面向二次事故预警的主动式智慧防撞护栏设计

汪 宇，潘 强，刘 林，周志鹏

（扬州大学，江苏 扬州 225009）

1 研究背景

目前，我国公路网络已经基本形成，随之而来的是日益增长的交通需求与交通安全管理之间的矛盾。预计到2030年，交通运输需求量、主要通道交通量或将有3~4倍的增长，可以预见的是公路的安全形势将随着经济和社会的发展，以及汽车保有量和公路通车里程的增加，变得越来越严峻。公安部统计数据显示，十多年来，中国交通事故死亡人数一直位居世界首位，公路常发生会车事故、超车事故、停车事故、弯道事故和追尾事故等导致事故死亡率居高不下。当道路发生事故后，不能及时提醒后方车辆，而后方驾驶员由于车速过快则来不及采取制动措施，往往导致更为严重的二次事故发生。

二次交通事故是指与第一次事故的时间相隔比较短，后车或来车来不及反应，因一次事故处理不当，二次事故当事人由于车速过快而无法及时发现情况而造成的交通事故。由于高速公路是一个高指标、线性、完全封闭的道路，驾驶员通常无法预测前方的障碍物，当驾驶员发现行驶方向前有问题时，由于车辆自身的速度太高，常常不能及时刹车，造成二次事故。二次事故发生的原因主要有以下几个方面。第一，雨、雪、雾等天气原因。驾驶员的可视度受天气影响而变差，路面附着系数小，车辆制动能力降低，尤其是浓雾、团雾天气，极易发生连续追尾事故。第二，疲劳驾驶。驾驶员在驾车过程中，逐渐产生精神疲劳，速度感和快速反映能力随之减弱，对于前方发生事故、车辆堵塞、路面情况视而不清，极易发生二次事故。第三，超载超速。机动车驾驶员超速行驶，车速过快会延长制动距离，制动非安全区加大，遇到前方有情况时不能及时刹车制动，而导使二次事故发生。第四，现场处置时间过长，设置警戒不规范，不能有效警醒后方来车。

目前各国对避免二次事故发生做出了一系列应对措施。美国为应对高速公路交通事故及事故救援，建立了高速公路事故管理系统和紧急救助系统。高速公路事故管理系统主要由各州警察和公路巡查队负责，通过计算机进行管理，整个系统拥有完备的通信设备、巡逻警车、应急设备和枪支。我国在发生一次事故后主要以人工报警、视频识别、信息发布等为主，尚缺少针对事故发生的动态、及时、精准预警技术。

交通事故发生后多数情况会撞击防撞护栏，而现有护栏多以半钢性护栏为主，它是一种以波纹状钢护栏板相互拼接并由主柱支撑的连续结构。其主要作用是当车辆对其碰撞时能够吸收能量，使其既不容易被撞毁，同时又可对车辆和司乘人员起到良好的保护作用。但是其局限性也十分明显，只能在一定程度上减少事故带来的损失，不能满足现有公路对道路安全设施更高的需求。

因此，本作品以减少二次事故发生为主要目标，以提升事故应急预警及救援响应效能为主要手段，充分考虑事故发生时一般会对防撞护栏造成不同损毁程度的基本特性，瞄准交通强国战略及新基建背景下的新型交通基础设施建设需求，创新性提出将普通防撞护栏设计成融合撞击感知、空间定位、预警发布、系统联动等功能为一体化的智慧防撞护栏系统的研究思路，以解决当前对二次事故预警时效性不高的问题。

2 设计原理

2.1 设计思路

护栏设计基本思路如图1所示。

图1 护栏设计基本思路

2.1.1 事故动态及时预警

通过在防撞护栏上安装振动速度传感器和黄色警示灯，达到发现一次事故和防止二次事故发生的效果。车辆撞向防撞护栏后，传感器分析识别异常频率的等级，控制黄色警示灯分级闪烁，警醒驾驶员前方有交通事故发生，驾驶员在感知灯光信息后进行减速。

2.1.2 事故信息及时发布

在碰撞发生的同时，护栏上的定位功能可将事故位置信息通过卫星基站传送至交管部门，交管人员可在第一时间知道事故地点，进行对应的道路救援和信息发布工作。

2.2 研究方法

2.2.1 收集资料与查阅文献

根据本文的研究课题确定文献查阅方向，了解现有防撞护栏的规格和材料，选取感应器，了解车祸的类型与车辆的制动距离的影响因素，调查现有的道路信息发布技术、预警方式、动态判断及识别技术。

2.2.2 数据收集整理与防撞护栏设计

通过实地调查与文献查阅，收集防撞护栏强度、感应器触发频率、车祸发生主要形式的比例等数据，将收集到的数据进行整理分析，设计护栏，判断感应器的安装距离，护栏的长宽高数值，灯光的颜色、强度及闪烁程度。

2.2.3 预警系统设计

通过感应器与5G基站连接，实时收集路段信息并与交管部门共享，振动速度传感器检测到碰撞信息时，通过碰撞强度判断事故严重等级，控制警示灯闪烁的频率，并且将事故地点等信息传送至交管部门。

2.2.4 模拟实验与分析

运用LS-DYNA软件进行现场模拟，加入主动预警的护栏后再次模拟车辆撞击防撞护栏后发生情况，进一步分析，对比安装前后同种情景下二次事故的发生率。

2.3 实现流程

第一步：通过采集全路段的二维地图与三维影像，管理地理空间数据。

第二步：在护栏上每50 m安装振动速度传感器，实现基础设施全方位数字化监测和管理。

第三步：每50 m对传感器进行统一标识编码，确保全路段可监测，精准定位事故地点。

第四步：振动速度传感器分析，以震动频率的强度作为依据，控制不同长度路段内的警示灯不同频率的闪烁，实现护栏对撞击事故的主动发现。

第五步：在交管中心创建护栏及传感器的三维模型，以传感器所在位置作为站点，当情况正常显示绿色，异常显示红色。

第六步：出现撞击情况后，护栏驱动实现一体化联动，触发警示灯闪烁，同时在交管中心显示事故站点，提供事故信息，完成信息发布。

2.4 方案设计

2.4.1 护栏设计

（1）护栏外形：常用护栏为双波波形护栏和三波波形护栏。双波波形护栏防撞等级较弱，可用于危险等级较低的高速公路、乡村公路等；而三波波形护栏防撞等级较高，适用于危险等级较高的路段，如山村公路、险要路段等。

（2）护栏组成：警示灯、振动速度传感器、供电系统、定位装置。

（3）具体位置：感应器和定位装置安装在护栏支柱中央的内侧，警示灯安装在支柱的正上方，并与感应器相连，电路敷设于道路设施带。

（4）材料选择：选择半刚性护栏，均具有一定的刚度和韧性，主要通过横梁、立柱和土基的变形吸收碰撞能量，损坏部件容易更换，具有一定的视线诱导作用，外形美观。

护栏整体示意图如图2所示。

图2 护栏整体示意图

2.4.2感应器选择

（1）振动速度传感器是惯性式传感器，它利用磁电感应原理把振动信号变换成电压信号，该电压值正比于振动速度值。可以直接安装在机器外部，使用维护极为方便。

（2）输出信号和振动速度成正比，因此对振动测量来说可以兼顾高频、中频和低频的应用领域。

（3）具有较低的输出阻抗，较好的信噪比，使用方便；灵活性好，可以测量微小的振动；有一定抗横向振动能力（不大于10 g峰值）。

（4）a.外形尺寸：Ф41×92 mm；b.重量：400 g；c.使用温度范围：-30~120℃；d.频响范围：10~1 000 Hz（-3db）；e.幅值线性度：<3%；f.横向灵敏度：<5%；g.灵敏度：20 mV/mm/s±5%；h.输出阻抗：≤1 kΩ；I.绝缘电阻：≥2 mΩ；J.最大测量位移：1 mm（单峰值）。

2.4.3 警示灯选择

（1）选择的是黄色闪烁警灯，通过黄色闪烁的视觉刺激方式，可提高对驾驶人员的警示作用，使驾驶人员能预先采取规避行为，从而降低交通事故发生率，增强道路安全性。

（2）选择的是更偏向于节能环保的太阳能警示灯，通过太阳能光伏板提供电源，并且具有防雨水，防沙尘，续航时间长的特点。

2.4.4 预警方式

（1）频率分级：将振动速度传感器感应频率分为不同等级。磁电式振动传感器响应频率一般在0~2 000 Hz。第一等级：频率在2 500~4 000 Hz；第二等级：频率在4 000~5 500Hz；第三等级：频率在5 500 Hz以上。

（2）道路分段：根据事故严重程度划分需要预警的路段长度。第一路段：事故严重，3 km路段内可预警（50 m内发生事故）；第二路段：事故严重程度一般，1~2 km内可预警（50~200 m内发生事故）；第三路段：事故较轻微，1 km内可预警（200~500 m内发生事故）。

预警分级见表1。

表1 预警分级

（3）警示灯闪烁分级：国标规定黄色闪烁警示灯的闪烁频率是（45±5）次/min，闪烁的亮暗时间比应为1∶1。第一闪烁等级：事故地点1 km内警示灯闪烁的频率为50次/min；第二闪烁等级：1~2 km内闪烁频率为45次/min；第三闪烁等级：2~3 km内闪烁频率可为40次/min，如图3所示。

图3 分级预警示意图

2.4.5 系统集成

防撞护栏预警步骤如图4所示。

图4 防撞护栏预警步骤

3 创新特色

（1）实现事故现场的动态响应和秒级预警发布。针对交通事故中车辆发生意外撞击防撞护栏的情形，能及时有效地预警后方车辆，为后方车辆提供了更有利的制动条件。

（2）实现管控平台对事故地点的精准感知及协同救援。通过卫星基站将事故路段信息传输到监控系统平台，显示事故报警的地点信息，交管人员可快速研判事发现场情况，及时处理完善。

4 应用前景

4.1 技术特点和优势

防撞护栏感受车辆碰撞，通过振动速度传感器分析震动频率，判断异常等级，分级控制警示灯闪烁，使后方驾驶员产生秒级响应。集成系统首先定位事故地点，将地点信息通过卫星基站传输至交管平台，相关部门及时处理事故，有效避免二次事故发生，缩短事故处理时间。

在路段交通流量较大，车祸发生突然，后方车辆来不及响应时，此护栏可及时预警；特殊车辆制动距离较长，当事故发生后，此护栏可提前传递信息，驾驶员能采取有效制动等措施；特殊天气如雨天、团雾等，驾驶员视线受限，可以通过此护栏上安装的颜色明显的黄色警示灯引起后方驾驶人员注意。

4.2 市场需求

近年来，国内公路二次事故频发，性质恶劣，造成严重人员伤亡和经济损失，引发社会各界高度关注。随着经济不断发展，车辆保有量持续高速增长，若不及时进行遏制，此类事件将会呈现高发趋势。此护栏设计能有效缓解车辆发生意外撞击防撞护栏导致的二次事故发生，使来往驾驶员在发生事故后秒级响应，同时终端通过卫星基站将事故路段信息传输到监控系统平台，可接收到事故报警、地点位置的信息，交管人员可快速研判事发现场情况，及时处理完善，从而构建一个安全和谐的交通环境。

4.3 适用范围

本护栏适用的场地主要为高速公路、一级公路、安装防撞护栏的山区特殊地段，如急弯道、上下陡坡等；适用与车辆发生意外撞击防撞护栏，后方驾驶员不能及时发现事故，交管部门接收事故信息延迟的情况。

4.4 市场前景

本作品使用的设备技术成熟，其成本较低资金占用少，经济廉价，装置简单，可安装于多种路段的防撞护栏。技术提升空间大，操作简单，可有效防止车辆发生意外撞击防撞护栏导致的二次事故发生。符合国家安全交通政策，随着经济不断发展，车辆保有量持续高速增长，潜在市场巨大，经济效益十分可观。

4.5 工程实际应用估算

振动速度传感器。以1 000元每个为例：10 km需安装200个，价格在20万左右。

警示灯。以20元每个为例：10 km需安装500个，价格在1万元左右。

护栏。以10元/m为例：10 km价格在10万元左右。

5 结束语

本作品以预警二次事故发生为目的，利用振动速度传感器判别事故信息，通过黄色警示灯发布事故信息，利用集成系统将事故地点信息快速传送至交管部门，可以解决车辆发生事故撞向防撞护栏引发二次事故的问题。该研究能够一定程度上降低二次事故的发生率，对于一次事故提前预警能尽可能地为生命和救援赢得更多时间，对和谐社会构建、交通安全出行具有重大意义。