熊星玉 胡亞宇 王凱華 胡 珊

（湖北工業(yè)大學，湖北 武漢 430068）

0 研究背景

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化的推進，居民生活方式得到了巨大的改變。截止2020年，中國汽車保有量達到2.81億輛，同比增長8.1%（如圖1所示）。受到城市規(guī)劃的影響，居民生活方式發(fā)生了很大的改變，工作場所多在城市中心，而居住地卻在城市周邊的情況較多，進而導致在部分路段容易出現(xiàn)早晚高峰的現(xiàn)象，也被稱為“道路潮汐現(xiàn)象”[1]，即每天晨時從居住地出發(fā)前往商業(yè)區(qū)的道路比較擁堵（如圖2所示）；而晚上回居住地的道路比較擁堵，該現(xiàn)象給人們的工作和生活帶來了極大的影響。

圖1 2012—2020年中國汽車保有量

圖2 道路資源利用率不均的常見情景

互聯(lián)網(wǎng)+交通管理是城市交通治理的趨勢，要解決城市擁堵，就要讓道路“活過來”，實現(xiàn)動態(tài)調整、聯(lián)網(wǎng)互動、增大容錯率以及提高自我修復的能力[2-3]。

1 設計原理

1.1 設計思路

為解決城市道路交通因工作時間規(guī)律而產(chǎn)生的潮汐交通擁堵的問題，智能交通隔離欄具有如下功能：1）實現(xiàn)對城市道路潮汐車流的實時監(jiān)控。2）收集終端的道路數(shù)據(jù)。3）根據(jù)車流量及時調節(jié)路面資源，最終實現(xiàn)對道路高效的管理，保證道路的實時暢通。智能交通隔離欄的工作過程如圖3所示，當檢測到道路一端過于擁擠時，智能車道會發(fā)出投影，提醒不擁堵側的車輛即將進行變道，接著完成變道，減緩擁堵，整個工作過程結束。

圖3 應用情景圖

2 設計方案

通過智能化機電結構設計來實現(xiàn)運動控制、數(shù)據(jù)收集等功能，包括電器控制、機械結構、傳感監(jiān)控以及產(chǎn)品外部設計。

2.1 電器控制

電器控制負責實現(xiàn)電機控制、傳感設備的數(shù)據(jù)處理和遠程操控，總體調控智能交通隔離欄各部件之間的配合，包括電器控制模塊、太陽能供電系統(tǒng)及電源管理模塊。

2.1.1 電器控制模塊

電器控制模塊包括動力模塊、傳感器模塊、遠程信號傳輸模塊、監(jiān)控模塊以及中央處理器模塊；其中，動力模塊采用PlaxisV8，傳感器模塊采用GY-906MLX90614ESF紅外測溫傳感器模塊，遠程信號傳輸模塊采用 KYL-1020L，監(jiān)控模塊采用BGS2，中央處理器模塊采用 PLC|CPU313C。

2.1.2 太陽能供電系統(tǒng)及電源管理模塊

太陽能供電系統(tǒng)包括圓臺中部外殼以及覆蓋在圓臺中部外殼上的若干太陽能面板，與電源管理模塊連接后為整個城市智能可移動道路交通隔離欄供電。

DC-DC電源采用AXP223電源系統(tǒng)管理芯片，電源外圍貼合保護板，AXP223電源系統(tǒng)管理芯片和DC-DC電源連接的保護板采用JBD-HP16SA型號，具有過充保護、過放保護、溫度保護、短路保護、過流保護以及二次過壓等功能。

2.2 機械部分

機械結構如圖4所示。

圖4 機械結構

2.2.1 伸縮機構以及一端與伸縮機構連接的伸縮護欄繩

伸縮護欄繩能夠在伸縮機構的驅動下拉出或收緊，伸縮護欄繩的另一端能夠與相鄰的城市智能可移動道路交通隔離欄的伸縮機構連接，如圖5所示。伸縮機構包括步進式電機以及高強度透明塑料卷軸，通過強力黏貼的方式進行固定。

圖5 伸縮機構

2.2.2 底座

底座包括圓臺形底部外殼以及圓臺形底部外殼底部的底盤，如圖6所示。移動輪組件包括至少2個移動輪，對稱設置在底盤上，移動輪的驅動電機與控制模塊連接，舵機設置在底盤上，位于2個移動輪之間，并能夠在控制模塊的控制下改變移動方向。

圖6 底座

2.3 傳感監(jiān)控部分

傳感監(jiān)控需要實時收集終端的道路數(shù)據(jù)，包括監(jiān)控系統(tǒng)、紅外傳感器、電子雷達、傳感器和攝像頭等設備的數(shù)據(jù)。

2.3.1 監(jiān)控系統(tǒng)

攝像頭設置在錐形監(jiān)控外殼內，攝像頭Allwinner ARM CortexTM-A7架構的四核應用處理器與視頻處理芯片TMS320DM6446連接；RTL8189ETV無線模塊、4G數(shù)傳終端（4GDTU）F2X16與控制模塊的基于GPRS+GPS的遠程監(jiān)控指揮系統(tǒng)連接，連接后通過無線模塊、4G采用（全網(wǎng)通/4G/3G/2.5G）全線兼容，數(shù)據(jù)傳終端遠程發(fā)出或存儲視頻信號。

2.3.2 紅外傳感器、電子雷達

紅外傳感器、電子雷達實時掃描城市道路的車流密集度，收集道路信息回傳到交通監(jiān)管中心數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的異常，當來往道路出現(xiàn)明顯的出流量不均時，系統(tǒng)自動警報，提醒交通監(jiān)管中心遠程控制智能護欄對兩側車道數(shù)進行重新分配。

2.3.3 傳感器和攝像頭

傳感器和攝像頭實現(xiàn)了對城市道路網(wǎng)的實時監(jiān)控，通過數(shù)據(jù)的回傳、處理以及網(wǎng)絡平臺的共享，讓司機用戶實時地了解城市交通網(wǎng)絡，可以更好地幫助司機遠離擁堵道路。且能夠偵查交通事故的發(fā)生地點，交通警察可以緊急啟動距離事故地點最近的護欄，在最快的時間內對道路交通進行疏導，而整個城市道路護欄也可以實時發(fā)布事故地點的擁堵狀況，以免使事故道路更加擁堵，這就是未來城市交通的解決方案，城市道路護欄設計可以使城市道路更加智能。

2.4 產(chǎn)品外部設計

產(chǎn)品外部設計需要考慮到人機工程學和產(chǎn)品所處的環(huán)境，包括尺寸設計、形狀設計以及外殼選材等。

2.4.1 尺寸及形狀設計

智能道路交通護欄的外部結構為上小下大的圓臺狀，穩(wěn)定性更強，不易傾倒（如圖7所示）。在結構上采取模塊化設計，有利于護欄的后期維護，方便維修人員對產(chǎn)品內部的硬件模塊進行拆卸、維修和更換，減少了對道路交通的影響。

圖7 潮汐車道產(chǎn)品可移動智能道路護欄尺寸圖

2.4.2 外殼選材

產(chǎn)品的下部為橡膠材質，有優(yōu)良的抗撞擊性，同時具有良好的延展性和韌性，可以很好地抵抗來自道路車輛的沖撞，該產(chǎn)品的上部外殼材料選用化學穩(wěn)定性良好、在常溫狀態(tài)下不容易發(fā)生變形的ABS塑料。

3 技術創(chuàng)新

可移動智能道路護欄的功能及其對應的實現(xiàn)方法、實現(xiàn)意義和優(yōu)勢對比見表1。

表1 功能創(chuàng)新說明表

4 結語

該系統(tǒng)具有智能化、實時化、可控制化以及安全可靠等特點，能夠較好地解決目前道路管理和資源分配不均的問題，多種模塊化的集成實現(xiàn)了智能化道路監(jiān)控功能，機械部分和電路控制的結合實現(xiàn)了對道路資源的合理分配，有助于緩解道路擁堵和潮汐車流問題。精簡的內部結構和合理的材料選擇節(jié)約了成本，適用于大規(guī)模應用和推廣的場合，同時可滿足全段道路監(jiān)控，有效地提高了道路協(xié)調效率，減少了路政管理的經(jīng)濟成本和時間成本，太陽能供電模塊可以減少環(huán)境污染，具有兼顧節(jié)約經(jīng)濟和環(huán)境保護的優(yōu)點。