青岛理工大学机械与汽车工程学院 山东 青岛 266520
摘要：交叉口是道路交通网的重要枢纽点，也是事故发生的主要集中地。本着“绿色节能”、“人车互动让行”的设计理念，本设计包括了压力发电和储能模块、人-车互动警示模块两大部分。在盲区道路下方安装压电装置，在盲区道路两侧安装警示灯，整个系统通过与非门逻辑电路控制。该设计也可改造用于山路拐弯处警示，人口密集区域的减速提醒等。该系统设计对避免盲区交叉口交通事故的发生，提高交叉口通行效率具有重大意义。
关键字：交通事故；交叉口盲区；压力发电；预警系统；交通安全
1 研究背景
道路交通事故已经成为威胁人类生命安全的主要杀手之一[1]。我国交通安全改善的空间是很大的。只要通过政府及部门的共同努力，交通安全的状况一定会向好的方向发展[2]。我国道路交通事故死亡的绝对数几年来已高居世界第一并以较高的比例增长。专家预测，我国道路交通事故将在未来十年达到高峰[3]。而交叉口是道路交通网的重要枢纽点，也是交通事故的多发点。平面交叉口的交通安全问题已经成为世界各国共同关注的重要问题。
美国交通安全统计数据表明：每年有280万起交通事故发生在道路交叉口或附近，占所有道路交通事故的44%；约有280万起引起人员受伤的交通事故，发生在道路交叉口或附近，占全部引起人员受伤交通事故的48%；有8500人因发生在道路交叉口或附近的交通事故丧生，占所有交通死亡事故的23%[4]。通过对交叉口交通事故分析，交叉口视距不充分，通视三角区内有障碍物等造成驾驶员的视野盲区；同时交叉口行人、机动车、非机动车混行，交通环境比较复杂。故成为了交通事故易发段。道路交叉口交通事故问题亟待解决。
能源的利用已经成为当今社会一个非常紧迫的问题，如何尽我们的全力开发新能源，以成为当今社会人们普遍关注的问题。风能、太阳能、生物能及核能的研究和利用已经相当普遍。压力能的利用虽然有，但是在现实生活中，真正用到这项技术的并不多，大多数只是做一个理论研究。同济大学道路与交通工程教育部重点实验室对基于压电效应的沥青路面能量收集技术的可行性和效率进行探讨，速度60km/h的标准轴载对沥青路面深40 mm处所做的功在0.7MPa20Hz的荷载作用下，可产生超250V的电压，能稳定点亮8个LED灯，这验证了压电式路面能量收集技术的可行性[5]。
2 设计原理
2.1设计目标
本系统设计在公路路面铺设压电装置，其既作为警示灯的触发装置控制警示灯又将产生电量储存到蓄电池中为警示灯供电。当单侧道路只有车辆或行人即将到达交汇路口时，压电装置产生电量将储存到蓄电池中；当盲区两侧道路分别有行人和车辆时，与非门控制电路使压电材料在此时产生的电量和蓄电池中储存的电量放电使行人方向亮黄灯，以警示行人谨慎通过盲区路口，同时在车辆方向点亮黄灯，提醒车辆避让行人。从而实现人车互动让行，解决交叉口视野盲区的交通安全问题。该装置也可改造用于山路拐弯处警示，人口密集区域的减速提醒等。
2.2 系统设计
2.2.1材料的选择
我们对目前国内外现有的压电材料进行系统调查，参考赵鸿铎等基于压电效应的路面能量捕获的研究，分析目前常用几款压电换能器的作用模式、发电效果、使用寿命等关键参数（列于表1压电换能器的性能），在通过系统分析评价的基础上，选择系统采用的原材料。而其中Cymbal具有较好的换能效率、输出能量，以及中等的强度；此外，其还能承受 100 万次以上的最大限载的重复作用, 具有较好的抗疲劳性能，恰好适用于道路。故可选择此种压电换能器应用在我们的压力发电系统中。
表1 压电换能器的性能
（其中压电陶瓷采用市场上常见的PZT-5H，0. 7MPa作为输入应力）
2.2.2压电堆和储能模块设计
综合考虑系统的能源需求、储能需求，设计安装需求，对压电堆的结构、形式进行分析，构建合理的压电堆形式。单个压电堆换能器采用直径为1cm的钹式压电换能器阵列(Cymbal换能器阵列)。
储能装置是一个利用路面振动来收集能量的压电能量收集系统装置。将压电装铺设于路面内或直接用压电材料作为路面组成部分，通过车辆行走时路面振动来发电。压电式能量采集器在机械振动下产生的交流信号需要桥式整流器、滤波器和DC-DC电压转换单元，输出功率经三倍压电路升压后给蓄电池充电存储电量。选用型号为LTC3588-1的电源管理芯片，其内部集成一个低损耗、全波桥式整流器和高效率降压型转换器，将压电能量转换成调节好的电压输出。
将储能装置放置在信号灯杆内，方便维护。
2.2.3压力发电模块的道路铺设设计
通过计算不同速度行驶的人和车，确定车辆与行人的加速度，根据速度计算公式计算出压电模型放置的位置范围。
考虑尽量减少对道路正常使用的影响为核心，以压力发电的经济性为突破，确定压力发电模块在交叉口盲区附近道路的铺设范围和铺设方法。
车道：为避免将装置置于路面中时，降水影响道路结构，压电装置采用横向分离式铺设。在地下4cm处铺设该装置，车行道每20cm平行铺设一处，每处宽20cm、两端端距路基各30cm。上端铺设高强度橡胶块封层，两者组成弹性体，构成一个完整的发电装置。针对不同设计时速的道路，压电铺设距离不同。以设计时速为30km/h的道路为例，计算出其安全视距为30m，将其乘以安全系数1.2，在匝道路口累计铺设36m，并在路口预留3m无空隙压电装置以保证车辆怠速等待时警示灯持续发亮。
人行道：考虑6岁以上行人脚长大于15cm，行人原则上铺设间距为10cm，当学龄前儿童进入路段时，因为空隙，警示灯将变为闪烁，警示车辆有幼儿经过。为了统一，每处宽依然为20cm，累计铺设5.76米以预留至少4.5秒供机动车作出反应。
2.2.4交叉口盲区人车互动警示设计
警示标志设计：
分别设计只有单侧流量、双侧流量经过时的装置效果。行人车辆移动参数调查和分析设计出警示标志安装位置，通过调查分析资料设计出警示灯的形状模型。将车辆和人的一侧分别装有黄色警示灯，并配有警示牌，根据不同路况，将采用不同设计。
警示过程设计：
警示过程1：仅车辆进入压电区，警示灯无响应，车辆顺利通过交叉口，压电装置产生的电能经整流器后给供给蓄电池，蓄电池充电。
警示过程2：仅行人进入压电区，警示灯无响应，行人顺利通过交叉口。
警示过程3：行人与车辆同时进入，警示灯亮起，车辆制动避让行人，行人安全通过交叉口。
1）车辆较行人先进入压电区：警示灯亮警示驾驶员及行人注意前方将有行人或车辆通过。
①若警示灯亮时车辆刚刚进入铺设区域不远，则车辆紧急制动（国家标准规定，不超过9座的载客汽车，初速度为50km/h时，车辆紧急制动距离不得超过19m；总质量不超过4.5t的汽车，初速度为50km/h时，车辆紧急制动距离不得超过21m），车辆停止，车辆礼让行人优先通过。
②若警示灯亮起时车辆已经进入铺设区域一半以上，行人也将在车辆之后到达交叉口（车辆以最慢速度20km/h前行，行驶20m用时4s以内，行人行走5.76m至少用时5s），因此成功避免事故发生。
2）行人较车辆先进入压电区，警示灯亮警示行人及驾驶员注意前方将有车辆或行人通过，驾驶员减速停车避让，行人安全通过交叉口。
2.2.5人车互动系统养护设计
通过使用人员的反应，及时对人车互动系统进行维修，包括：信号灯的“亮”，“灭”状态对系统检修和对路面铺设部分进行检修。其中对信号灯的检修主要检修项有警示装置、压电装置与联接电路。对路面铺设部分进行检修的检修项主要有裂缝、坑槽、车辙。
2.3研究方法
本系统的理论研究主要包括道路交通组织管理、交通事故分析和压电陶瓷的能量转换。其中的重点是让行系统的理论设计和压电能量转换效率。根据不同研究对象采用了不同的研究方法。分列如下：
1）警示灯
目前多数路口人流、车流交叉汇流处通过灯光信号控制法将人流、车流时间分离从而解决交叉口的冲突。此办法强制交通流有序通过交叉口，对于交通流较大的交叉口作用明显，而针对我们所研究的某向交通流密度小的情况，此办法反而降低了路口效率和通过能力。多数盲区位置通过设置凸面镜帮助驾驶员扩大视野，其对已知前方路段路况的情况起到很大作用，但对于小交叉口盲区信息提示效果不明显。此问题采用了调查法，对目前交叉口盲区问题进行调查，进一步做交通事故分析。
2）压电模块
本系统中压电感应及供能部分的研究采用了文献研究法。为解决让行系统的行人或车辆感应问题和能量消耗问题，通过调查文献来获得资料，从而全面地、正确地掌握目前新能源发展的状况。而考虑到压力发电既可作为发电装置亦可作感应装置的优点，设计出了通过捕获路面受压带来的能量的压力发电供能模块，一举两得。
同时还采用了比较研究法。对比不同能量来源及触发装置解决方案的优缺点，例如红外感应装置相对简单但24小时耗电；太阳能光伏电源能量转换过程简单但放置位置有较高要求而我们的装置多用于交通复杂路段，光伏捕获效果不理想。而压力发电捕获的是汽车在路面振动的机械能，能量十分可观，应用前景广泛。
3 可行性分析
3.1政策可行性研究
我国大力扶持公共设施建设，系统属于交通管理与控制，体现了“以人为本”，“人车互动让行”。国务院批准了《“十三五”现代综合交通运输体系发展规划》，规划提倡推进智慧交通和绿色交通发展，强化政策制度保障，以网络化布局为基础，补齐基础设施短板。
根据《道路交通安全法》第44条的规定，在通过没有交通信号、交通标志、交通标线或者交通警察指挥的交叉路口时，行人相对于机动车享有优先通行权；即使行人已经违章，车辆仍应当减速慢行，甚至停车去避让行人。
3.2技术可行性研究
本设计分为压力发电和储能模块、人-车互动警示模块两大部分，意在通过压电技术对人和车辆进行捕捉，并将产生的电能通过整流储存起来。人-车互动警示模块通过储存的电能把人车交汇信息告知双方。该系统整体体现了“绿色节能”、“人车互动让行”的设计理念。
4 创新特色
压电换能器实时监测，即时发电、及时反馈，且该系统为独立整体，不受外界环境干扰，增加了交叉口通行效率。
采用“傻瓜式”设计，行人和车辆无需进行额外动作即可触发交叉口警示装置。
本设计借助汽车行驶过程中对道路的压力发电，贯彻了节能和环保理念。
5 应用前景(结语)
设计制造此装置对我国交通安全建设和能源利用效益有着十分重要的意义。这将大大提高交叉口安全系数，更好地保障人民的经济财产安全；利用道路压电产生的电能可缓解能源危机。通过系统工作原理的推广，可将系统运用到解决更多的视野盲区问题，例如：农村道路与公路出入口的盲区问题、山区弯道视野盲区安全行车问题，以及竖曲线为上坡路段的安全行车问题等多种视野盲区问题。
参考文献
[1]道路交通事故预防与对策[EB/OL] http://www.39.net/Hot Special/ztbd1/xgwz/36856.html 2004-04-06.
[2]陆键，项乔君.公路平交路口交通安全技术研究可行性研究报告[R]南京：东南大学交通学院，2004.
[3]何勇. 我国道路交通安全现状及对策[J] .公路交通科技，2003（1）：119-122.
[4]易汉文编译.美国道路交通事故最新统计数据[J]北美交通信息，2003，第十三卷.
[5]赵鸿铎，梁颖慧，凌建明，基于压电效应的路面能量收集技术[J]，上海交通大学学报2011-8（45）.
论文作者:孙刚豪
论文发表刊物:《防护工程》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/29
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