公路橋涵汽車用電子限高報警系統 (Ⅱ)——激光超高報警系統的設計

劉長生

(中南林業科技大學交通與物流學院中國湖南410004)

1 報警系統的工作原理

報警系統由限高標志牌、激光超高檢測器、顯示屏、聲光示警裝置等組成 (圖1)［3－12］。限高標志牌，首先告知司機前方橋涵的限高，起第一道警示作用。當超高車輛駛入檢測區時激光束被阻擋，該系統的激光接收裝置產生異常信號，對其進行光電轉換、放大和解調等處理后，控制設備立即通過顯示屏、信號燈和聲音示警設備向司機發出聲光信息，確保行車安全。圖2為報警系統方案框架圖［13－14］。

圖1 警示裝置示意圖Fig.1 Schematic of warning device

2 報警系統的設計

2.1 室外顯示屏

對于室外顯示屏，要求尺寸大且顯示清楚，以便司機在較遠的距離就可以看清楚其顯示內容。目前，室外LED顯示屏可以滿足這些要求［2］。

2 .1 .1 性能與尺寸選擇

作為公路橋涵超高車輛檢測報警系統的戶外顯示屏，在選擇顯示屏的性能與尺寸時，有3個因素必須考慮:①顯示內容;②場地空間條件;③顯示屏象素大小。

圖2 報警系統方案框架圖Fig.2 Framework diagrm of alarm system

2 .1 .2 耗電與電源要求

耗電量是選擇LED顯示屏時的一項內容，尤其在當前十分強調節能的條件下更應做到。顯示屏的耗電量分為平均耗電量 (平時實際耗電量，一般為最大耗電量的1/3。)和最大耗電量 (啟動時或全亮等極端情況時的耗電量)。最大耗電量是設計供電、線徑、開關等必須考慮的因素。為了確保顯示屏正常工作，除了有可靠的電源外，對其電源輸入端或與其相連計算機的電源輸入端，必須接地。

20世紀初，為了嚴格地定義的數學基礎，康托爾(Cantor)發明了集合論[17].在康托爾的成果基礎下，對有理數進行如下定義：S是由任意整數m、n構成的有序數對(m,n)的集合,其中n非零.對于有序數對(a,b)和(c,d)，按如下法則將S劃分為子集，當a/b=c/d，或者當且僅當ad=bc時，就將有序數對(a,b)和(c,d)視作相同的子集，二者也被看作相同分數.隨著數學的發展，這種(m，n)形式的分數表達方式逐漸得以淡化，以通常在教科書上所見的形態展現出來：{m/n|m、n∈Z,n≠0}.因為形如(m,n)或m/n的數本身被集合所定義，所以集合論視域下的這些分數形式是毋庸置疑的數.

2 .1 .3 顯示屏必須符合人機工程學的要求

(1)高亮度與合理的視角。顯示屏是向公路上的行駛車輛發布行駛信息的，因此必須保證司機有足夠的反應時間。在目前國內城市汽車行駛速度約40～60km/h的條件下，顯示內容的可視距離要求在100～200m。從人機工程學的角度出發，要保證顯示內容使司機可辨，顯示屏的視角必須達到±35°。因此，對于一個具體的橋涵其顯示屏的尺寸選擇時，必須在上述距離上按視角35°進行確定。絕不能為了節約成本，隨意減小顯示屏的尺寸而使司機無法辨認其顯示內容，最終使得超高報警系統成為擺設。此外，為了保證在陽光直射顯示屏的情況下，司機對顯示內容能夠清晰可辨，應選用超高亮度發光二極管。

(2)顯示內容和顏色。由于公路車輛行駛速度較快，在顯示屏的可視距離內的滯留時間很短。因此，顯示內容應簡單明了，讓司機一目了然，避免使用復雜的圖形和內容。另外還要注意，顯示內容應采用司機習慣的紅、綠、黃三色搭配，不要僅采用純紅色或綠色。

以限高3.5m的橋涵為例，在無超高車輛進入檢測區的情況下，顯示內容如圖3;當有超高車輛駛入檢測區時，顯示內容立即變為圖4。可以看出，這兩個顯示內容既簡單可辨，同時色澤搭配適當，不刺眼，完全符合人機工程學的要求。

圖3 無超高車輛時顯示內容Fig.3 The display of no superelevatioin vehicle

圖4 有超高車輛時顯示內容Fig.4 Display of superelevatioin vehicle

(3)顯示屏亮度自動可調。由于顯示屏要長期不間斷地工作，因此顯示屏的周圍環境變化非常大。這就要求顯示內容既要保證在白天最大環境照度時清晰可見，又要避免在陰雨天和夜晚造成“炫目”現象。為此，顯示屏的亮度要滿足人機工程學的要求:能根據環境照度進行自動調整。實踐表明，顯示屏亮度自動調整幅度應在8級以上，否則難以滿足要求［2］。

2 .1 .4 戶外屏容易發生的故障與注意事項

(1)戶外顯示屏經常受到日曬、雨淋，風吹和灰塵的侵蝕。當它被淋濕、受潮且積滿灰塵時，有可能引起短路故障甚至起火。為此，屏體及它與建筑的結合部必須防水、防漏。

(2)由于顯示屏的安裝位置較高，可能會受到雷電引起的強電、強磁襲擊而發生錯誤顯示甚至直接被雷擊燒毀。為此，應在顯示屏及附近建筑物上安裝避雷裝置。同時，屏體和外殼保持良好接地(接地電阻＜3Ω)，以便將雷電引起的大電流及時泄放。

(3)顯示屏工作時本身就要發熱，如果環境溫度過高而散熱又不良時，集成電路可能工作不正常甚至燒毀。為此，應安裝通風設備，將屏體內部溫度控制在－10～40℃之間。

(4)為防止在我國北方一些地區因冬季溫度過低，而發生顯示屏不能啟動的現象。其電子器件應選用工作溫度在－40～80℃之間的工業級集成電路芯片。

2.2 交通信號燈

由于目前利用顯示屏顯示超高車輛信息的并不多。因此，肯定會在一段時間內，一些司機在快速行駛的過程中忽略顯示屏的存在而照樣發生撞橋事故。這可在橋涵附近再裝一個用于提示司機注意的交通信號燈。因為司機的職業習慣，通常會對交通信號燈比較敏感。

2 .2 .1 信號燈的排列方式與亮度

(1)路面較寬時 (如3車道)，采用從道路中心線右側起按紅、黃、綠的順序向路邊水平排列。

(2)路面較窄時 (如單車道或2車道)，采用在道路右側，從上往下按紅、黃、綠燈的順序垂直排列。

(3)信號燈的亮度，應保證司機在100m處能看清。另外，為了避免陽光直射到信號燈表面而使司機看不清信號燈的顏色，可在每個信號燈上加裝一個遮陽罩。

2 .2 .2 信號燈的工作方式

車輛超高信號燈是警示超高車輛的，與交叉路口信號燈的作用不同。為此，在無車狀態下，讓信號燈始終顯示為閃爍的黃燈;當正常車輛駛入檢測區時，信號燈顯示為綠色，讓其通過;一旦有超高車輛駛入檢測區，則顯示為紅燈，并配合顯示屏的信息示意超高車輛司機停車并繞行。

2.3 聲音報警設備

考慮到單靠顯示屏和信號燈提供的信息，司機在快速行駛的過程中還有可能忽略而釀成事故，故可再安裝一個90～100dB的報警喇叭，利用報警聲提示司機。由于高音喇叭的聲音很大，在居民區或者夜晚時可取消聲音報警功能，以免妨礙人們的正常工作和生活。

3 主要設備的安裝

3.1 激光對射裝置的安裝

激光對射裝置包括激光發射器與接收器，它們分別置于公路兩側面，其發射激光束距地面的高度為橋涵的限高高度。激光器距橋涵入口距離一般控制在50m左右，以保證司機收到車輛超高信息后有足夠的時間采取避碰和繞行措施。

3.2 視頻檢測器和地面環形線圈的安裝

為了保證激光檢測系統能夠對超高車輛進行準確檢測和判斷。不管采用視頻檢測器還是環形線圈檢測器，一定要嚴格按照其設計規范進行安裝和調試。否則，不但欲速不達，還會因為多次返工造成更大的浪費，甚至損壞設備。

3.3 顯示屏和喇叭的安裝位置

顯示屏和喇叭應安裝在橋涵的頂部或路邊上顯眼且前方沒有物體遮擋的位置，以便司機確認［11，15］。另外，如橋涵入口前的右邊設有岔路口時，超高車輛檢測區、顯示屏和喇叭應安裝在岔路口前50m處 (圖5)。這樣，系統檢測出超高車輛時，有足夠的時間發布的超高車輛向右轉的屏幕顯示和語音提示，并引導超高車輛向右從岔路口駛出。

圖5 有分岔路的情況Fig.5 Fork existed

4 超高車輛越過檢測點的提示

由于公路超高車輛檢測系統的使用并不普遍。有時會發生一些超高車輛，特別是外地一些對本市路況不熟悉的超過車輛，雖然得到顯示屏和語音的提示，但因行車速度太快而一下跑到橋涵跟前如圖6所示。這會造成司機欲進不能，欲退不知何從的尷尬局面，若不迅速處理，將會造成橋涵跟前大面積堵車的局面出現。為了防止這種情況的發生，我們可在報警系統中預先設置用顯示屏和語音提示司機，按下面兩種方法的改進程序:

(1)提醒司機采用倒行方式，按照圖6 b的通行路線，退到后方多少米就到達可通行的交叉口再向左 (右)轉的方法改出;

(2)提醒司機采用掉頭逆行的方式，按照圖6 c的通行路線，掉頭逆行多少米就到達可通行的交叉口再向左 (右)轉的方法改出。

圖6 超高車輛越過檢測點的情況Fig.6 When superelevation vehicle passes through the detection point

5 報警系統的展望

隨著科學技術的不斷進步，公路汽車超高系統的功能也應不斷地提高。為此，我們設想在現有激光限高系統功能的基礎上，再增加一個車牌識別裝置，及時將超高車輛的牌照顯示在前方的顯示屏上，使司機看見包括車牌 (如，湘A XXXXX車輛超高，請停車，左轉繞行!)的更準確顯示和語音提示信息。做到對具體某個超高車輛的司機，進行提示并引導其繞行，避免發生事故。

［1］劉長生.公路橋梁涵洞汽車用電子限高報警裝置——電子限高報警裝置的原理與基本要求［J］.森林工程.2011，27(5):42 －45.

［2］關積珍，鄒元英，朱雪良.通誘導室外LED顯示屏有關問題之淺談［EB/OL］.http://www.ledcac.com/info/detail/0 －472.html.2005－08－16/2008－04－01.

［3］余金中.半導體光電子技術［M］.北京:化學工業出版社，2003.4.

［4］任致程.青少年業余愛好者電子制作手冊［C］.北京:科學技術文獻出版社，2001.2.

［5］朱京平.光電子技術基礎［M］.北京:科學出版社，2003.9.

［6］魏海明，楊興瑤.實用電子電路500例［M］.北京:化學工業出版社，1996.6.

［7］付家才.電子工程實踐技術［M］.北京:化學工業出版社，2003.9.

［8］陳小華.現代控制繼電器實用技術手冊［M］.北京:人民郵電出版社，1998.7.

［9］李衛平.智能交通技術應用［M］.北京:人民交通出版社，2003.7.

［10］黃繼昌.實用報警電路［M］.北京:人民郵電出版社，2005.2.

［11］史忠科.交通控制系統導論［M］.北京:北京科學出版社，2003.7.

［12］陳永甫.紅外探測與控制電路［M］.北京:人民郵電出版社，2004.6.

［13］北奧東華激光技術有限公司.激光車輛超高檢測器的應用［EB/OL］.http://www.dova － laser.com/newsview.aspid=172.2007－09－25/2008－04－01.

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

［15］周 遐.安防系統工程［M］.北京:機械工業出版社，2004.