面向二次事故預(yù)警的主動式智慧防撞護欄設(shè)計

汪 宇，潘 強，劉 林，周志鵬

（揚州大學(xué)，江蘇 揚州 225009）

1 研究背景

目前，我國公路網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本形成，隨之而來的是日益增長的交通需求與交通安全管理之間的矛盾。預(yù)計到2030年，交通運輸需求量、主要通道交通量或?qū)⒂?~4倍的增長，可以預(yù)見的是公路的安全形勢將隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，以及汽車保有量和公路通車?yán)锍痰脑黾樱兊迷絹碓絿?yán)峻。公安部統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，十多年來，中國交通事故死亡人數(shù)一直位居世界首位，公路常發(fā)生會車事故、超車事故、停車事故、彎道事故和追尾事故等導(dǎo)致事故死亡率居高不下。當(dāng)?shù)缆钒l(fā)生事故后，不能及時提醒后方車輛，而后方駕駛員由于車速過快則來不及采取制動措施，往往導(dǎo)致更為嚴(yán)重的二次事故發(fā)生。

二次交通事故是指與第一次事故的時間相隔比較短，后車或來車來不及反應(yīng)，因一次事故處理不當(dāng)，二次事故當(dāng)事人由于車速過快而無法及時發(fā)現(xiàn)情況而造成的交通事故。由于高速公路是一個高指標(biāo)、線性、完全封閉的道路，駕駛員通常無法預(yù)測前方的障礙物，當(dāng)駕駛員發(fā)現(xiàn)行駛方向前有問題時，由于車輛自身的速度太高，常常不能及時剎車，造成二次事故。二次事故發(fā)生的原因主要有以下幾個方面。第一，雨、雪、霧等天氣原因。駕駛員的可視度受天氣影響而變差，路面附著系數(shù)小，車輛制動能力降低，尤其是濃霧、團霧天氣，極易發(fā)生連續(xù)追尾事故。第二，疲勞駕駛。駕駛員在駕車過程中，逐漸產(chǎn)生精神疲勞，速度感和快速反映能力隨之減弱，對于前方發(fā)生事故、車輛堵塞、路面情況視而不清，極易發(fā)生二次事故。第三，超載超速。機動車駕駛員超速行駛，車速過快會延長制動距離，制動非安全區(qū)加大，遇到前方有情況時不能及時剎車制動，而導(dǎo)使二次事故發(fā)生。第四，現(xiàn)場處置時間過長，設(shè)置警戒不規(guī)范，不能有效警醒后方來車。

目前各國對避免二次事故發(fā)生做出了一系列應(yīng)對措施。美國為應(yīng)對高速公路交通事故及事故救援，建立了高速公路事故管理系統(tǒng)和緊急救助系統(tǒng)。高速公路事故管理系統(tǒng)主要由各州警察和公路巡查隊負(fù)責(zé)，通過計算機進行管理，整個系統(tǒng)擁有完備的通信設(shè)備、巡邏警車、應(yīng)急設(shè)備和槍支。我國在發(fā)生一次事故后主要以人工報警、視頻識別、信息發(fā)布等為主，尚缺少針對事故發(fā)生的動態(tài)、及時、精準(zhǔn)預(yù)警技術(shù)。

交通事故發(fā)生后多數(shù)情況會撞擊防撞護欄，而現(xiàn)有護欄多以半鋼性護欄為主，它是一種以波紋狀鋼護欄板相互拼接并由主柱支撐的連續(xù)結(jié)構(gòu)。其主要作用是當(dāng)車輛對其碰撞時能夠吸收能量，使其既不容易被撞毀，同時又可對車輛和司乘人員起到良好的保護作用。但是其局限性也十分明顯，只能在一定程度上減少事故帶來的損失，不能滿足現(xiàn)有公路對道路安全設(shè)施更高的需求。

因此，本作品以減少二次事故發(fā)生為主要目標(biāo)，以提升事故應(yīng)急預(yù)警及救援響應(yīng)效能為主要手段，充分考慮事故發(fā)生時一般會對防撞護欄造成不同損毀程度的基本特性，瞄準(zhǔn)交通強國戰(zhàn)略及新基建背景下的新型交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求，創(chuàng)新性提出將普通防撞護欄設(shè)計成融合撞擊感知、空間定位、預(yù)警發(fā)布、系統(tǒng)聯(lián)動等功能為一體化的智慧防撞護欄系統(tǒng)的研究思路，以解決當(dāng)前對二次事故預(yù)警時效性不高的問題。

2 設(shè)計原理

2.1 設(shè)計思路

護欄設(shè)計基本思路如圖1所示。

圖1 護欄設(shè)計基本思路

2.1.1 事故動態(tài)及時預(yù)警

通過在防撞護欄上安裝振動速度傳感器和黃色警示燈，達到發(fā)現(xiàn)一次事故和防止二次事故發(fā)生的效果。車輛撞向防撞護欄后，傳感器分析識別異常頻率的等級，控制黃色警示燈分級閃爍，警醒駕駛員前方有交通事故發(fā)生，駕駛員在感知燈光信息后進行減速。

2.1.2 事故信息及時發(fā)布

在碰撞發(fā)生的同時，護欄上的定位功能可將事故位置信息通過衛(wèi)星基站傳送至交管部門，交管人員可在第一時間知道事故地點，進行對應(yīng)的道路救援和信息發(fā)布工作。

2.2 研究方法

2.2.1 收集資料與查閱文獻

根據(jù)本文的研究課題確定文獻查閱方向，了解現(xiàn)有防撞護欄的規(guī)格和材料，選取感應(yīng)器，了解車禍的類型與車輛的制動距離的影響因素，調(diào)查現(xiàn)有的道路信息發(fā)布技術(shù)、預(yù)警方式、動態(tài)判斷及識別技術(shù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)收集整理與防撞護欄設(shè)計

通過實地調(diào)查與文獻查閱，收集防撞護欄強度、感應(yīng)器觸發(fā)頻率、車禍發(fā)生主要形式的比例等數(shù)據(jù)，將收集到的數(shù)據(jù)進行整理分析，設(shè)計護欄，判斷感應(yīng)器的安裝距離，護欄的長寬高數(shù)值，燈光的顏色、強度及閃爍程度。

2.2.3 預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

通過感應(yīng)器與5G基站連接，實時收集路段信息并與交管部門共享，振動速度傳感器檢測到碰撞信息時，通過碰撞強度判斷事故嚴(yán)重等級，控制警示燈閃爍的頻率，并且將事故地點等信息傳送至交管部門。

2.2.4 模擬實驗與分析

運用LS-DYNA軟件進行現(xiàn)場模擬，加入主動預(yù)警的護欄后再次模擬車輛撞擊防撞護欄后發(fā)生情況，進一步分析，對比安裝前后同種情景下二次事故的發(fā)生率。

2.3 實現(xiàn)流程

第一步：通過采集全路段的二維地圖與三維影像，管理地理空間數(shù)據(jù)。

第二步：在護欄上每50 m安裝振動速度傳感器，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施全方位數(shù)字化監(jiān)測和管理。

第三步：每50 m對傳感器進行統(tǒng)一標(biāo)識編碼，確保全路段可監(jiān)測，精準(zhǔn)定位事故地點。

第四步：振動速度傳感器分析，以震動頻率的強度作為依據(jù)，控制不同長度路段內(nèi)的警示燈不同頻率的閃爍，實現(xiàn)護欄對撞擊事故的主動發(fā)現(xiàn)。

第五步：在交管中心創(chuàng)建護欄及傳感器的三維模型，以傳感器所在位置作為站點，當(dāng)情況正常顯示綠色，異常顯示紅色。

第六步：出現(xiàn)撞擊情況后，護欄驅(qū)動實現(xiàn)一體化聯(lián)動，觸發(fā)警示燈閃爍，同時在交管中心顯示事故站點，提供事故信息，完成信息發(fā)布。

2.4 方案設(shè)計

2.4.1 護欄設(shè)計

（1）護欄外形：常用護欄為雙波波形護欄和三波波形護欄。雙波波形護欄防撞等級較弱，可用于危險等級較低的高速公路、鄉(xiāng)村公路等；而三波波形護欄防撞等級較高，適用于危險等級較高的路段，如山村公路、險要路段等。

（2）護欄組成：警示燈、振動速度傳感器、供電系統(tǒng)、定位裝置。

（3）具體位置：感應(yīng)器和定位裝置安裝在護欄支柱中央的內(nèi)側(cè)，警示燈安裝在支柱的正上方，并與感應(yīng)器相連，電路敷設(shè)于道路設(shè)施帶。

（4）材料選擇：選擇半剛性護欄，均具有一定的剛度和韌性，主要通過橫梁、立柱和土基的變形吸收碰撞能量，損壞部件容易更換，具有一定的視線誘導(dǎo)作用，外形美觀。

護欄整體示意圖如圖2所示。

圖2 護欄整體示意圖

2.4.2感應(yīng)器選擇

（1）振動速度傳感器是慣性式傳感器，它利用磁電感應(yīng)原理把振動信號變換成電壓信號，該電壓值正比于振動速度值。可以直接安裝在機器外部，使用維護極為方便。

（2）輸出信號和振動速度成正比，因此對振動測量來說可以兼顧高頻、中頻和低頻的應(yīng)用領(lǐng)域。

（3）具有較低的輸出阻抗，較好的信噪比，使用方便；靈活性好，可以測量微小的振動；有一定抗橫向振動能力（不大于10 g峰值）。

（4）a.外形尺寸：Ф41×92 mm；b.重量：400 g；c.使用溫度范圍：-30~120℃；d.頻響范圍：10~1 000 Hz（-3db）；e.幅值線性度：<3%；f.橫向靈敏度：<5%；g.靈敏度：20 mV/mm/s±5%；h.輸出阻抗：≤1 kΩ；I.絕緣電阻：≥2 mΩ；J.最大測量位移：1 mm（單峰值）。

2.4.3 警示燈選擇

（1）選擇的是黃色閃爍警燈，通過黃色閃爍的視覺刺激方式，可提高對駕駛?cè)藛T的警示作用，使駕駛?cè)藛T能預(yù)先采取規(guī)避行為，從而降低交通事故發(fā)生率，增強道路安全性。

（2）選擇的是更偏向于節(jié)能環(huán)保的太陽能警示燈，通過太陽能光伏板提供電源，并且具有防雨水，防沙塵，續(xù)航時間長的特點。

2.4.4 預(yù)警方式

（1）頻率分級：將振動速度傳感器感應(yīng)頻率分為不同等級。磁電式振動傳感器響應(yīng)頻率一般在0~2 000 Hz。第一等級：頻率在2 500~4 000 Hz；第二等級：頻率在4 000~5 500Hz；第三等級：頻率在5 500 Hz以上。

（2）道路分段：根據(jù)事故嚴(yán)重程度劃分需要預(yù)警的路段長度。第一路段：事故嚴(yán)重，3 km路段內(nèi)可預(yù)警（50 m內(nèi)發(fā)生事故）；第二路段：事故嚴(yán)重程度一般，1~2 km內(nèi)可預(yù)警（50~200 m內(nèi)發(fā)生事故）；第三路段：事故較輕微，1 km內(nèi)可預(yù)警（200~500 m內(nèi)發(fā)生事故）。

預(yù)警分級見表1。

表1 預(yù)警分級

（3）警示燈閃爍分級：國標(biāo)規(guī)定黃色閃爍警示燈的閃爍頻率是（45±5）次/min，閃爍的亮暗時間比應(yīng)為1∶1。第一閃爍等級：事故地點1 km內(nèi)警示燈閃爍的頻率為50次/min；第二閃爍等級：1~2 km內(nèi)閃爍頻率為45次/min；第三閃爍等級：2~3 km內(nèi)閃爍頻率可為40次/min，如圖3所示。

圖3 分級預(yù)警示意圖

2.4.5 系統(tǒng)集成

防撞護欄預(yù)警步驟如圖4所示。

圖4 防撞護欄預(yù)警步驟

3 創(chuàng)新特色

（1）實現(xiàn)事故現(xiàn)場的動態(tài)響應(yīng)和秒級預(yù)警發(fā)布。針對交通事故中車輛發(fā)生意外撞擊防撞護欄的情形，能及時有效地預(yù)警后方車輛，為后方車輛提供了更有利的制動條件。

（2）實現(xiàn)管控平臺對事故地點的精準(zhǔn)感知及協(xié)同救援。通過衛(wèi)星基站將事故路段信息傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)平臺，顯示事故報警的地點信息，交管人員可快速研判事發(fā)現(xiàn)場情況，及時處理完善。

4 應(yīng)用前景

4.1 技術(shù)特點和優(yōu)勢

防撞護欄感受車輛碰撞，通過振動速度傳感器分析震動頻率，判斷異常等級，分級控制警示燈閃爍，使后方駕駛員產(chǎn)生秒級響應(yīng)。集成系統(tǒng)首先定位事故地點，將地點信息通過衛(wèi)星基站傳輸至交管平臺，相關(guān)部門及時處理事故，有效避免二次事故發(fā)生，縮短事故處理時間。

在路段交通流量較大，車禍發(fā)生突然，后方車輛來不及響應(yīng)時，此護欄可及時預(yù)警；特殊車輛制動距離較長，當(dāng)事故發(fā)生后，此護欄可提前傳遞信息，駕駛員能采取有效制動等措施；特殊天氣如雨天、團霧等，駕駛員視線受限，可以通過此護欄上安裝的顏色明顯的黃色警示燈引起后方駕駛?cè)藛T注意。

4.2 市場需求

近年來，國內(nèi)公路二次事故頻發(fā)，性質(zhì)惡劣，造成嚴(yán)重人員傷亡和經(jīng)濟損失，引發(fā)社會各界高度關(guān)注。隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展，車輛保有量持續(xù)高速增長，若不及時進行遏制，此類事件將會呈現(xiàn)高發(fā)趨勢。此護欄設(shè)計能有效緩解車輛發(fā)生意外撞擊防撞護欄導(dǎo)致的二次事故發(fā)生，使來往駕駛員在發(fā)生事故后秒級響應(yīng)，同時終端通過衛(wèi)星基站將事故路段信息傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)平臺，可接收到事故報警、地點位置的信息，交管人員可快速研判事發(fā)現(xiàn)場情況，及時處理完善，從而構(gòu)建一個安全和諧的交通環(huán)境。

4.3 適用范圍

本護欄適用的場地主要為高速公路、一級公路、安裝防撞護欄的山區(qū)特殊地段，如急彎道、上下陡坡等；適用與車輛發(fā)生意外撞擊防撞護欄，后方駕駛員不能及時發(fā)現(xiàn)事故，交管部門接收事故信息延遲的情況。

4.4 市場前景

本作品使用的設(shè)備技術(shù)成熟，其成本較低資金占用少，經(jīng)濟廉價，裝置簡單，可安裝于多種路段的防撞護欄。技術(shù)提升空間大，操作簡單，可有效防止車輛發(fā)生意外撞擊防撞護欄導(dǎo)致的二次事故發(fā)生。符合國家安全交通政策，隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展，車輛保有量持續(xù)高速增長，潛在市場巨大，經(jīng)濟效益十分可觀。

4.5 工程實際應(yīng)用估算

振動速度傳感器。以1 000元每個為例：10 km需安裝200個，價格在20萬左右。

警示燈。以20元每個為例：10 km需安裝500個，價格在1萬元左右。

護欄。以10元/m為例：10 km價格在10萬元左右。

5 結(jié)束語

本作品以預(yù)警二次事故發(fā)生為目的，利用振動速度傳感器判別事故信息，通過黃色警示燈發(fā)布事故信息，利用集成系統(tǒng)將事故地點信息快速傳送至交管部門，可以解決車輛發(fā)生事故撞向防撞護欄引發(fā)二次事故的問題。該研究能夠一定程度上降低二次事故的發(fā)生率，對于一次事故提前預(yù)警能盡可能地為生命和救援贏得更多時間，對和諧社會構(gòu)建、交通安全出行具有重大意義。