大型車右轉彎安全預警系統(tǒng)

文/河海大學土木與交通學院 李紅 偉鐘馨 董雨婷 張婷 方穎

大型車指大于19座的客車及載質量大于2噸的貨車，其右轉彎事故頻繁發(fā)生且死亡率高。調(diào)查顯示大型車的交通事故死亡率高達43%，亟需設計一種大型車右轉彎安全預警系統(tǒng)以降低事故發(fā)生率。通過分析右轉彎事故，發(fā)現(xiàn)導致事故發(fā)生的原因：一是大型車車身長且駕駛室高，駕駛員在觀察周圍路況時有盲區(qū)；二是非機動車駛入大型車轉彎時造成的內(nèi)輪差區(qū)域。事故發(fā)生的主要形式為前輪剮倒，后輪碾壓。因此，大型車右轉彎安全預警系統(tǒng)應在大型車轉彎前，對與大型車距離小于安全距離的非機動車，向駕駛員發(fā)出警報；大型車轉彎后，若非機動車位于危險區(qū)域內(nèi)，則同時向非機動車和大型車駕駛員報警。

設計思路

根據(jù)交通信息流程，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)發(fā)布四個子系統(tǒng)∶

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括RFID(射頻識別技術)車輛自動識別裝置和雷達，用于識別車輛身份和測量車距車速；數(shù)據(jù)傳輸采用無線數(shù)字微波傳輸設備，用于將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶铣商幚頇C進行處理；數(shù)據(jù)處理選用處理器，用于將接收到的數(shù)據(jù)進行處理，預判是否危險并下達指令；數(shù)據(jù)發(fā)布包括無線電聲光警報器，用于接收做出防護措施的指令，防止事故發(fā)生。

系統(tǒng)的工作流程如下：第一步，車輛通過交叉口時，RFID解讀器讀取車上電子標簽信息并解碼。第二步，雷達在監(jiān)測區(qū)掃描，實時測出大型車與非機動車之間的距離和速度。第三步，處理器接收識別信息和感應數(shù)據(jù)，將實時距離與安全距離進行比對，判斷非機動車是否危險并下達做出防護措施的指令。第四步，大型車轉彎前，若非機動車與大型車距離小于安全距離，則向非機動車駕駛員發(fā)出警報；大型車轉彎后，若非機動車位于危險區(qū)域內(nèi)，則向大型車和非機動車同時發(fā)送警報提醒。

系統(tǒng)關鍵技術方案

大型車右轉彎安全預警與防護系統(tǒng)包括五個模塊，分別是識別模塊、感應模塊、信息處理模塊、預警模塊和防護模塊。

識別模塊設計

識別模塊要求設備具有動態(tài)識別車輛身份信息的功能，并能穿透雪、霧、冰、涂料、塵垢和條形碼無法使用的惡劣環(huán)境。因此，在感應線圈、RFID、智能卡、條形碼識別等自動車輛識別裝置中，選用掃描速度快、耐久性強、可重復使用且能同時識別多個目標的RFID自動車輛識別裝置。該裝置由一個解讀器和多個應答器組成，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學接觸，適用于短距離識別通信。為方便信息處理模塊的計算，在大型車標簽內(nèi)添加大型車的相關車型信息。

當置于路面下面的觸發(fā)線圈，通過其產(chǎn)生的磁場（范圍為半徑30m的圓），感應到車輛的進入，解讀器發(fā)出一定頻率電磁波，車載標簽內(nèi)存儲的信息以無線電波傳回解讀器，即可識別卡號，將識別信息傳輸?shù)胶铣商幚頇C，進行數(shù)據(jù)處理。

感應模塊設計

感應模塊要求測量大型車與非機動車之間的距離和各自速度。為保證裝置全天候運行，采用探測距離遠，對黑暗、灰塵、煙霧等穿透能力強的微波雷達實現(xiàn)本模塊的功能。微波雷達由耿式二極管、雙平衡式混凝器、收發(fā)天線、前置電路等組成。本裝置根據(jù)多普勒效應原理，工作時，雷達不停地向正前方發(fā)送電磁波，如前方有車輛，則該設備可接收返回的微波信號，信號經(jīng)處理后，獲得兩車距離與速度。

該裝置根據(jù)車速、數(shù)據(jù)傳輸速度等因素，設定測距長度為150m，寬度為兩個車道的寬度，即7.5m左右，因此雷達監(jiān)測區(qū)為長150m，寬7.5m的長方形，面積為1125m2。為使雷達監(jiān)測效果最好，將雷達設置在位于交叉口路口，距地面12m高的位置，當車輛進入雷達監(jiān)測區(qū)時，通過采集微波雷達傳感器輸出中頻放大信號的頻率與幅值信息，來完成大型車與非機動車之間的距離和速度的測量，再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⑻幚砟K，進行數(shù)據(jù)處理。

信息處理模塊設計

信息處理模塊采用計算精度高、計算能力強的處理器進行數(shù)據(jù)處理。處理器主要由數(shù)據(jù)傳輸電路和信息處理計算機組成。

大型車右轉彎之前，預測非機動車是否有危險。雷達傳感器測得非機動車與大型車側向距離D（m）、機動車速度V（km/h），處理器接收數(shù)據(jù)。處理器預先輸入根據(jù)車速，計算出的機動車右側安全距離S1。

安全距離S1計算公式如下所示：

其中，V0為大型車速度（m/s），V1為非機動車速度（m/s）。當大型車速度為V時，若D≤S1，非機動車警報器提醒非機動車車主遠離大型車；若D≥S1，不做反應。

大型車右轉彎之后，檢測非機動車是否在大型車內(nèi)輪差區(qū)域內(nèi)。識別系統(tǒng)測得大型車車型數(shù)據(jù)，雷達傳感器測得非機動車與大型車側向距離D（m）、非機動車到大型車右后輪豎向距離n（m），處理器接收數(shù)據(jù)。處理器預先輸入不同車型的大型車轉彎半徑R（m），代入到內(nèi)輪差公式中計算出內(nèi)輪差J（m）。

將與大型車右側水平距離D（m）小于等于J的范圍稱為內(nèi)輪差區(qū)域，與大型車右側水平距離D（m）大于J且小于等于J+1m的范圍稱為危險區(qū)域。若D≤J，則大型車啟動防護欄裝置；若J（J+1m），則系統(tǒng)不做反應。大型車內(nèi)輪差計算圖如圖1所示。

圖1 大型車內(nèi)輪差計算

內(nèi)輪差計算公式如所示：

其中，R為車輛所在車道的轉彎半徑（m），L為軸距（m），d1為前輪距（m），d2為后輪距（m）， 為車輛前軸與后軸中點與轉彎圓心所夾角度，a為內(nèi)側后輪中心線的運動半徑（m），b為內(nèi)側前輪中心線的運動半徑（m），J為車輛的內(nèi)輪差（m）。

預警模塊設計

預警模塊包括無線電聲光警報器和無線電接收器，設備安裝在大型車駕駛室內(nèi)和非機動車車把上，分別對大型車和非機動車有針對性地預警。考慮到報警設備的便攜性和信息交流的特性，采用無線電報警器，可進行360°全方位射頻遙控，具有耗電量低、觸發(fā)工作待機休眠的特點。考慮到路上噪音太大，聽不到錄音播放的可能性，采取聲光同時報警的警報器。

大型車右轉前，當處理器判斷大型車與非動車側向距離小于安全距離后，發(fā)出報警指令，非機動車上的接收器接到信息，觸發(fā)報警器播放錄音“大型車右轉，請遠離”，同時警報器上的LED燈閃爍，提醒非機動車駕駛員采取相應措施。

大型車右轉后，若非機動車位于危險區(qū)域內(nèi)，處理機發(fā)出指令，大型車與非機動車接收器同時接收信息，觸發(fā)雙方報警器。大型車報警器播放錄音“右側危險，請注意”，同時警報器上的LED燈閃爍，提醒大型車司機增大轉彎半徑；非機動車報警器播放錄音“大型車右轉，請遠離”，同時警報器上的LED燈閃爍，提醒非機動車駕駛員迅速遠離大型車。當非機動車駛出危險區(qū)域后，報警器自動關閉。