基于碳纤维混凝土压敏性的压黄线监测系统的设计研究＊

谢世涛 侯作富 李卓球 庞文彬 陈 强

（长江大学机械工程学院1） 荆州 434023） （武汉理工大学理学院2） 武汉 430070）

0 引 言

道路交通标线规定，车道中心黄线是用来分隔对向行驶的交通流［1］.但目前不少司机为急于到达目的地或节省耗油而进行违章驾驶.违章跨越道路中心黄线，不仅容易造成车辆碰撞或摩擦，更容易引起道路堵塞，是造成交通事故的一个重要诱因.对于不按规定超车的压黄线行为，有关法律法规早就做出相应惩罚规定，但道路黄线与路口不同，由于它比较长、范围广、警力有限，传统视频识别方式很难做到及时监测且后续工作量巨大［2］.为了扼制机动车违章压黄线现象，建立一套全新的智能监测系统，用来克服现有设备及方法的缺点并减少工作人员的工作量.

基于这种情况，本文提出在道路黄线下埋入一种新型的材料——碳纤维水泥基复合材料（CFRC）.碳纤维水泥基复合材料是在普通水泥基材料中加入适量的导电项材料（碳纤维或炭黑等）而制成的一种新型复合材料［3］.CFRC具有明显的导电性，而且其电阻率会随着外界应力条件的变化而变化，这就使CFRC产生了压敏性、温敏性、电磁屏蔽等一系列优良的性能.利用压敏性及和周围混凝土基体材料的相容性，采用CFRC作为道路黄线材料，对压黄线违章行为进行监测将是一种智能化的交通监测手段.

1 报警装置的设计

1.1 碳纤维混凝土的压敏性

碳纤维水泥基材料是以短切碳纤维为填充相，以传统水泥基材料为基体复合而成的纤维水泥基复合材料，碳纤维的加入可以明显地改善水泥基材料的力学性能，而且使原本不导电的水泥基材料具有导电性［4］.其导电性主要靠分散在基体中的短切碳纤维相互搭接形成网络，同时碳纤维分散在水泥基体中，受到未水化水泥颗粒、水化产物和缺陷裂纹等阻隔，形成势垒，通过隧道效应连通网络的绝缘间隔而形成传导.在混凝土的正常工作范围内开始受压后，随着压应力的增大，内部原有缺陷裂纹在压力作用下闭合，电子有可能越过较窄的势垒，从一根纤维跃迁至另一根纤维，导致试样电阻值发生变化，这就是碳纤维混凝土的压敏性.通过测试碳纤维混凝土的电阻变化值，就可以探知混凝土构件的受力情况.

1.2 系统的构造设计方案及工作原理

基于碳纤维混凝土压敏性的压黄线监测系统由路面触发单元、信号监测单元、抓拍单元和终端控制单元及相应的电路组成.

1.2.1 CFRC触发单元 CFRC触发单元是监测系统中的基本单元，将其埋入道路黄线下面.埋设方式如图1所示，每条黄线带上可以由多个CFRC条块连接而成.当有应力作用在黄线上时，CFRC触发单元通过感知自身所受压力的变化而造成电阻变化，然后将其生成的信号传递到监测单元进行判断.

图1 CFRC埋设方式

1.2.2 信号监测单元 该监测检测单元结构如图2所示，当触发单元有电压变化信号传送到监测单元时该装置对电压信号进行处理并与阈值相比较.如果电压信号低于阈值，监测单元发出信号驱动摄像单元实时拍摄；当电压信号高于阈值时，监测单元不发出驱动信号，并返回预警状态.

图2 监测单元结构图

1.2.3 摄像抓拍单元 摄像抓拍单元现场图如图3所示.

图3 摄像抓拍单元现场图

采用无中继传输距离60km的摄像机，摄像机可采用直流供电，且采用背靠背的形式安装，即一根立柱顶端背靠背安装两台摄像机，节省了基础及立柱的投资，增加了视屏监视的范围.

报警信号驱动自动识别单元，对车辆违章行为进行抓拍，抓拍器将拍到的图像传送到控制终端计算机.

1.2.4 控制终端单元 当图片传输到控制终端计算机时，由专门的图像识别软件进行处理［5－7］，处理得到的牌照号码与联网的车辆数据库查找，得到车辆的全部信息，并记录到另外一个有关车辆违规的数据库，即驾驶员“黑名单”中，作为以后考核或处罚的依据.

整个系统实现了不停车对压黄线车辆的监控，起到良好的道路安全监测作用.

1.3 模拟实验

1.3.1 实验装置电路图 图4给出了该实验信号检测装置的电路原理图，该装置由缓冲器、放大器、比较器、反相驱动器、继电器等器件构成.

图4 实验装置电路图

缓冲器.输出电压与输入电压大小相等，相位相同，通常输入高电阻，输出低电阻，起到缓冲的作用.

放大器.将微弱信号进行放大.

比较器.用来比较输入信号电压与参考电压的大小，并将比较结果以高电平或低电平形式输出的一种信号处理器.

反相驱动器.接受来自主电路的信号，然后将信号进行处理再转移至相关的感应器.

继电器.一种用低电流来控制强电流的开关.通过磁场控制强电流电路开关闭合.

1.3.2 实验装置的工作原理 该装置可以自动监视由黄线下碳纤维混凝土处发来的报警信号.利用碳纤维混凝土受压时电阻减小的特性.用一个可调电位器RV1来模拟实际工程中的碳纤维混凝土压敏电阻.当RV1的电阻值变化时，其两端电压也将发生变化，电压经放大电路后利用比较器和阈值进行比较，阈值电压由可调电位器RV2控制，当放大后的电压小于阈值电压时，运放的输出电压U3为低电平，利用反向驱动器控制继电器吸合开关，启动摄像装置；当放大后的电压大于阈值时，运放的输出电压U3为高电平，反向驱动器不工作.

2 系统的优势

基于CFRC智能材料的智能监测系统，不再只停留在原来的“看”路面监控图像的程度，还能自动控制拍摄的时间.基于CFRC的智能监测系统不但承担了监控任务中人的大部分工作量，更有效的提高了报警的精度和速度，并赋予了监控系统自主判断的能力.

1）更快的反应速度.节省了原来监控人员在确认交通违章行为时查看监控录像和其他相关信息的时间，极大地提高了反应速度.

2）更有效的监控方式.当违章行为发生时，系统能以最快的速度、最佳的方式提供有用的信息，避免了完全由监控人员对监控录像分析而造成的“监控遗漏”问题，有效地防止了人为因素造成的延误.

3）通过智能监测系统能获得大量精确的信息，对这些数据进行整理，建立数据库并对信息分析，为道路交通的运营管理提供参考.

3 结束语

对于违规跨越中心黄线的车辆，文章中提出了一套完整的原理与设计方案，利用压力传感材料（碳纤维混凝土）、自动控制技术以及自动识别技术，并通过信号监测单元对它做出响应以及控制，主动地提供关键信息和告警，扩展了公路监控系统功能的广度和深度，摆脱了以往被动控制的局面，解决了现有交通管理技术的不足，实现了在不影响交通流正常运行的情况下，对违规跨越中心黄线的车辆进行自动监控，可以全天候自动监测、记录违章跨越道路中心黄线的车辆.

［1］中华人民共和国建设部.城市黄线管理办法［S］.北京：中华人民共和国建设部，2005.

［2］丁正飞，黄 翔.基于智能视频分析技术的监控系统［J］.中国交通信息产业，2008（5）：95－97.

［3］侯作富，李卓球，胡胜良.融雪化冰用碳纤维导电混凝土的电阻率研究［J］.长江大学学报，2005，2（2）：264－266.

［4］韩宝国，关新春，欧进萍.碳纤维水泥石压敏传感器电极的实验研究［J］.功能材料，2004，35（2）：262－264.

［5］严云洋，于永彦，刘 虎.视频监测式越黄线电子警察的设计与实现［J］.计算机工程与应用，2005（31）：99－101.

［6］Francesco B，Ricci G.Adaptive detection and interference rejection of multiple point－like radar targets［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，2006，54（12）：4 510－4 520.

［7］Pretorius A J，Jarke J，van Wijk.Visual analysis of multivariate state transition graphs［J］.IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics，2006，15（5）：685－694.