物联网技术在高速公路护栏系统中的应用

高雪 | 作者

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一

绪论

随着全球气候变化的加剧，自然灾害频发，给道路交通安全带来了严峻挑战。特别是在高速公路桥梁等关键基础设施中，自然灾害（如暴雨山洪、地震等）可能导致桥梁垮塌、路面塌陷等严重事故，不仅威胁到行车安全，还会造成重大经济损失和社会影响。

例如，2024年7月19日20时左右，陕西省商洛市祚水县境内突发暴雨山洪，导致丹宁高速公路严坪村2号桥于7月20日凌晨2点局部垮塌。根据央视网消息，截至20日下午，已发现坠河车辆7辆、遇难者12人，1人获救。初步核查还有近18辆车、31人失联。

2024年5月1日2时10分左右，发生于梅大高速大埔往福建方向K11+900m（梅州市大埔县茶阳镇茶阳路段出口方向2公里左右）附近高速公路路面塌陷灾害，受灾路面塌方长约17.9米，面积约184.3平方米，并导致车辆陷落和人员伤亡。

这些事故的发生，凸显了加强高速公路桥梁等基础设施安全的重要性。为了有效应对自然灾害，保障人民生命财产安全，有必要开发出一种能有效减轻自然灾害影响的高速公路护栏系统。

近年来，物联网技术的发展，为解决这一问题提供了新的途径。通过将物联网技术与传统的高速公路护栏系统相结合，可以实现对自然灾害的早期预警和快速响应，提高应急处置能力。

在国内，随着信息技术的进步，一些先进的技术已经被引入到交通安全管理领域。例如，中国专利申请号CN215925638U公开了一种高速公路桥梁护栏，它包括栏杆本体、支撑柱、反光条、固定装置和连接装置等部件，能够方便对护栏进行安装与固定。然而，这种护栏系统缺乏有效的预警和快速响应机制，对于自然灾害的预防和应对能力有限。

在国际上，一些发达国家已经开始尝试利用物联网技术来提高交通设施的安全性。例如，欧洲的一些国家正在研发具有智能监测功能的护栏系统，这些系统能够实时监测环境变化，并通过无线网络将数据传送到中央控制室，以便采取及时的措施。美国也在推进类似的项目，旨在提高道路基础设施的耐久性和抗灾能力。

本研究旨在探索如何利用物联网技术，开发一种能够减轻自然灾害对高速公路桥梁影响的护栏系统，以提高道路交通的安全性和应急响应速度。该系统能够实时监测自然灾害的迹象，并在灾害发生前发出预警。以便在紧急情况下，司机或行人可以通过按下按钮来快速通知相关部门，以获得及时救援 。

同时，评估物联网技术在提高高速公路护栏系统性能方面的潜力，提出一种可行的实施方案，包括硬件设计、数据传输协议和数据分析方法。

二

相关理论和技术基础

（一） 物联网技术概述

物联网（Internet of Things, IoT）是指通过各种信息传感设备（如射频识别RFID、红外感应器、全球定位系统GPS、激光扫描器等信息传感设备）按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络。

上世纪末，物联网的概念首次提出，主要集中在自动识别技术和网络通信技术的研究。随着传感器技术、嵌入式系统技术的发展，物联网技术开始应用于物流、工业自动化等领域。2010年后，物联网技术进入全面发展阶段，广泛应用于智慧城市、智能家居、智能交通等多个领域。

物联网的关键技术，是通过传感器和智能设备收集、计算和传送数据。传送数据包括无线传感器网络、移动通信技术等，数据处理技术则依靠云计算、边缘计算等，用于存储和处理海量数据。同时，还要确保数据的安全传输和隐私保护。

物联网在交通安全领域的应用，主要包含以下几个方面：

1.智能交通系统：利用物联网技术收集路况信息，提高交通效率和安全性。

2.车辆监控：通过安装在车辆上的传感器监控车辆状态，预防事故发生。

3.智能停车：利用物联网技术优化停车资源分配，提高停车场使用效率。

4.道路状况监测：通过部署在道路上的传感器监测路面状况，提前预警潜在危险。

（二）高速公路护栏系统设计原理

高速公路护栏是一种重要的交通安全设施，主要用于防止失控车辆冲出路基或与其他障碍物相撞。其基本结构通常包括防护柱、固定座、连接柱、防护壳、信号发射器、按钮等部件。护栏的设计需考虑以下几个方面：

1.防护性能：能够有效吸收碰撞能量，保护车辆和乘客。

2.可见性：在夜间或恶劣天气条件下能够清晰可见。

3.维护便捷性：便于安装、维护和更换损坏的部分。

通过集成物联网技术，高速公路护栏系统可以实现以下功能：

1.紧急报警：当发生事故时，司机或路人可通过护栏上的按钮触发信号发射器，立即向控制中心发送报警信号。

2.位置定位：利用内置的天线和信号发射器，可以精确报告事故地点。

3.状态监测：通过传感器监测护栏的状态，如受损情况、振动频率等，及时发现隐患。

4.远程监控：控制中心可以远程监控护栏的状态，确保其正常运作。

图1

图2

图3

图4

图例说明：1、防护柱；2、固定座；3、连接柱；4、防护壳；5、信号发射器；6、按钮；7、挡壳；8、铰链；9、顶盖；10、天线；11、说明牌；12、防阻块；13、护栏板；14、标识壳；15、标识牌；16、透明板。

（三）自然灾害预警系统原理

自然灾害预警系统通常包括以下几个组成部分：

1.监测网络：由分布广泛的传感器组成，用于收集有关天气、地质等自然现象的数据。

2.数据处理中心：负责处理收集到的数据，进行分析和预测。

3.信息发布系统：将预警信息通过各种渠道（如广播、电视、手机短信等）迅速传播给公众。

4.应急响应机制：制定应急预案，指导相关人员采取行动。

物联网传感器收集关于温度、湿度、风速、降雨量等数据，这些数据可以用来预测自然灾害的可能性。通过云计算技术对收集到的数据进行处理，使用机器学习算法等工具进行模式识别和预测分析。

一旦检测到可能发生的自然灾害，系统会自动向特定地区的居民发送预警信息。并与地方政府、应急管理部门紧密合作，确保在灾害发生时能够迅速启动应急预案，进行疏散和救援。

通过安装在护栏上的传感器监测天气变化，如强降雨、大风等，提前预警。同时监测护栏本身的状态，如是否有变形、裂缝等情况，确保结构安全。在自然灾害发生时，为救援人员提供可靠的通信手段，确保信息畅通。

三

物联网技术在高速公路护栏系统中的应用

（一）物联网传感器的选择与部署

用于监测自然灾害的传感器类型包括以下几种：

1.气象传感器：用于监测温度、湿度、风速、降雨量等气象参数，有助于预测暴雨山洪等极端天气事件。

2.地震传感器：监测地面震动，预警地震或余震可能引起的桥梁损坏。

3.土壤湿度传感器：监测土壤含水量，预警土壤液化风险，尤其是在河流两岸或易积水地带。

4.位移传感器：用于监测桥梁或路面的微小位移，预警可能的塌陷或断裂。

5.倾斜传感器：监测桥梁的倾斜角度变化，及时发现桥梁结构不稳定的情况。

根据功能不同，传感器的部署位置和数量，要根据实际情况进行调整。气象传感器应部署在高速公路沿线的关键区域，如桥梁两端、易积水路段等。地震传感器部署在地质条件复杂的地区，如断层带附近。

土壤湿度传感器部署在易发生滑坡或土壤液化的区域，特别是桥梁周边。位移传感器部署在桥梁的支座和关键承重结构上。倾斜传感器部署在桥梁的关键支撑点。传感器的数量应当根据实际情况和监测需求合理规划，既要保证覆盖重要区域，又要避免过度部署导致成本增加。

为了有效监测自然灾害，必须选择合适的传感器类型并合理部署。例如，在容易发生暴雨山洪的区域，可以部署气象传感器和土壤湿度传感器，监测降雨量和土壤水分含量的变化。在地质条件复杂或地震多发区域，地震传感器的部署至关重要。

此外，位移传感器和倾斜传感器的部署，可以及时发现桥梁结构的异常变化，为维护和修复争取宝贵时间。

（二）信号发射器和接收系统的设计

信号发射器内置有天线和电源，通过与传感器相连，当传感器监测到异常值超过预设阈值时，也就说明监测到异常情况，信号发射器会自动启动，发送包含位置信息和异常类型的报警信号。

信号接收系统主要包括中央控制中心、数据传输网络（如蜂窝网络、卫星通信）以及现场接收终端。传感器实时监测数据，通过信号发射器，传输至中央控制中心。中央控制中心使用专门的数据处理平台对接收的数据进行分析，通过算法检测异常情况，当检测到异常时，系统自动触发报警机制。中央控制中心根据报警信息，协调应急响应资源进行现场救援。

信号发射器的设计需要考虑到信号的可靠性和及时性。一旦传感器检测到异常，信号发射器应能够立即将信号，发送至中央控制中心。接收系统则需要具备高效的数据处理能力，能够快速分析接收到的数据，并根据预设的阈值触发相应的报警机制。此外，系统还需要具备一定的容错能力和冗余设计，以确保在极端条件下的稳定性。

（三）数据传输与处理技术

1.传输协议：采用LoRaWAN、NB-IoT等低功耗广域网络协议，适用于远距离、低带宽的数据传输。

2.安全机制：使用加密算法（如AES、RSA）对传输数据进行加密，确保数据在传输过程中的安全性和完整性。

3.数据处理平台：采用云服务提供商提供的平台，如AWS IoT Core、Azure IoT Hub等，用于存储、管理和处理大量传感器数据。

4.算法：使用机器学习算法（如支持向量机SVM、神经网络NN）对收集的数据进行模式识别和预测分析，以识别潜在的灾害风险。

数据传输协议的选择决定了数据传输的效率和可靠性。LoRaWAN和NB-IoT等低功耗广域网络协议，非常适合于长距离、低带宽的应用场景。安全机制则确保了敏感数据，在传输过程中的安全，防止数据泄露和篡改。数据处理平台和算法的选择，对于整个系统的性能至关重要。

通过采用先进的机器学习算法，可以实现对数据的有效分析，从而准确预测可能发生的自然灾害，为应急响应提供科学依据。

四

高速公路护栏系统在减轻自然灾害影响中的作用

（一）灾害早期预警机制

1.监测范围：传感器网络覆盖高速公路沿线的关键区域，包括桥梁、隧道、易积水路段等。

2.监测指标：传感器监测包括但不限于气象参数（如降雨量、风速）、土壤湿度、桥梁位移、倾斜角度等。

3.数据采集：传感器持续采集数据，并通过无线网络实时传输至中央控制中心。

4.异常检测：通过设定阈值和模式识别算法，系统能够自动检测异常情况，如异常降雨量、桥梁位移超出安全范围等。

5.自动触发：当传感器检测到异常值超过预设阈值时，信号发射器自动触发，发送报警信号。

6.数据传输：信号发射器将带有位置信息的报警信号，通过无线网络发送至中央控制中心。

7.联动响应：中央控制中心接收信号后，立即启动应急响应程序，包括分析数据、确认警报真实性、启动预警机制等。

8.信息发布：中央控制中心通过多种渠道（如短信、社交媒体、广播等）向公众发布预警信息，提醒驾驶员注意安全。

通过部署一系列传感器，如气象传感器、土壤湿度传感器、位移传感器等，可以实时监测高速公路沿线的环境变化和桥梁结构状态。这些传感器能够检测到可能预示着自然灾害发生的细微变化，如降雨量的突然增加、土壤湿度的上升或桥梁位移的异常变化等。

一旦监测到异常情况，传感器会立即向信号发射器发送信号，后者将报警信息连同具体位置一同发送至中央控制中心。这种即时反馈机制使得控制中心能够在灾害发生前及时做出反应，启动预警机制，采取必要的预防措施。

（二）应急响应与资源调度

1. 数据收集与分析：中央控制中心接收到信号发射器发送的报警信号后，立即对数据进行分析，确认异常情况的性质和程度。

2. 风险评估：根据历史数据和当前情况，评估潜在的风险等级，判断是否需要启动应急响应。

3. 决策制定：基于风险评估结果，中央控制中心决定是否启动应急响应，并确定响应级别。

4. 信息发布：向公众发布相关信息，包括道路封闭、绕行建议等。

5. 资源调度：根据响应级别和具体情况，协调相关部门和机构，调度必要的救援资源（如救援队伍、医疗团队、重型机械等）。

6.快速响应：确保救援队伍能够迅速到达指定地点，包括提前部署资源在关键位置。

7.动态调度：根据现场情况的变化，实时调整资源调度计划，确保最有效的资源配置。

8.定位技术：利用GPS定位技术，实时跟踪救援队伍的位置，确保能够准确到达事故现场。

9.通信保障：确保所有参与救援的单位之间保持良好的通信联系，以便及时更新信息和协调行动。

信号发射器与中央控制中心之间的联动机制，是确保早期预警机制有效性的关键。当传感器检测到异常情况时，信号发射器自动触发并向控制中心发送包含位置信息的报警信号。控制中心接收到信号后，立即启动数据分析流程，确认异常情况的真实性，并根据预设的响应流程采取行动。

控制中心还可以通过多种渠道向公众发布预警信息，提醒驾驶员注意安全，并在必要时关闭受影响的道路。这种联动机制，确保了从传感器检测到异常到启动应急响应的整个过程能够快速、高效地完成。

中央控制中心接收到信号发射器发送的报警信号后，首先进行数据验证，确保报警信号的真实性和准确性。接着，根据数据的具体情况评估潜在的风险等级，并根据风险评估结果，启动相应的应急响应计划。在这一过程中，控制中心需要综合考虑多种因素，包括灾害的类型、严重程度以及可能受到影响的范围。

一旦决定启动应急响应，控制中心将立即向公众发布相关信息，并协调相关部门和机构，调度必要的救援资源。通过这一系列步骤，可以确保在自然灾害发生时能够迅速有效地采取行动，最大限度地减少损失。

救援资源的快速调度与定位，对于减轻自然灾害的影响至关重要。中央控制中心需要根据接收到的传感器数据和现场情况，协调相关部门，确保救援队伍能够迅速到达指定地点。这包括提前部署资源在关键位置，以减少响应时间；利用GPS定位技术，实时跟踪救援队伍的位置，确保能够准确到达事故现场；同时，还需要确保所有参与救援的单位之间保持良好的通信联系，以便及时更新信息和协调行动。

（三）案例分析

我国的高速公路从最初的约1.6万公里，到2023年的增加近18.4万公里。2012年后，我国高速公路总里程,已经超越美国成为世界第一，高速公路使用年限一般在15-30年不等，如今许多高速公路已经进入了“老龄化”阶段。这意味着随着国家经济建设发展迅速，交通基础设施也在不断扩张完善。

虽然我国高速公路总里程不断增加，但同时也要面对更多来自自然灾害带来的挑战。尤其是一些新建路段可能面临更大的环境压力，需要采取更加科学合理的规划和防护措施来确保行车安全。

表4-1高速公路里程（万公里）

高速公路事故的分布情况，其中东部地区发生的事故最多，为29起；中部地区有21起；而西部地区也有23起。这表明无论是在哪个区域，都存在着一定的事故风险。在事故类型上，边坡塌方是最常见的事故类型，共发生了23次；路面塌陷和隧道塌方分别有11次和10次；桥梁倒塌和路基沉陷分别为9次和8次。

这些数据表明，由于地形地貌复杂多变，尤其是山区高速公路更容易受到地质灾害的影响。

表4-2 高速公路事故类型

加上近年来极端天气频发，2019年至2023年期间，因自然灾害导致的高速公路事故次数、死亡人数、受伤人数以及财产损失呈现出逐年递增的趋势。

表4-3 高速公路因自然灾害损失情况

1.陕西省商洛市祚水县丹宁高速公路严坪村2号桥垮塌事件

背景：2024年7月19日20时左右，陕西省商洛市祚水县境内突发暴雨山洪，导致丹宁高速公路严坪村2号桥于7月20日凌晨2点局部垮塌。截至20日下午，已发现坠河车辆7辆、遇难者12人，1人获救。初步核查还有近18辆车、31人失联。

物联网护栏系统的作用：

在该事件中，如果高速公路护栏系统集成了物联网技术，那么系统中的传感器，能够实时监测到暴雨山洪导致的异常情况。气象传感器检测到异常的降雨量，而位移传感器则监测到桥梁结构的变化。

一旦监测到这些异常情况，信号发射器会立即将预警信号，发送至中央控制中心。控制中心通过数据分析确认异常情况的真实性，并立即启动应急响应机制。通过信号发射器发送的精确位置信息，相关部门能够迅速定位事故地点，启动救援行动。

同时，控制中心通过多种渠道向公众发布预警信息，提醒过往车辆注意安全，采取必要的避险措施，减少人员伤亡和财产损失。

2.梅大高速大埔往福建方向K11+900m处路面塌陷灾害

背景：2024年5月1日2时10分左右，发生于梅大高速大埔往福建方向K11+900m（梅州市大埔县茶阳镇茶阳路段出口方向2公里左右）附近高速公路路面塌陷灾害，受灾路面塌方长约17.9米，面积约184.3平方米，由于夜间能见度底，导致多辆车陷落和人员伤亡。

在梅大高速的路面塌陷灾害中，物联网护栏系统同样发挥了重要作用。土壤湿度传感器和位移传感器，能够实时监测土壤含水量的变化和路面位移情况。

一旦监测到土壤含水量异常升高、或路面出现位移，系统会自动触发信号发射器发送预警信号。中央控制中心接收到预警信号后，通过数据分析确认异常情况，并立即启动应急响应程序，发布预警信息，提示过往车辆注意安全，避免驶入危险区域。

同时，相关部门能够迅速调度救援资源，包括专业技术人员、救援队伍和重型机械等，以便及时修复受损路面，恢复交通。修复工作完成后，物联网护栏系统继续监测路面状况，确保安全稳定。

通过以上两个案例可以看出，物联网护栏系统在减轻自然灾害，对高速公路的影响方面具有显著的作用。不仅可以实现早期预警，还能快速响应，有效调度救援资源，减少灾害带来的损失。未来，随着物联网技术的不断进步和完善，高速公路护栏系统将在保障交通安全方面发挥更大的作用。

五

面向未来的护栏系统发展趋势

（一）技术创新与升级

面向未来，高速公路护栏系统将更加依赖于技术创新。新型传感器技术的发展将使得监测更加精准，例如，光纤传感器可以实现对桥梁和路面的微小位移进行连续监测，有助于及早发现潜在的问题。

此外，集成多种类型的传感器形成多模态传感器网络，可以实现对环境变化更为全面的感知。无线传感器网络的应用，将大大简化传感器网络的部署和维护，降低系统整体的成本。

人工智能和大数据分析技术的应用，也将极大地提升护栏系统的效能。通过智能分析，可以从海量数据中提取有价值的信息，预测可能发生的灾害事件，从而采取预防措施。

故障预测与健康管理（PHM）技术，能够帮助预测护栏系统的潜在故障，及时进行维护保养，减少因设备故障导致的交通中断。个性化预警服务可以根据不同的区域特征和特定条件，为高速公路提供定制化的预警方案，进一步提高系统的实用性和有效性。

（二）法规标准与政策支持

为了确保物联网护栏系统的顺利实施和发展，相关的法律法规和政策支持至关重要。政府应制定和完善相关的标准和法规，确保系统的质量和安全性。同时，通过提供财政补贴或税收减免等激励措施，鼓励更多的高速公路管理部门采用物联网护栏系统。

此外，启动国家级或地方级的示范项目，不仅能够展示物联网护栏系统的实际应用效果，还能促进技术的推广和普及。

（三）社会经济效益评估

从成本效益的角度来看，虽然物联网护栏系统的初期投资较高，但长远来看，它能够通过减少事故、降低救援成本、缩短交通中断时间等方式带来显著的经济效益和社会效益。

减少事故的发生不仅能够保护人民的生命财产安全，还能降低交通拥堵，提高道路通行能力，这对于促进地区间的物流和人员流动、推动经济增长具有重要意义。此外，减少交通拥堵和事故，有助于减少温室气体排放和环境污染，对环境保护产生积极影响。

六

结论

融合物联网技术的高速公路护栏系统，在减轻自然灾害对高速公路的影响方面展现出巨大的潜力。通过技术创新与升级，新型传感器技术的发展和AI与大数据分析的应用，能够显著提高护栏系统的监测精度和预警能力，从而及早发现并预防潜在的灾害风险。