赵伟，刘文沛，郑杰，张启贵 （宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000）

1 引言

近年来，随着国家大规模对高速公路建设的投入，群众出行更多地选择了高速自驾的方式，来节省时间和提高工作效率，但与此同时对于交通运输的需求不再仅限于满足其运载量，更多的是对安全性、舒适性、便利性等提出了更高要求。由此，交通建设的不平衡也是当前中国交通建设事业所需要解决的主要矛盾。其中，对于高速路段的水网系统建设滞后和排水系统规划的不合理这些问题都是我国交通建设矛盾的一方面。雨水季节的大量降雨是改变路面状况和影响交通安全的一个重要因素，雨水对道路交通的影响主要表现为导致道路前方能见度和路面抗滑性发生显著降低，使得车辆发生侧滑、追尾等一系列交通安全事故的概率大大提高。这对于雨后积水的高速地势偏低路段表现较为突出。其主体特征表现为发生范围广、积水时间过长、对公路的运营及管理影响严重、生命财产损失巨大。因此，及时采取有效的措施对部分高速路段积水问题进行智能监测预警尤为重要。

基于此，本项目提出了一种基于高速公路积水监测预警系统设计方案，结合Vissim软件进行车流仿真模拟，以期能够有效地改善高速积水不能及时预警的问题，从而减少交通事故的发生。

2 预警系统总体设计

结合道路积水监测系统总体设计要求，本预警系统设计将采用“分散监测，集中控制”模式，与此同时系统可以分成四层结构，如图1所示。

图1 系统设想结构示意图

2.1 数据采集

数据采集传感器网络采用水位监测器为基本单元，将多个监测器安装在已勘察好的目标区域内，不同区域的监测器之间通过地址码来进行区别，通过5G有线或者是无线的方式构成数据网络。该体系主要以超声波传感器为重要核心。超声波水位计安装于被测区域上方，设备探头向该区域发射超声波光束，声波在空气中以某一速度传播，在液体表面产生反射波，其中一部分被探头重新接收，再结合空气中声波的传播速度，依据反射波传输距离与时间成正比，即可计算出传输距离，进而可得到被测区域水位值。以此来通过该系统对多个监测区域进行雨量、水位等一系列参数的实时监测。然后将收集到的数据自动上传到服务器，由此实现数据的录入目的。

2.2 数据传输

数据传输层部分则是利用安装在设备上的终端单元来接收通过数据采集的基本单元输入的数据进行汇总、分析、加工，以此形成了服务器－车－服务器的关系枢纽关系，以此为用户提供了准确、及时的数据服务。

2.3 数据处理

数据传输网络与数据处理中心之间通过串口通信实现数据的交换，数据处理中心的主要任务是读取前端传感器采集的数据，按照预定的算法进行处理，提取出相应的特征参数，比如水位差、刹车距离等。然后通过无线收发设备传给指挥控制中心，并且控制中心将对输入的数据进行存储、处理和检索。将输入的数据储存于数据库后，由服务器进行检索处理，然后实时反馈相应的信息给驾驶员。

2.4 数据应用

数据应用主要是对经过控制中心处理过的数据结果进行实体化应用。通过终端检索处理过的数据利用相关服务器应用到不同的交通导航软件上，以便用户能够更加便捷地获取信息。综上所述，本系统构造具备条理化、模块化、网络化及智能化的特色，易于扩展，确立了道路积水监测预警系统的良好解决方案。

3 系统硬件设计

整个系统的硬件装置主要是由超声波水位感应监测器、GPRS通信监测器、外部储存器、主服务控制中心、LED警示屏、电源电路组成。

3.1 超声波水位感应监测器

结合系统需求，综合考虑测量原理、精度、经济性与环境适应性等方面因素，选择超声波传感器作为本系统的水位测量仪器。超声波水位计安装于被测区域上方，设备探头向该区域发射超声波光束，声波在空气中以某一速度传播，在液体表面产生反射波，其中一部分被探头重新接收，再结合空气中声波的传播速度，依据反射波传输距离与时间成正比，即可计算出传输距离，进而可得到水位值。

3.2 GPRS通信监测器

同时利用GPRS通信网络分组交换技术的无线数据传输方式，来接收由多个超声波水位监测器传入的监测区域的水位情况。快速锁定监测区域某积水的路段状况，快速传输给外部储存器。达到该系统对多个监测区域进行雨量、水位等一系列参数的实时监测的目的。

3.3 主服务控制中心

数据传输网络与数据处理中心之间通过串口通信实现数据的交换，接收外部储存器输入的相关数据，按照预定的算法进行处理，提取出相应的特征参数，比如水位差、刹车距离等。然后通过5G无线收发设备传给服务控制中心，并且控制中心将对输入的数据进行存储、处理和检索。将输入的数据储存于数据库后，由服务器进行检索处理，然后实时反馈相应的信息传至移动终端和LED显示屏上进行体现。

3.4 LED警示屏

通过主服务器控制中心检索处理上传的信息投射到LED显示屏上，来警示驾驶员前方不明路段有积水情况，给出驾驶员足够的反应时间和安全减速距离。以此达到安全通过积水路段的目的。

4 系统软件设计

将实时监测的区域内的相关数据进行整合、分析打包传输到主服务器。相关数据有实时降雨参数、待测区域内的水位深度等水文参数。

为了实现驾驶员安全便捷地通过该积水路段，我们与车载导航系统公司进行合作，构建系统插件，介于车载导航系统之上。我们将加上语音播报设备，以提示驾驶员减速行驶。

将由分析过后的数据作为触发条件，一旦达到条件则将会在车载导航系统页面上进行显示，前方道路积水，并提供语言播报“前方积水，请减速”提醒驾驶员谨慎驾驶。

5 积水监测预警系统的仿真与实现

同时为了验证设计方案的可行性，本文利用网络仿真软件OMNeT+和交通仿真软件Vissim进行验证，而且通过搭建实体网络的方法来获得更好的实际测试效果。

5.1 信息采集模拟仿真

通过在OMNeT+中创建网络模型，以5G有线网络进行传输数据。对信息采集模块的调试之后，首先在普通道路两旁放置了水位传感器和雨量采集器，并构建小型信息接送站模拟中心服务器，同时将感应器采集到的所有数据通过接收器发送至服务中心完成数据的采集。与此同时通过用vissim交通模拟软件来构建三维积水道路来模拟实际道路积水情况来达到仿真效果，当待测区域内达到一定积水时，就会通过水位监测器收集相关信息，由主服务器将分析过后的数据传输到LED警示屏上，如图2所示。

图2 Vissim软件模拟图

5.2 预警信息发送模拟

通过pc端和手机客户端建立通信通道来模拟预警信息的发送，与此同时在积水路段前方足够减速的区域设置LED警示牌。中心服务器接收的雨量超过设置的阈值时，就会向手机客户端发送预警信息并且在LED警示牌上显示积水情况。

5.3 手机客户端接收信息模拟仿真

通过编写相关程序软件来实现手机接收信息。管理员通过管理端来实现维护服务器上的数据并对整个系统后台进行后台管理。用户可以通过下载客户端进行预警信息的接收，如图3所示。

图3 客户端软件模拟图

6 结语

本文通过对高速公路积水问题的研究，提供了一整套监测系统。在经常积水高速路段安装依靠太阳能储电的水位监测设备，实时监测积水情况并收集数据发送给终端，终端计算机经过状况分析以后传输给手机导航系统和到足够减速距离外的LED提示灯以便提醒驾驶员前方路段有积水情况。根据所研究内容从而形成一个更加完善的高速公路积水预警系统，由此最大限度解决了驾驶员在雨天对前方路段不明的判断和不必要的人员伤亡及财产损失，同时也给安全出行带来便捷舒适的环境。联合汽车上的导航系统，对道路状况进行提前播报。随着5G网络的高速发展，可以结合5G网络，更加快速地进行数据采集和信息反馈。能够高效地减少因高速路段积水而引发的长期交通事故的概率。最大限度地解决和完善在高速上由道路积水而引发的交通安全问题，具有一定的现实意义与较好的市场应用前景，可以对我国道路交通安全建设提供一定的理论基础和现实依据。