1、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 日第 2 页 共 20 页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
2、、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 山区乡镇第 3 页 共 20 页目 录1. 研究背景41.1 当前形势.41.2 国外研究现状.42. 产品的开发与设计52.1 技术关键.52
3、.2 产品功能与技术指标.52.3 基本原理.52.4 所用设备和材料.62.5 开发与设计过程.72.6 产品可行性.83. 产品应用.93.1 急弯雨雾会车警示灯.93.2 高速公路匝道出车预警灯.103.3 偏远地区交叉路口智能指挥灯.113.4 车流量统计器.124. 创新特色.124.1 新型地磁感应传感器的开发与应用.124.2 LED 警示灯的选择与设计144.3 绿色环保的太阳能电源.154.4 成本较低.154.5 弥补视角缺陷.155. 应用前景.165.1 竞争性分析.165.2 社会收益分析.165.3 经济收益分析.166. 未来展望.177. 致谢.18参考文献19
4、第 4 页 共 20 页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
5、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
6、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
7、 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 国内研究现状第 5 页 共 20 页近年来，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
8、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
9、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 基本原理第 6 页 共 20 页图 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 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。
10、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
11、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。t 1 - 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，第 7 页 共 20
12、页保证其发光、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
13、 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 5.62.5 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
14、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。第 8 页 共 20 页图 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 3
15、00ml 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 1
16、0s。由此可以得出每天放电量为 0.4528200.5 10003600=35 mA * h。而我们所采用的太阳能电池组 是规格为电量 1600 mA*h，面积为 30cm30cm的。所以，它在满电状态时，供电时间约为1600mA*h35 = 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。 第 9 页 共 20 页充电电流为 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 800 mA
17、* 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25cm25cm 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
18、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，R125m ；设计速度 30km/h，R60m ；设计速度 20km/h，R30m） ，且停车视距小于公路工程技术标准 （JTG B01-2003）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
19、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
20、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，就可作第 10 页 共 20 页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，
21、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
22、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
