基于騎行者行為模式的安全警報系統(tǒng)設計與可行性分析

高君璽，陶瑞兆，呂煥奔，黃天宇

(鄭州大學土木工程學院,河南鄭州，450001）

0 引言

非機動車一直是我國居民較為常用的一種交通方式，并自2013年共享單車的引入與發(fā)展，騎自行車出行成為越來越多人首選的出行方式；然而，在共享單車給城市交通帶來的發(fā)展的同時，也帶來更多的交通事故，就死傷人員而言，自行車事故受傷人數(shù)占全國道路交通事故受傷人員總數(shù)的35%左右，死亡人數(shù)占全國道路交通事故死亡人數(shù)的25%左右；在我國城市交通事故統(tǒng)計中，與自行車有關的交通事故占60%左右，其中死亡事故與自行車有關者占30%[1]。

不正確的行為決策與行為模式是造成交通事故的主要原因，而現(xiàn)階段錯誤的騎行方式，如單手騎行、身體離開座位等現(xiàn)象比比皆是，但共享單車對于此卻沒有明確引導、提醒與限制；因此，為了解決這種現(xiàn)象，基于騎行者的行為模式，判斷出不安全騎行行為與時長，并對騎行者進行提醒與警示，對于減少共享單車發(fā)生交通事故有一定預防的意義。

1 系統(tǒng)的硬件與軟件設計

系統(tǒng)設計框圖如圖1所示，電池電壓經(jīng)穩(wěn)壓芯片1117穩(wěn)壓后供給系統(tǒng)中各個元件。其中用于測壓力的傳感器，將壓力變化傳輸給單片機并記錄在單片機內(nèi)，并通過藍牙傳輸協(xié)議向用戶手機發(fā)送情況報告，以便后期觀察；當壓力與設定值不符時，通過單片機使燈光閃爍，若仍未改變騎行狀態(tài)蜂鳴器開啟警報；轉(zhuǎn)向開關設置在把手處，通過轉(zhuǎn)向開關進行通斷控制，將通斷信號傳輸?shù)絾纹瑱C內(nèi)，通過單片機控制轉(zhuǎn)向燈的開啟與關閉。主要實現(xiàn)轉(zhuǎn)向時提醒其他交通參與者、錯誤騎行時的提醒與記錄的功能。

圖1 系統(tǒng)設計框圖

1.1 系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)設計可以分成四個模塊：壓力傳感器測試模塊、單片機系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向指示燈模塊、安全警報模塊。轉(zhuǎn)向指示燈和壓力傳感器都是接3.3V電源和地，然后數(shù)據(jù)腳接一個上拉電阻，接到單片機；12V電源經(jīng)3.3V的穩(wěn)壓芯片得到3.3V的電源。系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

1.2 系統(tǒng)的軟件設計

軟件部分是主控程序模塊、藍牙傳輸模塊、傳感器數(shù)據(jù)記錄模塊組成。當單片機接收到傳感器傳輸?shù)男盘枺烧Z句判別變化范圍是否超過設定值；若超過，通過傳輸協(xié)議向手機APP發(fā)送消息，并同時作用于警告燈，若騎行者仍未改變騎行狀態(tài)，會作用于蜂鳴器開始發(fā)出警告。

1.3 系統(tǒng)的檢測與分析

在設備完成代碼寫入和線路焊接后進行檢測和靈敏度分析：

（1）系統(tǒng)實際操作檢測：當打開開關后，設備藍牙模塊發(fā)出紅色閃光。通過藍牙模塊可以實現(xiàn)騎行設備和手機端APP的連接和數(shù)據(jù)交流。當人雙手正確握在車把上并正確落座后，設備發(fā)出“滴”的長鳴，同時紅燈常亮1秒，進入正常工作狀態(tài)。當騎行者左手或者右手脫離車把后，系統(tǒng)會檢測到騎行者的危險騎行，位于車把左右的顯示燈閃爍進行提示；當繼續(xù)單手騎行時，燈光繼續(xù)閃爍的同時，蜂鳴器可以按照預先設計發(fā)聲報警，通過聲信號和電信號提示騎行者注意安全；在檢測到騎行者雙手離開車把并離開車座結(jié)束騎行后，系統(tǒng)可正常通過藍牙模塊向手機端APP發(fā)送一條簡單的信息匯總和提醒，內(nèi)容正確包含：騎行總時間、單手騎行次數(shù)、離座騎行時間、離座騎行次數(shù)。

（2）數(shù)據(jù)分析：對軟件所報告的騎行時間進行誤差分析，經(jīng)過實際測量，相對誤差為0.46%，證明該系統(tǒng)反應靈敏，符合普通民用設備的精度需求。

2 結(jié)果與討論

生物力學研究指出，人體骨骼在承受彎曲應力及拉壓應力時的特性表現(xiàn)同普通剛性材料類似，則可將大小腿及腳骨頭等效視為剛性桿件[2]，在人體神經(jīng)系統(tǒng)的控制下，橫紋肌收縮而產(chǎn)生的拉力帶動下肢骨骼，實現(xiàn)關節(jié)轉(zhuǎn)動功能，故可視其為動力源[3]，借助SOLIDWORKS建模，利用ANSYS R19.2軟件對不同騎行情況行駛中受力情況進行模態(tài)分析，并實際測量人體在不同行駛情況下的生理參數(shù)與制動距離等數(shù)據(jù)。為了在不影響仿真模擬結(jié)果的前提下，使研究的問題簡單化直觀化，作出以下假設：（1）在運動過程中，車和騎行者為一個系統(tǒng)，且可以在受力條件下發(fā)生應變；（2）系統(tǒng)作直線運動，且忽略系統(tǒng)重心高度變化。（3）施加在人體手部有限元模型上的力為定值，且總大小為4KN。

2.1 單手騎行與正確騎行的力學分析

針對單雙手騎行時手臂與主要軀干用ANSYS R19.2軟件進行應力有限元分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 單雙手騎行應力有限元分析

通過顏色云圖可以明顯發(fā)現(xiàn)，單手騎行時手臂與主要上肢軀干部分受到的應力遠遠大于雙手騎行時所受應力，且前臂靠關節(jié)部分與肩部受力較大，為主要控制自行車行駛狀態(tài)的部位；單手騎行時最大有限元應力為1.428*10-6MPa，最小有限元應力為4.976*10-7MPa；雙手騎行時最大有限元應力為6.634*10-7MPa，最小有限元應力為1.687*10-7MPa，且受力基本呈現(xiàn)中心對稱的情況。

單手騎行時所受應力較大，對方向的控制較為困難，與雙手騎行整體上的應力呈現(xiàn)出數(shù)量級的差異；且單手騎行時人體重心與自行車行駛重心存在偏差，存在一定的整體性傾斜，騎行時需克服傾斜帶來的力；單手控制時，遇緊急情況是僅能控制單個車輪的制動容易產(chǎn)生前翻或者制動距離較長的情況，對行駛安全與事故規(guī)避不利。

2.2 站立騎行與正確騎行的力學分析

針對站立騎行時手臂與主要軀干用ANSYS R19.2軟件進行應力有限元分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 單雙手騎行應力有限元分析

通過顏色云圖可以明顯發(fā)現(xiàn)，站立騎行時手臂與主要上肢軀干部分受到的應力遠遠大于正常騎行時所受應力，且前臂靠關節(jié)部分與腿部受力較大，為主要控制自行車行駛狀態(tài)的部位；站立騎行時最大有限元應力為1.4263*10-6MPa，最小有限元應力為6.339*10-7MPa，受力基本呈現(xiàn)中心對稱的情況。

站立騎行時所受應力較大，難以對騎行狀態(tài)與方向有較好的把控，與正常騎行整體上的應力呈現(xiàn)出數(shù)量級的差異；且站立騎行時人體重心較高，人與自行車這個整體重心也較高，更容易出現(xiàn)傾斜，騎行時需額外增加克服傾斜帶來的力給騎行帶來不便；站立騎行時，遇緊急情況時制動容易因為騎行者重心過高而出現(xiàn)人體受慣性影響仍保持前行狀態(tài)出現(xiàn)危險情況。

2.3 危險騎行方式與正確騎行的對比

設定測試速度為20.5±0.4Km/h，對同一自行車進行多次制動距離測量取平均值，結(jié)果如表1所示。

表1 不同騎行方式下的制動距離

由表中數(shù)據(jù)可知：單手騎行時制動距離是正常騎行的約3.3倍，而站立騎行是正常騎行的1.64倍。

設定速度為20.5±0.4Km/h時，記錄從發(fā)出指令騎行者到雙手制動至自行車完全停止的時間多次測量取平均值，結(jié)果如表2所示。

表2 不同騎行方式下的反應時間

由表中數(shù)據(jù)可知：單手騎行時反應時間約為1.825s，比雙手騎行時反應時間約多出1s左右。

3 結(jié)論與展望

（1）系統(tǒng)在正常環(huán)境中可以正常運行，危險騎行次數(shù)記錄準確，危險騎行時間記錄誤差為0.46%對系統(tǒng)使用無實際影響；（2）單手騎行時手臂與主要上肢軀干部分受到的應力遠遠大于雙手騎行時所受應力，且前臂靠關節(jié)部分與肩部受力較大，并呈現(xiàn)數(shù)量級的差異；（3）站立騎行時手臂與主要上肢軀干部分受到的應力遠遠大于正常騎行時所受應力，且前臂靠關節(jié)部分與腿部受力較大，并呈現(xiàn)數(shù)量級的差異；（4）實際測量時，危險騎行的制動距離比正確騎行方式下平均多出6.01m，占正常騎行時制動距離的175.82%；危險騎行的反應時間比正確騎行方式下平均多出0.945s，占正常騎行時反應時間的107.38%，約增加5.61m制動距離；（5）根據(jù)已測出與有限元模擬的數(shù)據(jù)，可證明單手騎行與站立騎行是危險騎行的說法是可靠的；（6）由于人體工學不能簡單的看成機械構件，在利用ANSYS軟件模擬時，雖增加了一些修正但人體的受力方式、力的傳導方式等方面比較特殊，在日后的研究中基于人體特點進行更精細化考慮，并加以修正。