自动检测限高交通设施系统的设计和开发

潘福全，王 健，罗淑兰，刘于庆，张丽霞

（青岛理工大学 汽车与交通学院，山东 青岛 266520）

交通设施是经济发展的基础与保障，也是促进经济发展的重要举措。伴随着我国运输业的迅猛发展，国家对交通设施的规划、建设和管理提出了更高的要求。为了加强对道路、桥梁等交通设施的保护，许多地方在道路或者桥涵入口架设了限高门架［1］。但是，目前对于限高架的设置过于简易，致使限高门架在保护道路的同时，导致许多超高车辆与限高架相撞事故的发生，给人员、车辆、门架或者桥隧带来损坏。此外，撞坏的限高门架还可能砸到过往车辆和行人，造成二次事故。因此，设计一种能减少甚至避免此类交通事故发生的而且自身智能高效的限高交通设施系统，对有效保护人员、车辆以及桥梁的安全，提高交通运输安全有着重要的实际意义。

为了解决限高门架应用过程中出现的弊端，国内外都在积极研究，并将新的科技应用于限高架，以寻找有效对策。目前，国内外在智能限高架中都采用了激光或红外线技术。但由于国内外经济、社会和人文环境的差别，以及交通发展程度的不同，在具体实施方面还存在一定的区别。国外对于限高架的研发主要基于相位式激光测距原理，利用激光调制波对各车道车辆进行全天候实时检测，实现了单机可检测多条车道的激光车辆限高仪［2］；也有利用机械与光电结合方式来测量车辆高度，并对超高车辆发出报警信号、抓拍等检测与监控行为［3］。相比之下，国内对于限高架研发更倾向于红外光电控制技术，由此技术研发出的红外光电控制器包括发射光、接收光和光信号处理3个环节，根据光源的接收情况判断车辆是否超高，以及是否发出警报信号［4］；另外，还有一种基于激光传感器的限高架，通过设置在道路两旁的激光传感器阵列精确测量车辆的具体高度。诚然，从技术层面，各种研究设计都已经比较完善，但在具体实施中主要以硬性条件对行驶车辆强制限高，而缺乏对“人”的考量。而人是交通的重要参与者，更是交通的主导者［5］。在我国，人的因素导致的道路交通事故约占90%，而驾驶员在人的因素中又占主导地位和主要成分，因此，降低交通事故的发生，要从驾驶员这个关键因素出发［6］。本论文在综合当前研究成果的基础上，着重从驾驶员特性和“人性”角度对限高架进行改进，并设计一种安全高效的限高交通设施及自动检测车高系统。

1 限高架被撞原因

1.1 道路交通压力大

近些年来，随着社会经济的发展和城市化进程的加快，我国机动车保有量迅猛增加，加之道路基础设施的持续完善，使得道路交通运输需求与选择被继续放大。这些客观原因的直接结果就是加大道路交通压力，增加了限高架被撞事故发生的可能。

1.2 驾驶员安全意识薄弱

根据有关调查数据统计，限高架被撞事故一般发生于夜晚时分或者凌晨时段。在此时间段，天色昏暗，视野不佳，也是驾驶员最容易滋生疲乏、注意力涣散的时候，因为难以及时识别限高标志和限高设施而未能及时刹车撞上限高架；也有部分驾驶员，尤其是外地的驾驶员，由于对路况不熟，不知道限高设施存在；更有甚者误判自己的车辆高度与限高架限制高度，最终导致悲剧发生［7］。

1.3 限高架自身设计缺陷

目前，国内限高架主要有6种，其优缺点如表1所示。

另外，限高架的具体布设多由施工单位或者产权单位自己设定，在设计上存在一定缺陷：只是对高度做出限定，却没有及时提醒驾驶员所驾驶车辆是否超高；限高架过分注重“硬性限制”，自身体型笨重，一旦被碰撞很容易造成二次事故或新的交通障碍；忽略了对救护车、消防车等特殊车辆紧急通行的考虑。

表1 6种类型限高架的优缺点

1.4 限高交通宣传不力

缺少相应宣传，市民们就无法及时了解新增限高架的信息；落实不到位就无法对某些交通安全意识淡薄的驾驶员形成有效约束。所以在限高架试运期间，尤其是突然或临时添置限高架的某些路段，有关部门一定要在限高架所处路段的上一路口前设置限高标志，并为限高架添加防护设施，同时需要借助媒体的力量，引起社会的广泛重视。

2 自动检测限高交通设施系统设计开发

2.1 系统总体方案

本文设计一种限高设施自动检测车高系统，利用现代化手段提高道路、桥隧交通运行的安全性。该系统共分为3部分：（1）车高检测系统，本部分的核心是传感器技术，在限高设施的前方设置红外激光传感器用于检测车高，当有超高车辆通过时，传感器将接收到的超高信号传输给控制系统PLC；（2）报警与监控系统，报警系统根据控制系统PLC发来的指令发出警示信号（报警灯闪烁、扬声器连续发出报警声和LED显示屏的文字提醒，形成了光、声、文字3方警示），并对“硬闯”车辆抓拍取证，而后公示于可变情报板，以作警示；（3）控制中心和应急处理系统，监控系统对限高架运行状况实时监控，一旦发生事故，应急处理人员及时抵达现场，引导超高车辆退出，并对限高架进行检查修复工作。系统运行流程如图1所示。

图1 系统运行流程简示图

2.2 系统开发

2.2.1 车高检测系统原理

利用红外激光对射传感器，在需要限高的交通设施前一定距离（具体距离根据该路段的限行速度计算）设置激光检测系统，在道路两旁设置发射激光传感器和接收激光传感器，传感器的设置位置为需要检测的高度。当没有车辆通过时，发射传感器发出检测激光，接收传感器接收发射的激光，形成光信号通路。这时车高检测系统会输出一个低电平信号。但是当有超高车辆通过时，发射出的激光由于被超高车辆阻碍遮挡，这时接收传感器无法接收发射出来的激光，电平信号转变成高电平信号传输给PLC。通过电平信号的变化从而实现对车辆是否超高的辨别。车高检测系统实现方式如图2所示。

图2 车高检测系统原理

2.2.2 超高车辆报警与监控系统

超高报警是本部分系统的核心控制部件，本文选用西门子S7-200PLC，通过专用电缆将计算机与PLC连接，根据本系统中报警信号的设计要求，利用编程软件进行程序编写，将编写好的程序传输并保存到PLC内部相应的存储模块。当超高车辆通过自动检测车高装置时，检测系统会将高电平信号传输给PLC，PLC执行用户程序，控制监控系统对超高车辆进行拍摄，获取相关信息，尤其是对超高却没有绕行的车辆或“硬闯”驾驶行为进行取证，方便后期相关部门对违法行为惩处工作的进展。同时，PLC激发报警设施（报警灯、扬声器、LED显示屏）发出警示信号。LED显示屏用作可变情报板，当无超高车辆驶入时，LED显示屏上会显示近期超高车辆的违法行为以及相关信息；一旦有超高车辆进入检测光幕，，LED显示屏上信息转变为“车牌号为****的车辆已超高，请绕行”字样，提醒驾驶员所驾驶的车辆已超高。

此外，发射传感器和接收传感器分别安装在道路两旁，为防止车辆颠簸、落叶、飞鸟等对红外激光信号的干扰，道路两侧四对并联式激光发射、接收传感器，形成传感器阵列；车高检测系统对车辆超高的判断是基于传感器形成的激光光幕而非某对红外激光发射、接收传感器。为防止车辆“硬闯”对限高设施造成伤害甚至引发二次事故，限高设施设计为半固定式装置，即限高横梁外侧固定在铁架上，内侧用链条悬挂上方横梁上，如图3所示。

图3 车高检测系统示意图

2.2.3 控制中心和应急处理系统

控制中心通过监控系统对限高设施实现实时监控，一旦发生有车辆碰撞限高设施或者其他报警信号后，可立即调动当值人员或附近值班人员赶往现场，处理指挥引导超高车辆退离道路或桥隧。在引导超高车辆退出的同时，检查限高设施的相关设备，对有损坏或者出现使用故障的部件及时修复或替换，确保限高设施的正常使用，并尽快恢复交通系统的正常运行。

2.2.4 所开发系统实例

根据所设计的自动检测车高方案，本文通过编程实际开发自动检测限高交通设施系统。根据测试结果发现，所设计开发系统抗干扰能力强、检测精度高，能及时反馈检测信息有着较高的实用价值和广泛的应用前景。

3 结语

本文通过对现有限高设施的现状分析，在总结现有限高设施的优缺点后，设计一种既考虑驾驶人交通特性，又具有强制限高功能的自动检测限高交通设施系统。运行结果显示，提前以声、光、字3种形式向超高车辆发出报警，可让超高信息的传达更加高效，有利于减少超高车辆撞上桥梁、隧道顶部等交通事故的发生，促进交通安全。后续还需要对系统的安全性、稳定性以及经济性等方面做出进一步的改进与提升。

［1］徐戚，黄磊.城市高架桥限高架结构总体设计综述［J］.中国新通信，2015，17（01）：23.

［2］郑秀霞，戴明远.激光车辆限高仪的设计和实现［J］.电子测量技术，2006，29（3）：62-64.

［3］秦立祥.外环隧道车辆限高检测的应用［J］.电气自动化，2006，28（2）：41-43.

［4］赵凌.基于光电传感器的报警系统设计［J］.电子测试，2013（9）：25-26.

［5］潘福全，刘涛，董云鹏，等.基于VISSIM仿真的信号交叉口交通效率分析［J］.公路，2010（8）：165-169.

［6］张丽霞，刘涛，潘福全，等.驾驶员因素对道路交通事故指标的影响分析［J］.中国安全科学学报，2014，24（5）：79-84.

［7］魏晓颖，陈旺日，陈金刚.郑州西三环限高架频繁被撞原因与对策［J］.河南科技，2015，578（12）：92-94.

［8］邱宏峰.升降式可变限高龙门架结构设计与系统实现［D］.杭州：浙江工业大学，2013.