本发明涉及公路养护安全防控与智能化管理，具体涉及一种集成ai视频实时感知、多维度预警、远程协同管理于一体的公路养护现场防车辆闯入与隐患自查预警系统，适用于高速公路、国省干线公路、城市道路等各类养护作业场景，可实现作业区外部车辆闯入风险防控与内部隐患、“三违”行为的全流程智能化监管。
背景技术：
1、公路作为交通运输体系的核心基础设施，其养护作业的常态化开展是保障道路通行能力、延长道路使用寿命、降低交通事故发生率的关键。然而，养护作业现场通常处于开放交通环境中，作业区与通行车道相邻，安全风险极高。当前，公路养护现场面临两大核心安全问题：
2、一是社会车辆闯入风险，过往社会车辆因车速过快、操作不当或警示不及时等原因，闯入养护作业区的情况频发，直接威胁作业人员生命安全，造成养护设备损坏和作业进度延误；
3、二是作业区内隐患与“三违”行为（违章指挥、违章操作、违反劳动纪律）防控不足，设备摆放不规范、安全警示标志缺失、作业人员未按规定佩戴防护用品、违规操作设备等问题，易引发二次安全事故。
4、传统养护现场安全管理主要依赖人工监管，存在监管范围有限、实时性差、人力成本高、易出现人为疏忽等固有缺陷。现有部分预警设备多为单一功能设计，如独立的警示灯、普通摄像头等，缺乏ai智能识别能力，无法主动判断车辆闯入风险和作业区隐患；部分同类系统存在可移动性差、识别精度低、预警响应滞后、软硬件兼容性不足等问题，且未形成“识别-预警-监管-整改”的闭环管理，难以满足现代化公路养护作业的动态安全管理需求。
5、随着人工智能、物联网、云计算等技术的快速发展，智能化监管已成为公路养护安全管理的发展趋势。现有部分相关技术方案中，虽有采用摄像头结合简单算法进行监控的尝试，但普遍存在以下缺陷：
6、一是可移动性差，多数设备固定安装，难以适配不同位置、不同规模的养护作业场景；
7、二是识别精度不足，算法模型缺乏针对养护现场复杂环境的专项训练，对车辆闯入风险、隐患及“三违”行为的误判率、漏判率较高；
8、三是预警方式单一，多仅依赖灯光或声音单一警示，警示效果有限，且未实现现场预警与远程提醒的协同；
9、四是系统兼容性与扩展性不足，软硬件协同性差，难以根据实际需求进行功能升级与场景适配；
10、五是缺乏完整的管理闭环，仅能实现“识别-预警”环节，未涉及隐患整改、行为纠正、数据统计分析等后续管理流程。
11、因此，研发一种具备高可移动性、高精度识别、多维度预警、全流程管理能力的ai视频感知预警系统，解决现有技术的不足，提升公路养护现场的安全防控水平与管理效率，具有重要的现实意义与应用价值。
技术实现思路
1、本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种公路养护现场ai视频感知防车辆闯入与隐患自查预警系统，具体解决以下技术问题：
2、1、实现社会车辆闯入作业区的精准识别与实时预警，解决传统防控手段预警滞后、识别精度低的问题，降低车辆闯入引发的安全事故风险；
3、2、实现作业区内环境隐患与人员“三违”行为的智能化、全时段识别与及时提醒，解决人工监管效率低、易遗漏的问题，推动隐患自查自纠与“三违”行为实时管控；
4、3、提升系统的可移动性与环境适应性，使其能够快速部署于不同类型、不同位置的养护作业场景，适应户外复杂的气候与光照条件；
5、4、构建“识别-预警-监管-整改-追溯”的完整管理闭环，实现远程实时监控、历史数据追溯、统计分析等功能，提升养护安全管理的精细化水平；
6、5、保障系统软硬件协同工作的稳定性与兼容性，具备良好的可扩展性，支持后续算法优化、功能升级与硬件设备扩容。
7、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种公路养护现场ai视频感知防车辆闯入与隐患自查预警系统，采用分层架构设计，包括感知层、传输层、平台层和应用层，各层协同工作，实现车辆闯入识别预警、隐患与“三违”行为自查预警及远程监控管理功能，具体技术方案如下：
8、（一）感知层
9、感知层作为系统的数据采集与现场预警终端，集成数据采集、智能识别、声光预警等功能，包括第一ai摄像头、第二ai摄像头、可控频闪报警灯、扩音喇叭、可升降杆及可固定卡座，具体结构与参数如下：
10、1、第一ai摄像头：专门用于社会车辆闯入识别，部署于养护作业区上游过渡区侧，用于实时监测过往车辆的运行状态。该摄像头采用高清图像传感器，分辨率不低于1080p，帧率不低于30fps，具备高速动态物体捕捉能力，可精准获取车辆的轮廓、颜色、车牌等特征信息及运行轨迹、实时速度数据；内置高性能ai芯片，支持复杂车辆运行轨迹与速度分析算法的本地运行，具备快速数据处理与风险判断能力；外壳采用防水、防尘、抗干扰设计，防护等级不低于ip67，工作温度范围为-30℃至+60℃，可适应高温、低温、雨雪、沙尘等户外复杂环境。
11、2、第二ai摄像头：专门用于作业区隐患与“三违”行为识别，部署于作业区侧，用于覆盖作业区域内的环境与人员动态。该摄像头分辨率不低于1080p，配备广角镜头，水平视场角不小于120°，可实现作业区的大范围覆盖；内置红外夜视模块，在夜间或光线不足（照度低于0.1lux）的环境下可自动切换至夜视模式，确保图像采集清晰度；集成作业区隐患识别算法与人员“三违”行为识别算法，具备本地实时分析与特征匹配能力；同样具备ip67级防水防尘性能及-30℃至+60℃的宽温工作范围，适应养护现场的复杂环境。
12、3、可控频闪报警灯：作为现场视觉预警设备，整体呈长条形扁平壳体结构，壳体主体采用深灰色硬质工程塑料材质，兼具轻便性与抗冲击性；长度方向两端设置红色led发光区，中部设置蓝色led发光区，发光区均采用内凹式矩形透光面罩，面罩材质为高透光pc材料，可增强光线穿透力；每个发光区内置多颗高亮度led灯珠，单颗灯珠亮度不低于8000mcd，支持常亮、频闪、爆闪等多种发光模式切换，频闪频率可在5-20hz范围内调节，确保不同距离、不同环境下的警示效果；示警灯底部通过两个对称分布的小型连接支架与安装座固定，安装座为圆柱形金属件，表面经防锈处理，与可升降杆顶端同轴连接，连接方式采用螺栓紧固，确保结构稳定性。
13、4、扩音喇叭：共配置两个，分别与第一ai摄像头、第二ai摄像头对应联动，实现定向警示。喇叭采用圆台形结构，喇叭口直径大于后端直径（喇叭口直径为15-20cm，后端直径为8-12cm），与摄像头壳体后端采用一体化注塑成型，结构紧凑；喇叭口朝向水平外侧，确保警示语音定向传播，减少对作业区内部的干扰；喇叭支持多种声音报警模式，声音强度可在60-120db范围内调节，预存“您已超速，减速慢行”“前方施工、请速变道”“注意避让，作业区危险”“您已违章，请速整改”“车辆侧向闯入，请速撤离”“未佩戴安全防护用品，请勿作业”等多组警示语音，可根据不同预警场景自动切换播放；喇叭内置防水防尘网，防护等级不低于ip65，适应户外环境。
14、5、可升降杆：采用液压升降立柱结构，为可伸缩多节圆柱形金属杆，材质为高强度铝合金，兼具轻量化与承载能力；外表面呈细密的竖向条纹状纹理，既增强结构强度，又提升美观度；立柱包含固定下段与伸缩上段，下段直径大于上段（下段直径为8-10cm，上段直径为5-7cm），伸缩段可沿轴向平稳升降，最大升降高度可达4m，升降速度为0.1-0.2m/s，可通过远程控制或本地按钮调节高度，满足不同作业场景的监控覆盖需求；立柱下段外侧设有两道环形金属加固箍，箍体材质为不锈钢，表面光滑，与立柱同轴贴合，通过螺栓紧固，增强立柱的抗风载与抗冲击能力；立柱底端与圆柱形液压驱动仓连接，驱动仓为灰色密闭壳体，内置液压泵、电磁阀、控制器等升降控制部件，驱动仓底部设有防滑减震垫，减少设备运行时的振动影响。
15、6、可固定卡座：用于将系统整体固定于作业车辆或现场固定结构，包括两组对称分布的金属卡扣结构，每组卡扣由弧形夹紧片与锁紧螺栓组成；弧形夹紧片采用不锈钢材质，内侧设有防滑橡胶垫，与液压升降立柱下段的外圆柱面适配贴合，可增强夹紧摩擦力，避免固定松动；卡扣的固定端通过螺栓与皮卡车货箱金属护栏、翻斗车护栏或现场固定支架连接，螺栓穿过护栏预留孔或支架安装孔实现锁紧，适配不同规格的固定载体；两组卡扣沿立柱轴向间隔分布，间距为30-50cm，分别对“立柱下段中部”及“驱动仓上部”进行固定，确保立柱呈垂直竖立状态，防止倾斜或晃动；卡座的弧形夹紧片开口角度可通过锁紧螺栓微调，适配直径5-12cm的柱状载体，实现多位置、多场景快速固定。
16、7、声光锥桶（辅助预警设备）：采用高亮度led灯珠，发光强度高，警示效果明显；支持多种声音报警模式，声音强度可调节，能够在不同环境下清晰传达警示信息；具备无线接收功能，能够及时接收摄像头传输的预警信号，并迅速发出声光警示；同时，具备防水、抗摔性能，适应户外作业环境，可灵活摆放在作业区周边，增强预警覆盖范围。
17、（二）传输层
18、传输层负责感知层与平台层之间的数据传输，确保数据的实时性、稳定性与安全性，具体配置如下：
19、1、传输方式：采用4g/5g无线网络与有线网络相结合的双传输模式，优先采用4g/5g无线网络实现灵活部署，在有条件的作业场景可切换至有线网络，提升传输稳定性；
20、2、传输设备：配置高性能4g/5g无线路由器与千兆有线网络交换机，无线路由器支持多频段（2.4ghz/5ghz）通信，具备较强的信号覆盖能力与抗干扰性能，最大传输速率不低于1gbps，支持双卡双待功能，确保网络信号不间断；有线网络交换机具备4-8个千兆以太网端口，满足多设备同时接入需求，支持即插即用；
21、3、数据安全：传输过程采用ssl/tls加密协议对数据进行加密处理，防止数据被窃取或篡改；具备数据重传机制，当网络中断后恢复连接时，自动补传中断期间的关键数据，确保数据完整性；
22、4、设备适配：传输设备具备防水防尘性能，防护等级不低于ip65，可与感知层设备一体化安装，适应户外作业环境。
23、（三）平台层
24、平台层为系统的核心控制与数据处理中心，采用云计算技术构建分布式云平台，具备数据存储、数据处理、算法模型管理、系统管理等功能，具体如下：
25、1、数据存储模块：采用分布式存储架构，整合硬盘阵列与云存储资源，对感知层采集的图像、视频、车辆运行数据（轨迹、速度、车牌信息）、隐患识别数据（位置、类型、特征、发现时间）、“三违”行为识别数据（人员信息、行为类型、发生时间、图像证据）等进行集中存储；支持结构化数据与非结构化数据的分类存储，视频数据采用h.265编码格式，降低存储占用空间，可根据需求设置数据留存时间（1-90天），支持历史数据的快速查询与调用；
26、2、数据处理模块：配置高性能计算节点，对传输层上传的数据进行实时分析处理，包括车辆特征提取、运行轨迹拟合、速度计算、隐患特征匹配、人员行为姿态分析等；采用边缘计算与云计算协同处理模式，感知层本地完成初步识别与风险判断，平台层进行深度分析与数据汇总，提升处理效率，降低网络带宽占用；
27、3、算法模型管理模块：负责ai算法模型的上传、更新、优化与测试，包括车辆运行轨迹与速度分析算法、作业区隐患识别算法、人员“三违”行为识别算法：
28、车辆运行轨迹与速度分析算法：通过对第一ai摄像头采集的车辆图像序列进行处理，采用yolo目标检测算法提取车辆特征，结合卡尔曼滤波目标跟踪算法实现对车辆的连续跟踪，拟合车辆运行轨迹；基于单目视觉测距原理，结合作业区预设的地理位置信息与安全区域边界，计算车辆与作业区的距离及实时速度；建立车辆闯入风险评估模型，设定速度阈值（根据道路限速标准及作业区安全要求预设，可手动调整）与距离阈值，当车辆速度超过阈值且距离作业区小于阈值时，判定为闯入风险车辆，触发预警机制；
29、作业区隐患识别算法：建立包含设备摆放不规范、安全警示标志缺失或损坏、临时用电线路杂乱、路面坑洼未围挡、作业材料堆放无序等常见隐患的特征库，采用cnn卷积神经网络算法对第二ai摄像头采集的作业区环境图像进行实时扫描与特征匹配，当匹配度超过预设阈值（85%）时，自动识别为作业区隐患，并记录隐患相关信息；
30、人员“三违”行为识别算法：建立包含未佩戴安全帽、未系安全带、未穿反光背心、违规操作养护设备、擅自跨越安全护栏、离岗脱岗、在危险区域停留等“三违”行为的特征库，采用人体姿态估计算法（openpose）提取作业人员的骨骼关键点，结合行为分析算法判断人员行为是否符合“三违”特征，当匹配度超过预设阈值（80%）时，判定为“三违”行为，触发提醒机制；算法模型管理模块支持在线升级功能，可根据实际应用场景的反馈数据持续优化算法参数，提升识别精度；
31、4、系统管理模块：具备用户管理、设备管理、数据管理、权限管理等功能：
32、用户管理：支持用户注册、登录、密码修改、账号注销等操作，可创建管理员、作业负责人、普通操作员等不同角色账号；
33、设备管理：对感知层的ai摄像头、可控频闪报警灯、扩音喇叭、可升降杆等硬件设备进行实时监控，显示设备在线状态、工作参数、故障信息等，支持远程控制设备启停、参数调整、故障复位等操作；
34、数据管理：支持数据查询、筛选、导出、删除等操作，可按时间、地点、事件类型等条件查询相关数据，生成数据备份与恢复方案；
35、权限管理：为不同角色用户分配不同的操作权限，确保系统数据安全与操作规范。
36、（四）应用层
37、应用层为用户提供可视化的操作界面与功能入口，包括电脑端软件与手机端app，支持android和ios操作系统，具备以下核心功能：
38、1、实时监控功能：用户登录系统后，可通过客户端实时查看养护作业区的视频画面，包括第一ai摄像头拍摄的上游过渡区车辆运行情况与第二ai摄像头拍摄的作业区内部环境、人员动态；支持单画面、多画面切换显示，可远程调整摄像头的角度（水平旋转角度0-360°，垂直旋转角度-90°至+90°）与焦距，实现对作业区不同区域的详细查看；
39、2、预警提醒功能：当系统识别到车辆闯入风险、作业区隐患或“三违”行为时，应用层通过终端弹窗、声音提示、震动提醒等方式向用户推送预警信息，预警信息包含事件类型、发生时间、地点、相关图像/视频截图等；用户可通过客户端查看预警详情，一键下达处置指令；
40、3、视频回放功能：支持按时间、地点、事件类型等条件查询并回放指定时间段的作业区视频，视频回放支持快进、慢放、暂停、截图、录像等操作，便于用户追溯过往作业情况，分析事故原因或隐患整改情况；
41、4、数据统计分析功能：平台层自动对采集的车辆闯入预警次数、隐患识别数量及类型、“三违”行为发生次数及类型、隐患整改率等数据进行统计分析，生成各类统计报表与分析图表（如柱状图、饼图、折线图等），用户可通过客户端查看、导出报表，为养护安全管理决策提供数据支持；
42、5、远程控制功能：用户可通过客户端远程控制感知层硬件设备，包括：控制可升降杆的升降与定位；调节可控频闪报警灯的发光模式、频闪频率；调节扩音喇叭的声音强度、切换警示语音；控制摄像头的旋转、变焦；启停声光预警功能等；
43、6、整改闭环管理功能：针对识别到的作业区隐患与“三违”行为，用户可通过客户端下达整改指令，指定整改责任人、整改期限，整改完成后，责任人可上传整改照片、视频等佐证材料，用户对整改情况进行审核确认，形成“识别-提醒-整改-审核-归档”的闭环管理流程；
44、7、系统设置功能：支持用户自定义预警阈值（如车辆超速阈值、闯入距离阈值）、数据留存时间、预警提醒方式等参数，适配不同养护作业场景的个性化需求。
45、本发明与现有技术相比，具有以下显著有益效果：
46、1、安全防控精准高效：通过双ai摄像头专项分工，结合优化后的ai算法模型，实现社会车辆闯入风险与作业区隐患、“三违”行为的高精度识别，误判率低于5%、漏判率低于3%；采用声光协同定向预警方式，现场预警响应时间小于1秒，同时联动远程提醒，有效提升预警效果，大幅降低安全事故发生率；
47、2、可移动性与环境适应性强：采用可升降杆与多位置固定卡座设计，可快速固定于皮卡车、翻斗车等作业车辆或现场固定结构，部署时间不超过30分钟，适配不同位置、不同规模的养护作业场景；硬件设备具备高防护等级、宽温工作范围及红外夜视功能，可在高温、低温、雨雪、沙尘、夜间等复杂环境下稳定运行；
48、3、管理流程闭环完整：构建“识别-预警-监管-整改-追溯”的全流程管理闭环，实现从风险识别到整改归档的全链条管控，配合远程监控、视频回放、数据统计分析功能，减少人工监管成本，提升养护安全管理的精细化与智能化水平；
49、4、系统稳定性与兼容性好：采用分层架构设计与双传输模式，软硬件协同性强，数据传输稳定可靠，系统连续运行无故障时间不低于1000小时；具备良好的可扩展性，支持算法模型在线升级、功能模块扩展与硬件设备扩容，可根据实际需求适配更多养护作业场景与管理需求；
50、5、操作便捷性高：客户端软件与手机端app界面简洁直观，操作流程简单，管理人员可随时随地查看作业区情况、接收预警信息、下达管理指令，作业人员可快速完成设备部署与日常操作，无需专业技术培训；
51、6、应用场景广泛：适用于高速公路、国省干线公路、城市道路等各类公路的日常养护、应急抢修、专项工程等作业场景，既可为小规模临时作业提供快速防控方案，也可满足大规模养护工程的常态化安全管理需求，应用前景广阔。