一种新型洒水车水幕投影提示系统

（武汉理工大学 国际教育学院，湖北 武汉 430070）

1 研究背景及意义

1.1 研究需求

城市清洁车作为美化城市、治污防霾的重要工具，发挥着显著作用。但现实中，城市清洁车慢速行驶、占用道路，往往会对正常行驶车辆造成阻碍，因此具有明显的“移动瓶颈”效应，加剧了城市交通拥堵。

根据武汉市的具体情况，影响交通的主要是洒水车，洒水车在主干道上每天作业2～4 次，且速度不超过20 km/h，由此可预见洒水车对武汉市区的交通影响还是较大的。通过在武汉市区实地调研以及查阅相关文献发现，造成堵塞的主要原因是清扫车后方车辆的司机变道不及时或抢道。据统计，相比于一般路段，施工作业路段的平均车辆行程时间会增加20%～50%，而通行能力则要下降10%～20%。

1.2 国内外技术状况分析

目前，洒水车后方已经有双闪灯，而且会有音乐提醒后方车辆。但是由于受到道路限高的影响，双闪灯的高度受到了限制。本文提出了一种通过水幕投影来加高双闪灯位置，提示后方车辆提前进行变道的装置。

2013 年，俄罗斯一个团队将图像投影到一薄水雾层上，实现了图像显示功能。2015-01 夜间，英国伦敦特拉法加广场上利用水雾投影技术上演灯光秀，投射出世界首个“夜间彩虹”。

北京邮电大学修灵彦等人对小型水雾投影系统的研制及优化进行了研究，设计并制作了一套小型水雾投影装置，实现了基本的成像功能。

1.3 研究意义

本文拟对洒水车对其他车辆的提示系统展开研究，通过洒水车储水罐中的水在一定高度处形成水幕，利用光源进行投影，在其上形成提示信息，从而使其后方车辆提前做出变道等反应，达到缓解由于洒水车等慢速车辆的影响造成交通瓶颈问题的目的。

2 系统方案

2.1 对水幕产生装置的设计

水幕成像就是把一束光照到水幕墙上，有着较明显的提醒效果。本系统通过水泵加压，使水自下而上高速喷出，雾化后形成扇形水幕，灯光打到水幕上起到提醒后车前方洒水车正在作业的道路状况。充分利用洒水车本身所具有的水泵和水罐资源实现洒水车尾部水幕的搭建。与洒水车工作洒水原理相似，洒水车在洒水作业时，水泵从水箱中吸水，并将一定压力的水通过管道、阀门输送到水罐顶部的水幕喷头处，从而可以形成扇形水幕。在洒水车水罐顶部设置扇形水幕喷头，利用洒水车水泵加压以满足预定水幕高度要求。在水幕落下的位置布置一个合理大小的收集器，收集器内设置多层过滤装置。

2.2 对灯光投射装置的设计

2.2.1 对灯光可见性的分析

为验证灯光在不同环境下的可见性，引入参数对比灵敏度，因为人眼对不同的光亮度具有适应能力，所以人眼无法记录光亮度的绝对值，但是人眼对处于同一视场中的两个颜色相同的物体的亮度差异的敏感性很强。把人眼刚能将目标物与背景分开时的亮度差与背景亮度的比值C称为人眼的对比灵敏度，公式为：

式（1）中：Lb为目标亮度；Lh为背景亮度；△L为目标亮度和背景亮度之差。

分别在上午、下午及晚上进行实验，选用了一般的钓鱼灯在距离水幕0.5 m 处，利用光学照度计测出水幕处光照强度，再计算出对比灵敏度与标准相比较，这3 个时间段皆达到人眼可见标准。

2.2.2 对灯光颜色的确定

为了确定灯光色彩，引入照度阈值概念：当环境亮度较暗时，目标的能见与否取决于人眼所能感受到的最小照度值，称为照度阈值，以Ec表示。照度阈值与背景亮度有关，是人眼感觉的主观物理量，只能通过大量的实验获得统计数据。照度阈值的大小不仅与背景亮度有关，还与灯光的色彩有关。综合考虑各种因素，本装置采用黄色灯。

2.2.3 对灯光位置的确定

在实验过程中，发现随着灯光与水幕距离加大，水幕处的光强逐渐减小，当灯光距离水幕距离2 m 左右时几乎与外界光强相同。所以，灯光应该尽量布置在与水幕尽可能近的后方。

3 数学模型

3.1 对水幕高度与可视距离的相关性的分析

根据实际情况，在没有应用洒水车水幕投影系统且天气晴朗的初始情况下，洒水车后方约50 m 的车辆可以看见正在作业的洒水车。应用本系统后，随着提示系统的抬高即将水幕布置在罐顶上方1 m 处时，后方100 m 车辆都可以注意到作业的洒水车。

选取洒水车后方车辆车顶在洒水车后部的水平投影为基准，原先提示系统高度H0，距洒水车后方L0之内的车辆可见前方作业车辆，即可视距离为L0。当水幕系统抬高到H时，距洒水车后方之L内的车辆可见前方作业车辆，即可视距离为L。假设不受建筑物或大型车辆受限视野，设可观察角度为α，则提示系统高度的增加量△H与可视距离增加量△H关系为：

3.2 交通流模型的搭建

上述已经得出了水幕高度与后车可视距离的关系，为了证明水幕系统可以提高道路行驶效率的猜想，通过对街道洒水车工作时的车辆行驶的观察，可以建立如图1 所示的交通流模型。

假设洒水车在一条单向两车道，洒水车在右车道以V0的速度匀速行驶，在距离洒水车am 的车辆开始向左车道变道，在洒水车车尾变道成功，每辆车的变道过程用时均为T秒，左车道车流速度V1，右车道变道前车速为V2，可以得到方程V2×T=a。

车速V、车流密度Q和车数N存在一定的函数关系，构造经验公式Vλ×Q=N（0<λ<1)。假设左车道车流密度为Q1，右车道车流密度为Q1，两车道汇流后的车流密度为Qx，车速为Vx，经过t秒，两车道汇流的车数量为N=（V1－V0）×t×Q1+（V2－V0）×t×Q2，

图1 交通流模型说明图

结合上述各个方程可得到两车道汇流后的车速方程为：

由该式可以得出结论，当a增大时，变道后速度会增加，因此，道路的通行效率会提高。

4 市场效益及相关前景分析

在本洒水车后部投影提示系统中，由于所成的像较为简单，所以投影难度降低，增强了该装置的实用性。在系统使用后可以显著起到对后方车辆的提示作用。本系统制作简单，安装方便，适合于城市拥堵路况中使用的洒水车推广。主要思路是通过在洒水车上方一定高度处形成水幕，并在其上投影灯光提示信息，使得后方较远处车辆能够得知洒水车位置，从而提前变道，避免交通发生堵塞，提高了道路通行效率。经济效益方面，中国洒水车保有量大，且洒水车在一定路况下对后方车辆阻挡严重，因此，有良好的市场效益和经济效益。此外，水幕可以吸附空气中大量污染物颗粒，达到降尘抑尘的作用，使行车道上的交通扬尘大大减少。同时，由于减少了拥堵，也在一定程度上起到节能减排的作用。