智能道路交通隔离栏创新设计
2021-12-01熊星玉胡亚宇王凯华
熊星玉 胡亚宇 王凯华 胡 珊
（湖北工业大学，湖北 武汉 430068）
0 研究背景
随着社会经济的快速发展以及城镇化的推进，居民生活方式得到了巨大的改变。截止2020年，中国汽车保有量达到2.81亿辆，同比增长8.1%（如图1所示）。受到城市规划的影响，居民生活方式发生了很大的改变，工作场所多在城市中心，而居住地却在城市周边的情况较多，进而导致在部分路段容易出现早晚高峰的现象，也被称为“道路潮汐现象”[1]，即每天晨时从居住地出发前往商业区的道路比较拥堵（如图2所示）；而晚上回居住地的道路比较拥堵，该现象给人们的工作和生活带来了极大的影响。
图1 2012—2020年中国汽车保有量
图2 道路资源利用率不均的常见情景
互联网+交通管理是城市交通治理的趋势，要解决城市拥堵，就要让道路“活过来”，实现动态调整、联网互动、增大容错率以及提高自我修复的能力[2-3]。
1 设计原理
1.1 设计思路
为解决城市道路交通因工作时间规律而产生的潮汐交通拥堵的问题，智能交通隔离栏具有如下功能：1）实现对城市道路潮汐车流的实时监控。2）收集终端的道路数据。3）根据车流量及时调节路面资源，最终实现对道路高效的管理，保证道路的实时畅通。智能交通隔离栏的工作过程如图3所示，当检测到道路一端过于拥挤时，智能车道会发出投影，提醒不拥堵侧的车辆即将进行变道，接着完成变道，减缓拥堵，整个工作过程结束。
图3 应用情景图
2 设计方案
通过智能化机电结构设计来实现运动控制、数据收集等功能，包括电器控制、机械结构、传感监控以及产品外部设计。
2.1 电器控制
电器控制负责实现电机控制、传感设备的数据处理和远程操控，总体调控智能交通隔离栏各部件之间的配合，包括电器控制模块、太阳能供电系统及电源管理模块。
2.1.1 电器控制模块
电器控制模块包括动力模块、传感器模块、远程信号传输模块、监控模块以及中央处理器模块；其中，动力模块采用PlaxisV8，传感器模块采用GY-906MLX90614ESF红外测温传感器模块，远程信号传输模块采用 KYL-1020L，监控模块采用BGS2，中央处理器模块采用 PLC|CPU313C。
2.1.2 太阳能供电系统及电源管理模块
太阳能供电系统包括圆台中部外壳以及覆盖在圆台中部外壳上的若干太阳能面板，与电源管理模块连接后为整个城市智能可移动道路交通隔离栏供电。
DC-DC电源采用AXP223电源系统管理芯片，电源外围贴合保护板，AXP223电源系统管理芯片和DC-DC电源连接的保护板采用JBD-HP16SA型号，具有过充保护、过放保护、温度保护、短路保护、过流保护以及二次过压等功能。
2.2 机械部分
机械结构如图4所示。
图4 机械结构
2.2.1 伸缩机构以及一端与伸缩机构连接的伸缩护栏绳
伸缩护栏绳能够在伸缩机构的驱动下拉出或收紧，伸缩护栏绳的另一端能够与相邻的城市智能可移动道路交通隔离栏的伸缩机构连接，如图5所示。伸缩机构包括步进式电机以及高强度透明塑料卷轴，通过强力黏贴的方式进行固定。
图5 伸缩机构
2.2.2 底座
底座包括圆台形底部外壳以及圆台形底部外壳底部的底盘，如图6所示。移动轮组件包括至少2个移动轮，对称设置在底盘上，移动轮的驱动电机与控制模块连接，舵机设置在底盘上，位于2个移动轮之间，并能够在控制模块的控制下改变移动方向。
图6 底座
2.3 传感监控部分
传感监控需要实时收集终端的道路数据，包括监控系统、红外传感器、电子雷达、传感器和摄像头等设备的数据。
2.3.1 监控系统
摄像头设置在锥形监控外壳内，摄像头Allwinner ARM CortexTM-A7架构的四核应用处理器与视频处理芯片TMS320DM6446连接；RTL8189ETV无线模块、4G数传终端（4GDTU）F2X16与控制模块的基于GPRS+GPS的远程监控指挥系统连接，连接后通过无线模块、4G采用（全网通/4G/3G/2.5G）全线兼容，数据传终端远程发出或存储视频信号。
2.3.2 红外传感器、电子雷达
红外传感器、电子雷达实时扫描城市道路的车流密集度，收集道路信息回传到交通监管中心数据库，数据库实时监控数据的异常，当来往道路出现明显的出流量不均时，系统自动警报，提醒交通监管中心远程控制智能护栏对两侧车道数进行重新分配。
2.3.3 传感器和摄像头
传感器和摄像头实现了对城市道路网的实时监控，通过数据的回传、处理以及网络平台的共享，让司机用户实时地了解城市交通网络，可以更好地帮助司机远离拥堵道路。且能够侦查交通事故的发生地点，交通警察可以紧急启动距离事故地点最近的护栏，在最快的时间内对道路交通进行疏导，而整个城市道路护栏也可以实时发布事故地点的拥堵状况，以免使事故道路更加拥堵，这就是未来城市交通的解决方案，城市道路护栏设计可以使城市道路更加智能。
2.4 产品外部设计
产品外部设计需要考虑到人机工程学和产品所处的环境，包括尺寸设计、形状设计以及外壳选材等。
2.4.1 尺寸及形状设计
智能道路交通护栏的外部结构为上小下大的圆台状，稳定性更强，不易倾倒（如图7所示）。在结构上采取模块化设计，有利于护栏的后期维护，方便维修人员对产品内部的硬件模块进行拆卸、维修和更换，减少了对道路交通的影响。
图7 潮汐车道产品可移动智能道路护栏尺寸图
2.4.2 外壳选材
产品的下部为橡胶材质，有优良的抗撞击性，同时具有良好的延展性和韧性，可以很好地抵抗来自道路车辆的冲撞，该产品的上部外壳材料选用化学稳定性良好、在常温状态下不容易发生变形的ABS塑料。
3 技术创新
可移动智能道路护栏的功能及其对应的实现方法、实现意义和优势对比见表1。
表1 功能创新说明表
4 结语
该系统具有智能化、实时化、可控制化以及安全可靠等特点，能够较好地解决目前道路管理和资源分配不均的问题，多种模块化的集成实现了智能化道路监控功能，机械部分和电路控制的结合实现了对道路资源的合理分配，有助于缓解道路拥堵和潮汐车流问题。精简的内部结构和合理的材料选择节约了成本，适用于大规模应用和推广的场合，同时可满足全段道路监控，有效地提高了道路协调效率，减少了路政管理的经济成本和时间成本，太阳能供电模块可以减少环境污染，具有兼顾节约经济和环境保护的优点。
