解文博 張 萌 劉丹妹

山東交通學院，山東濟南 250300

近十幾年來，高速公路發(fā)展迅速，高速交通事故頻發(fā)，由此引發(fā)的“二次事故”的數量也隨之增長，高速公路二次事故的預防成為高速安全的重要問題之一。長期以來，三角警示牌在低等級公路交通中確實發(fā)揮了不可忽視的重要作用，它的功勞，不可磨滅。但是，在如今實現跨世紀發(fā)展的高速公路交通時代，依然沿用傳統(tǒng)的落后警示標識，無疑給管理工作和人民生命財產安全罩上了一層陰影[1]。因此，不斷有學者提出新的警示設備：李斌提出的智能車載電子三角警示器[2]，劉克旺提出的基于紅外線技術的汽車警示系統(tǒng)[3]，孫根提出的交通事故警示裝置[4]。這些設備較于傳統(tǒng)警示牌具有較大進步，但在造價、精度等方面存在一些缺陷?；谝陨戏治觯菊撐奶岢鲆环N全新的預防二次事故車載警示系統(tǒng)，減免二次事故的發(fā)生。

1 車載警示系統(tǒng)的組成

車載警示系統(tǒng)由碰撞檢測模塊和車載警示設備組成，可安裝于正駕駛椅背正上方的車頂。

碰撞檢測模塊的組成框圖如圖1所示，由以下幾部分組成：信息采集模塊、信息處理模塊、信息存儲模塊和預警信息發(fā)送模塊。車載警示設備的組成框圖如圖2所示，主要由預警信息接收模塊、陀螺平衡調節(jié)模塊、手動按鍵和警示燈模塊組成。

圖1 碰撞檢測模塊的組成框圖

圖2 車載警示設備組成框圖

信息采集模塊主要由三軸加速度傳感器構成，實時采集車輛x、y方向上的加速度信號；信息處理模塊主要是微處理器，根據三向加速度合成算法判斷碰撞事故是否發(fā)生；信息存儲模塊主要是數據存儲卡，當事故發(fā)生時記錄碰撞過程中的加速度信號并計算出碰撞時的速度變化量，用于算法的優(yōu)化；預警信息發(fā)送模塊用于給車載警示設備發(fā)送信息。

預警信息接收模塊用于接收碰撞檢測模塊發(fā)送的預警信息；陀螺平衡調節(jié)模塊主要由ENC03陀螺儀[5]構成，將3片ENC03固定于脈沖警示燈設備的側面。ENC03陀螺儀是一種應用科氏力原理的角速度傳感器，陀螺儀設計中采用3片ENC03模塊分別對警示燈上的x、y、z三個垂直方向上的角度偏差來進行角速度測量，然后通過單片機的處理用于調節(jié)警示設備的角度，即使車輛發(fā)生側翻也可令脈警示燈的光沿著與水平方向60°夾角的方向斜上射出；按鍵是將指令信號發(fā)送給單片機控制系統(tǒng)，手動控制預警設備的開關。

警示燈模塊通過電子電路將脈沖氙燈[6]觸發(fā)點燃，氙燈的特點在于亮度非常高，且觸發(fā)時間短，由于電路點燃的氙燈可以迅速發(fā)出強烈可見光，其光強遠遠超過車輛上現有的警示燈及霧燈發(fā)出光強，從而大大提高了警示距離。在人眼最小反應時間為 0.2s的情況下，脈沖氙燈的閃光持續(xù)時間為0.001s，通過調整其發(fā)光頻率及燈光角度，脈沖燈對其他車主的駕駛影響將遠小于兩車交匯時遠光燈對雙方司機產生的干擾。

電源模塊通過車上直流電源為車載警示系統(tǒng)供電，如車載點煙器等，同時電源模塊內有備用的鋰電池，一旦車上直流電源斷電，即可啟用電源模塊內備用的鋰電池繼續(xù)為警示系統(tǒng)供電。

2 車載警示系統(tǒng)的工作原理

2.1 硬件工作原理

車輛一旦啟動成功，車載電源供電，系統(tǒng)各模塊初始化，檢測駕駛員是否主動按下開關按鍵，當主動按下時，系統(tǒng)直接打開警示設備。

當未進行按鍵操作時，三軸加速度傳感器開始工作，實時采集車輛x、y方向上的加速度信號并通過微處理器根據三向加速度合成算法判斷是否發(fā)生碰撞。

若檢測到未發(fā)生碰撞則令三軸加速度傳感器繼續(xù)檢測；若檢測到發(fā)生碰撞則通過數據存儲卡記錄碰撞時的加速度信號并通過信息發(fā)送模塊將碰撞信息發(fā)送給信息接收模塊。

信息接收模塊在接收了碰撞信息后，自動打開警示設備上方的覆蓋物，通過陀螺儀調整預警設備的角度并通過自動伸縮裝置將氙燈推出，警示來車。

2.2 三向加速度算法工作原理

三向加速度合成算法與目前大部分車輛警示系統(tǒng)的將安全氣囊點火信號設置為系統(tǒng)的觸發(fā)信號的工作原理不同，是獨立于汽車安全氣囊碰撞系統(tǒng)的算法。由于汽車間的碰撞不止有正面碰撞，側面碰撞或追尾碰撞的事故也時有發(fā)生，但是市面上的很大部分汽車僅僅配置了正面安全氣囊，當發(fā)生其他方向碰撞時，盡管車內人員受傷但安全氣囊的碰撞算法并未檢測；且隨意對汽車原本的系統(tǒng)進行改裝，具有一定的風險和難度，甚至會違反法律；再加之近幾年的由于安全氣囊出現問題導致的車輛被召回丑聞。所以本文選擇了基于雙向加速度合成算法的三向加速度合成算法。

雙向加速度算法的表達式為：

式中：w—窗寬；S(t,w)—窗寬內的積分值；ax(t)—車輛縱向加速度信號；ay(t)—車輛橫向加速度信號；t—當前時刻。對于窗寬w的選擇不宜過大也不宜過小，綜上考慮，選取窗寬為20ms[7]。

將三軸傳感器中任意兩軸作為x、y軸，令x、y軸所在的平面與水平面平行，此時重力G在x、y軸上的加速度分量均為0，而在z軸的分量為g。車輛在路面正常行駛時，產生的加速度是水平的，則x、y方向上的加速度矢量合即為車輛的加速度ac。將傳感器采集到的x方向的加速度ax和y方向的加速度ay、z方向的加速度az進行處理后，比較ac與設定好的加速度閥值a1的大?。海?）若ac＞a1，系統(tǒng)調用雙向加速度合成算法并計算S（t,w），然后將計算出的S（t,w）值與設定的門檻閥值b進行比較：①若S（t,w）＞b，得出車輛發(fā)生碰撞結論；②若S（t,w）≤b，得出無碰撞結論，繼續(xù)進行數據檢測與采集。（2）若ac≤a1，得出無碰撞結論，繼續(xù)進行數據檢測與采集。

同時將az與豎直方向上的加速度閥值a2進行比較：（1）若az＞a2，系統(tǒng)判定車輛發(fā)生側翻事故；（2）若az≤a2，得出汽車無側翻結論，繼續(xù)進行數據檢測與采集。

圖3為車載警示設備的工作原理示意圖；圖4為工作前車載警示設備的CAD示意圖；圖5為工作時車載警示設備的CAD示意圖。

圖3 車載警示設備的工作原理示意圖

圖4 工作前車載警示設備的CAD示意圖

圖5 工作時車載警示設備的CAD示意圖

3 車載警示系統(tǒng)的特點

此車載警示系統(tǒng)具有手動和自動兩種警示方式。其特點是：當車輛在高速公路出現故障或車上人員突發(fā)特殊情況需要緊急停車時，駕駛員可以手動按下警示開關按鍵開啟警示設備；當車輛受到猛烈撞擊或側翻時，尤其是駕駛員無力按下開關按鍵時，碰撞檢測模塊檢測到事故發(fā)生，車載警示設備自動開啟，瞬間發(fā)出脈沖頻閃光以警示來車。無論是手動還是自動，駕駛人都不必下車去放置警示標志，避免了被來車撞擊的危險。若由于算法誤判造成警示系統(tǒng)意外打開，駕駛員可按下開關按鍵將系統(tǒng)關閉。且由于氙燈的光強遠遠超過車輛上現有的警示燈及霧燈發(fā)出光強，可以大大提高警示距離，還具有省電、警示效果理想的特點。

實際舉例：（1）手動人工警示：有A、B兩車，A車在前，B車在后，同向行駛。A車遇到突發(fā)特殊情況需要緊急停車，駕

駛員可以手動按下警示開關按鍵開啟警示設備。B車看到A車發(fā)出的強烈光束，提前減速避讓，安全繞行。（2）自動警示：雨、雪、霧等能見度低的環(huán)境中，A車發(fā)生事故且喪失放置警示標志的能力，此時警示系統(tǒng)檢測到碰撞，自動開啟，瞬間發(fā)出強烈頻閃光束。其光穿透力強，A車后方行駛來的車輛看到警示光，司機立即知曉前方有事故發(fā)生，提前做好準備，避免二次事故的發(fā)生。

4 結語

論文提出的預防二次事故車載警示系統(tǒng)既能手動警示又能自動警示，克服了傳統(tǒng)三角警示牌的缺點，使得即使在雨天、雪天、霧天、夜晚等低能見度或道路拐彎處等視線盲區(qū)也有很好的警示效果；并且使駕駛員免于下車放置警示牌，消除了放置過程中被撞的危險；即使駕駛員無力警示，系統(tǒng)也可自動警示來車此處有事故發(fā)生。一旦投入使用，可以減少高速公路二次事故對人們的生命、財產傷害。

該系統(tǒng)具有造價低、精度高、實用性強的優(yōu)點，具有良好的市場前景。