度位置信息和定位地图；

信息报警模块用于提醒工作人员公路护栏发生事故，通过对光栅式角度传感器3转轴转角设置阈值，当转角变化超过设置的阈值时，系统会向指定联系人发出护栏变形量的数据信息和护栏的经纬度位置信息进行报警，并且记录栏板9变形量和汽车撞击力短时间内的变化值；

供电装置包括太阳能电池板、锂电池和太阳能电池控制器，用于为整个智能护栏碰撞监控系统进行供电；

太阳能电池板固定在立柱5的一侧；太阳能电池板通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接转换成电能；

太阳能电池控制器与太阳能电池板和锂电池连接；

用光伏电缆将锂电池、太阳能电池板、高速脉冲采集模块7和终端机模块8的供电端口连接到太阳能电池控制器上，对整个系统进行供电。

高速脉冲采集模块7使用rs-485通讯技术向终端机模块8发送脉冲数据信息。

吊环活节螺丝6为多个。

高速脉冲采集模块7和终端机模块8、太阳能电池控制器和锂电池放置在一个密闭保护的箱子中，箱子位于栏板立柱背离高速公路一侧。

一种利用上述公路护栏碰撞远程智能监控系统的监控方法，包括如下步骤：

1)将光栅式角度传感器3通过螺钉固接在编码器支架4上，然后将光栅式角度传感器3和编码器支架4通过螺钉安装在背离高速公路一侧的栏板9上，将轮盘2通过中心孔安装在光栅式角度传感器3的转轴上，在栏板9上通过螺母安装吊环活节螺丝6，然后将钢丝绳1卷绕在轮盘2上，一端用双孔铝套固定在轮盘2上，另一端穿过吊环活节螺丝6，固定在栏板9另一侧的螺钉11上；轮盘2、吊环活节螺丝6和螺钉11位于同一水平线；调节弹簧片10的位置，提供适当预紧力，防止轮盘2自转；将高速脉冲采集模块7、终端机模块8、太阳能电池控制器和锂电池安装在靠近立柱5的密闭保护的箱子中，太阳能电池板放置在立柱5一侧进行固定；

2)将光栅式角度传感器3连接到高速脉冲采集模块7，然后用信号线连接高速脉冲采集模块7的rs-485通讯接口和终端机模块8的数据接收接口，最后用光伏电缆将锂电池、太阳能电池板、高速脉冲采集模块7和终端机模块8的供电端口连接到太阳能电池控制器上，对整个系统进行供电；

3)当护栏受到车辆撞击时，栏板9发生形变，钢丝绳1受力并会随之发生形变，带动轮盘2转动，从而使光栅式角度传感器3的转轴转动，发出脉冲信号，高速脉冲采集模块7通过两个高速脉冲采集通道接收来自光栅式角度传感器3的脉冲信号并进行计数，然后通过rs-485通讯将脉冲信息发送到终端机模块8，终端机模块8通过4g或5g网络将脉冲数据和位置信息传送到云计算端；

4)云计算端首先通过脉冲数据接收模块接收来自终端机模块8的脉冲数据，得到脉冲数量；

5)数据计算模块进行数据运算，计算得到光栅式角度传感器转轴转角、钢丝绳的伸长量和车辆碰撞力和栏板形变值的数据；

(1)光栅式角度传感器转轴转角的计算

其中，α为光栅式角度传感器的转轴转角，单位为°；n为光栅式角度传感器3脉冲计数；m为光栅式角度传感器转轴转一圈产生的脉冲的数量；n为光栅式角度传感器的转轴转速，单位为mm/s；t为光栅式角度传感器脉冲计数为n时所用的时间，单位为秒；d为转轴直径，单位为mm；

(2)钢丝绳伸长量的计算

其中，l1为钢丝绳伸长量，单位为mm；d为转轴直径，单位为mm；n为光栅式角度传感器3脉冲计数；m为光栅式角度传感器转轴转一圈产生的脉冲的数量；

(3)车辆碰撞力和栏板形变值的计算

栏板的作用是通过变形吸收碰撞能量，迫使失控车辆改变方向，恢复到正常的行驶方向上，能够根据光栅式角度传感器测取的转动角度得知钢丝绳1的拉出量，然后根据栏板弹性模量反算出栏板的形变量，计算出车辆撞击力的大小；

由公式4

其中，x为汽车碰撞位置与左边立柱轴线之间的距离，单位为mm；θ为卷绕端钢丝绳1变化的角度，单位为°；l为两立柱5之间栏板9的长度，单位为mm；β为固定端钢丝绳1变化的角度，单位为°；n为光栅式角度传感器3脉冲计数；m为光栅式角度传感器转轴转一圈产生的脉冲的数量；d为转轴直径，单位为mm；

联立公式4可得θ值和β值；

根据公式5，能够得到栏板形变值：

挠度：ymax＝x·tanθ公式5

其中，ymax为栏板9弯曲变形时的挠度，单位为mm；x为汽车碰撞位置与左边立柱轴线之间的距离，单位为mm；θ为卷绕端钢丝绳1变化的角度，单位为°；

根据公式6，能够得到车辆撞击力：

根据栏板9的材料，能够知道弹性模量e；根据栏板9的截面形式，能够知道栏板9的惯性矩i；

因此，能够求得

车辆撞击力：

其中，p为车辆撞击力，单位为n；e为栏板9的弹性模量，单位为mpa；i为栏板的惯性矩，单位为mm⁴；ymax为栏板9弯曲变形时的挠度，单位为mm；l为两立柱5之间栏板9的长度，单位为mm；

6)实时数据监控模块会将计算所得的光栅式角度传感器转轴转角、钢丝绳的伸长量、车辆碰撞力和栏板形变值的数据制成实时数据表和实时曲线图显示在中央主机的监控平台上，数据更新时间能够自定义设置，方便工作人员进行实时监测；同时，在监控平台上能够显示终端机模块的经纬度数据信息，也能够通过地图显示其所在位置；

7)信息报警模块能够对光栅式角度传感器转轴转角、钢丝绳伸长量、车辆碰撞力和栏板形变值的数值进行设置，当这些变量值超过阈值时，系统向指定联系人发出报警短信，并开始记录变量值的变化数据，以便于工作人员对历史数据进行分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、结构简单，成本低，可靠性高；传统的测量碰撞的方法一般采用碰撞加速度传感器直接测量，而本发明采用光栅式角度传感器，通过一个拉线，根据光栅转动角度间接的转换而成，结构简单；此外，传动的碰撞传感器对于高速护栏需要布置多个，间距小、成本高，而本发明，仅采用一个光栅传感器即可，根据护栏的长度调整钢丝绳的长度，成本低；而且钢丝绳的安装采用两端夹持的方式，通过固定螺栓的转矩，可以调整钢丝绳的预紧力，从而提高了精度和抗干扰能力。

2、当车辆撞击到高速护栏时，通讯模块可以在第一时间将碰撞情况和位置发送到监控平台，进行事故报警，方便工作人员能够及时赶到现场进行查看维修，保障过往车辆的交通安全，实现了远距离实时监测。

3、维护方便。碰撞后，重新卷绕钢丝绳即可。钢丝绳非一次性部件，可重复使用，降低了维护成本。

4、智能判断，根据转动角度，提前标定好，可以预知撞击力的大小，判断出车速等信息，为交通事故的处理提供依据。

5、可以大范围，多区域安装多个，实现多安装点组网，实现大范围同时监控。

附图说明

图1为本发明的一种公路护栏碰撞远程智能监控系统的系统工作原理图；

图2为本发明的一种公路护栏碰撞远程智能监控系统的机械连接示意图；

图3为本发明的一种公路护栏碰撞远程智能监控系统的轮盘和碰撞信号接收装置安装在护栏栏板上的示意图；

图4为本发明的一种公路护栏碰撞远程智能监控系统的汽车碰撞受力图。

附图标记：

1、钢丝绳

2、轮盘

3、光栅式角度传感器

4、编码器支架

5、立柱

6、吊环活节螺丝

7、高速脉冲采集模块

8、终端机模块

9、栏板

10、弹簧片

11、螺钉

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1～图4所示，一种公路护栏碰撞远程智能监控系统，包括碰撞信号接收与转换装置、碰撞传动装置、终端机模块8、云计算端、中央主机和供电装置。

一种公路护栏碰撞远程智能监控系统设置在高速公路的每一对相邻的立柱5和位于所述每一对立柱5之间的栏板9上。

碰撞信号接收与转换装置包括光栅式角度传感器3、编码器支架4和高速脉冲采集模块7。

编码器支架4布置在邻近一侧立柱5处的栏板9上背离高速公路的一侧，包括与栏板9固接的垂直段和与栏板9垂直布置的水平段。光栅式角度传感器3采用增量式编码器，固接在编码器支架4的水平段上，用于将光栅式角度传感器3上转轴的角位移转换为脉冲数输出。高速脉冲采集模块7与光栅式角度传感器3通过信号线连接，通过两个高速脉冲采集通道采集来自光栅式角度传感器3的脉冲信号，进行脉冲计数。高速脉冲采集模块7和终端机模块8通过信号线连接，向终端机模块8发送脉冲数据信息。优选地，高速脉冲采集模块7使用rs-485通讯技术向终端机模块8发送脉冲数据信息。

碰撞传动装置包括钢丝绳1、轮盘2、双孔铝套、弹簧片10和吊环活节螺丝6。

轮盘2通过其中心孔安装在邻近栏板9的一侧的编码器支架4上的光栅式角度传感器3的转轴上，位于栏板9的另一侧与轮盘2位于同一水平线的位置设有螺钉11。吊环活节螺丝6通过与螺母连接，固定在栏板9位于轮盘2和螺钉11之间的位置，并且与轮盘2和螺钉11位于同一水平线。钢丝绳1的一端卷绕在轮盘2上，通过双孔铝套固定，钢丝绳1的中段穿过吊环活节螺丝6，钢丝绳1的另一端固定在螺钉11上。因为钢丝绳1较细，重量较小，为防止大风天气钢丝绳1过度摆动，使其穿过固定的吊环活节螺丝6，起到防止摆动以及下垂的作用，以防止钢丝绳1下垂。根据栏板9实际安装情况确定吊环活节螺丝6的数量，如果钢丝绳下垂较为严重，则安装多个吊环活节螺丝6。弹簧片10通过螺钉安装在轮盘2上，弹簧片10的水平段和编码器支架4的水平段固连，通过螺钉固定，弹簧片10的竖直段和轮盘2接触，用于提供预紧力，防止轮盘2自转。钢丝绳1能够承受多种载荷及变载荷的作用，且具有较高的抗拉强度、抗疲劳强度和抗冲击韧性。当车辆撞击栏板9的时候，栏板9发生形变，钢丝绳1受力并会随之发生形变，带动轮盘2转动，从而使光栅式角度传感器3的转轴转动。

光栅式角度传感器3将转轴转过的角度值转化为脉冲数输出，高速脉冲采集模块7通过两个高速脉冲采集通道接收来自光栅式角度传感器3的脉冲信息进行计数，通过rs-485通讯将脉冲数量发送到终端机模块8。

终端机模块8是数据采集远程监控的通讯模块，用于接收来自高速脉冲采集模块7的脉冲信号，内部集成有定位模块和通信模块，定位模块可以与通讯卫星进行通信，进行实时定位。通信模块能够进行数据传输，通过4g或5g网络将脉冲数据和位置信息传送到云计算端。

中央主机，即工作人员专用的、可直接发出操控命令的、对数据进行监控的计算机，在中央主机上可以登录相关平台，读取云计算端计算得到的数据信息。

云计算端包括脉冲数据接收模块、数据计算模块、实时数据监控模块和信息报警模块。

脉冲数据接收模块和终端机模块8通过无线通讯相连接进行数据传输，接收终端机模块8发送的脉冲数据信息。

数据计算模块根据脉冲数据接收模块接收到的脉冲数据信息，进行数据运算，包括光栅式角度传感器转轴转角、钢丝绳的伸长量、车辆碰撞力和栏板形变的计算。

实时数据监控模块包括实时数据表、实时数据曲线图和实时地图位置信息，将数据计算模块计算所得到的数据输出为数据表和曲线图，并且可以接收并显示终端机模块8的经纬度位置信息和定位地图。

信息报警模块用于提醒工作人员公路护栏发生事故，通过对光栅式角度传感器3转轴转角设置阈值，当转角变化超过设置的阈值时，系统会向指定联系人发出护栏变形量的数据信息和护栏的经纬度位置信息进行报警，并且会记录栏板9变形量和汽车撞击力短时间内的变化值，便于后期事故分析。

供电装置包括太阳能电池板、锂电池和太阳能电池控制器，用于为整个智能护栏碰撞监控系统进行供电。

太阳能电池板固定在立柱5的一侧。太阳能电池板通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接转换成电能。

锂电池对整个系统进行供电。

太阳能电池控制器与太阳能电池板和锂电池连接，用于进行防反冲保护、短路保护和过充过放保护，防止锂电池的过充过放，可以提高锂电池的使用寿命，同时进行锂电池的电压电量显示。

用光伏电缆将锂电池、太阳能电池板、高速脉冲采集模块7和终端机模块8的供电端口连接到太阳能电池控制器上，对整个系统进行供电。

为了避免恶劣天气的影响，将高速脉冲采集模块7和终端机模块8、太阳能电池控制器和锂电池放置在一个密闭保护的箱子中，箱子位于栏板立柱背离高速公路一侧。

利用上述公路护栏碰撞远程智能监控系统的监控方法，包括如下步骤：

1、将光栅式角度传感器3通过螺钉固接在编码器支架4上，然后将光栅式角度传感器3和编码器支架4通过螺钉安装在背离高速公路一侧的栏板9上，将轮盘2通过中心孔安装在光栅式角度传感器3的转轴上，在栏板9上通过螺母安装吊环活节螺丝6，然后将钢丝绳1卷绕在轮盘2上，一端用双孔铝套固定在轮盘2上，另一端穿过吊环活节螺丝6，固定在栏板9另一侧的螺钉11上。轮盘2、吊环活节螺丝6和螺钉11位于同一水平线。调节弹簧片10的位置，提供适当预紧力，防止轮盘2自转。将高速脉冲采集模块7、终端机模块8、太阳能电池控制器和锂电池安装在靠近立柱5的密闭保护的箱子中，太阳能电池板放置在立柱5一侧进行固定。

2、将光栅式角度传感器3连接到高速脉冲采集模块7，然后用信号线连接高速脉冲采集模块7的rs-485通讯接口和终端机模块8的数据接收接口，最后用光伏电缆将锂电池、太阳能电池板、高速脉冲采集模块7和终端机模块8的供电端口连接到太阳能电池控制器上，对整个系统进行供电。

3、当护栏受到车辆撞击时，栏板9发生形变，钢丝绳1受力并会随之发生形变，带动轮盘2转动，从而使光栅式角度传感器3的转轴转动，发出脉冲信号，高速脉冲采集模块7通过两个高速脉冲采集通道接收来自光栅式角度传感器3的脉冲信号并进行计数，然后通过rs-485通讯将脉冲信息发送到终端机模块8，终端机模块8通过4g或5g网络将脉冲数据和位置信息传送到云计算端。

4、云计算端首先通过脉冲数据接收模块接收来自终端机模块8的脉冲数据，得到脉冲数量。

5、数据计算模块进行数据运算，计算得到光栅式角度传感器转轴转角、钢丝绳的伸长量和车辆碰撞力和栏板形变值的数据。

(1)光栅式角度传感器转轴转角的计算

其中，α为光栅式角度传感器的转轴转角，单位为°；n为光栅式角度传感器3脉冲计数；m为光栅式角度传感器转轴转一圈产生的脉冲的数量；n为光栅式角度传感器的转轴转速，单位为mm/s；t为光栅式角度传感器脉冲计数为n时所用的时间，单位为秒；d为转轴直径，单位为mm。

(2)钢丝绳伸长量的计算

其中，l1为钢丝绳伸长量，单位为mm；d为转轴直径，单位为mm；n为光栅式角度传感器3脉冲计数；m为光栅式角度传感器转轴转一圈产生的脉冲的数量。

(3)车辆碰撞力和栏板形变值的计算

栏板的作用是通过变形吸收碰撞能量，迫使失控车辆改变方向，恢复到正常的行驶方向上，能够根据光栅式角度传感器测取的转动角度得知钢丝绳1的拉出量，然后根据栏板弹性模量反算出栏板的形变量，计算出车辆撞击力的大小。

由公式4

其中，x为汽车碰撞位置与左边立柱轴线之间的距离，单位为mm；θ为卷绕端钢丝绳1变化的角度，单位为°；l为两立柱5之间栏板9的长度，单位为mm；β为固定端钢丝绳1变化的角度，单位为°；n为光栅式角度传感器3脉冲计数；m为光栅式角度传感器转轴转一圈产生的脉冲的数量；d为转轴直径，单位为mm。

联立公式4可得θ值和β值。

根据公式5，能够得到栏板形变值：

挠度：ymax＝x·tanθ公式5

其中，ymax为栏板9弯曲变形时的挠度，单位为mm；x为汽车碰撞位置与左边立柱轴线之间的距离，单位为mm；θ为卷绕端钢丝绳1变化的角度，单位为°。

根据公式6，能够得到车辆撞击力：

根据栏板9的材料，能够知道弹性模量e；根据栏板9的截面形式，能够知道栏板9的惯性矩i。

因此，可以求得

车辆撞击力：

其中，p为车辆撞击力，单位为n；e为栏板9的弹性模量，单位为mpa；i为栏板的惯性矩，单位为mm⁴；ymax为栏板9弯曲变形时的挠度，单位为mm；l为两立柱5之间栏板9的长度，单位为mm。

6、实时数据监控模块会将计算所得的光栅式角度传感器转轴转角、钢丝绳的伸长量、车辆碰撞力和栏板形变值的数据制成实时数据表和实时曲线图显示在中央主机的监控平台上，数据更新时间能够自定义设置，方便工作人员进行实时监测。同时，在监控平台上可以显示终端机模块的经纬度数据信息，也可以通过地图显示其所在位置。

7、信息报警模块可以对光栅式角度传感器转轴转角、钢丝绳伸长量、车辆碰撞力和栏板形变值的数值进行设置，当这些变量值超过阈值时，系统向指定联系人发出报警短信，并开始记录变量值的变化数据，以便于工作人员对历史数据进行分析。