公路橋涵汽車用電子限高報(bào)警系統(tǒng) (Ⅱ)——激光超高報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉長(zhǎng)生

(中南林業(yè)科技大學(xué)交通與物流學(xué)院中國(guó)湖南410004)

1 報(bào)警系統(tǒng)的工作原理

報(bào)警系統(tǒng)由限高標(biāo)志牌、激光超高檢測(cè)器、顯示屏、聲光示警裝置等組成 (圖1)［3－12］。限高標(biāo)志牌，首先告知司機(jī)前方橋涵的限高，起第一道警示作用。當(dāng)超高車輛駛?cè)霗z測(cè)區(qū)時(shí)激光束被阻擋，該系統(tǒng)的激光接收裝置產(chǎn)生異常信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、放大和解調(diào)等處理后，控制設(shè)備立即通過(guò)顯示屏、信號(hào)燈和聲音示警設(shè)備向司機(jī)發(fā)出聲光信息，確保行車安全。圖2為報(bào)警系統(tǒng)方案框架圖［13－14］。

圖1 警示裝置示意圖Fig.1 Schematic of warning device

2 報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 室外顯示屏

對(duì)于室外顯示屏，要求尺寸大且顯示清楚，以便司機(jī)在較遠(yuǎn)的距離就可以看清楚其顯示內(nèi)容。目前，室外LED顯示屏可以滿足這些要求［2］。

2 .1 .1 性能與尺寸選擇

作為公路橋涵超高車輛檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的戶外顯示屏，在選擇顯示屏的性能與尺寸時(shí)，有3個(gè)因素必須考慮:①顯示內(nèi)容;②場(chǎng)地空間條件;③顯示屏象素大小。

圖2 報(bào)警系統(tǒng)方案框架圖Fig.2 Framework diagrm of alarm system

2 .1 .2 耗電與電源要求

耗電量是選擇LED顯示屏?xí)r的一項(xiàng)內(nèi)容，尤其在當(dāng)前十分強(qiáng)調(diào)節(jié)能的條件下更應(yīng)做到。顯示屏的耗電量分為平均耗電量 (平時(shí)實(shí)際耗電量，一般為最大耗電量的1/3。)和最大耗電量 (啟動(dòng)時(shí)或全亮等極端情況時(shí)的耗電量)。最大耗電量是設(shè)計(jì)供電、線徑、開關(guān)等必須考慮的因素。為了確保顯示屏正常工作，除了有可靠的電源外，對(duì)其電源輸入端或與其相連計(jì)算機(jī)的電源輸入端，必須接地。

20世紀(jì)初，為了嚴(yán)格地定義的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，康托爾(Cantor)發(fā)明了集合論[17].在康托爾的成果基礎(chǔ)下，對(duì)有理數(shù)進(jìn)行如下定義：S是由任意整數(shù)m、n構(gòu)成的有序數(shù)對(duì)(m,n)的集合,其中n非零.對(duì)于有序數(shù)對(duì)(a,b)和(c,d)，按如下法則將S劃分為子集，當(dāng)a/b=c/d，或者當(dāng)且僅當(dāng)ad=bc時(shí)，就將有序數(shù)對(duì)(a,b)和(c,d)視作相同的子集，二者也被看作相同分?jǐn)?shù).隨著數(shù)學(xué)的發(fā)展，這種(m，n)形式的分?jǐn)?shù)表達(dá)方式逐漸得以淡化，以通常在教科書上所見(jiàn)的形態(tài)展現(xiàn)出來(lái)：{m/n|m、n∈Z,n≠0}.因?yàn)樾稳?m,n)或m/n的數(shù)本身被集合所定義，所以集合論視域下的這些分?jǐn)?shù)形式是毋庸置疑的數(shù).

2 .1 .3 顯示屏必須符合人機(jī)工程學(xué)的要求

(1)高亮度與合理的視角。顯示屏是向公路上的行駛車輛發(fā)布行駛信息的，因此必須保證司機(jī)有足夠的反應(yīng)時(shí)間。在目前國(guó)內(nèi)城市汽車行駛速度約40～60km/h的條件下，顯示內(nèi)容的可視距離要求在100～200m。從人機(jī)工程學(xué)的角度出發(fā)，要保證顯示內(nèi)容使司機(jī)可辨，顯示屏的視角必須達(dá)到±35°。因此，對(duì)于一個(gè)具體的橋涵其顯示屏的尺寸選擇時(shí)，必須在上述距離上按視角35°進(jìn)行確定。絕不能為了節(jié)約成本，隨意減小顯示屏的尺寸而使司機(jī)無(wú)法辨認(rèn)其顯示內(nèi)容，最終使得超高報(bào)警系統(tǒng)成為擺設(shè)。此外，為了保證在陽(yáng)光直射顯示屏的情況下，司機(jī)對(duì)顯示內(nèi)容能夠清晰可辨，應(yīng)選用超高亮度發(fā)光二極管。

(2)顯示內(nèi)容和顏色。由于公路車輛行駛速度較快，在顯示屏的可視距離內(nèi)的滯留時(shí)間很短。因此，顯示內(nèi)容應(yīng)簡(jiǎn)單明了，讓司機(jī)一目了然，避免使用復(fù)雜的圖形和內(nèi)容。另外還要注意，顯示內(nèi)容應(yīng)采用司機(jī)習(xí)慣的紅、綠、黃三色搭配，不要僅采用純紅色或綠色。

以限高3.5m的橋涵為例，在無(wú)超高車輛進(jìn)入檢測(cè)區(qū)的情況下，顯示內(nèi)容如圖3;當(dāng)有超高車輛駛?cè)霗z測(cè)區(qū)時(shí)，顯示內(nèi)容立即變?yōu)閳D4?？梢钥闯觯@兩個(gè)顯示內(nèi)容既簡(jiǎn)單可辨，同時(shí)色澤搭配適當(dāng)，不刺眼，完全符合人機(jī)工程學(xué)的要求。

圖3 無(wú)超高車輛時(shí)顯示內(nèi)容Fig.3 The display of no superelevatioin vehicle

圖4 有超高車輛時(shí)顯示內(nèi)容Fig.4 Display of superelevatioin vehicle

(3)顯示屏亮度自動(dòng)可調(diào)。由于顯示屏要長(zhǎng)期不間斷地工作，因此顯示屏的周圍環(huán)境變化非常大。這就要求顯示內(nèi)容既要保證在白天最大環(huán)境照度時(shí)清晰可見(jiàn)，又要避免在陰雨天和夜晚造成“炫目”現(xiàn)象。為此，顯示屏的亮度要滿足人機(jī)工程學(xué)的要求:能根據(jù)環(huán)境照度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。實(shí)踐表明，顯示屏亮度自動(dòng)調(diào)整幅度應(yīng)在8級(jí)以上，否則難以滿足要求［2］。

2 .1 .4 戶外屏容易發(fā)生的故障與注意事項(xiàng)

(1)戶外顯示屏經(jīng)常受到日曬、雨淋，風(fēng)吹和灰塵的侵蝕。當(dāng)它被淋濕、受潮且積滿灰塵時(shí)，有可能引起短路故障甚至起火。為此，屏體及它與建筑的結(jié)合部必須防水、防漏。

(2)由于顯示屏的安裝位置較高，可能會(huì)受到雷電引起的強(qiáng)電、強(qiáng)磁襲擊而發(fā)生錯(cuò)誤顯示甚至直接被雷擊燒毀。為此，應(yīng)在顯示屏及附近建筑物上安裝避雷裝置。同時(shí)，屏體和外殼保持良好接地(接地電阻＜3Ω)，以便將雷電引起的大電流及時(shí)泄放。

(3)顯示屏工作時(shí)本身就要發(fā)熱，如果環(huán)境溫度過(guò)高而散熱又不良時(shí)，集成電路可能工作不正常甚至燒毀。為此，應(yīng)安裝通風(fēng)設(shè)備，將屏體內(nèi)部溫度控制在－10～40℃之間。

(4)為防止在我國(guó)北方一些地區(qū)因冬季溫度過(guò)低，而發(fā)生顯示屏不能啟動(dòng)的現(xiàn)象。其電子器件應(yīng)選用工作溫度在－40～80℃之間的工業(yè)級(jí)集成電路芯片。

2.2 交通信號(hào)燈

由于目前利用顯示屏顯示超高車輛信息的并不多。因此，肯定會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)，一些司機(jī)在快速行駛的過(guò)程中忽略顯示屏的存在而照樣發(fā)生撞橋事故。這可在橋涵附近再裝一個(gè)用于提示司機(jī)注意的交通信號(hào)燈。因?yàn)樗緳C(jī)的職業(yè)習(xí)慣，通常會(huì)對(duì)交通信號(hào)燈比較敏感。

2 .2 .1 信號(hào)燈的排列方式與亮度

(1)路面較寬時(shí) (如3車道)，采用從道路中心線右側(cè)起按紅、黃、綠的順序向路邊水平排列。

(2)路面較窄時(shí) (如單車道或2車道)，采用在道路右側(cè)，從上往下按紅、黃、綠燈的順序垂直排列。

(3)信號(hào)燈的亮度，應(yīng)保證司機(jī)在100m處能看清。另外，為了避免陽(yáng)光直射到信號(hào)燈表面而使司機(jī)看不清信號(hào)燈的顏色，可在每個(gè)信號(hào)燈上加裝一個(gè)遮陽(yáng)罩。

2 .2 .2 信號(hào)燈的工作方式

車輛超高信號(hào)燈是警示超高車輛的，與交叉路口信號(hào)燈的作用不同。為此，在無(wú)車狀態(tài)下，讓信號(hào)燈始終顯示為閃爍的黃燈;當(dāng)正常車輛駛?cè)霗z測(cè)區(qū)時(shí)，信號(hào)燈顯示為綠色，讓其通過(guò);一旦有超高車輛駛?cè)霗z測(cè)區(qū)，則顯示為紅燈，并配合顯示屏的信息示意超高車輛司機(jī)停車并繞行。

2.3 聲音報(bào)警設(shè)備

考慮到單靠顯示屏和信號(hào)燈提供的信息，司機(jī)在快速行駛的過(guò)程中還有可能忽略而釀成事故，故可再安裝一個(gè)90～100dB的報(bào)警喇叭，利用報(bào)警聲提示司機(jī)。由于高音喇叭的聲音很大，在居民區(qū)或者夜晚時(shí)可取消聲音報(bào)警功能，以免妨礙人們的正常工作和生活。

3 主要設(shè)備的安裝

3.1 激光對(duì)射裝置的安裝

激光對(duì)射裝置包括激光發(fā)射器與接收器，它們分別置于公路兩側(cè)面，其發(fā)射激光束距地面的高度為橋涵的限高高度。激光器距橋涵入口距離一般控制在50m左右，以保證司機(jī)收到車輛超高信息后有足夠的時(shí)間采取避碰和繞行措施。

3.2 視頻檢測(cè)器和地面環(huán)形線圈的安裝

為了保證激光檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)Τ哕囕v進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)和判斷。不管采用視頻檢測(cè)器還是環(huán)形線圈檢測(cè)器，一定要嚴(yán)格按照其設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行安裝和調(diào)試。否則，不但欲速不達(dá)，還會(huì)因?yàn)槎啻畏倒ぴ斐筛蟮睦速M(fèi)，甚至損壞設(shè)備。

3.3 顯示屏和喇叭的安裝位置

顯示屏和喇叭應(yīng)安裝在橋涵的頂部或路邊上顯眼且前方?jīng)]有物體遮擋的位置，以便司機(jī)確認(rèn)［11，15］。另外，如橋涵入口前的右邊設(shè)有岔路口時(shí)，超高車輛檢測(cè)區(qū)、顯示屏和喇叭應(yīng)安裝在岔路口前50m處 (圖5)。這樣，系統(tǒng)檢測(cè)出超高車輛時(shí)，有足夠的時(shí)間發(fā)布的超高車輛向右轉(zhuǎn)的屏幕顯示和語(yǔ)音提示，并引導(dǎo)超高車輛向右從岔路口駛出。

圖5 有分岔路的情況Fig.5 Fork existed

4 超高車輛越過(guò)檢測(cè)點(diǎn)的提示

由于公路超高車輛檢測(cè)系統(tǒng)的使用并不普遍。有時(shí)會(huì)發(fā)生一些超高車輛，特別是外地一些對(duì)本市路況不熟悉的超過(guò)車輛，雖然得到顯示屏和語(yǔ)音的提示，但因行車速度太快而一下跑到橋涵跟前如圖6所示。這會(huì)造成司機(jī)欲進(jìn)不能，欲退不知何從的尷尬局面，若不迅速處理，將會(huì)造成橋涵跟前大面積堵車的局面出現(xiàn)。為了防止這種情況的發(fā)生，我們可在報(bào)警系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)置用顯示屏和語(yǔ)音提示司機(jī)，按下面兩種方法的改進(jìn)程序:

(1)提醒司機(jī)采用倒行方式，按照?qǐng)D6 b的通行路線，退到后方多少米就到達(dá)可通行的交叉口再向左 (右)轉(zhuǎn)的方法改出;

(2)提醒司機(jī)采用掉頭逆行的方式，按照?qǐng)D6 c的通行路線，掉頭逆行多少米就到達(dá)可通行的交叉口再向左 (右)轉(zhuǎn)的方法改出。

圖6 超高車輛越過(guò)檢測(cè)點(diǎn)的情況Fig.6 When superelevation vehicle passes through the detection point

5 報(bào)警系統(tǒng)的展望

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，公路汽車超高系統(tǒng)的功能也應(yīng)不斷地提高。為此，我們?cè)O(shè)想在現(xiàn)有激光限高系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，再增加一個(gè)車牌識(shí)別裝置，及時(shí)將超高車輛的牌照顯示在前方的顯示屏上，使司機(jī)看見(jiàn)包括車牌 (如，湘A XXXXX車輛超高，請(qǐng)停車，左轉(zhuǎn)繞行!)的更準(zhǔn)確顯示和語(yǔ)音提示信息。做到對(duì)具體某個(gè)超高車輛的司機(jī)，進(jìn)行提示并引導(dǎo)其繞行，避免發(fā)生事故。

［1］劉長(zhǎng)生.公路橋梁涵洞汽車用電子限高報(bào)警裝置——電子限高報(bào)警裝置的原理與基本要求［J］.森林工程.2011，27(5):42 －45.

［2］關(guān)積珍，鄒元英，朱雪良.通誘導(dǎo)室外LED顯示屏有關(guān)問(wèn)題之淺談［EB/OL］.http://www.ledcac.com/info/detail/0 －472.html.2005－08－16/2008－04－01.

［3］余金中.半導(dǎo)體光電子技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.4.

［4］任致程.青少年業(yè)余愛(ài)好者電子制作手冊(cè)［C］.北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2001.2.

［5］朱京平.光電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.9.

［6］魏海明，楊興瑤.實(shí)用電子電路500例［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1996.6.

［7］付家才.電子工程實(shí)踐技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.9.

［8］陳小華.現(xiàn)代控制繼電器實(shí)用技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:人民郵電出版社，1998.7.

［9］李衛(wèi)平.智能交通技術(shù)應(yīng)用［M］.北京:人民交通出版社，2003.7.

［10］黃繼昌.實(shí)用報(bào)警電路［M］.北京:人民郵電出版社，2005.2.

［11］史忠科.交通控制系統(tǒng)導(dǎo)論［M］.北京:北京科學(xué)出版社，2003.7.

［12］陳永甫.紅外探測(cè)與控制電路［M］.北京:人民郵電出版社，2004.6.

［13］北奧東華激光技術(shù)有限公司.激光車輛超高檢測(cè)器的應(yīng)用［EB/OL］.http://www.dova － laser.com/newsview.aspid=172.2007－09－25/2008－04－01.

［14］北奧東華激光技術(shù)有限公司.激光車輛超高檢測(cè)系統(tǒng)［EB/OL］.http://www.dova － laser.com/jgcl.asp.2007 － 09 － 13/2008－04－01.

［15］周 遐.安防系統(tǒng)工程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.