多用途智能交通警示灯开发和设计刘俐珂.docx
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多用途智能交通警示灯开发和设计刘俐珂
中南大学交通运输工程学院
第七届交通科技大赛
项目成果汇报
题目：
多用途智能交通警示灯的开发和设计
成员名单：
组长：
刘俐珂
组员：
杨文锦
指导教师：
毛成辉
2012年03月20日
多用途智能交通警示灯的开发和设计
设计者：
刘俐珂，杨文锦
指导教师：
毛成辉
摘要
随着我国进入汽车社会，车辆急剧增加，各种负面效应也随之而来，加强道路交通安全则成为了我们的首要工作。
为此，我们希望研究出一种合理科学并且实用的产品，来帮助缓解此类问题。
在大学三年课程学习和课外资料搜集的基础上，本队开发和设计了一种可探测车辆信号并发出警报的多用途智能交通警示灯，并制成实物。
它包括了地磁感应棒、放大电路、延时电路等七大系统模块，实现了实时监测反馈、及时提醒警示、节能环保等功能。
同时，还针对不同的道路情况设计了不同的应用形式。
通过前期实验的探索和实物的检验，表明了此设计的正确合理性与产品的实用性，符合当今社会需求，可投入现实生产之中。
它的应用将有助于降低急弯会车、车辆由匝道切入高速的事故率以及保证偏远地区路口的行车安全，如果需要，还能建立大规模的实时交通密度检测网，为国家保障人民交通安全贡献力量。
关键词：
节能绿色交通安全急弯警示匝道交叉路口山区乡镇
1.研究背景…………………………………………………………………………………………4
1.1当前形势…………………………………………………………………………………….4
1.2国外研究现状……………………………………………………………………………….4
2.产品的开发与设计………………………………………………………………………………5
2.1技术关键…………………………………………………………………………………….5
2.2产品功能与技术指标……………………………………………………………………….5
2.3基本原理…………………………………………………………………………………….5
2.4所用设备和材料…………………………………………………………………………….6
2.5开发与设计过程…………………………………………………………………………….7
2.6产品可行性………………………………………………………………………………….8
3.产品应用………………………………………………………………………………………....9
3.1急弯雨雾会车警示灯…………………………………………………………………….....9
3.2高速公路匝道出车预警灯………………………………………………………………...10
3.3偏远地区交叉路口智能指挥灯…………………………………………………………...11
3.4车流量统计器……………………………………………………………………………...12
4.创新特色………………………………………………………………………………………..12
4.1新型地磁感应传感器的开发与应用……………………………………………………...12
4.2LED警示灯的选择与设计…………………………………………………………………14
4.3绿色环保的太阳能电源…………………………………………………………………...15
4.4成本较低…………………………………………………………………………………...15
4.5弥补视角缺陷……………………………………………………………………………...15
5.应用前景………………………………………………………………………………………..16
5.1竞争性分析………………………………………………………………………………...16
5.2社会收益分析……………………………………………………………………………...16
5.3经济收益分析……………………………………………………………………………...16
6.未来展望………………………………………………………………………………………..17
7.致谢……………………………………………………………………………………………..18
参考文献……………………………………………………………………………………………19
1.研究背景
1.1当前形势
交通是人类社会最基本的活动之一，它的发展促进了社会的进步与繁荣，至今已成为人类美好生活的重要组成部分。
社会越进步，经济越发达，人们对交通问题便越重视。
但是交通安全却成为了我们无法忽视的一个大问题。
据统计，截止2010年底，全国共接报道路交通事故3906164起，同比上升35.9%。
其中，涉及人员伤亡的道路交通事故219521起，造成65225人死亡、254075人受伤，直接财产损失9.3亿[1]。
排除道路的交通安全隐患，提醒司机谨慎驾驶，成为了交通系统发展和完善的首要任务。
针对本次大赛“智慧交通、绿色交通”的主题，本队从“交通安全”领域开展研究，开发出一种可直接投入生产与应用的多功能型交通安全预警产品——多用途智能交通警示灯，并制成实物。
期望从多元化的角度来展示当代大学生对社会现有交通问题的关注和解决方案，为保障人民生命安全贡献自己的一份力量。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
荷兰学者认为，交通安全应该分为发达国家交通安全与发展中国家交通安全，因为交通安全因素中的人、车、路、环境的水平都与国家的经济发达程度有关[2]。
发达国家对于交通安全的管理和研究起步较早，并且投入了巨大的人力和物力。
纽约、新泽西与康涅狄格三个州共建的交通协调管理委员会（TRANSCOM）由三州内的交通和公共安全机构联合组成，为区域交通运输管理提供合作和协调的途径，并负责制定该区域内的施工协调计划与技术开发计划，是该区域的交通运输管理信息中心[3]。
他们建立了能见度预警系统与除雾系统，华盛顿州则侧重进行车速管理，而田纳西州建立了低能见度预警系统。
并且美国的高速公路系统十分完善，相关法律也比较成熟，极大程度上降低了交通事故的发生频率。
而国外学者和机构对公路交通安全进行的专项研究较少，多为从道路设计的角度进行探讨，对于国内的研究有一定的借鉴作用。
Persaud.B提出了检测弯道路段对于有危险状况的应对准则，指出有效的弯道危险提示—例如指示牌—是一种成本低廉、效果明显的交通安全改善措施，这对于保障弯道路段的交通安全有非常大的意义[4]。
Dabbour等人对于弯道处的纵断面曲线进行了非线性化的研究，提出了利用抛物线等数学理论进行公路弯道安全评价的方法，并对不同线形组合下对应的弯道竖权限取值范围进行初步的分析[5]。
1.2.2国内研究现状
近年来，国内科研机构也越来越关注交通安全领域，对弯道和高速的研究也越来越深入。
长安大学的李彬，运伟国教授则提出了山区公路受多重因素的影响，弯曲线半径受限。
指出从车辆行驶特征角度出发，满足车辆行驶安全性下的最小弯道半径能交通预防此类事故的发生[6]。
吕梁公路分局的王旭泽将公路弯道分为急弯路段和连续急弯路段两种，给予曲线段安全行车速度与设计速度，制订了急弯路段和连续急弯的判定标准，在对弯道进行安全评价的基础上提出相应的改善对策[7]。
总体看来，国内对交通安全的研究无论是从深度还是从广度上都和国外的研究存在一定的差距，尤其是在定量化研究的方面，由于技术和仪器的原因，国内的研究进度较为落后。
2.产品的开发和设计
2.1技术关键
在筹备项目初期阶段，我们发现将本警示灯做一个成品并不是件易事，有较多的技术难关急需解决：
1、高可靠、低成本传感器的制作
2、高灵敏度、高性能放大电路的设计
3、电源电路的设计
4、产品使用与安装方法的研究
为了更好的突破以上的技术关键，我们在前期查阅了非常多的相关资料，一次又一次的更改了自己先前的设计，最终及时的探索出了正确的方法。
2.2产品功能与技术指标
该多用途智能交通警示灯可实现收到特定信号立即输出信息、闪烁、单点自控、智能指挥等多种基本控制功能，经过略微的改良可以满足交通信息采集、系统远程维护、线圈检测及流量分析功能，应用于社会生活中可以解决多种类型的交通安全问题。
2.3基本原理
图1原理示意图
由图1的原理示意可知，当运动的导体（汽车）经过埋于地下的地磁感应棒附近时，扰动原有恒定不变的地磁场，则此时通过电磁线圈的磁通量Φ发生改变。
根据法拉第电磁感应
定律，穿过闭合回路所围曲面的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与该磁通量对时间的变化率成正比[8]。
可以理解为，磁通量变化则会产生感应电动势。
因此，电磁感应线圈两端会产生无规律的微小的多谐波，这个电磁线圈相当于一个微小的信号源。
我们通过设置的信号探测传感器（地磁感应棒）通过探测这个扰动信号，就可以知道某个时间是否有车辆经过。
由于磁通量的改变是微小的，它所产生的扰动电压也非常的小，必须采用相应的集成运放加以放大。
在传感器后设计一个放大电路，对放大后的信号采用单稳态触发器整形后获得有用的代表汽车通过的方波信号。
由于这个信号灯需要保持发亮一定的时间，我们还设计了一个可调时间的延时电路，使得一旦地磁感应棒感应到运动导体时，在波形的第一个下降沿信号处产生一个高电平。
当运动的导体离开地磁感应棒时，会产生最后一个下降沿信号，此时，延时电路产生作用，将这个高电平保持一个固定的时间。
也就是说，当汽车离开地磁感应棒后，这个警示灯会在一个固定的时间内打开。
为了使警示灯达到闪烁的效果，在延时电路后面再设计一个自激震荡器，使得输出的高电平信号变为更引人注意的方波信号（即闪烁时间）。
整个波形信号电压变化如图2。
其中t0为地磁传感器第一次感应到车辆扰动地磁的时刻，扰动信号一直持续到t1。
而tw为设定的延时时间，为10-20秒。
t1-t0约等于t1-t0‘，为感应时间，此时间相对于tw延时时间来说可以忽略。
为了驱动更多的发光二极管，我们还设计了一个功率驱动电路，使其驱动我们所需要的高亮发光二极管，保证其发光、闪烁灯警示功能。
而且考虑到山区及偏远地区采用电网供电成本较高，安装复杂。
我们设计了一个采用太阳能电池板对可充电电池进行充电的电源电路，保证警示灯白天、黑夜、阴雨天都能正常工作。
图2电压变化时序图
2.4所用设备及材料
为了做好此项目，我们通过实地购买和淘宝采购的方式购置了许多实验和成品制作本次研究和开发
表1材料明细表
名称
数量
单价（元）
名称
数量
单价（元）
导线线
若干
0.1
太阳能电池板
1个
80
实验板（5排）
1个
42
充电电池
1个
120
电池盒（4节）
1个
1.03
电烙铁
1个
50
电池盒（2节）
1个
0.56
万用表
1个
50
芯片
若干
2
电阻
若干
0.01
发光二极管（3mm）
100个
0.06
电容
若干
0.15
发光二极管（5mm）
100个
0.06
灯罩
1个
5
漆包线
1kg
50
剪线钳
1个
10
密封胶
5组
5.6
2.5开发与设计过程
本项目主要由三大进程组成，一是确立目标，二是设计与实验，三是制作与完善（如图3所示）。
期间碰到了许多问题，例如：
设想很好但难以实现、实验结果并非期望但找不出原因、成品电路板短路烧坏电池、不符合国家交通安全需要等等。
虽然这些问题看似无解，但我们凭借两个人的力量也找到了其他的可行方案。
我们人数少，任务量非常的大，承受着比别人都重的压力，解决其这些棘手的问题也比别人更加艰难。
在这之中，我们付出了非常多的汗水：
为了查资料在图书馆泡了几天，为了买材料去了数次电子通信市场，为了焊电路板每天工作到深夜……但再多的辛苦，只要做出了我们想要的效果，获得了应有的成绩，那也是值得的。
图3开发与设计流程图
2.6产品可行性
2.6.1地磁感应传感器工作的可行性分析：
此传感器灵敏度可以改变，如果设计放大倍数为5000倍，则可以感知很微小的地磁扰动，在自然环境的电磁干扰下也可闪烁。
如果设计放大倍数为1000倍，则可以使得能检测到很小体积的铁磁性金属物的运动。
为了提高稳定性，最终我们将放大倍数调整为500倍，效果约为300ml的铁质金属空心壳（如红牛饮料罐），在20cm的高度以1m每秒的速度通行能够准确检测到，而且不会出现误报的情况，工作稳定性好。
为了进一步模拟实际工作情况，我们对电动车进行了检测，发现能够准确检测3m以外的电动车以正常速度通行的感应信号。
在此灵敏度下，机动车的检测也完全正常。
2.6.2太阳能电池板供电的可行性进行分析：
假设山区的车流量为1000台/天，五个串联为一组的规格为5MM发光二极管工作时，其工作电流为0.45mA，总共有28组。
假设警示灯的警示时间为20s，由于它工作时是闪烁的，占空比为50%，则实际每部车通过的总共闪烁时间（即工作时间）只有10s。
由此可以得出每天放电量为0.45×28×20×0.5×1000÷3600=35mA*h。
而我们所采用的太阳能电池组是规格为电量1600mA*h，面积为30cm×30cm的。
所以，它在满电状态时，供电时间约为1600mA*h÷35=45.7天。
则表明，太阳能电池板即使在不充电情况下也可以持续供电一个月以上，即使遇到连续阴雨天气，也不用担心电量问题。
根据全国的气象资料，大部分地区历史上最长连续性阴雨天气为27天，这也在该产品的工作能力内。
充电电流为100mA时，则为电池组的满负荷充电状态。
假设每天有8小时的满负荷充电状态，则可充电800mA*h，那么大约2天就可以将电池重新充满电（放电时的电流可以忽略不计）。
这样可以极大的保证该产品的续航能力，太阳能供电从理论上来说完全可行。
以图4产品太阳能电池板实物图
上数据全部为忽略芯片待机时候的耗电量。
现在在全国大中城市，包括长沙，都在斑马线、学校、出口周围相继设立了带太阳能板的黄色闪烁警示灯。
这些警示灯一天24小时无间断的持续工作，闪烁频率高，LED二极管皆为10mm规格的，所以耗电量自然要大于本产品。
但他们的太阳能电池板面积为25cm×25cm小于我们所设计的电池板，仍然可以投入到社会中使用。
这更加表明我们的供电系统不成问题。
3.产品应用
3.1急弯雨雾会车警示灯
公路急弯路段是指设计速度小于60km/h，平面曲线半径（R）小于下列数值（设计速度40km/h，R<125m；设计速度30km/h，R<60m；设计速度20km/h，R<30m），且停车视距小于《公路工程技术标准》（JTGB01-2003）规定的停车视距路段[9]，它是行车中的交通事故多发地段。
其事故的发生率大、事故严重程度高，所以行车时要格外注意。
在急弯路段，由于视距条件受限，驾驶员不能清楚的看到曲线另一侧的道路和车辆，对于前方道路的走向和对面来车不能很好的预判。
在这种情况下，允许驾驶员进行判断、反应和驾驶操作的时间比较短，如果车速过快，很有可能出现因避让不及时导致的对撞事故。
另外，过快的车速有可能导致车辆驶出路外，发生较严重的侧翻、坠坡等事故[10]。
据统计，我国急弯路上发生的交通事故占全部死亡事故的16.3%[11]。
2007年道路交通事故统计调查表明，1次死亡10人以上特大交通事故中，与弯道相关的事故数占到总事故数的50%，所以，弯道交通安全形势不容乐观。
而如今，市场上已经研发出了用玻璃钢做镜、背为PC面的道路反光镜并投入使用。
该产品应用于道路弯道处，可看到弯道另外一侧的行人和车辆，能大大的降低道路交通事故[12]。
图4警示灯主视图
为了保证司机在任何极端恶劣天气下两车弯道交会时对路况的灵敏感知，及时减缓车速，谨慎通行，将本队所开发的多用途智能交通警示灯依附安装于弯道凸面镜（道路反光镜）下方的制成杆上，将电磁感应线圈埋入距灯大约为50-100米处的两个方向的右车道，就可作为会车及时预警装置——急弯雨雾会车警示灯（如图4所示）。
该装置的设计目的则是极为有效的弥补凸面镜在雨雪雾灯恶劣天气下由于能见度过低导致司机看不清镜子中对面来车和凸面镜警示效果不明显的缺点，及时发出会车预警。
在晴朗天气或者夜间状态灯能见度尚可的情况下可以作为额外的弯道警报，提醒司机减缓车速，谨慎通行（如图5）。
例如，在大雾天气下当弯道两侧同时来车，两个不同方向的警示灯都将发出闪烁的黄灯，提示对面来车。
双方司机同时接受会车信号，减慢车速，避让通行，成功避免交通事故的发图5急弯雨雾会车警示灯模拟工作图
生。
另外，能使自行车、电动车等非机动车都可被感应，这样可以更好的保护非机动车的行车安全。
3.2高速公路匝道出车预警灯
由2010年的数据可知，在高速公路发生的亡人事故，40.3%因尾随相撞导致，21.9%为碰撞固定物或静止车辆导致，侧面碰撞导致事故死亡人数占6.7%。
我们不难发现，对周围突发情况的疏忽正是高速公路事故的最大杀手。
针对没有太多高速公路驾驶经验的新手和疏忽大意的驾驶员在匝道出车时、主干道车辆未提前察觉而避闪不及发生事故的情况，我们可以在高速公路上由匝道切入主干道的路边（离交叉口100-200米处），设置该警示灯装置。
同时，将地磁感应棒埋入主干道距匝道入口约100-200米的右侧（如图6所示）。
此时，本项目又可转换为一种全新的交通安全产品——高速公路匝道出车预警灯。
对于高速公路上以100km/h左右的速度行驶的汽车来说，司机全程注意力高度集中，对外界刺激反应较为迟缓，图6高速公路匝道出车预警灯放置示意图
特别是当匝道中的车辆行驶上高速公路时，很难在突发情况下及时实施安全制动。
且主干道车辆突然减速，在高速公路上也是一件危险系数很高的事件。
偶有匝道车辆的司机忽视主干道上高速行驶的车辆，直接切入到主干道中央，由于匝道车辆速度较慢，而主干道车辆速度很快，这种情况下极易发生追尾惨剧。
此预警灯一旦检测到了主干道上有车辆驶过，可以立即发出持续闪烁的黄色灯光信号，提醒匝道上的车辆此时主干道上有高速行驶的汽车，提示匝道车辆司机提高警惕。
本装置适用与国内大多数双向六车道高速公路。
通过高速公路匝道出车预警灯，可以有效预防高速公路匝道口的追尾事件，并使得司机养成匝道出车小心谨慎的驾驶习惯，注意避让高速车辆，防止追尾事故，有较大的社会意义。
图7匝道出口危险模拟图
3.3偏远地区交叉路口智能指挥灯
在城市道路上发生的交通事故中，交叉口事故占很大比例，联邦德国城市的交通事故60%-80%发生在交叉路口，日本占33.3%[13]；我国对国内城市的交通事故抽样统计表明 ，发生在交叉口的交通事故约为30%。
近几年，从城市到乡村，从乡镇至村庄，逐步实现了村村通公路的目标。
农村道路的畅通，不仅给农民的生活带来了方便，也为运销农产品提供了便捷。
然而，农村公路的逐步畅通和机动车的大幅增长，给交通安全管理带来了相应的难度。
同城市一样，偏远地区的交叉路口作为事故多发点，急需先进的技术来解决此类棘手的安全问题。
相比城市的交通流量来说，农村在一天中的车行量不大，设置传统的红绿灯不合适：
a、它通行模式较为单一。
等待和通行时间太为固定，不适应偏远地区无规律的交通情况。
它不管是否有车通行，始终保持固定的运行状态。
若B道上无车辆行驶时，A道车辆也需做无谓的等待；b、传统红绿灯耗电大，一天24小时不间断工作，需有交流电供电，不适合偏远地区交叉路口的设置。
此时，将我们的产品进行略微的改装，制成一个可代替红绿灯功能的交通信号灯——偏远地区交叉路口智能指挥灯。
对于一个交叉路口，我们选取4个信号灯与4个地磁感应棒，分别置于交叉路口的四个方向。
将地磁感应棒埋设在离交叉路口50-100M左右的道路下方10-20M处。
将所有的地磁感应棒连入一个中心控制电路，并且再在原有基础上加上红色的二极管点阵。
中心控制电路采用优先竞争的原则，如当A道上优先有车辆驶入交叉路口时，对应的指挥灯闪烁黄光，提示A道上的车辆谨慎慢行；与此同时B道上的红灯点亮，禁止B道上的车辆行驶。
反之亦然。
另外，考虑到当两个方向连续交替检测到车辆经过时，为了不使得信号灯连续交替而影响通行效率（车辆启动、减速浪费时间），可以利用延时功能（比如延时5秒）：
若5秒内同一个方向又检测到另一辆车经过，则此方向在竞争中仍处于优先地位，直到一个方向有连续5秒没有检测到车辆经过。
图8交叉路口模拟图
另外，根据现行普通红绿灯的标准设置一个最长通行时间（如60秒）。
那么如果一个方向连续通行60秒之后还有车辆就强行开启红灯，转而让另外一个方向的车辆通行。
本装置在偏远地区交叉路口安装后，彻底解决了传统红绿灯的上述缺点，完全可以取代传统红绿灯的全部功能，且更加智能、人性化，更加节能。
并且它同样可以发挥弯道警示作用，防止不同方向的车辆相互对撞。
该智能交通指挥灯不但在很大程度上提高了偏远地区交叉路口的行车效率，保障人民的生命财产安全，也可用于替代城市夜间一直工作着，闪烁黄光的交通信号灯。
3.4车流量统计器
在国家的交通路网建设中，一条道路的车流量是个非常重要的指标，它不光代表着一个区域的运输能力，还是该地区经济发展的指向标。
人工测算十分耗费资源，目前的车流量统计设备昂贵，费用大。
将本装置稍作改进，增加一个计数电路和存储电路后，除了完成上述功能外，还可对安装了本产品的道路进行车流量的统计。
该方法非常简便易行，且成本低。
通过在山区弯道所设置的急弯雨雾会车警示灯中所记录的数据则可知晓此类路段车流量，用以分析该种路段是否需要升级，地区之间是否需要修建高等级公路；通过高速公路匝道出车预警灯获取的计数器的数据则可预知该区域发展情况如何，人们的出行时间偏好；通过由偏远地区交叉路口行车信号灯所计算的流量可以判断该地区的人民生活水平，分析其交通形态。
这些宝贵的数据可以为国家的规划建设提供宝贵的原始资料，防止盲目规划和投资，以获得最大的经济和社会效益。
另外，将本装置的延时电路和闪烁电路取消，增加计数电路、存储电路和无线远程通信电路后，可作为一个专业的道路车辆流量统计设备。
通过合理的广泛安装后，可在一个地区乃至整个国家建立交通流量数据网，一个非常价廉、可靠、易行、实时的交通流量统计系统。
4.4.创新特色
4.1新型地磁感应传感器的开发与应用
本产品的主要功能为探测来车情况并预示报警，因此便要求配置灵敏度高，不易受外界其他因素干扰的信号探测装置。
传感器作为一种能把物理量或者化学量转变成便于利用的电信号的器件，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度、磁）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置[14]（如图9）该传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。
图9传感器运作示意图
根据作品需要，我们对市面上各式各样的传感器都进行了考察与探索。
例如光学传感器。
它是依据光学原理进行测量的，有着许多如非接触和非破坏性测量、几乎不受干扰、高速传输以及可遥测、遥控等优点，在设计上主要用来检测目标物是否出现，或者进行各种工业、汽车、电子产品和零售自动化的运动检测[15]。
但是该种传感器不够可靠，不适用于本产品的检测环境和条件，容易产生误判或者不判，在极端外部条件下易损坏，不易修理，因此再做考虑。
Shack-Hartmann的波前传感器，它是目前自适应光学系统中作为探测器件的主要方法，可以同时测量出广场的相位分布和强度分布，广泛应用于自适应的光学系统、光学元件和光学系统的检测、激光光束质量诊断和大气扰动测量等领域[16]。
虽然该传感器精度高，对光感应灵敏度强。
且成本较高，信号处理也比较复杂。
因此放弃。
我们还试想过，利用压电效应，将压敏传感器应用于本产品中。
通过车辆行驶经过面板时所产生的压力提供信号。
但是
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