基于微机控制的潮汐车道智能路障管理研究

【摘要】潮汐车道是近年来处理潮汐车流的较好的办法，国际上主流的潮汐车道通行管理方案采用的是水馬隔离墩式的“拉链式”潮汐车道;据悉这种潮汐车道上线后，可以有效减少原路段交通拥堵30%。但是高昂的设置成本让许多城市望而止步，本文提出了一种新型的倒伏式路障代替水马隔离墩且能够自动控制的潮汐车道管理方案。其优点在于能够自动控制，提高经济效益，避障安全以及社会效益等方面。

【关键词】潮汐车道;倒伏式路障;微机

引言

近年来国内车辆数量猛增，城市里面利用在早晚高峰或者其他特殊时期车流量的双向行驶的不同特点在原有的道路基础上设计了潮汐车道，以应对高峰时期单向车流量剧增的问题。现在主流的潮汐车道管理方案是利用辅助车辆和龙门架交通灯以及潮汐车道出入口的控制灯对车道内的车辆通行进行管理，但在交通高峰时期，即便有了信号灯的控制，但潮汐车道实际交通拥堵在所难免。

当前，道路交通拥堵已成为城市发展到一定阶段所面临的世界性难题。2017年由高德地图交通大数据发布平台联合交通运输部科学研究院、阿里云等单位联合发布的《中国主要城市交通分析报告》北京的高峰拥堵延时指数为2.067 （高峰拥堵延时指数等于市民高峰拥堵时期所花费的时间与畅通时期所花费时间的比值） 。为保持城市良性发展， 缓解道路交通拥堵问题已是刻不容缓。

1研究背景

1.1国内现状分析

城市道路主要的拥堵来源是潮汐交通，以深圳市为例，在潮汐交通的情况下，单向的车流量剧增，常规单向的车道无法满足潮汐车辆的交通需求，从而导致了交通变缓，交通堵塞。目前，设置潮汐车道是主流的解决该问题的方法。常规潮汐车道只能够在交通信号控制层面对潮汐车道进行管理。

1.2国外现状研究

国际上主流的应对潮汐车道通行管理方案采用的是水马隔离墩式的“拉链式”潮汐车道，国金门大桥“吞吐式”的“拉链车”就用了这种模式。据悉这种潮汐车道上线后，可以有效减少原路段交通拥堵30%。由于拉链车采用的是工程车挪动水马隔离墩的方式来变换车道，当它进入车道开始作业时，会占用一条车道的空间长达7～8分钟，在此时间段内车道通行受到限制。其次，单一的工程车就需要168万，再加上配套设施、人工成本以及维护成本加起来将是一笔不菲的资金。

2作品具体方案

本文就潮汐车道实体自主变道在“拉链式”潮汐车道的基础上提出了一个新方案：将实体的水马隔离墩替换成可自动控制的实体倒伏式路障来管理潮汐车道。它的成本比“拉链车”更低;省去了拉链车的维护成本以及人员操作成本增加了社会经济效益。利用微机控制效率更高，反应更快。微机可以控制多个路障同时工作，节省车道变道的时间。

2.1控制部分

（1）微机

微机采用arduino电子开源平台，UNO R3是整个系统的指令终端，向驱动板传输指令来驱动交通信号源以及路障的升降。平台终端可以通过预存程序自动控制，交通后台控制，道路实时现场控制;控制优先级依次递增，即道路实时现场控制为最高优先级。

（2）程序设置

预存程序预先编写并烧录进终端，后台可以随时控制终端的工作与停机，并在停机时可以通过控制端口实现数据的传输程序指令，当终端收到后台传输程序的指定端口的数据时，烧录驱动程序启动，并在指令传输完毕时，烧录程序开始进行。用这样的方式达到后台对终端程序的修改操作，依道路反馈给后台的数据，后台对原有控制程序进行修改，并更新程序。

（3）实时调控

后台直接控制终端连接的驱动系统，在特定的情况下（例如终端硬件设备更换）避免整个潮汐车道路障系统的罢工，同时通过后台控制驱动可以直接为救援工作，抢险救灾等特殊任务车辆提供一条临时的畅通车道。

交通后台的控制可以实现交通的宏观调整，缓解城市部分道路不能通行或者交通严重拥堵带来的局部交通问题。现场实时调控用来应对道路交通事故或其他因交通设备问题带来的路段局部交通拥堵。在数据采集器与驾驶员的配合下，后台协同现场实时调控可以更加精准地协调车道内的交通，精准定位并进行局部疏导。

2.2路障部分

路障采用嵌入式结构安装在路面内，安装槽需要进行防渗水处理，路障倒伏状态与路面基本持平，且略低于路面。路障升起状态时通过滑块的联动作用把防尘盖弹出，挡住路障升起产生的凹陷。

（1）结构支撑

路障设计为斜拉式液压传动路障，外壳采用PVC材料制成，固定结构及支撑结构采用碳素钢材料制成。路障斜拉杆为矩形设计，内含超声波测距模块以及三色指示灯模块。基座分为内外两层，内层是结构支承层，外层是PVC材料层。

（2）液压传动

结构支承层内含有路障的机械联动装置，驱动模块及液压驱动装置。液压传动设计能够提供更大的升力力矩，使用液压传动使整个动力装置结构变得简单可靠，更容易控制。液压装置由电机作为源动力输出，电动机结合小型变速齿轮组，得到更大的动力，更缓的速度，再由减速轮组驱动液压泵，推动液压活塞前进。

（3）灯光指示

斜拉杆外部贴有警示反光条，让驾驶人员更容易辨识车道，更容易驾驶。内部有超声波测距模块以及三色指示灯模块。

三色灯指示模块设计反映路障的实时状态：路障故障或者遇到行为障碍时红灯闪烁，并反馈后台;路障即将改变斜拉杆状态或正在改变斜拉杆状态时黄灯闪烁;当路障动作完成时，绿灯常亮。

三色灯指示模块作为交通引导信号：在光线不足或可见度不高时利用流水灯原理，让各路障某一种灯光按照路障排列次序依次闪烁可以起到道路交通引导作用。交通情况良好，路障绿灯按照车道车辆前进方向在车辆左端依次闪烁;道路情况比较拥堵，黄灯依次闪烁;道路不可通行，出现交通事故，红灯常亮。

（4）超声波避障

超声波模块由驱动直接控制，且在驱动接到改变斜拉杆位置的指令时一直工作，直到指令结束。超声波测距模块设计为了避免路障对车道上车辆或者其他东西的擦挂，当超声波测距模块收到反射波且判定“距离过近”时，超声波测距模块反馈信息给驱动，并暂停斜拉杆当前动作。同时反馈给终端，终端配合现场信息采集系统确定位置，结合车辆定位系统，通过车辆导航系统提示该路障附近车辆。

（5）路障安装

安装位置：汽车行驶方向为参考方向，路障平行于车流量安装在潮汐车道线位置。固定方式：打孔螺丝直接固定，参考减速带施工标准安装方法。防水防污处理：漏斗式设计将电子元件部分与路障槽口隔开，在路障出于升起的状态下弹出盖子，利用滑块的联动作用，将雨水或污物推出装置。

3项目分析与评价

3.1 实现自动控制

程序员只需要在早晚高峰时期预先将时间设定，到达相应的时间微机就控制液压驱动模块控制路障的动作从而实现自动控制。经实测，模型自动控制可以实现，能够通过无线的方式（Bluetooth）进行行为干预。

3.2增加社会效益

在特殊情况下可以通过其他控制手段对车道进行通行控制。对于突发的事件，该车道的反应更加迅速，更加灵敏，更加灵活，在高峰通行时期为特殊车辆通行争取宝贵的黄金时间。

3.3提高经济效益

美国金门大桥“自动化潮汐車道”造价高达300万美元， 实施整个“自动化潮汐车道”共花费3千万美金。深圳潮汐车道中， “拉链车”作业速度为5-10公里/小时， 其造价168万， 各项维护费用也需要大笔资。

3.4安全性

经实测，采用超声波测距自主避障有效，且在车辆移速较慢及车辆快速起步的时候反应灵敏，避免了路障设施对车辆的伤害。

4创新目标及数据算法

以成都市为例，据《2018 Q1中国主要城市交通分析报告》最拥堵的路段是人民南路四段：机场高速出入口到一环路南二段，长度1.7千米，高峰平均时速19.47km/h。如果将该路段63%可建设路段建设此可变潮汐车道，长度约1.07km。根据计算，可减少拥堵13.6%，高峰平均时速将提升至22.54km/h，平均提速15.75%。高峰平均通行时间将由之前5.2分钟缩短至4.5分钟。

若向成都市推行，在主要早晚高峰路段建40%可变潮汐车道，预计将减少交通拥堵7.34%，提高平均车速2.03km/h。将成都市高峰拥堵延时系数由1.81下降至1.68（即早晚高峰路上花费时间是畅通状态下的1.68倍）。

4.1计算依据：

设某长度为s的单向i车道路段，高峰时段平均车速为v，平均车距为c，车距与车速呈现正相关，相关系数u，平均通车时间t。

则 ;

该路段车辆总数m为：

当建设潮汐车道则为i+1，有：

节约通行时间n为：

减少交通拥堵p为：

参考文献

[1]韩光胤 杨美霞 特约记者 杨天骏 通讯员 范杨 交通新闻网-智慧治堵：城市交通治理新实践[J] 2018.5.23

[2]高德地图 期刊 2018年度中国主要城市交通分析报告[J] 2019.1.16

[3]曹静， 宫建， 杨孝宽.解决北京市潮汐性交通拥堵的措施研究[J].武汉理工大学学报， 2009， 33 （6） ：1116-1119.

[4]摘自：张若雯，冀强，崔媛媛，石佳.基于智能交通潮汐车道中可移动隔离带的设计与实现[J].电脑知识与技术，2018，14（28）：286-288.

作者简介：杨昕宇（1999.6--），男，汉族，陕西富平人，本科，研究方向为交通设备与控制工程。