申立陽，馬志遠，郭賓，李彥璋，焉蕾，蘇海龍

公共汽車駕駛員智能分級防護系統(tǒng)

申立陽，馬志遠，郭賓，李彥璋，焉蕾，蘇海龍

（天津科技大學，天津 300222）

近年來發(fā)生了多起公共汽車駕駛員被乘客干擾導致車輛失控引發(fā)的意外事故。為了防止駕駛員在駕駛中受他人干擾形成安全隱患，設計了一種在駕駛員被干擾時最大限度降低意外事故發(fā)生的智能分級防護系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于單片機89C52RC，集成了傳感器、多種執(zhí)行器和通信模塊。改進了HX711的使用方法，實現(xiàn)了低采樣率下測量持續(xù)時間極短，可實時監(jiān)測車況，將車況分為四個安全等級，根據(jù)不同情況采取對應措施。及時提醒車內(nèi)乘客或周邊車輛，嚴重時司機可快速報警。該系統(tǒng)能有效防止乘客干擾司機，并且能在情況嚴重時保障行車安全。

公共汽車；駕駛員；分級防護；HX711模塊

1 引言

公共汽車是人們出行的重要方式，有利于節(jié)約社會資源，提高交通運輸效率，但由于人群密集，安全性必須有所保障。2018-10-28重慶萬州22路公交車在長江二橋行駛中突然越過中心實線，撞擊對向小轎車后墜入長江中，車內(nèi)15人全部遇難。針對此問題，目前已有的解決方案都是物理防護，主要有設置單臂橫杠隔離、半封閉式隔離門、玻璃防護罩。

現(xiàn)有解決方案的核心都是通過隔離以保證駕駛過程中免受干擾。但公交安全的主體不僅是駕駛員個人，還有周邊交通環(huán)境。智能化分級防護系統(tǒng)在遇到突發(fā)狀況時，除提供物理防護外，還能自動做出相應警示，保障駕駛員的正常駕駛，提醒周邊車輛注意避讓，并在發(fā)生危急狀況時駕駛員能快速尋求外界幫助。整個系統(tǒng)對所發(fā)生情況的所有處置均為自動處理，駕駛員只需在危機情況點擊一鍵報警按鍵即可處置，最大限度地保證行車安全。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由防護門、傳感器、執(zhí)行器、單片機及其他輔助部件組成。防護門為雙層全封閉式結構，為司機提供一個與外界隔絕的空間，防止與他人接觸。朝向駕駛區(qū)的固定端門框為鑄鐵材料，受壓端的材料為剛度較低的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS），朝向乘客區(qū)，其整體剛度下降，受力時產(chǎn)生的形變量相比于單層門鉸接固定的形變量大大增加，而固定端本身為減震材料，且不與受壓端直接相連，因此受壓端受力時，振動難以傳遞到固定端。

傳感器為DYHW-116壓力傳感器和聲音傳感器。執(zhí)行器有語音模塊、蜂鳴器模塊、車內(nèi)提示燈和車外報警閃光燈。通信模塊采用GSM通信。單片機采用89C52RC，晶振頻率為11.059 2 MHz用于收集、處理傳感器的信息，并控制執(zhí)行器執(zhí)行相關操作。其他輔助部件有HX711模塊、數(shù)字音頻功率放大器、太陽能電池板。

2.2 工作原理

壓力傳感器共6個，分布于防護門窗的四角與門下兩角落，壓力傳感器置于兩玻璃夾層中。聲音傳感器置于駕駛艙內(nèi)，用于司機與乘客交流和廣播。車內(nèi)提示燈裝在門窗的邊框，在警報觸發(fā)時“請勿打擾司機行車”快速閃爍以提醒乘客不要干擾司機駕駛。情節(jié)嚴重時，“駕駛員需要幫助”提示燈快速閃爍。車外報警閃光燈使用車體自帶的雙閃，在二級警報觸發(fā)時雙閃打開。

防護門如圖1所示，單片機主要連線如圖2所示，工作主要流程如圖3所示。

圖1 防護門

圖2 單片機主要連線

圖3 工作主要流程

系統(tǒng)狀態(tài)分為四個安全等級：正常行駛、輕微干擾、嚴重干擾、車輛失控。系統(tǒng)依據(jù)傳感器受力大小判斷安全等級，并采取相應措施，具體如下：①正常行駛。一般情況下為正常行駛狀態(tài)，壓力傳感器受力較小。②輕微干擾。如果壓力大于輕微干擾閾值，則觸發(fā)語音消息提示，提醒乘客不要干擾司機。③嚴重干擾。如果壓力大于嚴重干擾閾值則觸發(fā)蜂鳴器，車輛內(nèi)警報燈和車外雙閃，進一步提醒車內(nèi)乘客和同時提醒周邊車輛注意避讓。④車輛失控。當司機主觀認定防護裝置不能阻止乘客干擾，情節(jié)嚴重或突發(fā)意外狀況時駕駛員按下一鍵報警按鈕，公交總站通過車載監(jiān)控了解車內(nèi)情況，通過GPS確定公共汽車的地理位置，并可幫助調(diào)解現(xiàn)場或報警。

3 實驗數(shù)據(jù)采集和分析處理

為了得到比較合理的力來實現(xiàn)智能分級的目的，找了4名實驗員在力學實驗室進行敲擊實驗，敲擊對象鋼板的材料為灰鑄鐵HT。主要操作步驟是每名同學連續(xù)輕擊測力鋼板5次后再重擊5次。采集測力鋼板受力情況。每名同學得到2組數(shù)據(jù)，共8組。求所有人輕擊和重擊數(shù)據(jù)每個尖峰的平均值，得到不同防護級別力的大小。

3.1 實驗結果（實驗員一和二為女性）

實驗測出4組實驗數(shù)據(jù)，參與測試的4個人力的所有數(shù)據(jù)如表1所示。取4組數(shù)據(jù)的輕擊平均值555 N定為語音提示的臨界值，重擊平均值930 N為觸發(fā)警報和雙閃的臨界值。

表1 實驗結果

實驗員輕擊/N重擊/N 一號415424 二號7441 167 三號177777 四號8851 355

3.2 與實際情況對比

馮諾依曼體系下的二進制計算機無法處理連續(xù)信號，必須對信號離散化，對于壓力傳感器得到的連續(xù)電信號，HX711模塊采樣周期如圖4所示，其中，1＞0.1 μs，2＜0.1 μs，3=0.2～50 μs，4＞0.2 μs，如果選用128倍增益，則需要25個下降沿，在晶振11.059 2 MHz，RATE管腳置0時采樣速率為10 Hz，一次測量用時共計=100 ms，而力學實驗室測得的沖擊力在HT上持續(xù)時間約10 ms，采樣頻率低于信號頻率，不能復現(xiàn)原始信號，造成失真。因此，模型使用ABS材料會出現(xiàn)變形大、沖擊時間延長的問題。與實驗平板鑄鐵相比，受力時變形極小且作用時間極短，由于出拳擊中平板到回彈的過程中總動量近似不變，由動量定理知，變形小且作用時間短則等效沖擊力較大；反之，等效沖擊力較小。經(jīng)實測，同樣大小的力作用在ABS上，持續(xù)約400 ms，彌補了采樣速率不足的缺點。

圖4 HX711采樣周期

3.2.1 變形分析

對于半徑為、厚度為的圓平板，受軸對稱載荷，在--坐標系下，內(nèi)力投影為，，三個分量，且撓度只是的函數(shù)，與無關，通過分析對稱應力的變形可知，軸向應力與半徑撓度的關系為：

由于變形的二階微分方程較復雜，且門框的邊界條件不是圓形鉸接，ABS材料撓度較大，但使用場景只需保證一定精度，因此采用線性變化關系=近似代替受力曲線，其中為線性等效沖擊力，為大變形低采樣精度限制條件下的實測值，為比例系數(shù)實測每一種材料的沖擊持續(xù)時間和峰值。經(jīng)實測，這種方法能夠得到計算量小且誤差在一定接受范圍內(nèi)的結果，在受壓端材料為ABS，固定端材料為HT，按模型所示的結構安裝時，相對于力學實驗室材料灰鑄鐵的比例系數(shù)為603，等效沖擊力為輕擊0.92 N，重擊1.54 N。圓平板對稱應力變形如圖5所示。

圖5 圓平板對稱應力變形

3.2.2 實驗結論

在測試儀器采樣精度不足時，可通過放大形變量緩沖受力，實測每個具體情景下的相對系數(shù)，計算等效沖擊力=，將其作為閾值。

當人敲擊防護門的等效沖擊力＜555 N時，系統(tǒng)無反應，對應系統(tǒng)安全等級“正常行駛”；當555 N＜＜930 N時，觸發(fā)系統(tǒng)的語音提示，對應系統(tǒng)安全等級“輕微干擾”，即防護門上的語音將會提醒響起，提醒行為人停止干擾行為，該過程無需駕駛員操作，不影響正常駕駛；當人敲擊防護門的等效沖擊力＞930 N時，會觸發(fā)系統(tǒng)的車內(nèi)警報及車外雙閃，即對應系統(tǒng)安全等級“嚴重干擾”，警報器自動響起，雙閃將會自動打開，當乘客情緒失控，各種保護和提示都無法阻止乘客干擾，司機主觀認定難以正常駕駛時，向公交總站求助，公交總站將進行調(diào)解，必要時聯(lián)系交警。

4 結束語

傳統(tǒng)駕駛員保護方式依賴于單純的物理防護，不能較好地達到防止乘客騷擾的目的，本文設計了一種公共汽車駕駛員智能分級防護系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以分析車門受力情況，在受干擾時能夠及時采取措施，保證司機進行正常的駕駛操作，最大限度地降低意外事故發(fā)生的概率，這對保證公共交通安全有重要意義。

本方案還有一些尚待解決的問題和可改進的方面：①報警的觸發(fā)機制不夠完善，比如可以增加區(qū)間測力條件，即當一段時間內(nèi)觸發(fā)警報的次數(shù)超過采樣次數(shù)的一定百分比時，則認定為有人靠在門上導致警報誤觸，關閉警報一段時間；②線性逼近的準確性十分有限，通過有限元軟件分析在實際應用中不同材料在不同邊界條件下得到受力與形變程度的關系，再用切比雪夫逼近得到受力函數(shù)，相比線性逼近，可以大大提高準確度；③可增設聲音屏蔽系統(tǒng)，通過采集駕駛艙外噪聲，駕駛艙內(nèi)的音響輸出相位相反的波形，減小噪聲，比如遇乘客辱罵喊叫等行為，司機可以選擇開啟聲音屏蔽；④用樹莓派代替89C52RC，提高處理速度，為后期增設各種功能提供條件；⑤單片機的抗電磁干擾能力弱，可外設金屬外殼；⑥通過多個車輛間的智能分級防護系統(tǒng)連接為整個智能交通網(wǎng)絡，一輛車出現(xiàn)突發(fā)狀況，所有周邊車輛都能及時做出反應。

［1］楊陽，浦瀚，郭曉鳳.基于STC89C52單片機壓力測試與顯示系統(tǒng)研究［J］.電子設計工程，2018（19）：4.

［2］吳玉林，方鵬斌，嚴黎華.簡易數(shù)字電子秤的設計［J］.咸寧學院學報，2010（12）：2.

［3］賈民平，張洪亭.測試技術：普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材［M］.2版.北京：高等教育出版社，2009.

［4］劉鴻文.材料力學Ⅰ：“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材［M］.6版.北京：高等教育出版社，2017.

［5］康作夷.雙層門式剛架屈曲的理論分析與計算機模擬［D］.太原：太原理工大學，2012.

［6］鄭津洋，董其伍，桑芝富，等.過程設備設計［J］.化學工業(yè)，2010（7）：52-59.

TH715

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.003

2095－6835（2019）14－0005－03

〔編輯：張思楠〕