一种高速公路护栏板的碰撞报警系统的制作方法

本发明涉及交通安全和监控，尤其涉及一种高速公路护栏板的碰撞报警系统。

背景技术：

1、在现代交通系统中，高速公路安全一直是交通管理的重要问题，尽管采用了多种措施来预防和减轻交通事故的影响，但仍存在一些挑战，特别是在高速公路上的碰撞事故快速有效响应方面，当前的系统大多依赖于基础的摄像头监控或传统的传感技术来监测和报告交通状况，然而，这些系统在检测精度、数据处理速度和实时响应能力方面往往无法满足高速公路上迅速变化的交通需求，特别是在事故发生时，现有技术很难实时提供精确的碰撞位置和碰撞强度信息，从而影响到交通管理中心采取及时有效的应急措施。

2、为了解决上述问题，提出了一种高速公路护栏板的碰撞报警系统，旨在通过整合先进的雷达感应模块和振动检测模块，提高事故检测的准确性和响应速度，现有技术在碰撞检测后的数据传输和处理过程中存在延迟，难以实现对交通流的快速动态调整。

3、因此，本发明的目的是通过创建一个能够在接收到碰撞数据后，快速评估事故严重性，并实时调整附近交通信号及信息告示的系统，解决交通事故后续处理效率低下的问题，此外，通过自动化的数据处理和智能决策支持，还旨在减轻交通管理中心的工作负担，提升高速公路的整体安全管理能力。

技术实现思路

1、基于上述目的，本发明提供了一种高速公路护栏板的碰撞报警系统。

2、一种高速公路护栏板的碰撞报警系统，包括雷达感应模块、振动检测模块、中央处理单元、报警通信模块以及交通动态调整模块；其中：

3、雷达感应模块：安装在护栏板的多个预定位置，利用毫米波雷达技术检测护栏板周围的运动物体及其速度和距离变化，将检测信号发送至中央处理单元；

4、振动检测模块：嵌入在护栏板内部的多个位置，用于实时检测护栏板的振动频率和幅度变化，将检测信号传输至中央处理单元；

5、中央处理单元：接收并整合来自雷达感应模块和振动检测模块的数据，利用预设的碰撞识别算法分析数据，以判断是否发生碰撞事件，若检测到碰撞事件时，则生成并发送报警信号至报警通信模块；

6、报警通信模块：接收来自中央处理单元的报警信号，通过4g/5g网络将碰撞报警信息发送至交通管理中心，并启动现场的声光报警装置；

7、交通动态调整模块：与中央处理单元连接，接收中央处理单元处理后的碰撞数据，并根据碰撞事件的严重性和具体位置，动态调整附近路段的交通信号和电子信息牌，以优化交通流量。

8、进一步的，所述雷达感应模块包括毫米波雷达传感器单元、信号处理单元、数据传输单元以及电源管理单元；其中：

9、毫米波雷达传感器单元：包括多个毫米波雷达传感器，分别安装在护栏板的多个预定位置，包括护栏板的顶端、中部及底部，每个位置间隔不超过100米，确保全方位覆盖，该毫米波雷达传感器采用77 ghz的毫米波雷达技术，能检测150米内的运动物体，并测量其速度和距离变化，提供高精度的目标检测数据；

10、信号处理单元：与毫米波雷达传感器单元连接，接收来自毫米波雷达传感器的回波信号，通过傅里叶变换算法对雷达回波信号进行频域分析，以提取目标的速度和距离信息；

11、数据传输单元：将信号处理单元处理后的数据通过有线或无线传输接口发送至中央处理单元，该数据传输单元支持高速数据传输，采用tcp/ip协议，确保数据传输的稳定性和实时性；

12、电源管理单元：采用太阳能电池板和锂电池组合的供电方式，为毫米波雷达传感器单元和信号处理单元提供稳定的电源。

13、进一步的，所述信号处理单元具体包括：

14、回波信号接收：接收来自毫米波雷达传感器单元的回波信号：

15、信号滤波：对接收到的回波信号进行预处理，采用带通滤波器滤除噪声信号，保留目标频率范围内的有效信号，带通滤波器的传递函数定义为：

16、，其中，为滤波器的传递函数，为频率，为滤波器的下限频率，为滤波器的上限频率；

17、快速傅里叶变换：对滤波后的信号进行快速傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号，计算公式为：，其中，为频域信号，为时域信号，为信号点数，为频率索引；

18、频谱分析：对频域信号进行幅值谱和相位谱的计算，以提取目标物体的速度和距离信息，幅值谱和相位谱的计算公式分别为：

19、；

20、，其中，为幅值谱，为相位谱，为频域信号的实部，为频域信号的虚部；

21、速度与距离提取：基于多普勒效应和雷达方程计算目标物体的速度和距离，速度和距离的计算公式为：；，其中，为目标速度，为光速，为频移，为雷达信号的参考频率，为目标距离，为回波信号的时延。

22、进一步的，所述振动检测模块包括振动传感器单元、信号放大单元、信号滤波单元以及信号传输单元；其中：

23、振动传感器单元：嵌入在护栏板内部的多个位置，包括护栏板的顶部、中部和底部，每个位置间隔不超过50米，确保全方位监测护栏板的振动状态，振动传感器单元采用压电加速度计技术，以实时检测护栏板的振动频率和幅度变化；

24、信号放大单元：与振动传感器单元连接，用于放大传感器检测到的振动信号，确保信号在传输过程中不受干扰和衰减，放大电路采用高输入阻抗运算放大器，以保持信号的准确性；

25、信号滤波单元：对放大后的振动信号进行滤波处理，具体采用低通滤波器去除高频噪声信号，保留低频有效信号，将低通滤波器的传递函数定义为：，其中，为低通滤波器的传递函数，为频率，为滤波器的截止频率；

26、信号传输单元：将滤波后的振动信号通过有线或无线传输接口发送至中央处理单元。

27、进一步的，所述中央处理单元具体包括：

28、数据接收子单元：通过有线或无线接口接收来自雷达感应模块和振动检测模块的检测数据，雷达感应数据和振动检测数据分别通过高速数据传输协议传输至中央处理单元；

29、数据整合子单元：将接收到的雷达感应数据和振动检测数据进行整合，对不同来源的数据进行时间同步处理，确保数据在时间维度上的一致性，并将来自不同模块的数据进行预处理，包括数据格式转换和单位统一；

30、数据存储子单元：将整合后的数据临时存储在高效的存储介质中，包括固态硬盘或内存，并采用环形缓冲区机制，确保新数据能够及时写入，同时避免数据溢出；

31、碰撞识别子单元：利用预设的碰撞识别算法对整合后的数据进行分析，基于机器学习模型和统计分析方法，通过对雷达和振动数据的特征提取和模式识别，判断是否发生碰撞事件；

32、报警生成子单元：在碰撞识别子单元判断发生碰撞事件时，生成报警信号，根据碰撞事件的严重性和位置，设定不同的报警级别，并将报警信号发送至报警通信模块。

33、进一步的，所述数据整合子单元包括：

34、时间同步处理：对接收到的雷达感应数据和振动检测数据进行时间同步处理，具体通过网络时间协议服务器对各数据源进行时间校准，确保数据采集的时间戳一致；

35、数据格式转换：将雷达感应数据和振动检测的数据格式进行转换，统一为中央处理单元能处理的数据格式；

36、单位统一处理：将雷达感应数据和振动检测数据的单位进行统一。

37、进一步的，所述数据存储子单元中的环形缓冲区机制包括：

38、数据写入指针和读取指针：环形缓冲区使用两个指针分别指示数据的写入位置和读取位置，数据写入指针用于指示新数据存储的位置，数据读取指针用于指示待处理数据的位置；

39、数据写入：当新的检测数据到达时，数据写入指针移动到下一个空闲位置，将新数据写入缓冲区，当写入指针达到缓冲区末端时，则自动回到缓冲区的起始位置，继续写入数据；

40、数据读取流程：当中央处理单元需要处理数据时，数据读取指针移动到当前存储的数据位置，读取并处理数据，当读取指针达到缓冲区末端，则自动回到缓冲区的起始位置，继续读取数据；

41、溢出管理机制：环形缓冲区通过监测写入指针和读取指针的位置关系，避免数据溢出，当写入指针追赶上读取指针时，表明缓冲区即将溢出，此时会丢弃最旧的数据，腾出空间以存储新数据，确保新数据能够及时写入；

42、优先级处理：当环形缓冲区接近溢出时，将设置数据优先级，高优先级的数据将优先保留，低优先级的数据将被丢弃。

43、进一步的，所述碰撞识别子单元具体包括：

44、数据预处理：接收并预处理来自雷达感应模块和振动检测模块的数据，进行归一化处理，以消除数据的量纲差异，归一化公式为：，其中，为归一化后的数据，为原始数据，和分别为数据的最小值和最大值；

45、特征提取：对归一化处理后的数据进行特征提取，提取包括速度、加速度、频率、振幅的特征；对于雷达数据特征提取公式为：，其中，为速度，为距离变化，为时间间隔；对于振动数据特征提取公式为：，其中，为加速度，为速度变化，为时间变化；

46、模式识别：利用基于支持向量机的机器学习模型对提取的特征进行模式识别，该模型使用历史碰撞数据和正常数据，通过监督学习算法进行训练，支持向量机分类器的决策函数为：，其中，为分类结果，为输入特征向量，包括速度、加速度、频率和振幅，为拉格朗日乘子，为样本标签，为核函数，为偏置；

47、碰撞判断单元：根据模式识别的输出结果，判断是否发生碰撞事件，若分类结果为碰撞事件，则生成报警信号，并传输至报警生成子单元，碰撞判断逻辑为：若时，则判定检测到碰撞，否则无碰撞。

48、进一步的，所述报警通信模块包括报警信号接收单元、通信控制单元、数据传输单元以及现场报警控制单元；其中：

49、报警信号接收单元：接收来自中央处理单元的报警信号，并对信号进行解码和验证，确保信号的完整和正确；

50、通信控制单元：管理和控制报警信息的发送，通过内置的通信接口与4g/5g网络连接，将报警信号转换为标准的通信协议格式，并与交通管理中心建立通信链接；

51、数据传输单元：通过4g/5g网络将碰撞报警信息发送至交通管理中心，数据传输单元还采用冗余传输机制，确保在信号中断或弱信号情况下仍能保持信息传递的连续性；

52、现场报警控制单元：根据接收到的报警信号，启动现场的声光报警装置，声光报警装置包括高亮度led灯和高音量警报器，用于在事故发生时立即发出视觉和听觉警报，提醒周围的车辆和人员注意。

53、进一步的，所述交通动态调整模块包括数据接收单元、碰撞严重性评估单元、位置确定单元、信号控制单元以及信息发布单元；其中：

54、数据接收单元：用于接收来自中央处理单元处理后的碰撞数据；

55、碰撞严重性评估单元：基于接收到的碰撞数据，评估碰撞事件的严重性，评估综合考虑碰撞影响范围、碰撞强度、受影响车道数量的因素，评估公式为：

56、，其中，为碰撞严重性得分，为碰撞影响范围，为碰撞强度，为受影响车道数量，为权重系数；

57、位置确定单元：根据碰撞数据确定碰撞事件的具体位置，通过gps坐标和道路标志信息，定位碰撞发生的具体位置，为动态调整提供地理基础；

58、信号控制单元：根据碰撞严重性评估单元的输出结果，生成交通信号调整策略，信号控制单元基于自适应控制算法，动态调整交通流量控制信号的状态，以优化进入高速公路的车辆流量，调整公式为：，其中，为调整后的信号灯时长，为基础信号灯时长，为调整系数，为碰撞严重性得分；

59、信息发布单元：将调整后的交通信息发送至附近的电子信息板，发布实时交通信息，包括速度限制调整、出口关闭或绕行提示，帮助驾驶员做出合理的行驶决策。

60、本发明的有益效果：

61、本发明，通过整合先进的雷达感应模块和振动检测模块，显著提高了交通事故的检测精度和响应速度，系统能够实时捕捉并分析高速公路上的动态变化，及时识别碰撞事件的具体位置和强度，从而允许交通管理中心迅速做出反应，这种提升不仅减少了由事故引起的交通拥堵，还增强了紧急服务的调度效率，显著提高了事故处理的有效性和安全性。

62、本发明，通过交通动态调整模块能够根据碰撞数据动态调整附近路段的交通信号和信息告示牌，优化了事故发生后的交通流，这一特性确保了即便在事故发生时，交通系统也能保持最佳运行状态，减少对周围交通的负面影响，通过智能化的交通控制和实时信息更新，极大地提升了高速公路的整体运行效率和公共安全水平。