呂能超,李 澤,羅齊漢,黃 珍,吳超仲

(1.武漢理工大學智能交通系統(tǒng)研究中心 湖北 武漢 430063;2.水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心 湖北 武漢 430063;3.武漢理工大學物流工程學院 湖北 武漢 430063; 4.武漢理工大學自動化學院 湖北 武漢 430070)

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交通事故現(xiàn)場隔離路錐車的總體設計與研究

呂能超1,2,李 澤1,2,羅齊漢3,黃 珍4,吳超仲1,2

(1.武漢理工大學智能交通系統(tǒng)研究中心 湖北 武漢 430063;2.水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心 湖北 武漢 430063;3.武漢理工大學物流工程學院 湖北 武漢 430063; 4.武漢理工大學自動化學院 湖北 武漢 430070)

隨著高速公路、城市快速路重大交通事故的頻發(fā)及以人為本的交通施工理念的提出,需要對高速公路、城市快速路突發(fā)性事故做出快速反應,進行事故現(xiàn)場快速隔離.因此,交通路錐的快速收放成為亟待解決的難題.對此,進行了交通事故現(xiàn)場隔離路錐車的總體設計研究,利用皮卡作為車載平臺,設計可移動的車載設備加裝在車輛貨箱進行作業(yè),創(chuàng)造性地利用電磁鐵完成路錐的運送,并采用SolidWorks三維軟件進行模擬仿真.該路錐車結構設計簡單、工作效率及可靠性高,能夠快速隔離事故現(xiàn)場,避免交通堵塞,對減少交通傷亡及防止事態(tài)惡化起到關鍵作用.

交通安全; 路錐車; 自動收放; SolidWorks仿真; 人機交互

目前我國道路交通事故死亡人數(shù)居世界第一,交通事故總量居高不下,全國道路交通安全形勢嚴峻.2012年,我國道路交通事故致死率為21.10%(其中高速公路交通事故致死率更是高達33.32%),而同期美國為1.45%,日本僅為0.54%[1].由于高速公路是高指標線形的全封閉道路,發(fā)生突發(fā)性交通事故時,“二次事故”時有發(fā)生,而交通事故應急救援不及時,是導致致死率高居不下的重要原因之一.在發(fā)生重大交通事故后,需要將事故現(xiàn)場進行必要的隔離,一方面可以防止二次事故的發(fā)生,降低損失,防止事態(tài)惡化,保護現(xiàn)場; 另一方面可保障正常車輛安全通過事故路段,避免交通堵塞[2-3].

目前國內高速公路大多已進入維修保養(yǎng)期,在進行養(yǎng)護作業(yè)時,必須保證作業(yè)區(qū)行車的安全，因此需要在作業(yè)區(qū)外擺放交通路錐以引導車輛行駛.目前主要采用人工的方式進行道路安全隔離設施的布設,其質量較大且需布設的路段距離較長,人工布設路錐的工作量大,致使工作效率低; 同時人工布設時,工作人員直接暴露在高速公路車道上,面臨安全風險很大[4-5].設計一種能夠在交通事故現(xiàn)場自動快速布設隔離設施的設備具有顯著的實用價值.

近年來國內已研發(fā)出若干交通路錐自動、半自動收放車，及相關的投放、回收裝置等,如上海電控研究所于2012年研發(fā)的SY-100型交通路錐自動收放車,但目前還沒有進入大規(guī)模應用階段.現(xiàn)有相關路錐車大多數(shù)都是以輕、中型貨車作為車載平臺,存在著體積龐大、結構復雜、機動性不強的問題; 而且在路錐的投放及回收過程中,大多以機械傳動為主,存在著摩擦阻力大、路錐磨損嚴重、機械結構復雜等的問題.在面對突發(fā)性交通事故時無法做到快速、機動、精確地投放路錐,因此設計研發(fā)更加實用、輕便、智能的路錐車迫在眉睫.國外類似產品市場化應用相對成熟,但也存在上述問題.對此,進行了交通事故現(xiàn)場隔離路錐車的總體設計研究,利用普通皮卡作為車載平臺,創(chuàng)造性地利用電磁鐵完成了路錐的運送,并采用獨特的路錐存儲方式,簡化機械結構,提高工作可靠性.先進的電氣控制及人機交互界面確保了工作的可靠性、便捷性.

1 系統(tǒng)總體設計

考慮到使用便捷性、通用性及處理重大突發(fā)事故的快速可靠性等,本設計利用普通皮卡作為車載平臺,對車輛自身改裝較小,設計可移動的車載設備加裝在車輛貨箱即可進行作業(yè),并采用先進的電氣控制及人性化的人機交互界面實現(xiàn)交通路錐的快速收放.

1.1 系統(tǒng)組成

交通路錐車主要由車載平臺(皮卡車)及車載裝置組成.如圖1所示.車載裝置主要包括:轉盤機構、起升機構、轉臂機構、回收機構、人機交互顯示屏及電氣控制柜等.其中轉盤機構安裝在車廂內部,起升機構安裝在車輛右側,轉臂機構安裝在起升機構上方,回收機構車輛右側下方位置.人機交互顯示屏位于駕駛室,電氣控制柜位于車廂內部.

圖1 車載平臺、車載裝置總體結構

(1) 轉盤機構 該機構主要實現(xiàn)路錐的存儲功能.采用轉盤形式進行堆疊存儲,極大地簡化了路錐的排列、運輸及整理工序,有效地提高了空間利用率.轉盤機構由固定盤與轉動盤組成.固定盤與車箱底板剛性連接,轉動盤通過推力軸承可在固定盤上自由轉動.轉動盤正中央安裝有轉盤電機,通過齒輪內嚙合驅動轉動盤旋轉.轉動盤上方均勻布置4個路錐定位支撐機構,每個定位支撐機構最多可以堆疊10個路錐,即轉動盤最多可存儲40個路錐.

(2) 起升機構 該機構主要用于輔助轉臂機構運送路錐,實現(xiàn)轉臂的上升、下降,在最小的空間內完成路錐的投放和回收,并避免轉臂拾取路錐時與車廂體發(fā)生干涉.該機構主要由起升電機、齒輪、齒條及滑塊組成.起升電機通過齒輪驅動滑塊在齒條上進行上下直線運動,進而實現(xiàn)轉臂的上下運動,完成路錐的運送.

(3) 轉臂機構 該機構主要用于運送路錐.在投放和回收過程中,通過利用轉臂的往復旋轉運動將路錐從車廂運送至地面,或將路錐從地面運送至車廂.

該機構主要由轉臂電機、傳動帶、電磁鐵及配重等組成.轉臂電機通過傳動帶驅動轉臂繞電機輸出軸作回轉運動,轉臂一端通過懸臂桿連接電磁鐵,另一端安裝有配重,起平衡作用.電磁鐵得電產生吸引力進而拾取路錐,整個轉臂機構在起升機構的配合下,完成路錐投放和回收過程中的運送功能.

(4) 回收機構 該機構主要用于路錐回收，由路錐打倒裝置和翻轉裝置組成[6].其中,路錐打倒裝置主要由導向桿、橫桿及護欄組成; 翻轉裝置主要由翻轉電機、底座及插桿組成.路錐回收過程中,車輛倒行,路錐進入打倒裝置時被弧形的橫桿打倒,兩邊的護欄確保路錐倒伏時處于豎直狀態(tài).

1.2 路錐投放流程

1.2.1 路錐投放工作原理

電磁鐵拾取路錐,起升電機正向轉動,路錐上升至最高點,使其全部脫離下方的路錐,起升電機停止工作; 轉臂電機開始正向轉動,使路錐運動至投放位置的正上方; 同時,起升電機反向轉動,使路錐下降至最低點,即投放點,電磁鐵失電,路錐落到地面,實現(xiàn)路錐投放.在此期間,轉盤電機驅動轉盤逆時針旋轉90°.完成路錐投放后,起升電機正向轉動,轉臂機構上升,轉臂機構同時反向轉動,使電磁鐵運動至路錐吸取點的正上方; 轉臂機構停止工作,起升電機反向轉動,使電磁鐵向下運動,直到接觸路錐頂部時停止工作.至此,完成一個路錐投放的全過程.采用SolidWorks三維軟件進行模擬仿真,如圖2所示.

圖2 路錐投放流程

1.2.2 路錐投放時序制定

根據SolidWorks三維軟件模擬仿真及考慮路錐車投放的可靠性,設定路錐投放周期為7.5 s,并制定路錐投放時序表.路錐投放階段時序見表1.

(1) 將電磁鐵所處的最低點作為起始位置,即拾取點.在該位置時,電磁鐵正好與路錐頂部保持接觸,將此狀態(tài)作為計時零點.

(2)t1=0時刻,電磁鐵得電,起升電機開始正向轉動,拾取路錐并上升,上升高度至少為一個路錐的高度,確保被拾取的路錐能完全脫離轉盤上存儲的路錐而不發(fā)生干涉,起升時間約為2 s.

(3)t2=2 s時刻,路錐到達最高點,觸碰行程開關,起升電機停止上升,此時轉臂電機開始正向轉動,直到轉臂轉動至投放位置的正上方時,轉臂電機停止,轉臂電機工作歷時約2 s.為了縮短整個投放過程的周期,當路錐在水平方向上離開轉盤上存儲的路錐后,整個轉臂機構即可開始下降,轉臂電機開始運動約0.5 s后,即t3=2.5 s時刻,起升電機開始反向轉動.

(4)t4=4 s時刻,轉臂機構轉動至極限位置,即投放點正上方,轉臂電機停止工作,起升電機保持反向轉動,處于下降狀態(tài),在t2～t4時間段內轉盤轉動90°,進入等待下次拾取路錐狀態(tài).

(5)t5=4.5 s時刻,路錐運動至最低點,即投放點.觸碰行程開關,起升電機停止工作,等待路錐投放.根據檢測車速和設定路錐間距,確定投放時間,電磁鐵失電,路錐投放至地面,實現(xiàn)路錐的投放.此時,起升電機立即正向轉動,電磁鐵上升,轉臂電機反轉,轉臂機構回程運動歷時約1.5 s.

(6)t6=6 s時刻,轉臂機構上升至最高點,觸碰行程開關,轉臂開始反向轉動至極限位置,該點位于路錐的最上方,即拾取點.此時轉臂電機停止工作,起升電機反向轉動,電磁鐵下降.

(7)t7=7.5 s時刻,電磁鐵拾取下一個路錐時,觸發(fā)電磁鐵上的壓力傳感器,起升電機停止下降,電磁鐵得電,吸取路錐,進入下一個路錐投放周期.

1.3 路錐回收流程

1.3.1 路錐投放工作原理

為確保道路行車安全性,回收路錐過程中,路錐車處于倒車行駛狀態(tài).回收路錐4,路錐車倒車行駛,路錐首先通過導向桿進入護欄中,護欄上方的弧形打倒桿將路錐打倒,路錐處于倒伏狀態(tài).翻板裝置的插桿全部插進路錐中后,翻板電機工作,翻板逆時針旋轉90°,路錐離開地面,并保持直立狀態(tài).此時,起升機構向下移動,電磁鐵得電,拾取路錐,路錐上升至一定高度后,轉臂轉動至轉盤路錐定位支撐裝置正上方,同時,起升機構向下移動一定距離,電磁鐵失電,路錐準確落到轉盤預定位置.轉臂反向轉動至合適位置,等待下一個路錐的回收.同時,轉盤逆時針旋轉90°,等待下一個路錐的存儲.在此,完成一個路錐回收全過程.采用SolidWorks三維軟件進行模擬仿真,如圖3所示.

表1 路錐投放階段時序

圖3 路錐回收流程

1.3.2 路錐回收時序制定

綜合考慮交通路錐車回收時的行車安全性及工作可靠性,制定路錐回收時序表.路錐回收階段時序見表2.

(1) 當路錐在翻轉裝置底板上處于直立狀態(tài),且電磁鐵已運動至最低點,與路錐頂部保持吸合時,將該位置作為回收點及計時零點,即t1=0.此時,起升電機開始正向轉動,路錐開始上升,歷時約2 s.

(2)t2=1.5 s時刻,路錐上升至最高點,觸碰行程開關,起升電機停止工作,轉臂電機開始反向轉動約1.5 s,路錐運動至轉盤路錐定位支撐機構的正上方.

(3)t3=3 s時刻,轉臂電機停止轉動,起升電機開始反向轉動,路錐開始下降約1.5 s.同時,在t2～t3時間段內翻板電機反向轉動,底板及插桿順時針翻轉90°,等待回收下一路錐.

(4)t4=4.5 s時刻,路錐下降至最低點,觸碰行程開關,起升電機停止工作,電磁鐵失電,路錐準確落入轉盤預定位置,完成路錐回收存儲及存儲.完成路錐回收后,轉臂電機正向轉動,歷經約1.5 s后,電磁鐵運動至回收點正上方.t4～t5時間段內,轉盤逆時針轉動90°,為回收下一路錐做準備.

(5)t5=6 s時刻,下一個路錐被打倒,翻板裝置的插桿全部插進路錐中后,翻板電機工作,翻板逆時針旋轉90度,路錐離開地面,并保持直立狀態(tài).

(6)t6=7 s時刻,起升電機反向轉動,向下運動約1.5 s,當電磁鐵與路錐頂部接觸時,觸發(fā)電磁鐵上面的壓力傳感器,起升電機停止工作.同時,電磁鐵得電,拾取路錐,進入下一路錐回收周期.

表2 路錐回收階段時序

2 電氣控制系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)總體設計

電氣控制系統(tǒng)主要由主控單元、信息檢測單元、驅動控制單元、人機交互顯示單元及電氣控制柜組成,如圖4所示.其中人機交互顯示單元放置于駕駛室,便于駕駛員工作過程中實時監(jiān)控各機構的工作狀態(tài),并進行相關的操作動作; 主控單元、信息檢測單元、驅動控制單元和電源管理單元放置于車廂內定制的電氣控制柜,用于接地實現(xiàn)各機構的協(xié)調控制[7].

圖4 電氣控制系統(tǒng)組成結構

(1) 主控單元:基于嵌入式技術開發(fā)專用控制器,基于現(xiàn)場檢測數(shù)據、操作人員命令,及路錐收放工作流程規(guī)范,進行系統(tǒng)協(xié)調控制決策.

(2) 信息檢測單元:利用輪速傳感器、接近開關、限位開關、壓力傳感器及微動開關等傳感器,用于實時檢測各類信號,如車速、路錐轉盤位置、轉臂旋轉角度等.同時檢測單元負責對各類信號進行數(shù)據處理,供各機構協(xié)調控制決策所用.

(3) 驅動控制單元:根據主控單元控制決策給對應工作機構輸出驅動信號,實現(xiàn)機構可靠動作.

(4) 人機交互單元:設計友好、方便操作的人機交互界面,實現(xiàn)操作人員與控制系統(tǒng)的實時交互.通過與主控單元實時通訊,獲取現(xiàn)場各機構工作狀態(tài)[8].顯示屏可實時顯示車速、路錐布設間距、布設距離、工作時間、投放/回收個數(shù)及剩余個數(shù)等基本信息,供操作人員了解系統(tǒng)工作狀態(tài)和相關信息; 同時操作人員可通過人機界面實現(xiàn)相關工作流程的啟停操作.

(5) 電源管理單元:系統(tǒng)采用自帶發(fā)電機供電方式,工作過程中不對車輛本身的電源系統(tǒng)造成負擔和影響.設計電源管理單元,為系統(tǒng)各部分提供所需的穩(wěn)壓電源,且具有系統(tǒng)一鍵啟動和一鍵關閉功能,實現(xiàn)安全、可靠的系統(tǒng)供電管理.

電氣控制系統(tǒng)主控單元是以嵌入操作系統(tǒng)(uCOS-II)為平臺,以STM32系列單片機為中央核心處理器,實現(xiàn)對電機等的實時控制[9-10].

2.2 投放控制流程

當上位機按下投放按鈕時,系統(tǒng)開始初始化,驅動起升機構下行并控制電磁鐵得電,直到檢測到壓力傳感器信號有變化；延時0.1s后驅動起升機構上行,直到觸碰到上行限位開關停止,驅動轉臂旋轉180°；當CPU收到到位信號時,驅動起升機構下行；當下限位開關得電時,起升機構停止運動；當運動距離與設定距離相等時,控制電磁鐵失電,驅動起升機構上行；當上限位開關得電時,驅動轉臂反轉180°并驅動圓盤轉動90°；當收到到位信號時,控制電磁鐵得電并驅動起升機構下行,完成一個投放周期.

2.3 回收控制流程

當上位機按下回收按鈕時,系統(tǒng)開始初始化,驅動起升機構上行,直到觸碰到上行限位開關停止,驅動轉臂旋轉180°；當微動開關得電時,驅動翻板反轉90°；當CPU收到轉臂到位信號時,驅動起升機構下行控制電磁鐵得電,直到檢測到壓力傳感器信號有變化；延時0.1s后驅動起升機構上行,直到觸碰到上行限位開關停止,驅動翻板和圓盤正轉90°并驅動轉臂旋轉180°；當CPU收到轉臂到位信號時,驅動起升機構下行特定角度控制電磁鐵失電,完成一個回收周期.

3 結語

針對高速公路、城市快速路突發(fā)性事故現(xiàn)場快速隔離及養(yǎng)護過程中交通路錐快速、可靠、自動投放與回收的問題,進行了一種新型交通路錐車的總體設計與實現(xiàn)研究.通過在輕型皮卡上加裝路錐收放車載裝置,利用先進的電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對路錐的快速、精確的投放與回收.最后,采用SolidWorks三維軟件進行了路錐投放與回收全過程模擬仿真,取得了較好效果.該新型交通路錐自動收放車機械結構簡單,可靠性好、工作效率高,實用性強，為相關路錐自動收放裝置的設計與研發(fā)提供了理論支撐,對于交通事故的現(xiàn)場的快速隔離及在大規(guī)模的道路養(yǎng)護應用中,能起到緩解交通堵塞、減少人員傷亡的關鍵作用.

[1] 楊京帥,孫正一,王江蘭,等.交通規(guī)則約束下的道路交通安全系統(tǒng)穩(wěn)定性分析[J].中國公路學報,2015,28(1):95-101.

YANG Jingshuai,SUNZhengyi,WANG Jianglan,et al.Stability analysis of road traffic safety system under traffic rules[J].China Journal of Highway and Transport,2015,28(1):95-101.

[2] 楊惠敏,陳雨人,方守恩,等.高速公路交通事故救援時間與生存率關系模型研究[J].交通信息與安全,2015,33(4):82-86.

YANG Huimin,CHEN Yuren,FANG Shouen,YUAN Jianhua.Astudy of the relationship between rescue time and survival rate of traffic accidents on freeways using a cox regression model[J].Journal of Transport Information and Safety,2015,33(4):82-86.

[3] 張衛(wèi)華,謝曉琳,繆子英,等..資源共享條件下高速公路應急救援資源調度方法[J].中國安全科學學報,2011,24(5):170-176.

ZHANG Weihua,XIE Xiaolin,MIAO Ziying,et al.Method of scheduling expressway emergency rescue resource under condition of resources sharing[J].China Safety Science Journal,2011,24(5):170-176.

[4] 韓曉宇,盧昕瑋,吳群琪.高速公路緊急救援路線選擇路徑模型[J].中國安全科學報,20013,33(5):86-92.

HAN Xiaoyu,LU Xiwei,WU Qunqi.Path model for routes election for expressway emergency rescue[J].China Safety Science Journal,2013,33(5):86-92.

[5] 童文聰,楊磊,李君羨.高速公路應急預案管理仿真平臺設計與應用[J].交通信息與安全,2013,31(4):139 -143.

TONG Wencong,YANG Lei,LI Junxian.Design and application of the expressway emergency response management simulation plat form[J].Journal of Transport Information and Safety,2013,31(4):139 -143.

[6] LEEY C,WILDERICH A W.Integration and testing of a multistack automated cone machine.UCD-ARR-04-06-30-01,2004-07.

[7] ORTHANSC,ANDERSON M.Traffic cone retrieving device for removing traffic cone from roadway surfaces:US,US 7101143 B2[P].2006-09

[8] 周義勇,顧文彪,陳凌.基于高速公路路障自動收放的控制系統(tǒng)[J].黑龍江交通科技,2014(7):168-169.

ZHOUYiyong,GU Wenbiao,CHEN Lin.Control system of automatic retractable based on expressway barricade[J].Heilongjiang Traffic Science and Technology,2014(7):168-169.

[9] 張秀維.交通錐自動收放系統(tǒng)的設計與研究[D].南京:南京理工大學,2013.

ZHANG Xiuwei.Research and design of automatic traffic cone retraction system[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2013.

[10] 陳元媛.交通錐自動收放設計與研究[D].西安:長安大學,2013.

CHEN Yuanyuan.Research and design of automatic retraction for traffic cones[D].Xi′an:Chang′an University,2013.

Overall design and research on road-cone vehicle for traffic incident fields

LV Neng-chao,LI Ze,LUO Qi-han,HUANG Zhen,WU Chao-zhong

(1.Intelligent transportation systems research center, Wuhan University of Technology ,Wuhan 430063,China;2.Engineering Research Center of the Ministry of education of highway traffic safety control and equipment,Wuhan 430063,China; 3.School of logistics engineering, Wuhan University of Technology Wuhan 430063,China;3.College of automation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070,China)

Due to the high frequency of highway and urban expressway traffic incidents and rapid advance of human-centric conceptions, the emergences should be quickly responded.For the purpose of accident filed isolation, the fast layout and recovery of road cones becomes imperative.Accordingly, an overall design on road-cone vehicle is conducted to handle the traffic incident fields.By using the pickup truck as a vehicle platform, the mobile vehicle device is designed and installed in the carriage, whereas an electromagnet is used to deliver road cones.With assistance of SolidWorksTM, the road-cone vehicle is designed in the simple, efficient and reliable manner.Therefore, the quick isolation for incident fields can avoid traffic jams, reduce traffic injuries and prevent situation deteriorations.

traffic safety; road-cone vehicle; automatic layout and recovery; SolidWorks simulation; human-computer interaction

國家科技支撐計劃(2014BAG01B0503)；中央高校基本科研業(yè)務費專項基金資助(133244003)

呂能超(1982-)，男，博士，副教授.E-mail: lvnengchao@163.com

TH 122

A

1672-5581(2016)03-0233-06