基于碳纖維混凝土壓敏性的壓黃線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究＊

謝世濤 侯作富 李卓球 龐文彬 陳 強(qiáng)

（長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1） 荊州 434023） （武漢理工大學(xué)理學(xué)院2） 武漢 430070）

0 引 言

道路交通標(biāo)線規(guī)定，車(chē)道中心黃線是用來(lái)分隔對(duì)向行駛的交通流［1］.但目前不少司機(jī)為急于到達(dá)目的地或節(jié)省耗油而進(jìn)行違章駕駛.違章跨越道路中心黃線，不僅容易造成車(chē)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(gè)重要誘因.對(duì)于不按規(guī)定超車(chē)的壓黃線行為，有關(guān)法律法規(guī)早就做出相應(yīng)懲罰規(guī)定，但道路黃線與路口不同，由于它比較長(zhǎng)、范圍廣、警力有限，傳統(tǒng)視頻識(shí)別方式很難做到及時(shí)監(jiān)測(cè)且后續(xù)工作量巨大［2］.為了扼制機(jī)動(dòng)車(chē)違章壓黃線現(xiàn)象，建立一套全新的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用來(lái)克服現(xiàn)有設(shè)備及方法的缺點(diǎn)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(fù)合材料（CFRC）.碳纖維水泥基復(fù)合材料是在普通水泥基材料中加入適量的導(dǎo)電項(xiàng)材料（碳纖維或炭黑等）而制成的一種新型復(fù)合材料［3］.CFRC具有明顯的導(dǎo)電性，而且其電阻率會(huì)隨著外界應(yīng)力條件的變化而變化，這就使CFRC產(chǎn)生了壓敏性、溫敏性、電磁屏蔽等一系列優(yōu)良的性能.利用壓敏性及和周?chē)炷粱w材料的相容性，采用CFRC作為道路黃線材料，對(duì)壓黃線違章行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)將是一種智能化的交通監(jiān)測(cè)手段.

1 報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)

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(tǒng)水泥基材料為基體復(fù)合而成的纖維水泥基復(fù)合材料，碳纖維的加入可以明顯地改善水泥基材料的力學(xué)性能，而且使原本不導(dǎo)電的水泥基材料具有導(dǎo)電性［4］.其導(dǎo)電性主要靠分散在基體中的短切碳纖維相互搭接形成網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)碳纖維分散在水泥基體中，受到未水化水泥顆粒、水化產(chǎn)物和缺陷裂紋等阻隔，形成勢(shì)壘，通過(guò)隧道效應(yīng)連通網(wǎng)絡(luò)的絕緣間隔而形成傳導(dǎo).在混凝土的正常工作范圍內(nèi)開(kāi)始受壓后，隨著壓應(yīng)力的增大，內(nèi)部原有缺陷裂紋在壓力作用下閉合，電子有可能越過(guò)較窄的勢(shì)壘，從一根纖維躍遷至另一根纖維，導(dǎo)致試樣電阻值發(fā)生變化，這就是碳纖維混凝土的壓敏性.通過(guò)測(cè)試碳纖維混凝土的電阻變化值，就可以探知混凝土構(gòu)件的受力情況.

1.2 系統(tǒng)的構(gòu)造設(shè)計(jì)方案及工作原理

基于碳纖維混凝土壓敏性的壓黃線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由路面觸發(fā)單元、信號(hào)監(jiān)測(cè)單元、抓拍單元和終端控制單元及相應(yīng)的電路組成.

1.2.1 CFRC觸發(fā)單元 CFRC觸發(fā)單元是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的基本單元，將其埋入道路黃線下面.埋設(shè)方式如圖1所示，每條黃線帶上可以由多個(gè)CFRC條塊連接而成.當(dāng)有應(yīng)力作用在黃線上時(shí)，CFRC觸發(fā)單元通過(guò)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(hào)傳遞到監(jiān)測(cè)單元進(jìn)行判斷.

圖1 CFRC埋設(shè)方式

1.2.2 信號(hào)監(jiān)測(cè)單元 該監(jiān)測(cè)檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，當(dāng)觸發(fā)單元有電壓變化信號(hào)傳送到監(jiān)測(cè)單元時(shí)該裝置對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行處理并與閾值相比較.如果電壓信號(hào)低于閾值，監(jiān)測(cè)單元發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)攝像單元實(shí)時(shí)拍攝；當(dāng)電壓信號(hào)高于閾值時(shí)，監(jiān)測(cè)單元不發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并返回預(yù)警狀態(tài).

圖2 監(jiān)測(cè)單元結(jié)構(gòu)圖

1.2.3 攝像抓拍單元 攝像抓拍單元現(xiàn)場(chǎng)圖如圖3所示.

圖3 攝像抓拍單元現(xiàn)場(chǎng)圖

采用無(wú)中繼傳輸距離60km的攝像機(jī)，攝像機(jī)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(tái)攝像機(jī)，節(jié)省了基礎(chǔ)及立柱的投資，增加了視屏監(jiān)視的范圍.

報(bào)警信號(hào)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)識(shí)別單元，對(duì)車(chē)輛違章行為進(jìn)行抓拍，抓拍器將拍到的圖像傳送到控制終端計(jì)算機(jī).

1.2.4 控制終端單元 當(dāng)圖片傳輸?shù)娇刂平K端計(jì)算機(jī)時(shí)，由專(zhuān)門(mén)的圖像識(shí)別軟件進(jìn)行處理［5－7］，處理得到的牌照號(hào)碼與聯(lián)網(wǎng)的車(chē)輛數(shù)據(jù)庫(kù)查找，得到車(chē)輛的全部信息，并記錄到另外一個(gè)有關(guān)車(chē)輛違規(guī)的數(shù)據(jù)庫(kù)，即駕駛員“黑名單”中，作為以后考核或處罰的依據(jù).

整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了不停車(chē)對(duì)壓黃線車(chē)輛的監(jiān)控，起到良好的道路安全監(jiān)測(cè)作用.

1.3 模擬實(shí)驗(yàn)

1.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置電路圖 圖4給出了該實(shí)驗(yàn)信號(hào)檢測(cè)裝置的電路原理圖，該裝置由緩沖器、放大器、比較器、反相驅(qū)動(dòng)器、繼電器等器件構(gòu)成.

圖4 實(shí)驗(yàn)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(hào)進(jìn)行放大.

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

反相驅(qū)動(dòng)器.接受來(lái)自主電路的信號(hào)，然后將信號(hào)進(jìn)行處理再轉(zhuǎn)移至相關(guān)的感應(yīng)器.

繼電器.一種用低電流來(lái)控制強(qiáng)電流的開(kāi)關(guān).通過(guò)磁場(chǎng)控制強(qiáng)電流電路開(kāi)關(guān)閉合.

1.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置的工作原理 該裝置可以自動(dòng)監(jiān)視由黃線下碳纖維混凝土處發(fā)來(lái)的報(bào)警信號(hào).利用碳纖維混凝土受壓時(shí)電阻減小的特性.用一個(gè)可調(diào)電位器RV1來(lái)模擬實(shí)際工程中的碳纖維混凝土壓敏電阻.當(dāng)RV1的電阻值變化時(shí)，其兩端電壓也將發(fā)生變化，電壓經(jīng)放大電路后利用比較器和閾值進(jìn)行比較，閾值電壓由可調(diào)電位器RV2控制，當(dāng)放大后的電壓小于閾值電壓時(shí)，運(yùn)放的輸出電壓U3為低電平，利用反向驅(qū)動(dòng)器控制繼電器吸合開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)攝像裝置；當(dāng)放大后的電壓大于閾值時(shí)，運(yùn)放的輸出電壓U3為高電平，反向驅(qū)動(dòng)器不工作.

2 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

基于CFRC智能材料的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不再只停留在原來(lái)的“看”路面監(jiān)控圖像的程度，還能自動(dòng)控制拍攝的時(shí)間.基于CFRC的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不但承擔(dān)了監(jiān)控任務(wù)中人的大部分工作量，更有效的提高了報(bào)警的精度和速度，并賦予了監(jiān)控系統(tǒng)自主判斷的能力.

1）更快的反應(yīng)速度.節(jié)省了原來(lái)監(jiān)控人員在確認(rèn)交通違章行為時(shí)查看監(jiān)控錄像和其他相關(guān)信息的時(shí)間，極大地提高了反應(yīng)速度.

2）更有效的監(jiān)控方式.當(dāng)違章行為發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)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(jiān)控人員對(duì)監(jiān)控錄像分析而造成的“監(jiān)控遺漏”問(wèn)題，有效地防止了人為因素造成的延誤.

3）通過(guò)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能獲得大量精確的信息，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，建立數(shù)據(jù)庫(kù)并對(duì)信息分析，為道路交通的運(yùn)營(yíng)管理提供參考.

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于違規(guī)跨越中心黃線的車(chē)輛，文章中提出了一套完整的原理與設(shè)計(jì)方案，利用壓力傳感材料（碳纖維混凝土）、自動(dòng)控制技術(shù)以及自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，并通過(guò)信號(hào)監(jiān)測(cè)單元對(duì)它做出響應(yīng)以及控制，主動(dòng)地提供關(guān)鍵信息和告警，擴(kuò)展了公路監(jiān)控系統(tǒng)功能的廣度和深度，擺脫了以往被動(dòng)控制的局面，解決了現(xiàn)有交通管理技術(shù)的不足，實(shí)現(xiàn)了在不影響交通流正常運(yùn)行的情況下，對(duì)違規(guī)跨越中心黃線的車(chē)輛進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，可以全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)、記錄違章跨越道路中心黃線的車(chē)輛.

［1］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.城市黃線管理辦法［S］.北京：中華人民共和國(guó)建設(shè)部，2005.

［2］丁正飛，黃 翔.基于智能視頻分析技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)［J］.中國(guó)交通信息產(chǎn)業(yè)，2008（5）：95－97.

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