公路桥涵汽车用电子限高报警系统 (Ⅰ)——电子限高报警装置的原理与基本要求

刘长生

(中南林业科技大学交通与物流学院，长沙410004)

近些年，随着城市汽车的大量增加，许多城市的道路出现了堵车现象。为了缓减地面交通压力出现了一大批高架桥和涵洞。这一方面缓减了城市交通的压力;另一方面，也使得道路结构更加复杂。此外，一些城市为了降低修筑成本，有意将一些桥梁涵洞的设计通行高度比国家标准 (如3.5m)略低一些 (如3.2m)，再加上一些企业和汽车司机为了降低运输成本，有意将一些汽车装载的货物超高。当这些超高车辆进入城市后，由于司机无法预知这些桥涵的真实限高又存在侥幸心理，造成超高车辆撞击桥涵事故各地时有发生。这些事故不但造成桥涵结构和车体自身损伤，而且还会引起交通堵塞甚至更严重的事故发生。

据北京市建设工程质量检测中心技术专家介绍，北京市的近千座立交桥中，有近一半都被超高车辆撞过。为了防止这类事故，北京市在主要的桥涵前用钢材制作了龙门式“防撞架”——限高门架 (现在许多城市也安装了)，限高门架上还悬挂着限高标志。同时，为了使司机醒目，还将这些限高门架漆成黄黑相间的条纹。即就如此，撞桥事故仍居高不下。最严重的当属北京的安华桥，一年中仅限高门架被撞坏报废而更换，就达几十次;桥身被剐蹭、碰撞而损伤至少在20次以上。北京市每年因桥被撞所带来的经济损失有上千万元［1］。

可以看出，仅安装一个防撞架还是不能从根本上避免超高车辆剐蹭、碰撞的危害:如司机对车载货物高度估计有误，就会撞上防撞架;如超高车辆的车速过快，不但撞倒或撞坏防撞架，还会因为车辆的惯性而继续撞向桥涵，导致司机、车子、防撞架和桥涵四者都受损伤。此外，笨重的防撞架垮塌时有可能砸到路上的其它车辆和行人，造成更大的伤亡。所以，防撞架并不能从源头上解决超高车辆的撞击桥涵事故［1－5］。为了从根本上杜绝这类事故的发生，这里进行了公路桥涵车用电子限高报警装置的设计。

1 电子限高报警装置的设计要求

1.1 设计原理

公路桥涵车用电子限高报警装置，必须在车辆接近时准确地检测出其高度是否符合桥涵的允许通行高度。一旦发现有车辆高度超过桥涵设定的通行高度，检测设备会向控制设备发出有超高车辆驶入的信号，控制设备立即指示安装在桥涵上方或者路侧的信息显示板和声光示警设备，向该车司机告知前方桥涵通行高度信息，提醒其因超高应快停车并绕行。

该套装置可以单独使用，也可接入整个城市的道路的监视系统。此外，还可根据实际需要增加或者减少其一些功能，比如根据不同的路况设置不同的限制高度和显示板的提示信息;在居民区或者夜晚取消声音报警的功能，不妨碍人们的正常生活等。

该套装置应满足如下基本要求:

(1)能及时准确地检测出驶入检测区的超高车辆。

(2)有明显的声光报警提示。

(3)报警信号发出后要给司机足够的反应时间。

(4)报警系统要工作稳定、可靠，尽量减少漏报和误报的情况发生。

1.2 方案选择

公路桥涵车用电子限高报警装置要达到上述要求，必须首先确定采用哪种车辆检测器。目前，激光于红外检测器都能实现超高检测，其性能见表1。从表1可知，激光超高检测器的性能要明显优与红外超高检测器，且其性/价比也高于红外超高检测器。所以建议采用激光超高检测器。

表1 激光超高检测器与红外超高检测器的比较［2］Tab.1 Comparison of laser height limit detector and infrared detector［2］

2 超高检测设备的设计

为了使激光超高检测设备小型化，激光发射设备应用的是激光二极管 (英文缩写为LD)。

2.1 激光二极管的特点

激光二极管是一种小型半导体激光器 (故也称半导体激光器)。在各类激光器中，这种激光器输入能量最低，效率最高，重量最轻，可直接调制。同时，结构简单、体积小、价格低、可靠性高及寿命长，完全适合用于检测距离不很长的公路激光超高检测器［3，6］。

(1)激光二极管的输出特性。如图1所示，当注入电流I＜Ith时，(Ith称为阈值电流，由激光二极管的材料及结构决定)，自发辐射所产生的输出光功率PL增大与I成正比，发出非相干的自发辐射光;当I＞Ith时，输出光功率急剧增大，而且光辐射变为频带上压缩 (即带窄)，方向上集中 (即方向性好)的强相干辐射——激光输出。

(2)激光二极管的光束特性。激光二极管的光束特性中，一组重要的特性是近场图像和远场图像。前者是指激光器输出端面上光强度分布图像;后者是表示激光器指向特性的图像。一般是指离开激光二极管端面数毫米以上的距离处所测量到的光强分布［6］。

2.2 激光入侵探测器

激光超高检测器的主要装置之一是激光入侵探测器。

2.2.1 基本组成

由于对公路桥涵超高车辆的检测过程，是公路部门主动实施的，因此必须采用主动探测装置。激光入侵探测器就是属于这种主动探测装置，主要由激光发射机和激光接收机组成。前者由激光发射器、调制激励电源及相应的方向调整机构组成;后者由激光接收器、光电信号处理器以及相应的支撑机构组成。

该系统是在公路桥涵防护区的进入端，设置激光发射机，将其发射的定向激光束直接 (或通过光学反射器或通过激光中继器转折)射向探测区。在探测区的接收机将接收到的光信号转换成特征信号，并经鉴别器处理。当确认信号正常时，显示绿灯 (保持监视状态);当超高车辆将光束遮断时则信号失常，显示红灯，同时输出报警信号。最后，由报警控制主机发出声光报警和控制动作，并通过有线或无线方式通知有关部门［7－8］。

图1 LD的PL-I曲线Fig.1 PL-I curves of LD

2.2.2 激光入侵探测器的优点

(1)适于远距离工作。激光束的方向性极好，因此光能集中，传输效率高。在发射功率相同的条件下，在100～200m远时，激光功率密度是红外对射探测器功率密度的数百倍。因而传输距离更远，穿透雨雾雪的能力更强。能保证远距离工作并减少恶劣天气时的误报率。

(2)闭路传输，无相互干扰。该系统的激光束属于闭路传输，因而不存在红外对射探测器在直线上连续布设或者邻近系统互相干扰的问题，可在长距离上连续直线布设或近距离交叉布设。另外，该系统也不存在红外光漏泄干扰周围其它的敏感红外设备的问题。

(3)抗外界杂散光和电磁干扰的能力强。激光主动探测器可采用高功率密度发射器，使得该系统具有很强的抗干扰能力。同时利用激光束的单色性极好和光斑大小可控的特点，可使系统在严重干扰的环境中正常工作。

(4)适应范围广，便于布设。该装置发射光束可对射、反射后在原处接收、转折后返回，形成平面和立体布设。此外，该系统既可十分隐蔽地固定设防，也可临时流动设防或动态设防。防止一些超高车辆的司机发现检测装置后，又绕行其它线路的弊病。

(5)总体工程性价比好，检修方便。该系统使用寿命长，维护成本低。明显降低设备购置费用，减少施工量，减少对环境美观的影响。此外，检修很方便。

(6)现场调试快捷，精度高，检测路面宽。激光入侵探测器的激光定位仪，可随时方便地检测各处光斑的位置。传播过程中何处有树枝、叶子等障碍物遮挡，转折或接收处光斑偏离中心的方向和远近，都可以直接判定，因而能够准确迅速地指导调整工作。此外，还可以对于比较宽的几车道路面并排安装几台设备，一台设备仅对其中一条车道检测，避免了一条车道出现超高车辆时对所有车道的车辆均发出停车信号，非常适用于多车道公路的应用。

2.3 车辆检测器

由于激光超高检测系统的反映很灵敏，为避免飞鸟等掠过激光对射器时也会挡住激光射线而引起误报的情况发生，应采用激光限高与地面车辆感应器组成的立体检测系统，确保该系统只对违章的超高车辆进行准确判断。

目前，最常用的车辆感应器是埋在地下的环形线圈［9］。当车通过线圈时，车辆引起线圈回路电感量的变化，检测器通过该变化就可检测出车辆的存在。

随着科技的不断进步，安装在地面的视频检测器也开始应用。它是将摄像机作为传感器，在视频范围内设置虚拟线圈。将拍摄到的图像进行数字化处理，去掉图像噪声信息，提取必要的车辆特征信息，最终确定车辆的存在。这两种车辆检测器的性能和其性价比见表2。

表2 视频检测器和环形线圈检测器的性能的比较［10］Tab.2 Comparison on the performance of video detector and toroid detector［10］

2.3.1 环形线圈检测器

环形线圈检测器由环形线圈、调谐回路和检测电路组成，各个部分功能如图2所示。这是目前用量最大的一种检测设备。车辆通过埋在路面下的环形线圈时，引起线圈磁场的变化，据此算出车辆的流量、速度、时间占有率和长度等参数，并传给控制系统，以满足控制系统的需要。此种方法技术成熟，易于掌握，成本较低［10］。其主要缺点如下。

(1)线圈在安装或维护时必须挖开车道路面，交通会受到阻碍。

(2)埋置线圈的切缝软化了路面，车辆经过时容易使路面受损。

(3)环形线圈易受冰冻、路基下沉、盐碱等自然环境的影响。

(4)由于受其测量原理所限，当车流拥堵，车间距小于3m时，检测精度大幅度降低，甚至无法检测［10］。

图2 环形线圈检测功能框图Fig.2 Functional block diagram of toroid detector

2.3.2视频检测器

视频车辆检测器是通过视频摄像机作传感器，在视频范围内设置虚拟线圈 (即检测区)，车辆进入检测区时使背景灰度值发生变化，从而得知车辆的存在，并以此检测车辆的流量和速度。视频检测器可安装在车道的上方和侧面，并可根据需要移动检测线圈，有着直观可靠，安装调试维护方便，性价比高等优点。主要缺点如下:

(1)容易受恶劣天气、灯光和阴影等环境因素的影响。

(2)汽车的动态阴影有时也会带来干扰。

［1］北京晚报.安华桥桥身裂了 3m［EB/OL］.http://news.sohu.com/20050701/n226157255.shtml.2005 －07 －01/2008 －04 －01.

［2］陈永甫.红外探测与控制电路［M］.北京:人民邮电出版社，2004.

［3］唐剑兵.光电技术基础［M］.成都:西南交通大学出版社，2006.

［4］任致程.青少年业余爱好者电子制作手册［C］.北京:科学技术文献出版社，2001.

［5］朱京平.光电子技术基础［M］.北京:科学出版社，2003.

［6］余金中.半导体光电子技术［M］.北京:化学工业出版社，2003.

［7］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.

［8］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.

［9］刘智勇.智能交通控制理论及其应用［M］.北京:科学出版社，2003.

［10］车辆检测器.http://baike.baidu.com/view/1670143.htm.2011－06－01/2011－06－04.