一種新型灑水車(chē)水幕投影提示系統(tǒng)

（武漢理工大學(xué) 國(guó)際教育學(xué)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(chē)作為美化城市、治污防霾的重要工具，發(fā)揮著顯著作用。但現(xiàn)實(shí)中，城市清潔車(chē)慢速行駛、占用道路，往往會(huì)對(duì)正常行駛車(chē)輛造成阻礙，因此具有明顯的“移動(dòng)瓶頸”效應(yīng)，加劇了城市交通擁堵。

根據(jù)武漢市的具體情況，影響交通的主要是灑水車(chē)，灑水車(chē)在主干道上每天作業(yè)2～4 次，且速度不超過(guò)20 km/h，由此可預(yù)見(jiàn)灑水車(chē)對(duì)武漢市區(qū)的交通影響還是較大的。通過(guò)在武漢市區(qū)實(shí)地調(diào)研以及查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，造成堵塞的主要原因是清掃車(chē)后方車(chē)輛的司機(jī)變道不及時(shí)或搶道。據(jù)統(tǒng)計(jì)，相比于一般路段，施工作業(yè)路段的平均車(chē)輛行程時(shí)間會(huì)增加20%～50%，而通行能力則要下降10%～20%。

1.2 國(guó)內(nèi)外技術(shù)狀況分析

目前，灑水車(chē)后方已經(jīng)有雙閃燈，而且會(huì)有音樂(lè)提醒后方車(chē)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(guò)水幕投影來(lái)加高雙閃燈位置，提示后方車(chē)輛提前進(jìn)行變道的裝置。

2013 年，俄羅斯一個(gè)團(tuán)隊(duì)將圖像投影到一薄水霧層上，實(shí)現(xiàn)了圖像顯示功能。2015-01 夜間，英國(guó)倫敦特拉法加廣場(chǎng)上利用水霧投影技術(shù)上演燈光秀，投射出世界首個(gè)“夜間彩虹”。

北京郵電大學(xué)修靈彥等人對(duì)小型水霧投影系統(tǒng)的研制及優(yōu)化進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)并制作了一套小型水霧投影裝置，實(shí)現(xiàn)了基本的成像功能。

1.3 研究意義

本文擬對(duì)灑水車(chē)對(duì)其他車(chē)輛的提示系統(tǒng)展開(kāi)研究，通過(guò)灑水車(chē)儲(chǔ)水罐中的水在一定高度處形成水幕，利用光源進(jìn)行投影，在其上形成提示信息，從而使其后方車(chē)輛提前做出變道等反應(yīng)，達(dá)到緩解由于灑水車(chē)等慢速車(chē)輛的影響造成交通瓶頸問(wèn)題的目的。

2 系統(tǒng)方案

2.1 對(duì)水幕產(chǎn)生裝置的設(shè)計(jì)

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(tǒng)通過(guò)水泵加壓，使水自下而上高速?lài)姵?，霧化后形成扇形水幕，燈光打到水幕上起到提醒后車(chē)前方灑水車(chē)正在作業(yè)的道路狀況。充分利用灑水車(chē)本身所具有的水泵和水罐資源實(shí)現(xiàn)灑水車(chē)尾部水幕的搭建。與灑水車(chē)工作灑水原理相似，灑水車(chē)在灑水作業(yè)時(shí)，水泵從水箱中吸水，并將一定壓力的水通過(guò)管道、閥門(mén)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(chē)水罐頂部設(shè)置扇形水幕噴頭，利用灑水車(chē)水泵加壓以滿足預(yù)定水幕高度要求。在水幕落下的位置布置一個(gè)合理大小的收集器，收集器內(nèi)設(shè)置多層過(guò)濾裝置。

2.2 對(duì)燈光投射裝置的設(shè)計(jì)

2.2.1 對(duì)燈光可見(jiàn)性的分析

為驗(yàn)證燈光在不同環(huán)境下的可見(jiàn)性，引入?yún)?shù)對(duì)比靈敏度，因?yàn)槿搜蹖?duì)不同的光亮度具有適應(yīng)能力，所以人眼無(wú)法記錄光亮度的絕對(duì)值，但是人眼對(duì)處于同一視場(chǎng)中的兩個(gè)顏色相同的物體的亮度差異的敏感性很強(qiáng)。把人眼剛能將目標(biāo)物與背景分開(kāi)時(shí)的亮度差與背景亮度的比值C稱(chēng)為人眼的對(duì)比靈敏度，公式為：

式（1）中：Lb為目標(biāo)亮度；Lh為背景亮度；△L為目標(biāo)亮度和背景亮度之差。

分別在上午、下午及晚上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選用了一般的釣魚(yú)燈在距離水幕0.5 m 處，利用光學(xué)照度計(jì)測(cè)出水幕處光照強(qiáng)度，再計(jì)算出對(duì)比靈敏度與標(biāo)準(zhǔn)相比較，這3 個(gè)時(shí)間段皆達(dá)到人眼可見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 對(duì)燈光顏色的確定

為了確定燈光色彩，引入照度閾值概念：當(dāng)環(huán)境亮度較暗時(shí)，目標(biāo)的能見(jiàn)與否取決于人眼所能感受到的最小照度值，稱(chēng)為照度閾值，以Ec表示。照度閾值與背景亮度有關(guān)，是人眼感覺(jué)的主觀物理量，只能通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)獲得統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。照度閾值的大小不僅與背景亮度有關(guān)，還與燈光的色彩有關(guān)。綜合考慮各種因素，本裝置采用黃色燈。

2.2.3 對(duì)燈光位置的確定

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)隨著燈光與水幕距離加大，水幕處的光強(qiáng)逐漸減小，當(dāng)燈光距離水幕距離2 m 左右時(shí)幾乎與外界光強(qiáng)相同。所以，燈光應(yīng)該盡量布置在與水幕盡可能近的后方。

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 對(duì)水幕高度與可視距離的相關(guān)性的分析

根據(jù)實(shí)際情況，在沒(méi)有應(yīng)用灑水車(chē)水幕投影系統(tǒng)且天氣晴朗的初始情況下，灑水車(chē)后方約50 m 的車(chē)輛可以看見(jiàn)正在作業(yè)的灑水車(chē)。應(yīng)用本系統(tǒng)后，隨著提示系統(tǒng)的抬高即將水幕布置在罐頂上方1 m 處時(shí)，后方100 m 車(chē)輛都可以注意到作業(yè)的灑水車(chē)。

選取灑水車(chē)后方車(chē)輛車(chē)頂在灑水車(chē)后部的水平投影為基準(zhǔn)，原先提示系統(tǒng)高度H0，距灑水車(chē)后方L0之內(nèi)的車(chē)輛可見(jiàn)前方作業(yè)車(chē)輛，即可視距離為L(zhǎng)0。當(dāng)水幕系統(tǒng)抬高到H時(shí)，距灑水車(chē)后方之L內(nèi)的車(chē)輛可見(jiàn)前方作業(yè)車(chē)輛，即可視距離為L(zhǎng)。假設(shè)不受建筑物或大型車(chē)輛受限視野，設(shè)可觀察角度為α，則提示系統(tǒng)高度的增加量△H與可視距離增加量△H關(guān)系為：

3.2 交通流模型的搭建

上述已經(jīng)得出了水幕高度與后車(chē)可視距離的關(guān)系，為了證明水幕系統(tǒng)可以提高道路行駛效率的猜想，通過(guò)對(duì)街道灑水車(chē)工作時(shí)的車(chē)輛行駛的觀察，可以建立如圖1 所示的交通流模型。

假設(shè)灑水車(chē)在一條單向兩車(chē)道，灑水車(chē)在右車(chē)道以V0的速度勻速行駛，在距離灑水車(chē)am 的車(chē)輛開(kāi)始向左車(chē)道變道，在灑水車(chē)車(chē)尾變道成功，每輛車(chē)的變道過(guò)程用時(shí)均為T(mén)秒，左車(chē)道車(chē)流速度V1，右車(chē)道變道前車(chē)速為V2，可以得到方程V2×T=a。

車(chē)速V、車(chē)流密度Q和車(chē)數(shù)N存在一定的函數(shù)關(guān)系，構(gòu)造經(jīng)驗(yàn)公式Vλ×Q=N（0<λ<1)。假設(shè)左車(chē)道車(chē)流密度為Q1，右車(chē)道車(chē)流密度為Q1，兩車(chē)道匯流后的車(chē)流密度為Qx，車(chē)速為Vx，經(jīng)過(guò)t秒，兩車(chē)道匯流的車(chē)數(shù)量為N=（V1－V0）×t×Q1+（V2－V0）×t×Q2，

圖1 交通流模型說(shuō)明圖

結(jié)合上述各個(gè)方程可得到兩車(chē)道匯流后的車(chē)速方程為：

由該式可以得出結(jié)論，當(dāng)a增大時(shí)，變道后速度會(huì)增加，因此，道路的通行效率會(huì)提高。

4 市場(chǎng)效益及相關(guān)前景分析

在本灑水車(chē)后部投影提示系統(tǒng)中，由于所成的像較為簡(jiǎn)單，所以投影難度降低，增強(qiáng)了該裝置的實(shí)用性。在系統(tǒng)使用后可以顯著起到對(duì)后方車(chē)輛的提示作用。本系統(tǒng)制作簡(jiǎn)單，安裝方便，適合于城市擁堵路況中使用的灑水車(chē)推廣。主要思路是通過(guò)在灑水車(chē)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(yuǎn)處車(chē)輛能夠得知灑水車(chē)位置，從而提前變道，避免交通發(fā)生堵塞，提高了道路通行效率。經(jīng)濟(jì)效益方面，中國(guó)灑水車(chē)保有量大，且灑水車(chē)在一定路況下對(duì)后方車(chē)輛阻擋嚴(yán)重，因此，有良好的市場(chǎng)效益和經(jīng)濟(jì)效益。此外，水幕可以吸附空氣中大量污染物顆粒，達(dá)到降塵抑塵的作用，使行車(chē)道上的交通揚(yáng)塵大大減少。同時(shí)，由于減少了擁堵，也在一定程度上起到節(jié)能減排的作用。