基于碳纖維混凝土壓敏性的壓黃線監測系統的設計研究＊

謝世濤 侯作富 李卓球 龐文彬 陳 強

（長江大學機械工程學院1） 荊州 434023） （武漢理工大學理學院2） 武漢 430070）

0 引 言

道路交通標線規定，車道中心黃線是用來分隔對向行駛的交通流［1］.但目前不少司機為急于到達目的地或節省耗油而進行違章駕駛.違章跨越道路中心黃線，不僅容易造成車輛碰撞或摩擦，更容易引起道路堵塞，是造成交通事故的一個重要誘因.對于不按規定超車的壓黃線行為，有關法律法規早就做出相應懲罰規定，但道路黃線與路口不同，由于它比較長、范圍廣、警力有限，傳統視頻識別方式很難做到及時監測且后續工作量巨大［2］.為了扼制機動車違章壓黃線現象，建立一套全新的智能監測系統，用來克服現有設備及方法的缺點并減少工作人員的工作量.

基于這種情況，本文提出在道路黃線下埋入一種新型的材料——碳纖維水泥基復合材料（CFRC）.碳纖維水泥基復合材料是在普通水泥基材料中加入適量的導電項材料（碳纖維或炭黑等）而制成的一種新型復合材料［3］.CFRC具有明顯的導電性，而且其電阻率會隨著外界應力條件的變化而變化，這就使CFRC產生了壓敏性、溫敏性、電磁屏蔽等一系列優良的性能.利用壓敏性及和周圍混凝土基體材料的相容性，采用CFRC作為道路黃線材料，對壓黃線違章行為進行監測將是一種智能化的交通監測手段.

1 報警裝置的設計

1.1 碳纖維混凝土的壓敏性

碳纖維水泥基材料是以短切碳纖維為填充相，以傳統水泥基材料為基體復合而成的纖維水泥基復合材料，碳纖維的加入可以明顯地改善水泥基材料的力學性能，而且使原本不導電的水泥基材料具有導電性［4］.其導電性主要靠分散在基體中的短切碳纖維相互搭接形成網絡，同時碳纖維分散在水泥基體中，受到未水化水泥顆粒、水化產物和缺陷裂紋等阻隔，形成勢壘，通過隧道效應連通網絡的絕緣間隔而形成傳導.在混凝土的正常工作范圍內開始受壓后，隨著壓應力的增大，內部原有缺陷裂紋在壓力作用下閉合，電子有可能越過較窄的勢壘，從一根纖維躍遷至另一根纖維，導致試樣電阻值發生變化，這就是碳纖維混凝土的壓敏性.通過測試碳纖維混凝土的電阻變化值，就可以探知混凝土構件的受力情況.

1.2 系統的構造設計方案及工作原理

基于碳纖維混凝土壓敏性的壓黃線監測系統由路面觸發單元、信號監測單元、抓拍單元和終端控制單元及相應的電路組成.

1.2.1 CFRC觸發單元 CFRC觸發單元是監測系統中的基本單元，將其埋入道路黃線下面.埋設方式如圖1所示，每條黃線帶上可以由多個CFRC條塊連接而成.當有應力作用在黃線上時，CFRC觸發單元通過感知自身所受壓力的變化而造成電阻變化，然后將其生成的信號傳遞到監測單元進行判斷.

圖1 CFRC埋設方式

1.2.2 信號監測單元 該監測檢測單元結構如圖2所示，當觸發單元有電壓變化信號傳送到監測單元時該裝置對電壓信號進行處理并與閾值相比較.如果電壓信號低于閾值，監測單元發出信號驅動攝像單元實時拍攝；當電壓信號高于閾值時，監測單元不發出驅動信號，并返回預警狀態.

圖2 監測單元結構圖

1.2.3 攝像抓拍單元 攝像抓拍單元現場圖如圖3所示.

圖3 攝像抓拍單元現場圖

采用無中繼傳輸距離60km的攝像機，攝像機可采用直流供電，且采用背靠背的形式安裝，即一根立柱頂端背靠背安裝兩臺攝像機，節省了基礎及立柱的投資，增加了視屏監視的范圍.

報警信號驅動自動識別單元，對車輛違章行為進行抓拍，抓拍器將拍到的圖像傳送到控制終端計算機.

1.2.4 控制終端單元 當圖片傳輸到控制終端計算機時，由專門的圖像識別軟件進行處理［5－7］，處理得到的牌照號碼與聯網的車輛數據庫查找，得到車輛的全部信息，并記錄到另外一個有關車輛違規的數據庫，即駕駛員“黑名單”中，作為以后考核或處罰的依據.

整個系統實現了不停車對壓黃線車輛的監控，起到良好的道路安全監測作用.

1.3 模擬實驗

1.3.1 實驗裝置電路圖 圖4給出了該實驗信號檢測裝置的電路原理圖，該裝置由緩沖器、放大器、比較器、反相驅動器、繼電器等器件構成.

圖4 實驗裝置電路圖

緩沖器.輸出電壓與輸入電壓大小相等，相位相同，通常輸入高電阻，輸出低電阻，起到緩沖的作用.

放大器.將微弱信號進行放大.

比較器.用來比較輸入信號電壓與參考電壓的大小，并將比較結果以高電平或低電平形式輸出的一種信號處理器.

反相驅動器.接受來自主電路的信號，然后將信號進行處理再轉移至相關的感應器.

繼電器.一種用低電流來控制強電流的開關.通過磁場控制強電流電路開關閉合.

1.3.2 實驗裝置的工作原理 該裝置可以自動監視由黃線下碳纖維混凝土處發來的報警信號.利用碳纖維混凝土受壓時電阻減小的特性.用一個可調電位器RV1來模擬實際工程中的碳纖維混凝土壓敏電阻.當RV1的電阻值變化時，其兩端電壓也將發生變化，電壓經放大電路后利用比較器和閾值進行比較，閾值電壓由可調電位器RV2控制，當放大后的電壓小于閾值電壓時，運放的輸出電壓U3為低電平，利用反向驅動器控制繼電器吸合開關，啟動攝像裝置；當放大后的電壓大于閾值時，運放的輸出電壓U3為高電平，反向驅動器不工作.

2 系統的優勢

基于CFRC智能材料的智能監測系統，不再只停留在原來的“看”路面監控圖像的程度，還能自動控制拍攝的時間.基于CFRC的智能監測系統不但承擔了監控任務中人的大部分工作量，更有效的提高了報警的精度和速度，并賦予了監控系統自主判斷的能力.

1）更快的反應速度.節省了原來監控人員在確認交通違章行為時查看監控錄像和其他相關信息的時間，極大地提高了反應速度.

2）更有效的監控方式.當違章行為發生時，系統能以最快的速度、最佳的方式提供有用的信息，避免了完全由監控人員對監控錄像分析而造成的“監控遺漏”問題，有效地防止了人為因素造成的延誤.

3）通過智能監測系統能獲得大量精確的信息，對這些數據進行整理，建立數據庫并對信息分析，為道路交通的運營管理提供參考.

3 結束語

對于違規跨越中心黃線的車輛，文章中提出了一套完整的原理與設計方案，利用壓力傳感材料（碳纖維混凝土）、自動控制技術以及自動識別技術，并通過信號監測單元對它做出響應以及控制，主動地提供關鍵信息和告警，擴展了公路監控系統功能的廣度和深度，擺脫了以往被動控制的局面，解決了現有交通管理技術的不足，實現了在不影響交通流正常運行的情況下，對違規跨越中心黃線的車輛進行自動監控，可以全天候自動監測、記錄違章跨越道路中心黃線的車輛.

［1］中華人民共和國建設部.城市黃線管理辦法［S］.北京：中華人民共和國建設部，2005.

［2］丁正飛，黃 翔.基于智能視頻分析技術的監控系統［J］.中國交通信息產業，2008（5）：95－97.

［3］侯作富，李卓球，胡勝良.融雪化冰用碳纖維導電混凝土的電阻率研究［J］.長江大學學報，2005，2（2）：264－266.

［4］韓寶國，關新春，歐進萍.碳纖維水泥石壓敏傳感器電極的實驗研究［J］.功能材料，2004，35（2）：262－264.

［5］嚴云洋，于永彥，劉 虎.視頻監測式越黃線電子警察的設計與實現［J］.計算機工程與應用，2005（31）：99－101.

［6］Francesco B，Ricci G.Adaptive detection and interference rejection of multiple point－like radar targets［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，2006，54（12）：4 510－4 520.

［7］Pretorius A J，Jarke J，van Wijk.Visual analysis of multivariate state transition graphs［J］.IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics，2006，15（5）：685－694.