面向二次事故預警的主動式智慧防撞護欄設計

汪 宇，潘 強，劉 林，周志鵬

（揚州大學，江蘇 揚州 225009）

1 研究背景

目前，我國公路網絡已經基本形成，隨之而來的是日益增長的交通需求與交通安全管理之間的矛盾。預計到2030年，交通運輸需求量、主要通道交通量或將有3~4倍的增長，可以預見的是公路的安全形勢將隨著經濟和社會的發展，以及汽車保有量和公路通車里程的增加，變得越來越嚴峻。公安部統計數據顯示，十多年來，中國交通事故死亡人數一直位居世界首位，公路常發生會車事故、超車事故、停車事故、彎道事故和追尾事故等導致事故死亡率居高不下。當道路發生事故后，不能及時提醒后方車輛，而后方駕駛員由于車速過快則來不及采取制動措施，往往導致更為嚴重的二次事故發生。

二次交通事故是指與第一次事故的時間相隔比較短，后車或來車來不及反應，因一次事故處理不當，二次事故當事人由于車速過快而無法及時發現情況而造成的交通事故。由于高速公路是一個高指標、線性、完全封閉的道路，駕駛員通常無法預測前方的障礙物，當駕駛員發現行駛方向前有問題時，由于車輛自身的速度太高，常常不能及時剎車，造成二次事故。二次事故發生的原因主要有以下幾個方面。第一，雨、雪、霧等天氣原因。駕駛員的可視度受天氣影響而變差，路面附著系數小，車輛制動能力降低，尤其是濃霧、團霧天氣，極易發生連續追尾事故。第二，疲勞駕駛。駕駛員在駕車過程中，逐漸產生精神疲勞，速度感和快速反映能力隨之減弱，對于前方發生事故、車輛堵塞、路面情況視而不清，極易發生二次事故。第三，超載超速。機動車駕駛員超速行駛，車速過快會延長制動距離，制動非安全區加大，遇到前方有情況時不能及時剎車制動，而導使二次事故發生。第四，現場處置時間過長，設置警戒不規范，不能有效警醒后方來車。

目前各國對避免二次事故發生做出了一系列應對措施。美國為應對高速公路交通事故及事故救援，建立了高速公路事故管理系統和緊急救助系統。高速公路事故管理系統主要由各州警察和公路巡查隊負責，通過計算機進行管理，整個系統擁有完備的通信設備、巡邏警車、應急設備和槍支。我國在發生一次事故后主要以人工報警、視頻識別、信息發布等為主，尚缺少針對事故發生的動態、及時、精準預警技術。

交通事故發生后多數情況會撞擊防撞護欄，而現有護欄多以半鋼性護欄為主，它是一種以波紋狀鋼護欄板相互拼接并由主柱支撐的連續結構。其主要作用是當車輛對其碰撞時能夠吸收能量，使其既不容易被撞毀，同時又可對車輛和司乘人員起到良好的保護作用。但是其局限性也十分明顯，只能在一定程度上減少事故帶來的損失，不能滿足現有公路對道路安全設施更高的需求。

因此，本作品以減少二次事故發生為主要目標，以提升事故應急預警及救援響應效能為主要手段，充分考慮事故發生時一般會對防撞護欄造成不同損毀程度的基本特性，瞄準交通強國戰略及新基建背景下的新型交通基礎設施建設需求，創新性提出將普通防撞護欄設計成融合撞擊感知、空間定位、預警發布、系統聯動等功能為一體化的智慧防撞護欄系統的研究思路，以解決當前對二次事故預警時效性不高的問題。

2 設計原理

2.1 設計思路

護欄設計基本思路如圖1所示。

圖1 護欄設計基本思路

2.1.1 事故動態及時預警

通過在防撞護欄上安裝振動速度傳感器和黃色警示燈，達到發現一次事故和防止二次事故發生的效果。車輛撞向防撞護欄后，傳感器分析識別異常頻率的等級，控制黃色警示燈分級閃爍，警醒駕駛員前方有交通事故發生，駕駛員在感知燈光信息后進行減速。

2.1.2 事故信息及時發布

在碰撞發生的同時，護欄上的定位功能可將事故位置信息通過衛星基站傳送至交管部門，交管人員可在第一時間知道事故地點，進行對應的道路救援和信息發布工作。

2.2 研究方法

2.2.1 收集資料與查閱文獻

根據本文的研究課題確定文獻查閱方向，了解現有防撞護欄的規格和材料，選取感應器，了解車禍的類型與車輛的制動距離的影響因素，調查現有的道路信息發布技術、預警方式、動態判斷及識別技術。

2.2.2 數據收集整理與防撞護欄設計

通過實地調查與文獻查閱，收集防撞護欄強度、感應器觸發頻率、車禍發生主要形式的比例等數據，將收集到的數據進行整理分析，設計護欄，判斷感應器的安裝距離，護欄的長寬高數值，燈光的顏色、強度及閃爍程度。

2.2.3 預警系統設計

通過感應器與5G基站連接，實時收集路段信息并與交管部門共享，振動速度傳感器檢測到碰撞信息時，通過碰撞強度判斷事故嚴重等級，控制警示燈閃爍的頻率，并且將事故地點等信息傳送至交管部門。

2.2.4 模擬實驗與分析

運用LS-DYNA軟件進行現場模擬，加入主動預警的護欄后再次模擬車輛撞擊防撞護欄后發生情況，進一步分析，對比安裝前后同種情景下二次事故的發生率。

2.3 實現流程

第一步：通過采集全路段的二維地圖與三維影像，管理地理空間數據。

第二步：在護欄上每50 m安裝振動速度傳感器，實現基礎設施全方位數字化監測和管理。

第三步：每50 m對傳感器進行統一標識編碼，確保全路段可監測，精準定位事故地點。

第四步：振動速度傳感器分析，以震動頻率的強度作為依據，控制不同長度路段內的警示燈不同頻率的閃爍，實現護欄對撞擊事故的主動發現。

第五步：在交管中心創建護欄及傳感器的三維模型，以傳感器所在位置作為站點，當情況正常顯示綠色，異常顯示紅色。

第六步：出現撞擊情況后，護欄驅動實現一體化聯動，觸發警示燈閃爍，同時在交管中心顯示事故站點，提供事故信息，完成信息發布。

2.4 方案設計

2.4.1 護欄設計

（1）護欄外形：常用護欄為雙波波形護欄和三波波形護欄。雙波波形護欄防撞等級較弱，可用于危險等級較低的高速公路、鄉村公路等；而三波波形護欄防撞等級較高，適用于危險等級較高的路段，如山村公路、險要路段等。

（2）護欄組成：警示燈、振動速度傳感器、供電系統、定位裝置。

（3）具體位置：感應器和定位裝置安裝在護欄支柱中央的內側，警示燈安裝在支柱的正上方，并與感應器相連，電路敷設于道路設施帶。

（4）材料選擇：選擇半剛性護欄，均具有一定的剛度和韌性，主要通過橫梁、立柱和土基的變形吸收碰撞能量，損壞部件容易更換，具有一定的視線誘導作用，外形美觀。

護欄整體示意圖如圖2所示。

圖2 護欄整體示意圖

2.4.2感應器選擇

（1）振動速度傳感器是慣性式傳感器，它利用磁電感應原理把振動信號變換成電壓信號，該電壓值正比于振動速度值。可以直接安裝在機器外部，使用維護極為方便。

（2）輸出信號和振動速度成正比，因此對振動測量來說可以兼顧高頻、中頻和低頻的應用領域。

（3）具有較低的輸出阻抗，較好的信噪比，使用方便；靈活性好，可以測量微小的振動；有一定抗橫向振動能力（不大于10 g峰值）。

（4）a.外形尺寸：Ф41×92 mm；b.重量：400 g；c.使用溫度范圍：-30~120℃；d.頻響范圍：10~1 000 Hz（-3db）；e.幅值線性度：<3%；f.橫向靈敏度：<5%；g.靈敏度：20 mV/mm/s±5%；h.輸出阻抗：≤1 kΩ；I.絕緣電阻：≥2 mΩ；J.最大測量位移：1 mm（單峰值）。

2.4.3 警示燈選擇

（1）選擇的是黃色閃爍警燈，通過黃色閃爍的視覺刺激方式，可提高對駕駛人員的警示作用，使駕駛人員能預先采取規避行為，從而降低交通事故發生率，增強道路安全性。

（2）選擇的是更偏向于節能環保的太陽能警示燈，通過太陽能光伏板提供電源，并且具有防雨水，防沙塵，續航時間長的特點。

2.4.4 預警方式

（1）頻率分級：將振動速度傳感器感應頻率分為不同等級。磁電式振動傳感器響應頻率一般在0~2 000 Hz。第一等級：頻率在2 500~4 000 Hz；第二等級：頻率在4 000~5 500Hz；第三等級：頻率在5 500 Hz以上。

（2）道路分段：根據事故嚴重程度劃分需要預警的路段長度。第一路段：事故嚴重，3 km路段內可預警（50 m內發生事故）；第二路段：事故嚴重程度一般，1~2 km內可預警（50~200 m內發生事故）；第三路段：事故較輕微，1 km內可預警（200~500 m內發生事故）。

預警分級見表1。

表1 預警分級

（3）警示燈閃爍分級：國標規定黃色閃爍警示燈的閃爍頻率是（45±5）次/min，閃爍的亮暗時間比應為1∶1。第一閃爍等級：事故地點1 km內警示燈閃爍的頻率為50次/min；第二閃爍等級：1~2 km內閃爍頻率為45次/min；第三閃爍等級：2~3 km內閃爍頻率可為40次/min，如圖3所示。

圖3 分級預警示意圖

2.4.5 系統集成

防撞護欄預警步驟如圖4所示。

圖4 防撞護欄預警步驟

3 創新特色

（1）實現事故現場的動態響應和秒級預警發布。針對交通事故中車輛發生意外撞擊防撞護欄的情形，能及時有效地預警后方車輛，為后方車輛提供了更有利的制動條件。

（2）實現管控平臺對事故地點的精準感知及協同救援。通過衛星基站將事故路段信息傳輸到監控系統平臺，顯示事故報警的地點信息，交管人員可快速研判事發現場情況，及時處理完善。

4 應用前景

4.1 技術特點和優勢

防撞護欄感受車輛碰撞，通過振動速度傳感器分析震動頻率，判斷異常等級，分級控制警示燈閃爍，使后方駕駛員產生秒級響應。集成系統首先定位事故地點，將地點信息通過衛星基站傳輸至交管平臺，相關部門及時處理事故，有效避免二次事故發生，縮短事故處理時間。

在路段交通流量較大，車禍發生突然，后方車輛來不及響應時，此護欄可及時預警；特殊車輛制動距離較長，當事故發生后，此護欄可提前傳遞信息，駕駛員能采取有效制動等措施；特殊天氣如雨天、團霧等，駕駛員視線受限，可以通過此護欄上安裝的顏色明顯的黃色警示燈引起后方駕駛人員注意。

4.2 市場需求

近年來，國內公路二次事故頻發，性質惡劣，造成嚴重人員傷亡和經濟損失，引發社會各界高度關注。隨著經濟不斷發展，車輛保有量持續高速增長，若不及時進行遏制，此類事件將會呈現高發趨勢。此護欄設計能有效緩解車輛發生意外撞擊防撞護欄導致的二次事故發生，使來往駕駛員在發生事故后秒級響應，同時終端通過衛星基站將事故路段信息傳輸到監控系統平臺，可接收到事故報警、地點位置的信息，交管人員可快速研判事發現場情況，及時處理完善，從而構建一個安全和諧的交通環境。

4.3 適用范圍

本護欄適用的場地主要為高速公路、一級公路、安裝防撞護欄的山區特殊地段，如急彎道、上下陡坡等；適用與車輛發生意外撞擊防撞護欄，后方駕駛員不能及時發現事故，交管部門接收事故信息延遲的情況。

4.4 市場前景

本作品使用的設備技術成熟，其成本較低資金占用少，經濟廉價，裝置簡單，可安裝于多種路段的防撞護欄。技術提升空間大，操作簡單，可有效防止車輛發生意外撞擊防撞護欄導致的二次事故發生。符合國家安全交通政策，隨著經濟不斷發展，車輛保有量持續高速增長，潛在市場巨大，經濟效益十分可觀。

4.5 工程實際應用估算

振動速度傳感器。以1 000元每個為例：10 km需安裝200個，價格在20萬左右。

警示燈。以20元每個為例：10 km需安裝500個，價格在1萬元左右。

護欄。以10元/m為例：10 km價格在10萬元左右。

5 結束語

本作品以預警二次事故發生為目的，利用振動速度傳感器判別事故信息，通過黃色警示燈發布事故信息，利用集成系統將事故地點信息快速傳送至交管部門，可以解決車輛發生事故撞向防撞護欄引發二次事故的問題。該研究能夠一定程度上降低二次事故的發生率，對于一次事故提前預警能盡可能地為生命和救援贏得更多時間，對和諧社會構建、交通安全出行具有重大意義。