一种嵌入于道路表面的车辆越线警示装置的设计

2023-12-03胡春梅

交通工程 2023年6期

胡春梅, 明扬

(南昌航空大学, 南昌 330063)

0 引言

随着机动车量的急剧增加,交通事故屡屡发生导致交通问题越来越严峻. 据有关部门数据显示,因交通事故引发的死亡人数,我国多年居全球第一[1],这给人们的生命财产造成了巨大损失. 其中交通违章行为是导致交通事故频发的主要原因之一,因此,如何治理交通违章行为已引起了社会各界的广泛关注. 车辆的违章行为主要包括位置违章、路线违章和速度违章. 其中,路线违章行为又称为越线违章行为,通常是指车辆违规跨越不同车道线,如违章掉头、变道时跨越实线等. 在实际交通场景中,这类违规行为不仅常见而且不易被发现,而且由于路况繁杂,车速较高等原因,此类行为很容易导致交通意外,如车辆相撞、刮蹭、追尾等事故,并对安全造成更大威胁[2]. 因此,治理这类车辆违规行为既是难点,也是重点.

近年来,为解决越线违章问题,我国对车辆越线行为的检测进行了众多研究. 传统的手段大多是在特定路段安装固定摄像头进行拍摄,然后利用识别算法检测车辆的越线违章行为,常用的识别算法有车辆中心检测法[3]、线边缘结构检测法[4]、灰度扫描法和一种基于小波变化的越线检测算法[5]. 熊金艳[6]运用算法预测跟踪车辆运动轨迹,结合车辆中心检测法与黄线的位置关系,再判断越线行为是否发生. 李江[7]提出了基于区域生长的关键点提取和基于HSI颜色模型的自适应阈值监测方法,结合实际中的车辆越界监测应用,不需要对视频中的车辆进行跟踪. 针对传统固定式越线违章行为监测系统监控范围受限和容易被驾驶员故意躲避等问题,文献[8-9]中围绕车载视频的车辆越线行为自动监测技术开展来了相关研究,基于车载视频的监测技术较固定监测系统适当扩大了监测范围. 但现有的越线行为监测技术存在投入成本较高、机动性差、无法实现全路网覆盖等问题. 除此之外,越线行为监测技术只能判断车辆是否发生越线违章行为,不能对违章驾驶员进行及时的警示.

针对现有的越线行为监测技术存在的问题,设计1种嵌入于道路表面的车辆越线警示装置,该装置轻巧便携、成本低廉、便于装卸且适用于各种路段. 当驾驶员发生越线违章行为时,该装置可检测到越线行为,并对越线车辆进行及时的警示,使违章驾驶员第1时间发现自己的越线行为并及时调整规避危险. 推广嵌入于道路表面的车辆越线警示装置,对治理城市越线违章行为和改善城市道路交通情况有一定的促进作用.

1 装置总体方案设计

1.1 设计原则

根据对道路警示装置现状的研究,嵌入于道路表面的车辆越线警示装置能有效防止违规越线,并适用于各种路段. 该装置将成为未来道路警示装置的主流. 因此,本研究采用了创新性的方法,设计出 1种成本低廉且易于安装的车辆越线警示装置,将其嵌入于道路表面. 通过确保车辆始终“车成线”,可降低安全隐患和交通事故的发生率.

1.2 装置整体结构布局

嵌入于道路表面的车辆越线警示装置由结构支撑骨架、外罩壳、储能蓄电池、蜂鸣警示器、压力应变片传感器、LED警示灯带、光伏太阳能电池板和主控集成电路板组成,装置组成如图1所示. 结构支撑骨架作为整个装置的支撑结构,为装置各模块提供连接,承载来自道路车辆的荷载和冲击力,内部骨架由纵梁和数根横梁、头盖板组成,使用高强度的金属或合成材料. 外罩壳的作用是保护整个装置,由透明材料制作,为光伏太阳能电池板吸收光源提供便利. 储能蓄电池和光伏太阳能电池板一同为整个装置的运作提供电源,均设置在外罩壳体内底部.

图1 嵌入于道路表面的车辆越线警示装置组成

1.3 装置工作原理

嵌入于道路表面的车辆越线警示装置的工作步骤为:①当有车辆荷载施加于装置上部时,薄膜式压力传感器检测其压力值;②主控电路板上的单片机通过读取并处理压力传感器检测到的压力值,从而判断后续的动作和响应;③当道路上有车辆出现压线行驶行为时,该警示装置会通过警示灯光、高频蜂鸣以及震动的方式提醒驾驶员压线行驶,一直到驾驶员行驶至正常车道内,该警示装置才会停止响应.

装置的基本工作原理为主控电路板上的单片机通过读取并处理压力传感器检测到的压力值,从而判断后续的动作和响应. 若压力传感器检测到的压力值达到预先设定的应力阈值,单片机采集到这种信号后,控制相应的IO接口,从而使控制LED灯带和蜂鸣警示器的开关闭合,此时LED灯带和蜂鸣警示器会同时启动,一直到压力传感器检测到的压力值没有达到阈值,LED灯带和蜂鸣警示器才会停止工作.

2 装置的主要组成模块介绍

嵌入于道路表面的车辆越线警示装置的主要组成模块包括信息采集模块、控制器模块、视觉与听觉警示模块和电源模块. 信息采集模块功能为采集道路上车辆越线行驶信息;控制器模块功能为及时处理采集的信息;视觉与听觉模块功能为实现装置的警示功能;电源模块功能为提供电源给其他3个模块. 装置在使用时,最开始运作的模块即是信息采集模块,接着是控制器模块,最后是视觉与听觉警示模块,而电源模块在装置使用中一直处于运作状态. 装置使用时各模块运作过程如图2所示.

1.信息采集模块 2.控制器模块 3.视觉与听觉警示模块 4.薄膜式压力传感器 5.主控电路板 6.单片机 7.蜂鸣警示器 8.LED警示灯带 9.电源模块 10.太阳能电池板 11.稳压模块 12.储能蓄电池

2.1 信息采集模块

信息采集模块主要是指压力应变传感器,使用的是薄膜式压力传感器,主要由薄膜式应变片、数模转化器(AD芯片)组成. 其工作原理是:当车辆碾压装置时,应力会通过骨架结构传递至应变片上,对其造成压力,压力的改变会使其内部的压敏电阻的阻值发生改变,利用AD芯片,将阻值变化引起的分压变化所形成的连续模拟信号转化成数字信号,发往主控电路板上单片机的数字IO口进行读取并处理.

2.2 视觉与听觉警示模块

视觉和听觉警示模块主要指LED警示灯带和蜂鸣警示器,用于警示和提醒越线车辆驾驶员. LED警示灯带是由红色LED灯组成的,是1种低功耗,高效能,寿命长的发光源. 蜂鸣警示器使用的是高频无源蜂鸣警示器,其在车辆碾压警示装置时将会发出具有区分度的高频声波.

2.3 电源模块

电源模块主要包括太阳能电池板、稳压模块和储能蓄电池. 其中太阳能电池板与稳压模块连接,稳压模块与储能蓄电池连接. 电源模块采用LM317加双重滤波的方式,当蓄电池电能不足时,太阳能电池板会使用光能进行发电,经电压转化模块,过高的电压会被降低至合适的电压范围,过低的电压也会被提升至合适的电压值域.

2.4 控制系统模块

控制系统模块一般指主控电路板,由主控芯片及其周边电路、传感器模块、外接响应警示模块等组成. 该模块是整个装置的核心部分,主要作用为接收压力传感器的压力信号并进行处理,通过控制继电器来操控响应模块的通断,对从机和主机群进行通讯以达到一发多响的目的. 主控电路板上设置有单片机,选用的是TI公司生产的16位单片机ATMEAG328,该单片机具有超低功耗、处理功能强大、内部集成AD、开发容易等优点. 它的主要控制对象包括信息采集模块和视觉与听觉警示模块.

3 装置控制系统软件设计

硬件装置需通过软件构架实现其根本功能和特性,例如嵌入于道路表面的车辆越线警示装置的感应警示功能均需通过软件构架实现. 该装置的软件构架是采用死循环查询的方式,这种构架是嵌入式计算机程序的常见解构之一,与操作系统无关. 当装置在道路设置好之后,单片机内部程序开始执行,不断循环检测压力传感器采集到的数据,并对采集到的数据进行处理,与此同时,被碾压到的装置,会向前方与之相配对的从机群进行通讯,并发送启动信号,从机群接收到启动信号后,也会如同被碾压到的主机一样,做出亮灯和鸣响的操作. 以此类推,当车辆若继续碾压,操作仍然保持继续,直至车辆不再越线碾压. 装置程序系统流程如图3所示.

图3 装置的程序系统流程

4 装置样机及可行性分析

根据装置整体结构布局和控制系统软硬件设计,对该嵌入于道路表面的车辆越线警示装置相关零件进行加工并组装,装置的实物图如图4所示.

图4 嵌入于道路表面的车辆越线警示装置实物

4.1 技术可行性分析

该警示装置以主控电路板上的单片机为核心,接收处理信息采集模块的信息,进而控制装置的视觉与听觉警示模块. 借助于内置太阳能光伏板驱动设备,保护环境;另外带有储能蓄电池,在绿色环保的同时供电可靠性也有所保障. 从装置的运用技术分析,该警示装置的技术设计体现了智能交通的思想,利用电子信息技术解决目前普遍存在且极具安全隐患的交通问题,符合当前所推崇的智能交通的理念. 因此该装置技术具有可行性.

4.2 操作可行性分析

该装置既能在直线路段布置,也能在曲线路段布置,无需专业人员即可完成全面部署,在完成路段部署后,装置可立即投入使用. 装置在路段的部署只需在路面上开凿出2个一定尺寸的方孔用于埋藏装置下部结构,并使用螺栓固定. 从装置路段布置分析,该装置相较于传统的警示装置成本低廉且便于布置拆装. 因此该装置的操作具有可行性.