高速公路二次事故预防的车载警示系统

解文博 张 萌 刘丹妹

山东交通学院，山东济南 250300

近十几年来，高速公路发展迅速，高速交通事故频发，由此引发的“二次事故”的数量也随之增长，高速公路二次事故的预防成为高速安全的重要问题之一。长期以来，三角警示牌在低等级公路交通中确实发挥了不可忽视的重要作用，它的功劳，不可磨灭。但是，在如今实现跨世纪发展的高速公路交通时代，依然沿用传统的落后警示标识，无疑给管理工作和人民生命财产安全罩上了一层阴影[1]。因此，不断有学者提出新的警示设备：李斌提出的智能车载电子三角警示器[2]，刘克旺提出的基于红外线技术的汽车警示系统[3]，孙根提出的交通事故警示装置[4]。这些设备较于传统警示牌具有较大进步，但在造价、精度等方面存在一些缺陷。基于以上分析，本论文提出一种全新的预防二次事故车载警示系统，减免二次事故的发生。

1 车载警示系统的组成

车载警示系统由碰撞检测模块和车载警示设备组成，可安装于正驾驶椅背正上方的车顶。

碰撞检测模块的组成框图如图1所示，由以下几部分组成：信息采集模块、信息处理模块、信息存储模块和预警信息发送模块。车载警示设备的组成框图如图2所示，主要由预警信息接收模块、陀螺平衡调节模块、手动按键和警示灯模块组成。

图1 碰撞检测模块的组成框图

图2 车载警示设备组成框图

信息采集模块主要由三轴加速度传感器构成，实时采集车辆x、y方向上的加速度信号；信息处理模块主要是微处理器，根据三向加速度合成算法判断碰撞事故是否发生；信息存储模块主要是数据存储卡，当事故发生时记录碰撞过程中的加速度信号并计算出碰撞时的速度变化量，用于算法的优化；预警信息发送模块用于给车载警示设备发送信息。

预警信息接收模块用于接收碰撞检测模块发送的预警信息；陀螺平衡调节模块主要由ENC03陀螺仪[5]构成，将3片ENC03固定于脉冲警示灯设备的侧面。ENC03陀螺仪是一种应用科氏力原理的角速度传感器，陀螺仪设计中采用3片ENC03模块分别对警示灯上的x、y、z三个垂直方向上的角度偏差来进行角速度测量，然后通过单片机的处理用于调节警示设备的角度，即使车辆发生侧翻也可令脉警示灯的光沿着与水平方向60°夹角的方向斜上射出；按键是将指令信号发送给单片机控制系统，手动控制预警设备的开关。

警示灯模块通过电子电路将脉冲氙灯[6]触发点燃，氙灯的特点在于亮度非常高，且触发时间短，由于电路点燃的氙灯可以迅速发出强烈可见光，其光强远远超过车辆上现有的警示灯及雾灯发出光强，从而大大提高了警示距离。在人眼最小反应时间为 0.2s的情况下，脉冲氙灯的闪光持续时间为0.001s，通过调整其发光频率及灯光角度，脉冲灯对其他车主的驾驶影响将远小于两车交汇时远光灯对双方司机产生的干扰。

电源模块通过车上直流电源为车载警示系统供电，如车载点烟器等，同时电源模块内有备用的锂电池，一旦车上直流电源断电，即可启用电源模块内备用的锂电池继续为警示系统供电。

2 车载警示系统的工作原理

2.1 硬件工作原理

车辆一旦启动成功，车载电源供电，系统各模块初始化，检测驾驶员是否主动按下开关按键，当主动按下时，系统直接打开警示设备。

当未进行按键操作时，三轴加速度传感器开始工作，实时采集车辆x、y方向上的加速度信号并通过微处理器根据三向加速度合成算法判断是否发生碰撞。

若检测到未发生碰撞则令三轴加速度传感器继续检测；若检测到发生碰撞则通过数据存储卡记录碰撞时的加速度信号并通过信息发送模块将碰撞信息发送给信息接收模块。

信息接收模块在接收了碰撞信息后，自动打开警示设备上方的覆盖物，通过陀螺仪调整预警设备的角度并通过自动伸缩装置将氙灯推出，警示来车。

2.2 三向加速度算法工作原理

三向加速度合成算法与目前大部分车辆警示系统的将安全气囊点火信号设置为系统的触发信号的工作原理不同，是独立于汽车安全气囊碰撞系统的算法。由于汽车间的碰撞不止有正面碰撞，侧面碰撞或追尾碰撞的事故也时有发生，但是市面上的很大部分汽车仅仅配置了正面安全气囊，当发生其他方向碰撞时，尽管车内人员受伤但安全气囊的碰撞算法并未检测；且随意对汽车原本的系统进行改装，具有一定的风险和难度，甚至会违反法律；再加之近几年的由于安全气囊出现问题导致的车辆被召回丑闻。所以本文选择了基于双向加速度合成算法的三向加速度合成算法。

双向加速度算法的表达式为：

式中：w—窗宽；S(t,w)—窗宽内的积分值；ax(t)—车辆纵向加速度信号；ay(t)—车辆横向加速度信号；t—当前时刻。对于窗宽w的选择不宜过大也不宜过小，综上考虑，选取窗宽为20ms[7]。

将三轴传感器中任意两轴作为x、y轴，令x、y轴所在的平面与水平面平行，此时重力G在x、y轴上的加速度分量均为0，而在z轴的分量为g。车辆在路面正常行驶时，产生的加速度是水平的，则x、y方向上的加速度矢量合即为车辆的加速度ac。将传感器采集到的x方向的加速度ax和y方向的加速度ay、z方向的加速度az进行处理后，比较ac与设定好的加速度阀值a1的大小：（1）若ac＞a1，系统调用双向加速度合成算法并计算S（t,w），然后将计算出的S（t,w）值与设定的门槛阀值b进行比较：①若S（t,w）＞b，得出车辆发生碰撞结论；②若S（t,w）≤b，得出无碰撞结论，继续进行数据检测与采集。（2）若ac≤a1，得出无碰撞结论，继续进行数据检测与采集。

同时将az与竖直方向上的加速度阀值a2进行比较：（1）若az＞a2，系统判定车辆发生侧翻事故；（2）若az≤a2，得出汽车无侧翻结论，继续进行数据检测与采集。

图3为车载警示设备的工作原理示意图；图4为工作前车载警示设备的CAD示意图；图5为工作时车载警示设备的CAD示意图。

图3 车载警示设备的工作原理示意图

图4 工作前车载警示设备的CAD示意图

图5 工作时车载警示设备的CAD示意图

3 车载警示系统的特点

此车载警示系统具有手动和自动两种警示方式。其特点是：当车辆在高速公路出现故障或车上人员突发特殊情况需要紧急停车时，驾驶员可以手动按下警示开关按键开启警示设备；当车辆受到猛烈撞击或侧翻时，尤其是驾驶员无力按下开关按键时，碰撞检测模块检测到事故发生，车载警示设备自动开启，瞬间发出脉冲频闪光以警示来车。无论是手动还是自动，驾驶人都不必下车去放置警示标志，避免了被来车撞击的危险。若由于算法误判造成警示系统意外打开，驾驶员可按下开关按键将系统关闭。且由于氙灯的光强远远超过车辆上现有的警示灯及雾灯发出光强，可以大大提高警示距离，还具有省电、警示效果理想的特点。

实际举例：（1）手动人工警示：有A、B两车，A车在前，B车在后，同向行驶。A车遇到突发特殊情况需要紧急停车，驾

驶员可以手动按下警示开关按键开启警示设备。B车看到A车发出的强烈光束，提前减速避让，安全绕行。（2）自动警示：雨、雪、雾等能见度低的环境中，A车发生事故且丧失放置警示标志的能力，此时警示系统检测到碰撞，自动开启，瞬间发出强烈频闪光束。其光穿透力强，A车后方行驶来的车辆看到警示光，司机立即知晓前方有事故发生，提前做好准备，避免二次事故的发生。

4 结语

论文提出的预防二次事故车载警示系统既能手动警示又能自动警示，克服了传统三角警示牌的缺点，使得即使在雨天、雪天、雾天、夜晚等低能见度或道路拐弯处等视线盲区也有很好的警示效果；并且使驾驶员免于下车放置警示牌，消除了放置过程中被撞的危险；即使驾驶员无力警示，系统也可自动警示来车此处有事故发生。一旦投入使用，可以减少高速公路二次事故对人们的生命、财产伤害。

该系统具有造价低、精度高、实用性强的优点，具有良好的市场前景。