自動檢測限高交通設(shè)施系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)

潘福全，王 健，羅淑蘭，劉于慶，張麗霞

（青島理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，山東 青島 266520）

交通設(shè)施是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)與保障，也是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要舉措。伴隨著我國運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，國家對交通設(shè)施的規(guī)劃、建設(shè)和管理提出了更高的要求。為了加強(qiáng)對道路、橋梁等交通設(shè)施的保護(hù)，許多地方在道路或者橋涵入口架設(shè)了限高門架［1］。但是，目前對于限高架的設(shè)置過于簡易，致使限高門架在保護(hù)道路的同時，導(dǎo)致許多超高車輛與限高架相撞事故的發(fā)生，給人員、車輛、門架或者橋隧帶來損壞。此外，撞壞的限高門架還可能砸到過往車輛和行人，造成二次事故。因此，設(shè)計(jì)一種能減少甚至避免此類交通事故發(fā)生的而且自身智能高效的限高交通設(shè)施系統(tǒng)，對有效保護(hù)人員、車輛以及橋梁的安全，提高交通運(yùn)輸安全有著重要的實(shí)際意義。

為了解決限高門架應(yīng)用過程中出現(xiàn)的弊端，國內(nèi)外都在積極研究，并將新的科技應(yīng)用于限高架，以尋找有效對策。目前，國內(nèi)外在智能限高架中都采用了激光或紅外線技術(shù)。但由于國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)、社會和人文環(huán)境的差別，以及交通發(fā)展程度的不同，在具體實(shí)施方面還存在一定的區(qū)別。國外對于限高架的研發(fā)主要基于相位式激光測距原理，利用激光調(diào)制波對各車道車輛進(jìn)行全天候?qū)崟r檢測，實(shí)現(xiàn)了單機(jī)可檢測多條車道的激光車輛限高儀［2］；也有利用機(jī)械與光電結(jié)合方式來測量車輛高度，并對超高車輛發(fā)出報警信號、抓拍等檢測與監(jiān)控行為［3］。相比之下，國內(nèi)對于限高架研發(fā)更傾向于紅外光電控制技術(shù)，由此技術(shù)研發(fā)出的紅外光電控制器包括發(fā)射光、接收光和光信號處理3個環(huán)節(jié)，根據(jù)光源的接收情況判斷車輛是否超高，以及是否發(fā)出警報信號［4］；另外，還有一種基于激光傳感器的限高架，通過設(shè)置在道路兩旁的激光傳感器陣列精確測量車輛的具體高度。誠然，從技術(shù)層面，各種研究設(shè)計(jì)都已經(jīng)比較完善，但在具體實(shí)施中主要以硬性條件對行駛車輛強(qiáng)制限高，而缺乏對“人”的考量。而人是交通的重要參與者，更是交通的主導(dǎo)者［5］。在我國，人的因素導(dǎo)致的道路交通事故約占90%，而駕駛員在人的因素中又占主導(dǎo)地位和主要成分，因此，降低交通事故的發(fā)生，要從駕駛員這個關(guān)鍵因素出發(fā)［6］。本論文在綜合當(dāng)前研究成果的基礎(chǔ)上，著重從駕駛員特性和“人性”角度對限高架進(jìn)行改進(jìn)，并設(shè)計(jì)一種安全高效的限高交通設(shè)施及自動檢測車高系統(tǒng)。

1 限高架被撞原因

1.1 道路交通壓力大

近些年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，我國機(jī)動車保有量迅猛增加，加之道路基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)完善，使得道路交通運(yùn)輸需求與選擇被繼續(xù)放大。這些客觀原因的直接結(jié)果就是加大道路交通壓力，增加了限高架被撞事故發(fā)生的可能。

1.2 駕駛員安全意識薄弱

根據(jù)有關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，限高架被撞事故一般發(fā)生于夜晚時分或者凌晨時段。在此時間段，天色昏暗，視野不佳，也是駕駛員最容易滋生疲乏、注意力渙散的時候，因?yàn)殡y以及時識別限高標(biāo)志和限高設(shè)施而未能及時剎車撞上限高架；也有部分駕駛員，尤其是外地的駕駛員，由于對路況不熟，不知道限高設(shè)施存在；更有甚者誤判自己的車輛高度與限高架限制高度，最終導(dǎo)致悲劇發(fā)生［7］。

1.3 限高架自身設(shè)計(jì)缺陷

目前，國內(nèi)限高架主要有6種，其優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

另外，限高架的具體布設(shè)多由施工單位或者產(chǎn)權(quán)單位自己設(shè)定，在設(shè)計(jì)上存在一定缺陷：只是對高度做出限定，卻沒有及時提醒駕駛員所駕駛車輛是否超高；限高架過分注重“硬性限制”，自身體型笨重，一旦被碰撞很容易造成二次事故或新的交通障礙；忽略了對救護(hù)車、消防車等特殊車輛緊急通行的考慮。

表1 6種類型限高架的優(yōu)缺點(diǎn)

1.4 限高交通宣傳不力

缺少相應(yīng)宣傳，市民們就無法及時了解新增限高架的信息；落實(shí)不到位就無法對某些交通安全意識淡薄的駕駛員形成有效約束。所以在限高架試運(yùn)期間，尤其是突然或臨時添置限高架的某些路段，有關(guān)部門一定要在限高架所處路段的上一路口前設(shè)置限高標(biāo)志，并為限高架添加防護(hù)設(shè)施，同時需要借助媒體的力量，引起社會的廣泛重視。

2 自動檢測限高交通設(shè)施系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)總體方案

本文設(shè)計(jì)一種限高設(shè)施自動檢測車高系統(tǒng)，利用現(xiàn)代化手段提高道路、橋隧交通運(yùn)行的安全性。該系統(tǒng)共分為3部分：（1）車高檢測系統(tǒng)，本部分的核心是傳感器技術(shù)，在限高設(shè)施的前方設(shè)置紅外激光傳感器用于檢測車高，當(dāng)有超高車輛通過時，傳感器將接收到的超高信號傳輸給控制系統(tǒng)PLC；（2）報警與監(jiān)控系統(tǒng)，報警系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)PLC發(fā)來的指令發(fā)出警示信號（報警燈閃爍、揚(yáng)聲器連續(xù)發(fā)出報警聲和LED顯示屏的文字提醒，形成了光、聲、文字3方警示），并對“硬闖”車輛抓拍取證，而后公示于可變情報板，以作警示；（3）控制中心和應(yīng)急處理系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)對限高架運(yùn)行狀況實(shí)時監(jiān)控，一旦發(fā)生事故，應(yīng)急處理人員及時抵達(dá)現(xiàn)場，引導(dǎo)超高車輛退出，并對限高架進(jìn)行檢查修復(fù)工作。系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行流程簡示圖

2.2 系統(tǒng)開發(fā)

2.2.1 車高檢測系統(tǒng)原理

利用紅外激光對射傳感器，在需要限高的交通設(shè)施前一定距離（具體距離根據(jù)該路段的限行速度計(jì)算）設(shè)置激光檢測系統(tǒng)，在道路兩旁設(shè)置發(fā)射激光傳感器和接收激光傳感器，傳感器的設(shè)置位置為需要檢測的高度。當(dāng)沒有車輛通過時，發(fā)射傳感器發(fā)出檢測激光，接收傳感器接收發(fā)射的激光，形成光信號通路。這時車高檢測系統(tǒng)會輸出一個低電平信號。但是當(dāng)有超高車輛通過時，發(fā)射出的激光由于被超高車輛阻礙遮擋，這時接收傳感器無法接收發(fā)射出來的激光，電平信號轉(zhuǎn)變成高電平信號傳輸給PLC。通過電平信號的變化從而實(shí)現(xiàn)對車輛是否超高的辨別。車高檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式如圖2所示。

圖2 車高檢測系統(tǒng)原理

2.2.2 超高車輛報警與監(jiān)控系統(tǒng)

超高報警是本部分系統(tǒng)的核心控制部件，本文選用西門子S7-200PLC，通過專用電纜將計(jì)算機(jī)與PLC連接，根據(jù)本系統(tǒng)中報警信號的設(shè)計(jì)要求，利用編程軟件進(jìn)行程序編寫，將編寫好的程序傳輸并保存到PLC內(nèi)部相應(yīng)的存儲模塊。當(dāng)超高車輛通過自動檢測車高裝置時，檢測系統(tǒng)會將高電平信號傳輸給PLC，PLC執(zhí)行用戶程序，控制監(jiān)控系統(tǒng)對超高車輛進(jìn)行拍攝，獲取相關(guān)信息，尤其是對超高卻沒有繞行的車輛或“硬闖”駕駛行為進(jìn)行取證，方便后期相關(guān)部門對違法行為懲處工作的進(jìn)展。同時，PLC激發(fā)報警設(shè)施（報警燈、揚(yáng)聲器、LED顯示屏）發(fā)出警示信號。LED顯示屏用作可變情報板，當(dāng)無超高車輛駛?cè)霑r，LED顯示屏上會顯示近期超高車輛的違法行為以及相關(guān)信息；一旦有超高車輛進(jìn)入檢測光幕，，LED顯示屏上信息轉(zhuǎn)變?yōu)椤败嚺铺枮?***的車輛已超高，請繞行”字樣，提醒駕駛員所駕駛的車輛已超高。

此外，發(fā)射傳感器和接收傳感器分別安裝在道路兩旁，為防止車輛顛簸、落葉、飛鳥等對紅外激光信號的干擾，道路兩側(cè)四對并聯(lián)式激光發(fā)射、接收傳感器，形成傳感器陣列；車高檢測系統(tǒng)對車輛超高的判斷是基于傳感器形成的激光光幕而非某對紅外激光發(fā)射、接收傳感器。為防止車輛“硬闖”對限高設(shè)施造成傷害甚至引發(fā)二次事故，限高設(shè)施設(shè)計(jì)為半固定式裝置，即限高橫梁外側(cè)固定在鐵架上，內(nèi)側(cè)用鏈條懸掛上方橫梁上，如圖3所示。

圖3 車高檢測系統(tǒng)示意圖

2.2.3 控制中心和應(yīng)急處理系統(tǒng)

控制中心通過監(jiān)控系統(tǒng)對限高設(shè)施實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控，一旦發(fā)生有車輛碰撞限高設(shè)施或者其他報警信號后，可立即調(diào)動當(dāng)值人員或附近值班人員趕往現(xiàn)場，處理指揮引導(dǎo)超高車輛退離道路或橋隧。在引導(dǎo)超高車輛退出的同時，檢查限高設(shè)施的相關(guān)設(shè)備，對有損壞或者出現(xiàn)使用故障的部件及時修復(fù)或替換，確保限高設(shè)施的正常使用，并盡快恢復(fù)交通系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.2.4 所開發(fā)系統(tǒng)實(shí)例

根據(jù)所設(shè)計(jì)的自動檢測車高方案，本文通過編程實(shí)際開發(fā)自動檢測限高交通設(shè)施系統(tǒng)。根據(jù)測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)開發(fā)系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、檢測精度高，能及時反饋檢測信息有著較高的實(shí)用價值和廣泛的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

本文通過對現(xiàn)有限高設(shè)施的現(xiàn)狀分析，在總結(jié)現(xiàn)有限高設(shè)施的優(yōu)缺點(diǎn)后，設(shè)計(jì)一種既考慮駕駛?cè)私煌ㄌ匦?，又具有?qiáng)制限高功能的自動檢測限高交通設(shè)施系統(tǒng)。運(yùn)行結(jié)果顯示，提前以聲、光、字3種形式向超高車輛發(fā)出報警，可讓超高信息的傳達(dá)更加高效，有利于減少超高車輛撞上橋梁、隧道頂部等交通事故的發(fā)生，促進(jìn)交通安全。后續(xù)還需要對系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性等方面做出進(jìn)一步的改進(jìn)與提升。

［1］徐戚，黃磊.城市高架橋限高架結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)綜述［J］.中國新通信，2015，17（01）：23.

［2］鄭秀霞，戴明遠(yuǎn).激光車輛限高儀的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J］.電子測量技術(shù)，2006，29（3）：62-64.

［3］秦立祥.外環(huán)隧道車輛限高檢測的應(yīng)用［J］.電氣自動化，2006，28（2）：41-43.

［4］趙凌.基于光電傳感器的報警系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子測試，2013（9）：25-26.

［5］潘福全，劉濤，董云鵬，等.基于VISSIM仿真的信號交叉口交通效率分析［J］.公路，2010（8）：165-169.

［6］張麗霞，劉濤，潘福全，等.駕駛員因素對道路交通事故指標(biāo)的影響分析［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2014，24（5）：79-84.

［7］魏曉穎，陳旺日，陳金剛.鄭州西三環(huán)限高架頻繁被撞原因與對策［J］.河南科技，2015，578（12）：92-94.

［8］邱宏峰.升降式可變限高龍門架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［D］.杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2013.