公路桥涵汽车用电子限高报警系统 (Ⅱ)——激光超高报警系统的设计

刘长生

(中南林业科技大学交通与物流学院中国湖南410004)

1 报警系统的工作原理

报警系统由限高标志牌、激光超高检测器、显示屏、声光示警装置等组成 (图1)［3－12］。限高标志牌，首先告知司机前方桥涵的限高，起第一道警示作用。当超高车辆驶入检测区时激光束被阻挡，该系统的激光接收装置产生异常信号，对其进行光电转换、放大和解调等处理后，控制设备立即通过显示屏、信号灯和声音示警设备向司机发出声光信息，确保行车安全。图2为报警系统方案框架图［13－14］。

图1 警示装置示意图Fig.1 Schematic of warning device

2 报警系统的设计

2.1 室外显示屏

对于室外显示屏，要求尺寸大且显示清楚，以便司机在较远的距离就可以看清楚其显示内容。目前，室外LED显示屏可以满足这些要求［2］。

2 .1 .1 性能与尺寸选择

作为公路桥涵超高车辆检测报警系统的户外显示屏，在选择显示屏的性能与尺寸时，有3个因素必须考虑:①显示内容;②场地空间条件;③显示屏象素大小。

图2 报警系统方案框架图Fig.2 Framework diagrm of alarm system

2 .1 .2 耗电与电源要求

耗电量是选择LED显示屏时的一项内容，尤其在当前十分强调节能的条件下更应做到。显示屏的耗电量分为平均耗电量 (平时实际耗电量，一般为最大耗电量的1/3。)和最大耗电量 (启动时或全亮等极端情况时的耗电量)。最大耗电量是设计供电、线径、开关等必须考虑的因素。为了确保显示屏正常工作，除了有可靠的电源外，对其电源输入端或与其相连计算机的电源输入端，必须接地。

20世纪初，为了严格地定义的数学基础，康托尔(Cantor)发明了集合论[17].在康托尔的成果基础下，对有理数进行如下定义：S是由任意整数m、n构成的有序数对(m,n)的集合,其中n非零.对于有序数对(a,b)和(c,d)，按如下法则将S划分为子集，当a/b=c/d，或者当且仅当ad=bc时，就将有序数对(a,b)和(c,d)视作相同的子集，二者也被看作相同分数.随着数学的发展，这种(m，n)形式的分数表达方式逐渐得以淡化，以通常在教科书上所见的形态展现出来：{m/n|m、n∈Z,n≠0}.因为形如(m,n)或m/n的数本身被集合所定义，所以集合论视域下的这些分数形式是毋庸置疑的数.

2 .1 .3 显示屏必须符合人机工程学的要求

(1)高亮度与合理的视角。显示屏是向公路上的行驶车辆发布行驶信息的，因此必须保证司机有足够的反应时间。在目前国内城市汽车行驶速度约40～60km/h的条件下，显示内容的可视距离要求在100～200m。从人机工程学的角度出发，要保证显示内容使司机可辨，显示屏的视角必须达到±35°。因此，对于一个具体的桥涵其显示屏的尺寸选择时，必须在上述距离上按视角35°进行确定。绝不能为了节约成本，随意减小显示屏的尺寸而使司机无法辨认其显示内容，最终使得超高报警系统成为摆设。此外，为了保证在阳光直射显示屏的情况下，司机对显示内容能够清晰可辨，应选用超高亮度发光二极管。

(2)显示内容和颜色。由于公路车辆行驶速度较快，在显示屏的可视距离内的滞留时间很短。因此，显示内容应简单明了，让司机一目了然，避免使用复杂的图形和内容。另外还要注意，显示内容应采用司机习惯的红、绿、黄三色搭配，不要仅采用纯红色或绿色。

以限高3.5m的桥涵为例，在无超高车辆进入检测区的情况下，显示内容如图3;当有超高车辆驶入检测区时，显示内容立即变为图4。可以看出，这两个显示内容既简单可辨，同时色泽搭配适当，不刺眼，完全符合人机工程学的要求。

图3 无超高车辆时显示内容Fig.3 The display of no superelevatioin vehicle

图4 有超高车辆时显示内容Fig.4 Display of superelevatioin vehicle

(3)显示屏亮度自动可调。由于显示屏要长期不间断地工作，因此显示屏的周围环境变化非常大。这就要求显示内容既要保证在白天最大环境照度时清晰可见，又要避免在阴雨天和夜晚造成“炫目”现象。为此，显示屏的亮度要满足人机工程学的要求:能根据环境照度进行自动调整。实践表明，显示屏亮度自动调整幅度应在8级以上，否则难以满足要求［2］。

2 .1 .4 户外屏容易发生的故障与注意事项

(1)户外显示屏经常受到日晒、雨淋，风吹和灰尘的侵蚀。当它被淋湿、受潮且积满灰尘时，有可能引起短路故障甚至起火。为此，屏体及它与建筑的结合部必须防水、防漏。

(2)由于显示屏的安装位置较高，可能会受到雷电引起的强电、强磁袭击而发生错误显示甚至直接被雷击烧毁。为此，应在显示屏及附近建筑物上安装避雷装置。同时，屏体和外壳保持良好接地(接地电阻＜3Ω)，以便将雷电引起的大电流及时泄放。

(3)显示屏工作时本身就要发热，如果环境温度过高而散热又不良时，集成电路可能工作不正常甚至烧毁。为此，应安装通风设备，将屏体内部温度控制在－10～40℃之间。

(4)为防止在我国北方一些地区因冬季温度过低，而发生显示屏不能启动的现象。其电子器件应选用工作温度在－40～80℃之间的工业级集成电路芯片。

2.2 交通信号灯

由于目前利用显示屏显示超高车辆信息的并不多。因此，肯定会在一段时间内，一些司机在快速行驶的过程中忽略显示屏的存在而照样发生撞桥事故。这可在桥涵附近再装一个用于提示司机注意的交通信号灯。因为司机的职业习惯，通常会对交通信号灯比较敏感。

2 .2 .1 信号灯的排列方式与亮度

(1)路面较宽时 (如3车道)，采用从道路中心线右侧起按红、黄、绿的顺序向路边水平排列。

(2)路面较窄时 (如单车道或2车道)，采用在道路右侧，从上往下按红、黄、绿灯的顺序垂直排列。

(3)信号灯的亮度，应保证司机在100m处能看清。另外，为了避免阳光直射到信号灯表面而使司机看不清信号灯的颜色，可在每个信号灯上加装一个遮阳罩。

2 .2 .2 信号灯的工作方式

车辆超高信号灯是警示超高车辆的，与交叉路口信号灯的作用不同。为此，在无车状态下，让信号灯始终显示为闪烁的黄灯;当正常车辆驶入检测区时，信号灯显示为绿色，让其通过;一旦有超高车辆驶入检测区，则显示为红灯，并配合显示屏的信息示意超高车辆司机停车并绕行。

2.3 声音报警设备

考虑到单靠显示屏和信号灯提供的信息，司机在快速行驶的过程中还有可能忽略而酿成事故，故可再安装一个90～100dB的报警喇叭，利用报警声提示司机。由于高音喇叭的声音很大，在居民区或者夜晚时可取消声音报警功能，以免妨碍人们的正常工作和生活。

3 主要设备的安装

3.1 激光对射装置的安装

激光对射装置包括激光发射器与接收器，它们分别置于公路两侧面，其发射激光束距地面的高度为桥涵的限高高度。激光器距桥涵入口距离一般控制在50m左右，以保证司机收到车辆超高信息后有足够的时间采取避碰和绕行措施。

3.2 视频检测器和地面环形线圈的安装

为了保证激光检测系统能够对超高车辆进行准确检测和判断。不管采用视频检测器还是环形线圈检测器，一定要严格按照其设计规范进行安装和调试。否则，不但欲速不达，还会因为多次返工造成更大的浪费，甚至损坏设备。

3.3 显示屏和喇叭的安装位置

显示屏和喇叭应安装在桥涵的顶部或路边上显眼且前方没有物体遮挡的位置，以便司机确认［11，15］。另外，如桥涵入口前的右边设有岔路口时，超高车辆检测区、显示屏和喇叭应安装在岔路口前50m处 (图5)。这样，系统检测出超高车辆时，有足够的时间发布的超高车辆向右转的屏幕显示和语音提示，并引导超高车辆向右从岔路口驶出。

图5 有分岔路的情况Fig.5 Fork existed

4 超高车辆越过检测点的提示

由于公路超高车辆检测系统的使用并不普遍。有时会发生一些超高车辆，特别是外地一些对本市路况不熟悉的超过车辆，虽然得到显示屏和语音的提示，但因行车速度太快而一下跑到桥涵跟前如图6所示。这会造成司机欲进不能，欲退不知何从的尴尬局面，若不迅速处理，将会造成桥涵跟前大面积堵车的局面出现。为了防止这种情况的发生，我们可在报警系统中预先设置用显示屏和语音提示司机，按下面两种方法的改进程序:

(1)提醒司机采用倒行方式，按照图6 b的通行路线，退到后方多少米就到达可通行的交叉口再向左 (右)转的方法改出;

(2)提醒司机采用掉头逆行的方式，按照图6 c的通行路线，掉头逆行多少米就到达可通行的交叉口再向左 (右)转的方法改出。

图6 超高车辆越过检测点的情况Fig.6 When superelevation vehicle passes through the detection point

5 报警系统的展望

随着科学技术的不断进步，公路汽车超高系统的功能也应不断地提高。为此，我们设想在现有激光限高系统功能的基础上，再增加一个车牌识别装置，及时将超高车辆的牌照显示在前方的显示屏上，使司机看见包括车牌 (如，湘A XXXXX车辆超高，请停车，左转绕行!)的更准确显示和语音提示信息。做到对具体某个超高车辆的司机，进行提示并引导其绕行，避免发生事故。

［1］刘长生.公路桥梁涵洞汽车用电子限高报警装置——电子限高报警装置的原理与基本要求［J］.森林工程.2011，27(5):42 －45.

［2］关积珍，邹元英，朱雪良.通诱导室外LED显示屏有关问题之浅谈［EB/OL］.http://www.ledcac.com/info/detail/0 －472.html.2005－08－16/2008－04－01.

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［13］北奥东华激光技术有限公司.激光车辆超高检测器的应用［EB/OL］.http://www.dova － laser.com/newsview.aspid=172.2007－09－25/2008－04－01.

［14］北奥东华激光技术有限公司.激光车辆超高检测系统［EB/OL］.http://www.dova － laser.com/jgcl.asp.2007 － 09 － 13/2008－04－01.

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