公路急转弯道车辆通行智能预警装置的设计与实现

王广政 马威 张志鹏 赵伟 丁凌晨

（陆军工程大学，江苏 南京 210007）

我国部分山区道路特别是受地形地势限制的西部高原地区，地形复杂、急转弯道数量众多、车道较窄、转弯半径较小、视野盲区较大，车辆在这类弯道处行驶时，尤其是山区急转弯道路和小区域直角等转弯角度较大的路段，极易发生追尾、侧翻、错车困难等问题。尽管在这些区域预先设立了多种提示标语、警示标志，以及广角镜、突面镜等行车视距改善设施，但这些设施存在成像小、安全距离不足、受光线天气影响大等缺点，无法全天候地精确判断路况，致使预防发生追尾、侧翻和堵车等交通事故的效果仍不够理想[1]。因此，急转弯地段交通事故预防问题亟待解决。

一、总体方案

为提高公路急转弯道的安全性及通行效率，本文基于动态智能预警的智能交通控制理念，设计了急转弯道车辆智能预警装置。该装置由控制模块、警示模块、感应模块和供电模块组成，控制模块分两路分别与警示模块和感应模块相连接，供电模块分三路分别与控制模块、警示模块和感应模块相连接，感应模块沿弯道的长度方向分别设置在弯道的两侧。警示模块设置在弯道的来车方向。通过控制模块、感应模块和警示模块的功能配合，预判并警示不同来车情况，利用光电传感器单个触发、多个触发，以及持续触发的特点解决了对来车方向、大小，以及车辆速度的判断问题，有效增加了弯道行车视距。对减少弯道侧翻、碰撞、错车困难等问题的发生具有积极作用，如图1所示。装置采用太阳能供电系统供电，独立性强，安装简单方便，有利于山区道路大面积推广。

图1 装置全景图

二、设计方案

为了保证行车安全，驾驶员应能随时看到前方一定距离公路上的障碍或迎面的对向来车，以便及时刹车或绕过，必须适时判定行车视距并智能处置。

（一）基本假定

假定通过查询设计资料或通过现场勘测的方式获得圆曲线起点位置和圆曲线半径参数；弯道内侧影响视距的障碍物简化成一点，假设存在一排障碍物，完全挡住了驾驶员的视线；不同驾驶员通过弯道的策略也不尽一致。为了便于研究，假设车辆在弯道匀速通过。

（二）设计原理

以下分三种情况进行设计。

情况一：车辆通过感应模块测速后，控制模块运算判断车辆速度是否达到弯道限制速度，将结果传输给警示装置，有效防止车辆发生侧翻。

情况二：当两辆汽车同向进入弯道，感应模块先后测速后，控制模块计算并比较车辆实际间距与停车视距的大小，判断两车是否会发生追尾。若不会，警示模块提示安全通过；否则，控制模块运算出最佳速度由警示模块反馈给驾驶员，提示后车减速至安全速度。

情况三：当两辆对向进入弯道，弯道两侧感应模块分别测速后，控制模块计算并比较两辆实际间距与会车视距的大小，判断两车是否会发生碰撞。若不会，警示模块提示安全通过；否则，控制模块运算出最佳速度由警示模块反馈给驾驶员，提示司机减速至安全速度，既保证安全又提高了通行效率。

图2 装置功能示意图

（三）软硬件设计

硬件设计主要用Arduino主板作为控制模块，感应模块则是通过在弯道的来向和去向分别设置有两组反射型光电传感器，由于激光具有高方向性、高亮度等优点，采用反射型光电传感器，其反应灵敏、反应时间短且结构简单，可靠性高、尤其适合于野外环境。警示模块由液晶显示屏和LED红绿指示灯组成，设置在弯道的来车方向。供电模块是利用太阳能电池板的光伏发电原理和蓄电池，以及相应的太阳能控制电路在野外条件下，建立独立可靠的供电体系。该装置的软件是使用C语言在Arduino IDE下开发环境编写程序，使程序可以判定来车方向、速度、车长、通行情况、错车情况和堵车情况，从而实现智能预警的功能。

三、功能实现

（一）防侧翻

绿灯常亮，提示远处来车前方有急转弯道且对向无来车，车辆通过感应模块测速后，控制模块运算判断车辆速度是否达到弯道限制速度，将结果传输给警示装置，防止车辆因速度过快而侧翻，以提高道路单向通过效率。每个方向上采用两组反射型光电传感器，只有当车辆按照设定顺序依次通过时控制模块才会发出指令，避免同方向的车辆造成误判。

（二）智能错车

由于小车车长比较短，挡光时间达不到大车挡光时间，设定远离指示灯的传感器被触发且触发时间未达到大车设定的时间，靠近指示灯的传感器再被触发判定为小车；由于大车车长比较长，挡光时间较长的特点，设定远离指示灯的传感器被持续触发靠近指示灯的传感器也被触发则判定为大车，持续感应的判定可以预防两辆紧跟着的小车被误判为大车。同时，计算两车是否满足极限通行条件，若能通行，此时绿灯灭，红灯亮，提示司机对向来车,司机将车速降低到安全错车范围内，若不能通行绿灯灭、红灯常亮5秒，提示对向司机靠边停车给大车让出车道，进而达到智能错车的目的。

（三）防追尾、碰撞

根据来车车速计算出停车视距和会车视距，并与车辆此时之间的距离进行比较，防止出现因车速过快而发生追尾或碰撞。

四、结语

本文从山区急转弯道行车安全问题出发，设计了一种基于光电传感器的急转弯道来车预警装置。它不受视野角度限制，能适应各类复杂路况，能动态显示当前车辆信息及对向来车情况，对于夜间行车、大雾阴雨天气的弯道行车有明显的优势。弥补了传统警示标志预警的缺陷，可以满足偏远地区低成本智能交通管理的需求。