一種新型灑水車水幕投影提示系統

（武漢理工大學 國際教育學院，湖北 武漢 430070）

1 研究背景及意義

1.1 研究需求

城市清潔車作為美化城市、治污防霾的重要工具，發揮著顯著作用。但現實中，城市清潔車慢速行駛、占用道路，往往會對正常行駛車輛造成阻礙，因此具有明顯的“移動瓶頸”效應，加劇了城市交通擁堵。

根據武漢市的具體情況，影響交通的主要是灑水車，灑水車在主干道上每天作業2～4 次，且速度不超過20 km/h，由此可預見灑水車對武漢市區的交通影響還是較大的。通過在武漢市區實地調研以及查閱相關文獻發現，造成堵塞的主要原因是清掃車后方車輛的司機變道不及時或搶道。據統計，相比于一般路段，施工作業路段的平均車輛行程時間會增加20%～50%，而通行能力則要下降10%～20%。

1.2 國內外技術狀況分析

目前，灑水車后方已經有雙閃燈，而且會有音樂提醒后方車輛。但是由于受到道路限高的影響，雙閃燈的高度受到了限制。本文提出了一種通過水幕投影來加高雙閃燈位置，提示后方車輛提前進行變道的裝置。

2013 年，俄羅斯一個團隊將圖像投影到一薄水霧層上，實現了圖像顯示功能。2015-01 夜間，英國倫敦特拉法加廣場上利用水霧投影技術上演燈光秀，投射出世界首個“夜間彩虹”。

北京郵電大學修靈彥等人對小型水霧投影系統的研制及優化進行了研究，設計并制作了一套小型水霧投影裝置，實現了基本的成像功能。

1.3 研究意義

本文擬對灑水車對其他車輛的提示系統展開研究，通過灑水車儲水罐中的水在一定高度處形成水幕，利用光源進行投影，在其上形成提示信息，從而使其后方車輛提前做出變道等反應，達到緩解由于灑水車等慢速車輛的影響造成交通瓶頸問題的目的。

2 系統方案

2.1 對水幕產生裝置的設計

水幕成像就是把一束光照到水幕墻上，有著較明顯的提醒效果。本系統通過水泵加壓，使水自下而上高速噴出，霧化后形成扇形水幕，燈光打到水幕上起到提醒后車前方灑水車正在作業的道路狀況。充分利用灑水車本身所具有的水泵和水罐資源實現灑水車尾部水幕的搭建。與灑水車工作灑水原理相似，灑水車在灑水作業時，水泵從水箱中吸水，并將一定壓力的水通過管道、閥門輸送到水罐頂部的水幕噴頭處，從而可以形成扇形水幕。在灑水車水罐頂部設置扇形水幕噴頭，利用灑水車水泵加壓以滿足預定水幕高度要求。在水幕落下的位置布置一個合理大小的收集器，收集器內設置多層過濾裝置。

2.2 對燈光投射裝置的設計

2.2.1 對燈光可見性的分析

為驗證燈光在不同環境下的可見性，引入參數對比靈敏度，因為人眼對不同的光亮度具有適應能力，所以人眼無法記錄光亮度的絕對值，但是人眼對處于同一視場中的兩個顏色相同的物體的亮度差異的敏感性很強。把人眼剛能將目標物與背景分開時的亮度差與背景亮度的比值C稱為人眼的對比靈敏度，公式為：

式（1）中：Lb為目標亮度；Lh為背景亮度；△L為目標亮度和背景亮度之差。

分別在上午、下午及晚上進行實驗，選用了一般的釣魚燈在距離水幕0.5 m 處，利用光學照度計測出水幕處光照強度，再計算出對比靈敏度與標準相比較，這3 個時間段皆達到人眼可見標準。

2.2.2 對燈光顏色的確定

為了確定燈光色彩，引入照度閾值概念：當環境亮度較暗時，目標的能見與否取決于人眼所能感受到的最小照度值，稱為照度閾值，以Ec表示。照度閾值與背景亮度有關，是人眼感覺的主觀物理量，只能通過大量的實驗獲得統計數據。照度閾值的大小不僅與背景亮度有關，還與燈光的色彩有關。綜合考慮各種因素，本裝置采用黃色燈。

2.2.3 對燈光位置的確定

在實驗過程中，發現隨著燈光與水幕距離加大，水幕處的光強逐漸減小，當燈光距離水幕距離2 m 左右時幾乎與外界光強相同。所以，燈光應該盡量布置在與水幕盡可能近的后方。

3 數學模型

3.1 對水幕高度與可視距離的相關性的分析

根據實際情況，在沒有應用灑水車水幕投影系統且天氣晴朗的初始情況下，灑水車后方約50 m 的車輛可以看見正在作業的灑水車。應用本系統后，隨著提示系統的抬高即將水幕布置在罐頂上方1 m 處時，后方100 m 車輛都可以注意到作業的灑水車。

選取灑水車后方車輛車頂在灑水車后部的水平投影為基準，原先提示系統高度H0，距灑水車后方L0之內的車輛可見前方作業車輛，即可視距離為L0。當水幕系統抬高到H時，距灑水車后方之L內的車輛可見前方作業車輛，即可視距離為L。假設不受建筑物或大型車輛受限視野，設可觀察角度為α，則提示系統高度的增加量△H與可視距離增加量△H關系為：

3.2 交通流模型的搭建

上述已經得出了水幕高度與后車可視距離的關系，為了證明水幕系統可以提高道路行駛效率的猜想，通過對街道灑水車工作時的車輛行駛的觀察，可以建立如圖1 所示的交通流模型。

假設灑水車在一條單向兩車道，灑水車在右車道以V0的速度勻速行駛，在距離灑水車am 的車輛開始向左車道變道，在灑水車車尾變道成功，每輛車的變道過程用時均為T秒，左車道車流速度V1，右車道變道前車速為V2，可以得到方程V2×T=a。

車速V、車流密度Q和車數N存在一定的函數關系，構造經驗公式Vλ×Q=N（0<λ<1)。假設左車道車流密度為Q1，右車道車流密度為Q1，兩車道匯流后的車流密度為Qx，車速為Vx，經過t秒，兩車道匯流的車數量為N=（V1－V0）×t×Q1+（V2－V0）×t×Q2，

圖1 交通流模型說明圖

結合上述各個方程可得到兩車道匯流后的車速方程為：

由該式可以得出結論，當a增大時，變道后速度會增加，因此，道路的通行效率會提高。

4 市場效益及相關前景分析

在本灑水車后部投影提示系統中，由于所成的像較為簡單，所以投影難度降低，增強了該裝置的實用性。在系統使用后可以顯著起到對后方車輛的提示作用。本系統制作簡單，安裝方便，適合于城市擁堵路況中使用的灑水車推廣。主要思路是通過在灑水車上方一定高度處形成水幕，并在其上投影燈光提示信息，使得后方較遠處車輛能夠得知灑水車位置，從而提前變道，避免交通發生堵塞，提高了道路通行效率。經濟效益方面，中國灑水車保有量大，且灑水車在一定路況下對后方車輛阻擋嚴重，因此，有良好的市場效益和經濟效益。此外，水幕可以吸附空氣中大量污染物顆粒，達到降塵抑塵的作用，使行車道上的交通揚塵大大減少。同時，由于減少了擁堵，也在一定程度上起到節能減排的作用。