車隊行車LED信號器設計

王春剛，洪 梅，張 艷 （陸軍軍事交通學院，天津 300161）

WANG Chungang,HONG Mei,ZHANG Yan (Army Military Transportation University,Tianjin 300161,China)

隨著新軍事變革的不斷深入發展，部隊面臨著新的形勢和任務，為提高部隊信息化條件下的作戰能力和后勤保障力，部隊必須具有強大的機動能力。同時，各部隊在實施各種形式的大規模演練時，也都以車隊行車作為基本內容。部隊在車隊行車過程中，由于自身的特點與要求，以及受道路交通狀況影響等問題，容易造成跟車距離過大、行軍長徑過長、指揮通信不便，制約了摩托化行軍速度的提高，也加大了駕駛員的緊張程度，造成體力腦力的損耗。造成此種狀況的重要原因之一就是車隊行車的波動效應，前車的信息不能及時被后車駕駛員感知，造成駕駛操作的制約性、延遲性。針對此種情況，可以利用現有技術，設計制造LED信號器，并加裝于前車尾部，通過一定的技術手段將前車運行狀態直接反映給后車，以便后車及時做出相應的駕駛操作。從而提高部隊車隊行車的速度，增強安全性。

1 車隊行車基本特征及存在問題

1.1 車隊行車的特點

車隊行車是在道路上行駛的一隊有組織、高密度、車間距不大的汽車流，車流中除了前車以外，任何一輛車的速度均受到前車速度的制約，駕駛員須根據前車行駛狀態采用相應的車速。摩托化行軍中的車輛屬于非自由行駛狀態，在這種狀態下車流具有如下特點：

（1） 受控性

部隊摩托化行軍，本身是一種軍事行動，整個車隊統一行動，其運行速度、運行序列、車輛間距、停駛路段、停駛時間、宿營地點等都受到嚴格的控制。相對于出行目的不一、車型混雜、承運物資多樣的地方交通流，摩托化行軍的車隊具有相對穩定性。戰時在敵情威脅，道路破壞等特殊或突發情況下，會受到更多的限制，從而需要更加縝密的組織管理。

（2） 制約性

在整個車隊中，后車按特定的要求，保持一定的安全距離跟隨前車行駛。為保持整個車隊的安全有序，一是后車的車速不會長時間的大于前車的車速，否則就違反機動規則超越了前車；也不能長時間小于前車的車速，否則就會逐漸遠離前車，不能保持行軍梯隊的完整，而且還會對后車造成影響。為了保持行軍隊形，要求后車要緊緊跟隨，不能太近，也不能太遠。從軍事要求來講，在行軍隊列中，后車不能超越前車，后車跟馳速度和距離直接受到前車制約。

（3） 延遲性

當前車改變運行狀態后，后車的運行狀態將隨之發生改變。但是，前、后車運行狀態的改變并不是同步的，這是由于駕駛員對前車運行狀態的改變有一個反應過程，從而造成一定的延遲，這就是延遲性。整個車隊受到延遲性效應，后續車輛受到的影響逐車變化，產生不同的運動狀態。后續車輛運行狀態的改變依次影響后車，發生傳遞效應，并且這種傳遞具有滯后性，越到后面受到延遲性作用越小。

1.2 車隊行車時車輛跟車存在的問題

（1）駕駛員休息少、易疲勞

駕駛員為保持和前車適當的距離，必須時刻注意前車的變化，但前車運行狀態的變化又不是顯而易見的，所以駕駛員要時刻警惕，這種情況下，又往往忽略其他安全因素，再加上駕駛環境單調、枯燥，駕駛員很容易疲勞。另一方面，車隊行車的行程一般上千公里，甚至幾千公里，駕駛員需要連續駕駛幾天時間，在這種情況下，還要擔負其他訓練或防衛任務，不能得到有效的休息，使駕駛員達到疲勞的極限。

（2）行軍速度慢、間距大

由于是按隊列依次行駛，為保持建制的完整，考慮車隊行車對后車的影響，頭車的速度不能過快，也不能隨意變換車速，這樣才能盡量減少對后車的影響，所以造成車隊整體行進速度較慢，據歷次車隊行車演練的統計數據，車隊的整體運行速度在高速公路上也只能達到60公里/小時。在行軍要求中，一般要求車間距至少應保持在50米以上，但在實際的車隊行車中，車間距平均都在100米左右，在道路條件不良或交通控制不力的情況下，車間距平均可達200米左右，造成車間距過大，行軍長徑過長。

（3） 通信指揮不便

部隊摩托化行軍時，整個梯隊的行軍長徑可以達到幾十公里，在如此狹長的“線式行軍”中，再加上通信工具相對較少，造成通信聯絡不便，很多時候只是用簡單的旗語、哨音通信，而且旗語在行駛狀態時不便操作，哨音也容易受到環境干擾。同時，在行軍中，駕駛員處于駕駛操作狀態，車廂內人員和駕駛員之間不便于聯絡，車與車之間也缺乏溝通的渠道。因此，通信指揮不便也成為提高車隊行車能力的制約因素。

2 功能設計

2.1 信號提示功能

信號提示功能設置目的就是讓后車在最短時間內了解到前車的運行狀況，從而采取最有效的駕駛操作，以最大限度的和前車保持相近的運行速度和加速度，這樣就能夠保持較高的行軍速度和更小的安全車距。同時，LED比白熾燈點亮過程要提前0.2s左右，這樣可以為緊急制動贏得0.5s以上的操作時間，相當于增加安全距離10m以上。根據美國的研究報告，如駕駛員比現在早0.5s預知危險，就可減少追尾事故50%，可見這對于提高摩托化行軍的安全性具有重要的意義。

在一般的駕駛操作中，駕駛員腳離開加速踏板將移向制動踏板的那一刻，車輛產生一個較大的負加速度信號，這時，前車可顯示黃色閃燈，通告緊隨其后的車輛必須做好剎車準備，后車駕駛員也松開加速踏板將腳放于制動踏板上，這樣，比沒有提示至少爭取到0.3～0.5秒反應時間，前后車兩個駕駛員腳的動作能夠更趨于同步。一旦前車剎車，LED變為紅色顯示，后車駕駛員就幾乎可在第一時間與前方車輛駕駛員趨于同時踩下剎車，前方如果是緩剎車，后方也隨之緩剎車，前方慣性減速，后方也隨之慣性減速。

根據以上基本設想，信號提示功能可以分以下三類[1]：

（1）車輛加速。車輛加速過程從駕駛操作上主要是駕駛員踩下油門，為了提供更準確的信息，可將正加速度的大小分為三個等級，即加速較快、加速中等、加速較慢。對于后車而言，前車車速增加，是一個安全信號，所以采用綠燈顯示，根據正加速度大小，信號器分別為全部綠燈閃爍、三分之二綠燈閃爍、三分之一綠燈閃爍，顯示車輛加速。

（2）車速保持。車速保持即車輛以某一速度勻速行駛，這個過程油門大小基本不變，沒有松開油門、加大油門操作，也沒有制動操作，車輛保持動態穩定。

（3）車輛減速。車量減速分為兩種情況，第一種情況是油門放松，此條件下又有兩種情況，一是油門輕抬，此時，車輛減速不明顯；二是完全放開油門，此時，車輛減速稍明顯。對于油門放松而言，車輛不明顯減速，此時應引起駕駛員注意，所以用黃燈閃爍顯示：輕抬油門時，二分之一黃燈閃爍；放于油門時，全部黃燈閃爍。第二種情況是駕駛員踩制動，車輛制動對于后車是危險信號，用紅燈閃爍顯示。根據制動力，即加速度的大小，區分三個等級，一是輕踩制動，此時用三分之一紅燈慢頻閃爍顯示；二是中度制動，此時用三分之二紅燈中頻閃爍顯示；三是緊急制動，此時用全部紅燈高頻閃爍顯示。

運行過程中，LED屏隨時顯示車輛運行速度，信號顯示方法和涵義見圖1。

圖1 信號顯示方法和涵義示意圖

2.2 通信指揮功能

車隊行車還有一個突出的問題是機動途中不便于通信聯絡，尤其是車輛較多，行軍長徑較長時，靠旗語、哨音難于達到通信聯絡的目的。在行軍途中，可能對全隊發布的提示或命令主要有車輛故障、加大車距、減小車距、休息、人員集合，以及分隊防衛的防空襲、核化生武器襲擊防護、車輛疏散隱蔽等。為此，可以將通信聯絡功能嵌入信號器設計中。通信指揮信號的LED顯示屏可以和燈光信號LED合并，其結構及顯示效果見圖2。

圖2 LED整體結構及功能區劃分

為便于駕駛員理解掌握和運用，可結合車隊行車通信聯絡功能所需，在駕駛室內安裝控制面板，面板的設計如圖3所示。當需求項目較多時，控制面板可用數字代替，并設計數字代碼和顯示信息對照表，便于操作。比如“01”代表“車輛故障”、“02”代表“小休息”。

圖3 通信指揮控制面板示意圖

3 系統組成及功能實現

3.1 總體結構

系統主要由微加速度計感應單元與操作控制單元、微處理器單元、LED驅動單元和LED顯示單元四部分組成，見圖4。微加速度計用于對車速的感應，并將信號傳入微處理單元，操作控制單元用于接收駕駛員在控制面板的操作信息，并將信號傳入微處理單元；微處理單元接收傳來的信號后傳入LED驅動器，接受不同信號后，LED驅動器驅動LED顯示預設的信號類別和顯示方法。從而將車輛的行駛信號和駕駛員的控制指令轉換為可視的信號，用于行軍時車輛的控制和通信指揮。

圖4 系統總體結構示意圖

3.2 微加速度計[2]

微加速度計可采用ADXL202，它是美國ADI公司研制的基于單塊集成電路的完善的雙軸加速度測量系統，它是由一個多晶硅的表面微機械傳感器和一個信號調制電路組成的開環加速度測量結構。對每根軸而言，輸出環路將模擬信號轉換為數字信號，這些數字信號可直接與微處理器接口，不需A/D轉換或附加其它電路。ADXL202可測量正負加速度，其最大測量范圍為12g，它既能測量動態加速度，最大可承受1 000g的沖擊。因此，ADXL202是一種可行的選擇解決方案。

3.3 微處理器

微處理器實際承擔兩部分功能，一是微加速度計輸入的信號，另一部分是處理來自駕駛中駕駛操作的指令。對于第一類信號的處理，可采用P87LPC76X單片機，分析處理輸入信號并輸出結果。對于第二類信號，其處理要簡單的多，可以集成于一個微處理器，也可以直接輸入LED驅動器信號。需要特別注意的是，由于驅動器根據信號的強弱來選擇顯示方案，所以，應注意標定車輛加速度的大小，以區分各個不同的等級，否則可能提供錯誤的信號。

3.4 LED控制驅動器[3]

近年來，LED的品種不斷增加，性能逐年提高，應用領域更為廣泛。在大屏幕LED的背光照明、汽車內外照明、公共場所照明、建筑的內外裝飾燈照明、城市景點的亮麗工程等方面獲得了很大的發展。這也促進了LED控制器的全面發展，目前，已經出現了多種通用LED控制器，其控制驅動器技術已經成熟，能夠完全適應車隊行車信號器設計功能的要求。

4 總結

本文針對車隊行車的特點，從整體上對車隊行車車輛信號器進行了構想，提出了系統初步設計的基本總體結構及基本功能。對于利用信號器進行前后車的通信與聯絡，提高部隊機動能力和行軍途中的安全性具有重要的理論和實際意義。