預警自修復式聯動救援限高系統研究

林理科，曾 超，2，劉享浚

（1.重慶交通大學交通運輸學院，重慶市 400074；2.重慶市規劃設計研究院博士后工作站，重慶市 401147；3.重慶市求精中學，重慶市 400010）

1 研究背景

近年來，我國進入了新基建時代，5G、大數據、物聯網、云計算等智慧創新領域的新型基礎設施體系，將交通運輸業推向生態化、數字化、智能化方向發展[1]。隨著基礎設施和運輸裝備不斷改善，大型客車、大中型載重汽車保有量迅速增加。為保證橋隧設施運行安全，常在城市高架路匝道出入口、公鐵跨線橋處設置限高裝置。但因車輛駕駛員疲勞駕駛、限高架高度設置存在工程誤差，以及車輛超高通過而導致限高架傷人事故頻發，造成了一定的社會經濟損失，如圖1 所示。

圖1 限高架事故現場圖

2019年，全國有報道的限高架碰撞事故累計49起。2020年截至11月共發生37 起，造成19 人死亡，直接經濟損失達2000 萬元。

針對現有限高裝置設計缺陷，優化、改進限高裝置的工作原理，對降低事故風險、減少事故損失尤為重要。

2 新型限高系統

2.1 研發思路

傳統限高架現存在以下問題：（1）超高檢測手段缺失；（2）攔截方式強制被動；（3）攔截裝置剛性過強；（4）事故信息通報不及時；（5）救援不暢、難以預防等[2]。

針對以上問題，本文提出的預警自修復式聯動救援智能限高架運作體系共分3 個階段：事前預警（Ⅰ）、事中緩沖（Ⅱ）和事后救援（Ⅲ）。系統各部分配合運作流程如圖2 所示。

圖2 系統運作流程

2.2 研究內容

2.2.1 事前預警階段

在設置限高架路段的道路與橋梁前安置車高檢測系統。該系統的核心技術為紅外線激光檢測設備。當車輛未超高時，接收端正常接收到紅外線信號，車輛順利通過。當車輛超高時，超出的部分會阻擋紅外線到達接受的另一端，被阻斷的紅外線信號會轉化為電信號，控制限高架上的攝像頭進行拍照，并將識別出的車牌號投放到LED 顯示屏上。與此同時，交通警示燈黃燈連續閃爍，在保證駕駛員和駕駛車輛安全的情況下，對駛來車輛進行再次減速提醒，提醒駕駛員禁止前行并靠邊停下。

2.2.2 事中緩沖階段

依通過分析車輛水平碰撞力F，F 由車速v、碰撞角度θ，汽車質量m（kg），護欄變形值D（m）、車輛重心距前保險杠距離C（m）、車輛寬度b 等因素決定[3]。

根據式（1）可計算得到限高架和車輛端部所受應力，得出限高架橫桿和車輛前端碰撞后的應力變形，如圖3、圖4 所示。

圖3 限高架橫桿應力變形圖

圖4 車輛端部應力變形圖

該部分改進，可采用可水平運動的限高架結構。在限高架的側面安置滑輪組，用鋼索連接限高架與埋入地下的緩沖裝置，避免影響結構自身的穩定性。軌道兩側設置為外高內低的結構，保證限高橫桿在外力的作用下不會因車輛高速撞擊導致滑輪脫離軌道。滑輪與限高橫桿間可轉動，使限高橫桿的任意位置在受到車輛的撞擊后，自身仍能以一定的傾斜角度繼續前進，且不會對軌道產生破壞性的橫向力。

自修復式結構借助重力裝置的重力和彈簧彈性勢能間的轉化將限高架橫桿復位。實現該功能也可以采用電機驅動或者液壓裝置，需結合實際情況，根據不同道路等級、限制車速和環境因素進行調整。

張均、張垍為唐朝玄宗時期的宰相張說之子，頗受唐玄宗器重，分別在朝中擔任過重要官職。張均為張說長子，曾任大理寺卿一職；張垍為張說次子，為當朝駙馬。二人在安史之亂中投靠于安祿山，并分別在其軍中擔任偽中書令、宰相之職。安史之亂被平定之后，二人結局或死或發配。但究竟孰死孰生，《資治通鑒》記載與《舊唐書》《新唐書》《冊府元龜》記載并不相同。

2.2.3 事后救援階段

當車輛撞擊限高橫桿后，智能救援系統啟動，將車輛信息和事發情況發送至聯動救援平臺，及時通知公安、交管、醫療救護、消防等部門開展救援。同時，為避免二次事故發生，壓力感應片感應到車輛撞擊壓力后，沿途所設電子圍欄顯示紅燈，暫時禁止后方車輛進入。其中，基于限高架與車輛的有限元三維碰撞模擬模型設定檢測閾值。當閾值小于車輛撞擊限高架的檢測應力值時，智能救援系統和沿途所設電子圍欄同時啟動。

2.2.4 其他功能

由于城市部分道路的限高要求根據時間段可發生變化，本文提出的智能限高架同時具有升降功能。通過改造限高架橫梁與基架的連接方式，采用可滑動的導軌連接，利用計算機控制在特定時間段實現一鍵升降[4]。

2.3 技術要求

本系統的主要工作原理為：當車輛駛入時，用光電傳感器來判斷車輛是否超高。若沒有超高，車輛正常通過。若車輛超高，紅外線信號控制攝像頭抓拍車牌，投送至LED 屏，提醒司機已超高；電子圍欄顯示黃燈，提醒后方車輛減速。若車輛未及時制動，用緩沖系統裝置緩沖車輛的撞擊能量，阻止車輛繼續前進。當撞擊檢測值超過設定閾值時，便會觸發自動報警聯動救援裝置。

其中涉及的主控單元、光電傳感器、壓電傳感器、信息采集模塊、顯示模塊和電機驅動等的具體參數分析如下。

2.3.1 主控單元

2.3.2 光電傳感

光電傳感可采用漫反射光電開關E 3F-DSC 4 紅外線感應傳感器。它主要由發送器、接收器和檢測電路三部分組成。發送器平行發射光束，當車輛未超高時，接收端正常接收到紅外線信號。當車輛超高時，超出的部分會阻擋紅外線到達接受的另一端，被阻斷的紅外線信號會轉化為電信號，從而可以判別車輛超高[5]。

2.3.3 壓電傳感

壓電傳感可采用HX 711 模塊，用于當發生車輛撞擊限高橫桿的事件時，埋入限高架中的壓力感應片感應到車輛的撞擊壓力，系統裝置通過壓電傳感器將壓力信號變為電信號驅動電子圍欄。

2.3.4 系統控制信息傳輸

系統控制信息傳輸采用工業互聯網，其將現實世界中的機器、設備、團隊和網絡通過先進的傳感器、控制器和軟件應用程序連接起來，從而實現限高架的智能化和信息的遠程傳輸。

2.3.5 信息采集模塊

用攝像頭ov7670 對車輛抓拍。該攝像頭有性能穩定、靈敏度高、圖像智能高等優點，可以準確地采集車輛的車牌信息。

2.3.6 顯示模塊

顯示模塊項目中使用的是TFTLCD，即薄膜晶體管液晶顯示器。通過STM 32 的普通IO 口模擬8080總線來控制TFTLCD 的顯示，用于顯示攝像頭識別出的車牌號等信息。但考慮到成本，可用LED 點陣完成信息的顯示。

2.3.7 電機驅動控制單元

電機驅動模塊采用L298N 作為主驅動芯片。其具有啟動能力強、抗干擾能力強的特點，可以驅動感性負載，如大功率直流電機、步進電機、電磁閥等，特別是其輸入端可以與單片機直接相聯，從而很方便地受單片機控制。用此模塊控制限高架的升高與下降，可以實現不同時期限制不同高度的車輛通過。

3 結語

本文針對現有限高架設計存在的缺陷及運用管理體制不完善等問題，基于駕駛員的視覺特性和反應特性，結合結構力學、信號識別及模擬仿真等技術，提出限高架進行事前、事中及事后3 個部分的改進思路，創新性地提出具有預警功能、自修復式功能及自動報警功能的新型智能限高架，以解決現有限高架存在的警示性不強、事故報警不及時及結構簡單等問題，從而降低碰撞沖擊力度，減少司乘人員傷亡，為進一步完善實體限高裝置的研發提供參考。