智能限高系統及限高架設計

□史菲帆 鄭元勛 張 茜 姜田田 王九洲 申超鵬

隨著我國道橋隧涵等交通設施大規模興建，大型運輸車、集裝箱汽車及特殊車輛等數量也相應快速增加，導致機動車撞擊限高架或橋梁涵洞的事故頻發，易造成交通堵塞[1]。限高架作為保護道橋隧涵安全及行車安全的重要輔助措施，在保護結構安全的同時屢屢導致嚴重的車——桿相撞事故發生，造成了極壞的社會影響。目前大多數限高架采用剛性門架結構，以強硬手段攔截超高車輛，由于預警提示不足，且無法保證消防及衛生急救等應急通道的暢通[2]。類似佛山高明區高明大橋“鋼結構限高2.2米龍門架”被碰撞30多次、成都桂龍大橋運渣車與限高架相撞等悲劇仍在上演。究其原因，一方面是道路交通壓力大、駕駛員安全意識薄弱或對車高判斷有誤；另一方面是限高架自身設計缺陷及預警提示設施不足[3]等。為有效避免類似情況發生，設計一種智能安全的限高架是亟待開展的工作，為達到保護路橋涵隧，同時保障人、車以及限高架安全的目的，則需要利用智能信息系統及剛柔結合的限高架設置[4]，給予駕駛人員充分的預警信息，并在智能限高架后方一定距離處，設置裹覆彈性材料的剛性傳統限高架及車輛返回路線。

一、限高架結構設計及工作流程

限高架結構包括左右豎桿、左右橫桿、儀器桿；左右豎桿均垂直設置，左右橫桿均水平設置，儀器桿在橫桿上方一定高度處，左右橫桿可繞豎桿連接處的轉軸水平轉動，二者之間設置嵌合槽；儀器桿置于左右橫桿正上方，安裝有檢測設備、高清攝像頭、信息處理器、警示燈、語音警示器、顯示屏和太陽能電池板。左右橫桿構造相同，采用長度可調的金屬管，外部裹覆彈性材料或采用柔性復合消能材料[5]，橫桿連接處嵌合槽內設置傳感器，用于檢測橫桿是否被撞開。結構如圖1所示。

左右豎桿采用橫截面為矩形的金屬管體，距地面兩米內為基礎段，內部設置液壓升降柱，用于左右橫桿的升降，2～4.5米段為高度調節段，用于固定左右橫桿及調節高度；左右橫桿固定于豎桿內的部分為工字形，外伸部分為裹覆彈性材料的類傘柄空心管狀結構，在外伸起點處設置轉軸，可水平旋轉開合，末端分別設置嵌合塊及嵌合槽。

車輛駛入限高檢測路段后，由超聲波檢測設備確定車輛是否超高，若超高，將觸發一級預警系統，發出語音及燈光警示[6]，拍攝照片并識別車輛信息；若車輛不顧警示仍闖崗，則觸發二級警示系統，發出蜂鳴警示，并將照片及車輛信息上傳至交通控制中心。若未超高，則正常通過。

圖1 限高架基本結構及豎桿結構

二、車輛高度判斷模塊

車輛駛入限高檢測路段時，首先需對車輛高度進行判斷后才可進行后面的一系列流程。車輛高度判斷采用HC-SR04超聲波測距模塊提供的非接觸式距離感測功能，在設定好測量距離的前提下依據三角形勾股定理計算出車輛是否超高，或采用高精度毫米波雷達實現目標距離及速度的探測。如圖2所示，超聲波發射器向限高架前方發出超聲波，檢測視線與水平面呈一定角度，超聲波斜向下發出，探測前方距離為X米處的障礙物，即達到或超過限高高度的超高車輛。傾斜角度根據路況調整，以適應多種路況，其末端高度為路段限高高度，寬度與限高區域寬度一致。正常車輛通過時可正常行駛，超高車輛行駛至超聲波可測距離時，觸發感應設備，感應設備將信息傳輸至預警系統。

圖2 限高架檢測車輛高度工作方法簡圖

該超聲波測距模塊由聲波發射器、接收器與控制電路三部分組成，包括VCC超聲波模塊電源腳(正極)、TRIG超聲波發送腳、ECHO超聲波接收檢測腳、GND超聲波模塊電源腳(負極)四個引腳，確定測試距離X的工作原理如下：一是采用IO口TRIG觸發測距，給至少10us的高電平信號；二是模塊自動發送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；三是有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間；四是測試距離X=(高電平時間*聲速(340M/S))/2。

三、車輛信息采集處理模塊

這一部分在車輛高度判斷的基礎上，對已觸發警報系統的超高車輛進行拍照，之后利用樹莓派Opencv進行圖像處理采集及車輛信息保存，并將采集的車牌信息傳輸至警報器和電子顯示屏以提醒駕駛員車輛超高。同時可采用實時監控，對實時數據進行分析，監控產生的視頻數據可通過圖像信息提取關鍵幀，從而記錄視頻數據并減少冗余視頻數據。攝像頭可提供5MP分辨率，500萬像素的OV5647感光芯片，車輛識別的基本流程如下。

(一)車牌定位。為降低車牌識別過程中的計算量，使用彩色處理技術截取出只含車牌的圖塊，對車牌進行定位的操作。

(二)傾斜校正。為減少車牌圖像傾斜對車牌識別正確率的影響，對定位后的車牌圖像灰度化并對其進行傾斜校正，得到水平方向一致的圖片。

(三)字符分割。將校正后的車牌圖像中的字符分割出來，得到單個字符圖像，為下一步字符識別做準備。

(四)字符識別。將字符分割得到的單個字符與模板庫中字符對比，對字符進行識別得到識別結果。

(五)識別成功，信息公示。車牌識別成功，車牌號傳輸至警報器及電子顯示屏，警報器發出“車牌號為xxx的車輛超高”的語音提示，電子屏顯示超高車輛的車牌號信息提示其超高。

四、撞擊信息采集及警報模塊

若超高車輛駕駛員無視警報系統發出的超高警示，仍然向前行駛，當其強行闖崗導致左右橫桿上的撞擊力大于嵌合部分磁鐵塊的引力時，左右橫桿分別以同側轉軸為軸線向車輛行駛方向轉動被推開，嵌合槽內的傳感器檢測到嵌合塊脫離嵌合槽，將信息傳輸給警報器，警報器二次發出警報聲。該部分在整個工作流程中共發揮兩次作用，第一次為在接受到主控制板傳來的車輛超高信息時進行的一級警報提醒車輛超高，第二次為在一級警報的基礎上接收到主控制板傳來的撞擊信息時進行的二級警報。為達到這一目的，需用到兩個傳感器模塊，即防震傳感器模塊和有源蜂鳴器模塊。

防震模塊采用3.3V供電，在不震動情況下呈常閉狀態，輸出低電平，開關信號指示燈被點亮；震動時候輸出高電平，開關信號指示燈熄滅原理如圖3所示。有源蜂鳴器模塊，工作在3.3V～5V電壓之間，采用3.3V供電，模塊是低電平有效，即控制器給一個低電平，蜂鳴器響，高電平不響。

圖3 信號指示燈原理圖

五、主板控制及信息傳輸模塊

表1 主板控制模塊參數表

主板控制模塊的主要作用是對車輛信息、測高信息、撞擊信息進行處理并對警報模塊傳輸信息，其主控制參數如表1所示。

在超高車輛闖崗且車輛信息被主板控制模塊記錄后，信息傳輸模塊基于TCP/IP協議，將信息傳至服務器端，之后再將闖崗車輛信息、照片記錄和路段信息上傳至所在區域的交通控制中心，便于事后處理。

六、結語

本文基于智能安全限高架的結構及智能限高系統，提出其工作原理及流程。針對不同限高要求的交通段，可采用不同方案的設計與布置來安裝此新型限高架，以達到多重警告、保障安全、保留證據、事前預警、事后懲治、極大降低超高車輛損壞交通設施及發生相關事故的目的，可配合相關交通法對超高司機實行“軟阻攔、硬懲罰”的措施，伴以暫扣駕照、處罰金、扣除駕駛分數等懲戒措施來達到警告和懲戒超高車輛駕駛員的目的。限高架本身則采用較軟性手段來限攔超高車輛，極大程度上保證車輛、駕乘人員及限高架本身的安全，在此智能限高架后一定距離處設置裹覆彈性材料的剛性限高架及返回路線，以更加安全和有效的方法解決部分限高路段上的限高問題與傳統限高架的安全問題，保證了其使用的安全性和合理性，避免了車桿相撞的慘劇及由此造成的經濟損失和人員傷亡等一系列問題，具有較高的應用推廣價值。