公路橋涵汽車用電子限高報(bào)警系統(tǒng) (Ⅰ)——電子限高報(bào)警裝置的原理與基本要求

劉長(zhǎng)生

(中南林業(yè)科技大學(xué)交通與物流學(xué)院，長(zhǎng)沙410004)

近些年，隨著城市汽車的大量增加，許多城市的道路出現(xiàn)了堵車現(xiàn)象。為了緩減地面交通壓力出現(xiàn)了一大批高架橋和涵洞。這一方面緩減了城市交通的壓力;另一方面，也使得道路結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。此外，一些城市為了降低修筑成本，有意將一些橋梁涵洞的設(shè)計(jì)通行高度比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) (如3.5m)略低一些 (如3.2m)，再加上一些企業(yè)和汽車司機(jī)為了降低運(yùn)輸成本，有意將一些汽車裝載的貨物超高。當(dāng)這些超高車輛進(jìn)入城市后，由于司機(jī)無(wú)法預(yù)知這些橋涵的真實(shí)限高又存在僥幸心理，造成超高車輛撞擊橋涵事故各地時(shí)有發(fā)生。這些事故不但造成橋涵結(jié)構(gòu)和車體自身?yè)p傷，而且還會(huì)引起交通堵塞甚至更嚴(yán)重的事故發(fā)生。

據(jù)北京市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心技術(shù)專家介紹，北京市的近千座立交橋中，有近一半都被超高車輛撞過。為了防止這類事故，北京市在主要的橋涵前用鋼材制作了龍門式“防撞架”——限高門架 (現(xiàn)在許多城市也安裝了)，限高門架上還懸掛著限高標(biāo)志。同時(shí)，為了使司機(jī)醒目，還將這些限高門架漆成黃黑相間的條紋。即就如此，撞橋事故仍居高不下。最嚴(yán)重的當(dāng)屬北京的安華橋，一年中僅限高門架被撞壞報(bào)廢而更換，就達(dá)幾十次;橋身被剮蹭、碰撞而損傷至少在20次以上。北京市每年因橋被撞所帶來的經(jīng)濟(jì)損失有上千萬(wàn)元［1］。

可以看出，僅安裝一個(gè)防撞架還是不能從根本上避免超高車輛剮蹭、碰撞的危害:如司機(jī)對(duì)車載貨物高度估計(jì)有誤，就會(huì)撞上防撞架;如超高車輛的車速過快，不但撞倒或撞壞防撞架，還會(huì)因?yàn)檐囕v的慣性而繼續(xù)撞向橋涵，導(dǎo)致司機(jī)、車子、防撞架和橋涵四者都受損傷。此外，笨重的防撞架垮塌時(shí)有可能砸到路上的其它車輛和行人，造成更大的傷亡。所以，防撞架并不能從源頭上解決超高車輛的撞擊橋涵事故［1－5］。為了從根本上杜絕這類事故的發(fā)生，這里進(jìn)行了公路橋涵車用電子限高報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)。

1 電子限高報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)要求

1.1 設(shè)計(jì)原理

公路橋涵車用電子限高報(bào)警裝置，必須在車輛接近時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出其高度是否符合橋涵的允許通行高度。一旦發(fā)現(xiàn)有車輛高度超過橋涵設(shè)定的通行高度，檢測(cè)設(shè)備會(huì)向控制設(shè)備發(fā)出有超高車輛駛?cè)氲男盘?hào)，控制設(shè)備立即指示安裝在橋涵上方或者路側(cè)的信息顯示板和聲光示警設(shè)備，向該車司機(jī)告知前方橋涵通行高度信息，提醒其因超高應(yīng)快停車并繞行。

該套裝置可以單獨(dú)使用，也可接入整個(gè)城市的道路的監(jiān)視系統(tǒng)。此外，還可根據(jù)實(shí)際需要增加或者減少其一些功能，比如根據(jù)不同的路況設(shè)置不同的限制高度和顯示板的提示信息;在居民區(qū)或者夜晚取消聲音報(bào)警的功能，不妨礙人們的正常生活等。

該套裝置應(yīng)滿足如下基本要求:

(1)能及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出駛?cè)霗z測(cè)區(qū)的超高車輛。

(2)有明顯的聲光報(bào)警提示。

(3)報(bào)警信號(hào)發(fā)出后要給司機(jī)足夠的反應(yīng)時(shí)間。

(4)報(bào)警系統(tǒng)要工作穩(wěn)定、可靠，盡量減少漏報(bào)和誤報(bào)的情況發(fā)生。

1.2 方案選擇

公路橋涵車用電子限高報(bào)警裝置要達(dá)到上述要求，必須首先確定采用哪種車輛檢測(cè)器。目前，激光于紅外檢測(cè)器都能實(shí)現(xiàn)超高檢測(cè)，其性能見表1。從表1可知，激光超高檢測(cè)器的性能要明顯優(yōu)與紅外超高檢測(cè)器，且其性/價(jià)比也高于紅外超高檢測(cè)器。所以建議采用激光超高檢測(cè)器。

表1 激光超高檢測(cè)器與紅外超高檢測(cè)器的比較［2］Tab.1 Comparison of laser height limit detector and infrared detector［2］

2 超高檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)

為了使激光超高檢測(cè)設(shè)備小型化，激光發(fā)射設(shè)備應(yīng)用的是激光二極管 (英文縮寫為L(zhǎng)D)。

2.1 激光二極管的特點(diǎn)

激光二極管是一種小型半導(dǎo)體激光器 (故也稱半導(dǎo)體激光器)。在各類激光器中，這種激光器輸入能量最低，效率最高，重量最輕，可直接調(diào)制。同時(shí)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低、可靠性高及壽命長(zhǎng)，完全適合用于檢測(cè)距離不很長(zhǎng)的公路激光超高檢測(cè)器［3，6］。

(1)激光二極管的輸出特性。如圖1所示，當(dāng)注入電流I＜Ith時(shí)，(Ith稱為閾值電流，由激光二極管的材料及結(jié)構(gòu)決定)，自發(fā)輻射所產(chǎn)生的輸出光功率PL增大與I成正比，發(fā)出非相干的自發(fā)輻射光;當(dāng)I＞Ith時(shí)，輸出光功率急劇增大，而且光輻射變?yōu)轭l帶上壓縮 (即帶窄)，方向上集中 (即方向性好)的強(qiáng)相干輻射——激光輸出。

(2)激光二極管的光束特性。激光二極管的光束特性中，一組重要的特性是近場(chǎng)圖像和遠(yuǎn)場(chǎng)圖像。前者是指激光器輸出端面上光強(qiáng)度分布圖像;后者是表示激光器指向特性的圖像。一般是指離開激光二極管端面數(shù)毫米以上的距離處所測(cè)量到的光強(qiáng)分布［6］。

2.2 激光入侵探測(cè)器

激光超高檢測(cè)器的主要裝置之一是激光入侵探測(cè)器。

2.2.1 基本組成

由于對(duì)公路橋涵超高車輛的檢測(cè)過程，是公路部門主動(dòng)實(shí)施的，因此必須采用主動(dòng)探測(cè)裝置。激光入侵探測(cè)器就是屬于這種主動(dòng)探測(cè)裝置，主要由激光發(fā)射機(jī)和激光接收機(jī)組成。前者由激光發(fā)射器、調(diào)制激勵(lì)電源及相應(yīng)的方向調(diào)整機(jī)構(gòu)組成;后者由激光接收器、光電信號(hào)處理器以及相應(yīng)的支撐機(jī)構(gòu)組成。

該系統(tǒng)是在公路橋涵防護(hù)區(qū)的進(jìn)入端，設(shè)置激光發(fā)射機(jī)，將其發(fā)射的定向激光束直接 (或通過光學(xué)反射器或通過激光中繼器轉(zhuǎn)折)射向探測(cè)區(qū)。在探測(cè)區(qū)的接收機(jī)將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成特征信號(hào)，并經(jīng)鑒別器處理。當(dāng)確認(rèn)信號(hào)正常時(shí)，顯示綠燈 (保持監(jiān)視狀態(tài));當(dāng)超高車輛將光束遮斷時(shí)則信號(hào)失常，顯示紅燈，同時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)。最后，由報(bào)警控制主機(jī)發(fā)出聲光報(bào)警和控制動(dòng)作，并通過有線或無(wú)線方式通知有關(guān)部門［7－8］。

圖1 LD的PL-I曲線Fig.1 PL-I curves of LD

2.2.2 激光入侵探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)

(1)適于遠(yuǎn)距離工作。激光束的方向性極好，因此光能集中，傳輸效率高。在發(fā)射功率相同的條件下，在100～200m遠(yuǎn)時(shí)，激光功率密度是紅外對(duì)射探測(cè)器功率密度的數(shù)百倍。因而傳輸距離更遠(yuǎn)，穿透雨霧雪的能力更強(qiáng)。能保證遠(yuǎn)距離工作并減少惡劣天氣時(shí)的誤報(bào)率。

(2)閉路傳輸，無(wú)相互干擾。該系統(tǒng)的激光束屬于閉路傳輸，因而不存在紅外對(duì)射探測(cè)器在直線上連續(xù)布設(shè)或者鄰近系統(tǒng)互相干擾的問題，可在長(zhǎng)距離上連續(xù)直線布設(shè)或近距離交叉布設(shè)。另外，該系統(tǒng)也不存在紅外光漏泄干擾周圍其它的敏感紅外設(shè)備的問題。

(3)抗外界雜散光和電磁干擾的能力強(qiáng)。激光主動(dòng)探測(cè)器可采用高功率密度發(fā)射器，使得該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力。同時(shí)利用激光束的單色性極好和光斑大小可控的特點(diǎn)，可使系統(tǒng)在嚴(yán)重干擾的環(huán)境中正常工作。

(4)適應(yīng)范圍廣，便于布設(shè)。該裝置發(fā)射光束可對(duì)射、反射后在原處接收、轉(zhuǎn)折后返回，形成平面和立體布設(shè)。此外，該系統(tǒng)既可十分隱蔽地固定設(shè)防，也可臨時(shí)流動(dòng)設(shè)防或動(dòng)態(tài)設(shè)防。防止一些超高車輛的司機(jī)發(fā)現(xiàn)檢測(cè)裝置后，又繞行其它線路的弊病。

(5)總體工程性價(jià)比好，檢修方便。該系統(tǒng)使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低。明顯降低設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用，減少施工量，減少對(duì)環(huán)境美觀的影響。此外，檢修很方便。

(6)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試快捷，精度高，檢測(cè)路面寬。激光入侵探測(cè)器的激光定位儀，可隨時(shí)方便地檢測(cè)各處光斑的位置。傳播過程中何處有樹枝、葉子等障礙物遮擋，轉(zhuǎn)折或接收處光斑偏離中心的方向和遠(yuǎn)近，都可以直接判定，因而能夠準(zhǔn)確迅速地指導(dǎo)調(diào)整工作。此外，還可以對(duì)于比較寬的幾車道路面并排安裝幾臺(tái)設(shè)備，一臺(tái)設(shè)備僅對(duì)其中一條車道檢測(cè)，避免了一條車道出現(xiàn)超高車輛時(shí)對(duì)所有車道的車輛均發(fā)出停車信號(hào)，非常適用于多車道公路的應(yīng)用。

2.3 車輛檢測(cè)器

由于激光超高檢測(cè)系統(tǒng)的反映很靈敏，為避免飛鳥等掠過激光對(duì)射器時(shí)也會(huì)擋住激光射線而引起誤報(bào)的情況發(fā)生，應(yīng)采用激光限高與地面車輛感應(yīng)器組成的立體檢測(cè)系統(tǒng)，確保該系統(tǒng)只對(duì)違章的超高車輛進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

目前，最常用的車輛感應(yīng)器是埋在地下的環(huán)形線圈［9］。當(dāng)車通過線圈時(shí)，車輛引起線圈回路電感量的變化，檢測(cè)器通過該變化就可檢測(cè)出車輛的存在。

隨著科技的不斷進(jìn)步，安裝在地面的視頻檢測(cè)器也開始應(yīng)用。它是將攝像機(jī)作為傳感器，在視頻范圍內(nèi)設(shè)置虛擬線圈。將拍攝到的圖像進(jìn)行數(shù)字化處理，去掉圖像噪聲信息，提取必要的車輛特征信息，最終確定車輛的存在。這兩種車輛檢測(cè)器的性能和其性價(jià)比見表2。

表2 視頻檢測(cè)器和環(huán)形線圈檢測(cè)器的性能的比較［10］Tab.2 Comparison on the performance of video detector and toroid detector［10］

2.3.1 環(huán)形線圈檢測(cè)器

環(huán)形線圈檢測(cè)器由環(huán)形線圈、調(diào)諧回路和檢測(cè)電路組成，各個(gè)部分功能如圖2所示。這是目前用量最大的一種檢測(cè)設(shè)備。車輛通過埋在路面下的環(huán)形線圈時(shí)，引起線圈磁場(chǎng)的變化，據(jù)此算出車輛的流量、速度、時(shí)間占有率和長(zhǎng)度等參數(shù)，并傳給控制系統(tǒng)，以滿足控制系統(tǒng)的需要。此種方法技術(shù)成熟，易于掌握，成本較低［10］。其主要缺點(diǎn)如下。

(1)線圈在安裝或維護(hù)時(shí)必須挖開車道路面，交通會(huì)受到阻礙。

(2)埋置線圈的切縫軟化了路面，車輛經(jīng)過時(shí)容易使路面受損。

(3)環(huán)形線圈易受冰凍、路基下沉、鹽堿等自然環(huán)境的影響。

(4)由于受其測(cè)量原理所限，當(dāng)車流擁堵，車間距小于3m時(shí)，檢測(cè)精度大幅度降低，甚至無(wú)法檢測(cè)［10］。

圖2 環(huán)形線圈檢測(cè)功能框圖Fig.2 Functional block diagram of toroid detector

2.3.2視頻檢測(cè)器

視頻車輛檢測(cè)器是通過視頻攝像機(jī)作傳感器，在視頻范圍內(nèi)設(shè)置虛擬線圈 (即檢測(cè)區(qū))，車輛進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)使背景灰度值發(fā)生變化，從而得知車輛的存在，并以此檢測(cè)車輛的流量和速度。視頻檢測(cè)器可安裝在車道的上方和側(cè)面，并可根據(jù)需要移動(dòng)檢測(cè)線圈，有著直觀可靠，安裝調(diào)試維護(hù)方便，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。主要缺點(diǎn)如下:

(1)容易受惡劣天氣、燈光和陰影等環(huán)境因素的影響。

(2)汽車的動(dòng)態(tài)陰影有時(shí)也會(huì)帶來干擾。

［1］北京晚報(bào).安華橋橋身裂了 3m［EB/OL］.http://news.sohu.com/20050701/n226157255.shtml.2005 －07 －01/2008 －04 －01.

［2］陳永甫.紅外探測(cè)與控制電路［M］.北京:人民郵電出版社，2004.

［3］唐劍兵.光電技術(shù)基礎(chǔ)［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2006.

［4］任致程.青少年業(yè)余愛好者電子制作手冊(cè)［C］.北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2001.

［5］朱京平.光電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［6］余金中.半導(dǎo)體光電子技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［7］北奧東華激光技術(shù)有限公司.激光車輛超高檢測(cè)器的應(yīng)用［EB/OL］.http://www.dova-laser.com/newsview.aspid=172.2007 －09－25/2008－04－01.

［8］北奧東華激光技術(shù)有限公司.激光車輛超高檢測(cè)系統(tǒng)［EB/OL］.http://www.dova-laser.com/jgcl.asp.2007 － 09 － 13/2008－04－01.

［9］劉智勇.智能交通控制理論及其應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［10］車輛檢測(cè)器.http://baike.baidu.com/view/1670143.htm.2011－06－01/2011－06－04.