智能道路交通隔離欄創新設計

熊星玉 胡亞宇 王凱華 胡 珊

（湖北工業大學，湖北 武漢 430068）

0 研究背景

隨著社會經濟的快速發展以及城鎮化的推進，居民生活方式得到了巨大的改變。截止2020年，中國汽車保有量達到2.81億輛，同比增長8.1%（如圖1所示）。受到城市規劃的影響，居民生活方式發生了很大的改變，工作場所多在城市中心，而居住地卻在城市周邊的情況較多，進而導致在部分路段容易出現早晚高峰的現象，也被稱為“道路潮汐現象”[1]，即每天晨時從居住地出發前往商業區的道路比較擁堵（如圖2所示）；而晚上回居住地的道路比較擁堵，該現象給人們的工作和生活帶來了極大的影響。

圖1 2012—2020年中國汽車保有量

圖2 道路資源利用率不均的常見情景

互聯網+交通管理是城市交通治理的趨勢，要解決城市擁堵，就要讓道路“活過來”，實現動態調整、聯網互動、增大容錯率以及提高自我修復的能力[2-3]。

1 設計原理

1.1 設計思路

為解決城市道路交通因工作時間規律而產生的潮汐交通擁堵的問題，智能交通隔離欄具有如下功能：1）實現對城市道路潮汐車流的實時監控。2）收集終端的道路數據。3）根據車流量及時調節路面資源，最終實現對道路高效的管理，保證道路的實時暢通。智能交通隔離欄的工作過程如圖3所示，當檢測到道路一端過于擁擠時，智能車道會發出投影，提醒不擁堵側的車輛即將進行變道，接著完成變道，減緩擁堵，整個工作過程結束。

圖3 應用情景圖

2 設計方案

通過智能化機電結構設計來實現運動控制、數據收集等功能，包括電器控制、機械結構、傳感監控以及產品外部設計。

2.1 電器控制

電器控制負責實現電機控制、傳感設備的數據處理和遠程操控，總體調控智能交通隔離欄各部件之間的配合，包括電器控制模塊、太陽能供電系統及電源管理模塊。

2.1.1 電器控制模塊

電器控制模塊包括動力模塊、傳感器模塊、遠程信號傳輸模塊、監控模塊以及中央處理器模塊；其中，動力模塊采用PlaxisV8，傳感器模塊采用GY-906MLX90614ESF紅外測溫傳感器模塊，遠程信號傳輸模塊采用 KYL-1020L，監控模塊采用BGS2，中央處理器模塊采用 PLC|CPU313C。

2.1.2 太陽能供電系統及電源管理模塊

太陽能供電系統包括圓臺中部外殼以及覆蓋在圓臺中部外殼上的若干太陽能面板，與電源管理模塊連接后為整個城市智能可移動道路交通隔離欄供電。

DC-DC電源采用AXP223電源系統管理芯片，電源外圍貼合保護板，AXP223電源系統管理芯片和DC-DC電源連接的保護板采用JBD-HP16SA型號，具有過充保護、過放保護、溫度保護、短路保護、過流保護以及二次過壓等功能。

2.2 機械部分

機械結構如圖4所示。

圖4 機械結構

2.2.1 伸縮機構以及一端與伸縮機構連接的伸縮護欄繩

伸縮護欄繩能夠在伸縮機構的驅動下拉出或收緊，伸縮護欄繩的另一端能夠與相鄰的城市智能可移動道路交通隔離欄的伸縮機構連接，如圖5所示。伸縮機構包括步進式電機以及高強度透明塑料卷軸，通過強力黏貼的方式進行固定。

圖5 伸縮機構

2.2.2 底座

底座包括圓臺形底部外殼以及圓臺形底部外殼底部的底盤，如圖6所示。移動輪組件包括至少2個移動輪，對稱設置在底盤上，移動輪的驅動電機與控制模塊連接，舵機設置在底盤上，位于2個移動輪之間，并能夠在控制模塊的控制下改變移動方向。

圖6 底座

2.3 傳感監控部分

傳感監控需要實時收集終端的道路數據，包括監控系統、紅外傳感器、電子雷達、傳感器和攝像頭等設備的數據。

2.3.1 監控系統

攝像頭設置在錐形監控外殼內，攝像頭Allwinner ARM CortexTM-A7架構的四核應用處理器與視頻處理芯片TMS320DM6446連接；RTL8189ETV無線模塊、4G數傳終端（4GDTU）F2X16與控制模塊的基于GPRS+GPS的遠程監控指揮系統連接，連接后通過無線模塊、4G采用（全網通/4G/3G/2.5G）全線兼容，數據傳終端遠程發出或存儲視頻信號。

2.3.2 紅外傳感器、電子雷達

紅外傳感器、電子雷達實時掃描城市道路的車流密集度，收集道路信息回傳到交通監管中心數據庫，數據庫實時監控數據的異常，當來往道路出現明顯的出流量不均時，系統自動警報，提醒交通監管中心遠程控制智能護欄對兩側車道數進行重新分配。

2.3.3 傳感器和攝像頭

傳感器和攝像頭實現了對城市道路網的實時監控，通過數據的回傳、處理以及網絡平臺的共享，讓司機用戶實時地了解城市交通網絡，可以更好地幫助司機遠離擁堵道路。且能夠偵查交通事故的發生地點，交通警察可以緊急啟動距離事故地點最近的護欄，在最快的時間內對道路交通進行疏導，而整個城市道路護欄也可以實時發布事故地點的擁堵狀況，以免使事故道路更加擁堵，這就是未來城市交通的解決方案，城市道路護欄設計可以使城市道路更加智能。

2.4 產品外部設計

產品外部設計需要考慮到人機工程學和產品所處的環境，包括尺寸設計、形狀設計以及外殼選材等。

2.4.1 尺寸及形狀設計

智能道路交通護欄的外部結構為上小下大的圓臺狀，穩定性更強，不易傾倒（如圖7所示）。在結構上采取模塊化設計，有利于護欄的后期維護，方便維修人員對產品內部的硬件模塊進行拆卸、維修和更換，減少了對道路交通的影響。

圖7 潮汐車道產品可移動智能道路護欄尺寸圖

2.4.2 外殼選材

產品的下部為橡膠材質，有優良的抗撞擊性，同時具有良好的延展性和韌性，可以很好地抵抗來自道路車輛的沖撞，該產品的上部外殼材料選用化學穩定性良好、在常溫狀態下不容易發生變形的ABS塑料。

3 技術創新

可移動智能道路護欄的功能及其對應的實現方法、實現意義和優勢對比見表1。

表1 功能創新說明表

4 結語

該系統具有智能化、實時化、可控制化以及安全可靠等特點，能夠較好地解決目前道路管理和資源分配不均的問題，多種模塊化的集成實現了智能化道路監控功能，機械部分和電路控制的結合實現了對道路資源的合理分配，有助于緩解道路擁堵和潮汐車流問題。精簡的內部結構和合理的材料選擇節約了成本，適用于大規模應用和推廣的場合，同時可滿足全段道路監控，有效地提高了道路協調效率，減少了路政管理的經濟成本和時間成本，太陽能供電模塊可以減少環境污染，具有兼顧節約經濟和環境保護的優點。