預(yù)警自修復(fù)式聯(lián)動救援限高系統(tǒng)研究

林理科，曾 超，2，劉享浚

（1.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶市 400074；2.重慶市規(guī)劃設(shè)計研究院博士后工作站，重慶市 401147；3.重慶市求精中學(xué)，重慶市 400010）

1 研究背景

近年來，我國進(jìn)入了新基建時代，5G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等智慧創(chuàng)新領(lǐng)域的新型基礎(chǔ)設(shè)施體系，將交通運(yùn)輸業(yè)推向生態(tài)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展[1]。隨著基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)輸裝備不斷改善，大型客車、大中型載重汽車保有量迅速增加。為保證橋隧設(shè)施運(yùn)行安全，常在城市高架路匝道出入口、公鐵跨線橋處設(shè)置限高裝置。但因車輛駕駛員疲勞駕駛、限高架高度設(shè)置存在工程誤差，以及車輛超高通過而導(dǎo)致限高架傷人事故頻發(fā)，造成了一定的社會經(jīng)濟(jì)損失，如圖1 所示。

圖1 限高架事故現(xiàn)場圖

2019年，全國有報道的限高架碰撞事故累計49起。2020年截至11月共發(fā)生37 起，造成19 人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2000 萬元。

針對現(xiàn)有限高裝置設(shè)計缺陷，優(yōu)化、改進(jìn)限高裝置的工作原理，對降低事故風(fēng)險、減少事故損失尤為重要。

2 新型限高系統(tǒng)

2.1 研發(fā)思路

傳統(tǒng)限高架現(xiàn)存在以下問題：（1）超高檢測手段缺失；（2）攔截方式強(qiáng)制被動；（3）攔截裝置剛性過強(qiáng)；（4）事故信息通報不及時；（5）救援不暢、難以預(yù)防等[2]。

針對以上問題，本文提出的預(yù)警自修復(fù)式聯(lián)動救援智能限高架運(yùn)作體系共分3 個階段：事前預(yù)警（Ⅰ）、事中緩沖（Ⅱ）和事后救援（Ⅲ）。系統(tǒng)各部分配合運(yùn)作流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)作流程

2.2 研究內(nèi)容

2.2.1 事前預(yù)警階段

在設(shè)置限高架路段的道路與橋梁前安置車高檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心技術(shù)為紅外線激光檢測設(shè)備。當(dāng)車輛未超高時，接收端正常接收到紅外線信號，車輛順利通過。當(dāng)車輛超高時，超出的部分會阻擋紅外線到達(dá)接受的另一端，被阻斷的紅外線信號會轉(zhuǎn)化為電信號，控制限高架上的攝像頭進(jìn)行拍照，并將識別出的車牌號投放到LED 顯示屏上。與此同時，交通警示燈黃燈連續(xù)閃爍，在保證駕駛員和駕駛車輛安全的情況下，對駛來車輛進(jìn)行再次減速提醒，提醒駕駛員禁止前行并靠邊停下。

2.2.2 事中緩沖階段

依通過分析車輛水平碰撞力F，F(xiàn) 由車速v、碰撞角度θ，汽車質(zhì)量m（kg），護(hù)欄變形值D（m）、車輛重心距前保險杠距離C（m）、車輛寬度b 等因素決定[3]。

根據(jù)式（1）可計算得到限高架和車輛端部所受應(yīng)力，得出限高架橫桿和車輛前端碰撞后的應(yīng)力變形，如圖3、圖4 所示。

圖3 限高架橫桿應(yīng)力變形圖

圖4 車輛端部應(yīng)力變形圖

該部分改進(jìn)，可采用可水平運(yùn)動的限高架結(jié)構(gòu)。在限高架的側(cè)面安置滑輪組，用鋼索連接限高架與埋入地下的緩沖裝置，避免影響結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性。軌道兩側(cè)設(shè)置為外高內(nèi)低的結(jié)構(gòu)，保證限高橫桿在外力的作用下不會因車輛高速撞擊導(dǎo)致滑輪脫離軌道?；喤c限高橫桿間可轉(zhuǎn)動，使限高橫桿的任意位置在受到車輛的撞擊后，自身仍能以一定的傾斜角度繼續(xù)前進(jìn)，且不會對軌道產(chǎn)生破壞性的橫向力。

自修復(fù)式結(jié)構(gòu)借助重力裝置的重力和彈簧彈性勢能間的轉(zhuǎn)化將限高架橫桿復(fù)位。實(shí)現(xiàn)該功能也可以采用電機(jī)驅(qū)動或者液壓裝置，需結(jié)合實(shí)際情況，根據(jù)不同道路等級、限制車速和環(huán)境因素進(jìn)行調(diào)整。

張均、張垍為唐朝玄宗時期的宰相張說之子，頗受唐玄宗器重，分別在朝中擔(dān)任過重要官職。張均為張說長子，曾任大理寺卿一職；張垍為張說次子，為當(dāng)朝駙馬。二人在安史之亂中投靠于安祿山，并分別在其軍中擔(dān)任偽中書令、宰相之職。安史之亂被平定之后，二人結(jié)局或死或發(fā)配。但究竟孰死孰生，《資治通鑒》記載與《舊唐書》《新唐書》《冊府元龜》記載并不相同。

2.2.3 事后救援階段

當(dāng)車輛撞擊限高橫桿后，智能救援系統(tǒng)啟動，將車輛信息和事發(fā)情況發(fā)送至聯(lián)動救援平臺，及時通知公安、交管、醫(yī)療救護(hù)、消防等部門開展救援。同時，為避免二次事故發(fā)生，壓力感應(yīng)片感應(yīng)到車輛撞擊壓力后，沿途所設(shè)電子圍欄顯示紅燈，暫時禁止后方車輛進(jìn)入。其中，基于限高架與車輛的有限元三維碰撞模擬模型設(shè)定檢測閾值。當(dāng)閾值小于車輛撞擊限高架的檢測應(yīng)力值時，智能救援系統(tǒng)和沿途所設(shè)電子圍欄同時啟動。

2.2.4 其他功能

由于城市部分道路的限高要求根據(jù)時間段可發(fā)生變化，本文提出的智能限高架同時具有升降功能。通過改造限高架橫梁與基架的連接方式，采用可滑動的導(dǎo)軌連接，利用計算機(jī)控制在特定時間段實(shí)現(xiàn)一鍵升降[4]。

2.3 技術(shù)要求

本系統(tǒng)的主要工作原理為：當(dāng)車輛駛?cè)霑r，用光電傳感器來判斷車輛是否超高。若沒有超高，車輛正常通過。若車輛超高，紅外線信號控制攝像頭抓拍車牌，投送至LED 屏，提醒司機(jī)已超高；電子圍欄顯示黃燈，提醒后方車輛減速。若車輛未及時制動，用緩沖系統(tǒng)裝置緩沖車輛的撞擊能量，阻止車輛繼續(xù)前進(jìn)。當(dāng)撞擊檢測值超過設(shè)定閾值時，便會觸發(fā)自動報警聯(lián)動救援裝置。

其中涉及的主控單元、光電傳感器、壓電傳感器、信息采集模塊、顯示模塊和電機(jī)驅(qū)動等的具體參數(shù)分析如下。

2.3.1 主控單元

2.3.2 光電傳感

光電傳感可采用漫反射光電開關(guān)E 3F-DSC 4 紅外線感應(yīng)傳感器。它主要由發(fā)送器、接收器和檢測電路三部分組成。發(fā)送器平行發(fā)射光束，當(dāng)車輛未超高時，接收端正常接收到紅外線信號。當(dāng)車輛超高時，超出的部分會阻擋紅外線到達(dá)接受的另一端，被阻斷的紅外線信號會轉(zhuǎn)化為電信號，從而可以判別車輛超高[5]。

2.3.3 壓電傳感

壓電傳感可采用HX 711 模塊，用于當(dāng)發(fā)生車輛撞擊限高橫桿的事件時，埋入限高架中的壓力感應(yīng)片感應(yīng)到車輛的撞擊壓力，系統(tǒng)裝置通過壓電傳感器將壓力信號變?yōu)殡娦盘栻?qū)動電子圍欄。

2.3.4 系統(tǒng)控制信息傳輸

系統(tǒng)控制信息傳輸采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，其將現(xiàn)實(shí)世界中的機(jī)器、設(shè)備、團(tuán)隊(duì)和網(wǎng)絡(luò)通過先進(jìn)的傳感器、控制器和軟件應(yīng)用程序連接起來，從而實(shí)現(xiàn)限高架的智能化和信息的遠(yuǎn)程傳輸。

2.3.5 信息采集模塊

用攝像頭ov7670 對車輛抓拍。該攝像頭有性能穩(wěn)定、靈敏度高、圖像智能高等優(yōu)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地采集車輛的車牌信息。

2.3.6 顯示模塊

顯示模塊項(xiàng)目中使用的是TFTLCD，即薄膜晶體管液晶顯示器。通過STM 32 的普通IO 口模擬8080總線來控制TFTLCD 的顯示，用于顯示攝像頭識別出的車牌號等信息。但考慮到成本，可用LED 點(diǎn)陣完成信息的顯示。

2.3.7 電機(jī)驅(qū)動控制單元

電機(jī)驅(qū)動模塊采用L298N 作為主驅(qū)動芯片。其具有啟動能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可以驅(qū)動感性負(fù)載，如大功率直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、電磁閥等，特別是其輸入端可以與單片機(jī)直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機(jī)控制。用此模塊控制限高架的升高與下降，可以實(shí)現(xiàn)不同時期限制不同高度的車輛通過。

3 結(jié)語

本文針對現(xiàn)有限高架設(shè)計存在的缺陷及運(yùn)用管理體制不完善等問題，基于駕駛員的視覺特性和反應(yīng)特性，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)、信號識別及模擬仿真等技術(shù)，提出限高架進(jìn)行事前、事中及事后3 個部分的改進(jìn)思路，創(chuàng)新性地提出具有預(yù)警功能、自修復(fù)式功能及自動報警功能的新型智能限高架，以解決現(xiàn)有限高架存在的警示性不強(qiáng)、事故報警不及時及結(jié)構(gòu)簡單等問題，從而降低碰撞沖擊力度，減少司乘人員傷亡，為進(jìn)一步完善實(shí)體限高裝置的研發(fā)提供參考。