一种人性化自适应减速系统及其设计方法 ( 一 ) 技术领域
本发明涉及交通科学， 具体说就是一种人性化自适应减速系统的设计方法。 ( 二 ) 背景技术
减速带， 亦称减速垄， 是用于减速机动车、 非机动车行驶速度的道路安全设施， 对 抑制交通事故的发生发挥重要的作用。减速带通常配合一定的限速标志共同发挥作用， 既 可以保障汽车行驶过程的安全性， 又起到缓冲减速目的， 减少交通事故发生。
近年来， 随着我国社会经济的发展， 道路等级不断提升， 汽车数量迅猛增长， 道路 上的交通事故也日益突出。据近年统计资料显示， 超速行驶导致死亡约占道路交通总死亡 人数的 15％左右， 是导致交通事故伤亡的重要原因之一。 其影响因素主要有以下几个方面 ： 其一， 驾驶员不遵守道路交通标识标线限速， 限速标志遵章率不高 ； 其二， 驾驶员对速度的 主观感受因人而异， 驾驶员即使获取限速信息， 实施减速， 未必能够保证行驶速度满足规定 限速值。此外， 道路使用者对减速带的要求不再局限于 “减速” 这一最低层面上， 而是越来 越关注使用减速带的安全性、 舒适性和方便性。 因此， 为了进一步提高减速限速功能的效率 和质量， 充分体现以人为本的特色， 提高使用减速带的安全性和舒适程度， 迫切需要一种能 够提高限速效率的人性化减速系统。
目前常见的减速带有橡胶减速带、 圆形减速带、 太阳能减速带。 这些减速带均属静 态的减速设施， 国内外也通常采用此种减速方法对行驶车辆进行减速。静态减速带设计的 缺点是不能及时适应速度环境的变化， 即使车辆以低于限速值的速度行驶时， 仍然会受到 减速带来的干扰。 因此， 一种根据行驶速度动态实施减速效果的减速装置， 可以使速度与环 境密切配合， 从而改进现有道路交通减速带的不足。( 三 ) 发明内容
本发明的目的在于提供一种通过检测到达车辆车速， 与道路路段限速值比较， 决 定是否对车辆实行强制减速的人性化自适应减速系统及其设计方法。
本发明的目的是这样实现的 ： 所述的人性化自适应减速系统是由减速装置、 传动 装置、 电动机、 传输电缆、 单片机和车辆检测线圈组成的， 减速装置连接传动装置， 传动装置 连接电动机， 电动机通过传输电缆与单片机连接， 单片机连接车辆检测线圈。
所述的人性化自适应减速系统的设计方法， 步骤如下 ：
步骤一 ： 路段限速标志
在距离车辆检测线圈前方为 S 的地点设置路段限速标志， 以告知驾驶员进行减 速， 为使驾驶员能够在该距离内减速至合理要求， 距离 S 需满足一定的要求， 具体计算如 下：
S——车辆检测线圈距限速标志距离， m；
V1——初始速度， km/h ；
V0——路段限速值， km/h ；
——摩擦系数 ；
f——滚动阻力系数 ；
i——坡度 ；
根据路段平均行车速度、 路段限速值， 计算出 S， 具体设置过程中， 只要限速标志距 车辆检测线圈的距离大于 S 即可 ；
步骤二 ： 减速装置
人性化自适应减速系统的减速装置由弧状部分与平面部分两部分组成， 预埋至弧 状圆槽内， 当车辆未超速时， 撤销减速效果， 保证车辆舒适行驶的状态， 要求自自适应减速 装置露出地面部分的宽度尺寸在 300mm±5mm 至 400mm±5mm 范围内， 高度尺寸在 25mm±2mm 至 70mm±2mm 范围内， 且高度与宽度尺寸之比不大于 0.7 ； 考虑舒适度问题， 减速装置的弧 状部分凸出地面高度尺寸取 70mm， 计算可知， 初始状态凸出地面圆弧对应的圆心角为 90 度， 凸出地面的高度为 反推得知减速装置弧状部分对应的半径 R ＝ 141.4mm， 减速装 置平面部分与地面相接时， 其对应的平面宽度为 1.414R， 即 200mm ； 故减速装置的初始状态 为弧状部分凸出地面， 凸出高度设计 70mm， 宽度设计 200mm， 平面部分宽度设计 200mm ； 步骤三 ： 预检行驶车辆速度
预检装置采用车辆检测线圈来实现， 车辆检测线圈埋置于减速装置前方距离 L 处， 当有车辆驶过车辆检测线圈时， 车辆切割磁力线产生振荡频率， 利用开始和结束之间的 时间间隔测量汽车的移动速度， 车辆行驶的点速度被及时记录下来并通过电缆将车速信息 传送给单片机， 车辆检测线圈与减速装置的距离 L 由限速值即阈值 V0、 单片机处理时间 t1 和 电机转动到指定位置所需时间 t2 共同决定， 它们之间满足以下关系 ：
L/V0 ＞ t1+t2
根据实际情况， 车辆检测线圈和减速装置之间的距离应大于等于车身长度， 这里 取均值 L ＝ 5m ；
单片机处理时间 t1 与电机转动到指定位置所需时间 t2， 均以毫秒为单位， 由此计 算出来的 L 远小于 5m， 故车辆检测线圈与减速装置的距离 L 设计为 5m ；
步骤四 ： 与路段限速值进行比较
单片机接受车辆检测线圈传来的速度信息 V2， 并与阈值 V0 进行比较， 据此对电动 机发出指令， 控制减速装置的转动角度和转动方向， 实现人性化减速的目的 ； 单片机通过阈 值比较结果输出 0 或 1， 若 V2 ＞ V0， 单片机输出指令 1 ； 若 V2 ≤ V0， 单片机输出指令 0 ；
步骤五 ： 传输指令
电缆用来在车辆检测线圈和单片机之间以及单片机和电动机之间传输信号、 指 令， 单片机通过电缆将指令传递给电动机， 电动机接收传输指令， 决定是否实施减速 ；
步骤六 ： 决定是否实施减速
电动机带动减速装置实施减速， 减速装置与电动机通过齿轮联动， 系统初次使用 时， 单片机初始值为 1， 减速装置弧状部分凸出地面 70mm 高度， 若电动机接收传输指令为 1， 减速装置保持初始状态不变、 呈弧状部分凸出地面 70mm， 达到减速效果 ； 若电机接收传输
指令为 0， 电动机带动减速装置转动， 将减速装置平面部分转到与地面齐平的位置， 车辆舒 适、 平稳通过， 不受减速影响 ；
步骤七 ： 恢复减速初始状态
当电动机收到的传输指令为 0 时， 车辆平稳通过后， 减速装置恢复到弧状部分凸 出地面的初始状态。
本发明一种人性化自适应减速系统及其设计方法， 是通过检测到达车辆的车速， 与道路路段限速值比较， 决定是否对车辆实行强制减速， 对于超速车辆进行强制减速， 对于 未超速车辆撤销减速效果， 使其安全、 舒适、 平稳通过。 其优越性体现在 ： 一方面保障了车辆 限速的效率， 另一方面提高了限速的质量， 充分体现了以人为本、 以综合效益最优为目标的 思想， 实现了对减速的动态人性化控制。 本发明只需测量车辆行驶速度， 将其与限速阈值比 较， 即可判断是否对减速装置实施指令， 操作方便、 工程投资少， 可创造良好的经济效益， 具 有广阔的推广应用价值。 ( 四 ) 附图说明
图 1 为本发明的人性化自适应减速系统设计示意图 ；
图 2 为本发明的减速装置示意图 ； 图 3 为本发明的减速装置三视图 ； 图 4 为本发明的减速装置侧剖图 ； 图 5 为本发明的车辆检测线圈示意图 ； 图 6 为本发明的人性化自适应减速系统实施流程图。( 五 ) 具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作进一步说明。
实施例 1 ： 结合图 1- 图 6， 本发明一种人性化自适应减速系统， 它是由减速装置、 传 动装置、 电动机、 传输电缆、 单片机和车辆检测线圈组成的， 减速装置连接传动装置， 传动装 置连接电动机， 电动机通过传输电缆与单片机连接， 单片机连接车辆检测线圈。
所述的人性化自适应减速系统的设计方法， 步骤如下 ：
步骤一 ： 路段限速标志
在距离车辆检测线圈前方为 S 的地点设置路段限速标志， 以告知驾驶员进行减 速， 为使驾驶员能够在该距离内减速至合理要求， 距离 S 需满足一定的要求， 具体计算如 下：
S——车辆检测线圈距限速标志距离， m； V1——初始速度， km/h ； V0——路段限速值， km/h ； ——摩擦系数 ； f——滚动阻力系数 ；i——坡度 ；
根据路段平均行车速度、 路段限速值， 计算出 S， 具体设置过程中， 只要限速标志距 车辆检测线圈的距离大于 S 即可 ；
步骤二 ： 减速装置
人性化自适应减速系统的减速装置由弧状部分与平面部分两部分组成， 预埋至弧 状圆槽内， 当车辆未超速时， 撤销减速效果， 保证车辆舒适行驶的状态， 要求自适应减速装 置露出地面部分的宽度尺寸在 300mm±5mm 至 400mm±5mm 范围内， 高度尺寸在 25mm±2mm 至 70mm±2mm 范围内， 且高度与宽度尺寸之比不大于 0.7 ； 考虑舒适度问题， 减速装置的弧 状部分凸出地面高度尺寸取 70mm， 计算可知， 初始状态凸出地面圆弧对应的圆心角为 90 度， 凸出地面的高度为 反推得知减速装置弧状部分对应的半径 R ＝ 141.4mm， 减速装 置平面部分与地面相接时， 其对应的平面宽度为 1.414R， 即 200mm ； 故减速装置的初始状态 为弧状部分凸出地面， 凸出高度设计 70mm， 宽度设计 200mm， 平面部分宽度设计 200mm ；
步骤三 ： 预检行驶车辆速度
预检装置采用车辆检测线圈来实现， 车辆检测线圈埋置于减速装置前方距离 L 处， 当有车辆驶过车辆检测线圈时， 车辆切割磁力线产生振荡频率， 利用开始和结束之间的 时间间隔测量汽车的移动速度， 车辆行驶的点速度被及时记录下来并通过电缆将车速信息 传送给单片机， 车辆检测线圈与减速装置的距离 L 由限速值即阈值 V0、 单片机处理时间 t1 和 电机转动到指定位置所需时间 t2 共同决定， 它们之间满足以下关系 ：
L/V0 ＞ t1+t2
根据实际情况， 车辆检测线圈和减速装置之间的距离应大于等于车身长度， 这里 取均值 L ＝ 5m ；
单片机处理时间 t1 与电机转动到指定位置所需时间 t2， 均以毫秒为单位， 由此计 算出来的 L 远小于 5m， 故车辆检测线圈与减速装置的距离 L 设计为 5m ； ( 减速带和减速装 置是什么关系， 请看绿字 )
步骤四 ： 与路段限速值进行比较
单片机接受车辆检测线圈传来的速度信息 V2， 并与阈值 V0 进行比较， 据此对电动 机发出指令， 控制减速装置的转动角度和转动方向， 实现人性化减速的目的 ； 单片机通过阈 值比较结果输出 0 或 1， 若 V2 ＞ V0， 单片机输出指令 1 ； 若 V2 ≤ V0， 单片机输出指令 0 ；
步骤五 ： 传输指令
电缆用来在车辆检测线圈和单片机之间以及单片机和电动机之间传输信号、 指 令， 单片机通过电缆将指令传递给电动机， 电动机接收传输指令， 决定是否实施减速 ；
步骤六 ： 决定是否实施减速
电动机带动减速装置实施减速， 减速装置与电动机通过齿轮联动， 系统初次使用 时， 单片机初始值为 1， 减速装置弧状部分凸出地面 70mm 高度， 若电动机接收传输指令为 1， 减速装置保持初始状态不变、 呈弧状部分凸出地面 70mm， 达到减速效果 ； 若电机接收传输 指令为 0， 电动机带动减速装置转动， 将减速装置平面部分转到与地面齐平的位置， 车辆舒 适、 平稳通过， 不受减速影响 ；
步骤七 ： 恢复减速初始状态
当电动机收到的传输指令为 0 时， 车辆平稳通过后， 减速装置恢复到弧状部分凸出地面的初始状态。
实施例 2 ： 结合图 1- 图 6， 本发明人性化自适应减速系统设计方法是为了提高现有 道路减速带减速的效率和质量， 充分发挥减速带与速度环境的互动关系， 原理简单、 施工难 度低且速度快、 利于推广应用的一种动态减速系统设计方法。
人性化自适应减速系统主要是由预检装置、 单片机、 减速装置、 电缆等几部分有机 组成的。本发明的目的是这样实现的 ：
假设某道路路段限速为 V0km/h， 将人性化减速系统安置于该路段上， 减速系统中 减速装置的弧状部分凸出地面一定高度， 预检线圈置于减速装置前方， 限速警示标志置于 预检线圈前方， 系统的整体示意图见附图 1。
①某车辆以 V1km/h 的速度在该道路上行驶， 当看到限速警示标志后， 实施减速， 继 续前行。 当该车辆通过减速系统的预检线圈时， 预检线圈记录下该车辆的车速为 V2km/h， 并 通过电缆将车速信息传送给单片机， 单片机将接收到的车速信息与阈值 V0 进行比较。
②若 V2 ＞ V0， 即车辆超速行驶， 单片机输出给电机发送转动指令 1， 减速装置保持 初始状态不变， 将弧状部分凸出地面， 强制车辆减速。
③若 V2 ≤ V0， 即车辆未超速行驶， 单片机输出给电机发送转动指令 0， 电机带动减 速装置逆时针转动 180 度， 将减速装置平面部分转至与地面齐平的位置， 让车辆安全舒适 地通过。车辆通过后， 电机再带动减速装置逆时针转动 180 度， 恢复到初始位置， 即将减速 装置弧状部分凸出地面一定高度， 并恢复单片机初始值为 1。 本发明人性化自适应减速系统设计方法的特点是通过检测到达车辆的车速， 与道 路路段限速值比较， 决定是否对车辆实行强制减速， 对于超速车辆进行强制减速， 对于未超 速车辆撤销减速效果， 使其安全、 舒适、 平稳通过。其优越性体现在 ： 一方面保障了车辆限 速的效率， 另一方面提高了限速的质量， 充分体现了以人为本、 以综合效益最优为目标的思 想， 实现了对减速的动态人性化控制。
本发明只需简单的测量车辆行驶速度， 将其与限速阈值比较， 即可判断是否对减 速装置实施指令， 减速装置的初始状态为实行减速效果， 思路简单新颖、 操作方便、 工程投 资少， 可创造良好的经济效益， 具有广阔的推广应用价值。
实施例 3 ： 结合图 1- 图 6， 本发明人性化自适应减速系统设计方法， 包含以下步 骤：
(1) 路段限速标志
在距离检测线圈前方为 S 的地点设置路段限速标志， 以告知驾驶员进行减速， 为 使驾驶员能够在该距离内减速至合理要求， 距离 S 需满足一定的要求。具体计算如下 ：
S——检测线圈距限速标志距离， m； V1——初始速度， km/h ； V0——路段限速值， km/h ； ——摩擦系数 ； f——滚动阻力系数 ；i——坡度。
根据路段平均行车速度、 路段限速值， 计算出 S， 具体设置过程中， 只要限速标志距 离地感线圈的距离大于 S 即可。
(2) 减速装置
人性化自适应减速系统减速装置由弧状部分与平面部分两部分组成， 预埋至弧状 圆槽内， 减速装置实施减速时示意如图 2 所示。当车辆未超速时， 撤销减速效果， 保证车辆 舒适行驶的状态， 减速装置的三视图如图 3 所示， 侧剖图如图 4 所示。
一般要求减速带的宽度尺寸在 300mm±5mm 至 400mm±5mm 范围内， 高度尺寸在 25mm±2mm 至 70mm±2mm 范围内， 且高度与宽度尺寸之比应不大于 0.7。考虑舒适度问题， 本发明中减速装置的弧状部分凸出地面高度尺寸取 70mm， 计算可知， 初始状态凸出地面圆 弧对应的圆心角为 90 度， 凸出地面的高度为
反推得知圆筒减速装置的半径 R ＝141.4mm。减速装置平面部分与地面相接时， 其对应的平面宽度为 1.414R， 即 200mm。 因此， 减速装置弧状部分凸出地面高度设计 70mm， 宽度设计 200mm， 平面部分宽度 设计 200mm。
(3) 预检行驶车辆速度
预检装置采用地感线圈来实现。地感线圈埋置于减速装置前方一定距离 L 处， 当 有车辆驶过线圈时， 车辆切割磁感线产生振荡频率， 利用开始和结束之间的时间间隔又可 以用来测量汽车的移动速度， 车辆行驶的点速度被及时记录下来并通过电缆将车速信息传 送给单片机， 地感线圈即车辆检测线圈示意图如图 5 所示。
理论而言， 车辆检测线圈与减速装置的距离 (L) 由限速值 ( 即阈值 V0)、 单片机处 理时间 (t1) 和电机转动到指定位置所需时间 (t2) 共同决定。它们之间满足以下关系 ：
L/V0 ＞ t1+t2
从实践角度出发， 车辆检测线圈和减速装置之间的距离大于等于车身长度， 根据 实际车辆长度， 这里取均值 L ＝ 5m。
综上， 单片机处理时间 t1 与电机转动到指定位置所需时间 t2， 均以毫秒 (ms) 为单 位， 由此计算出来的 L 远小于 5m， 故预检线圈与减速装置的距离 L 设计为 5m。
(4) 与路段限速值进行比较
单片机接受预检线圈传来的速度信息 V2， 并与阈值 V0 进行比较， 据此对电机发出 指令， 控制减速装置的转动角度和转动方向， 实现人性化减速的目的。
单片机通过阈值比较结果输出 0 或 1， 若 V2 ＞ V0， 单片机输出指令 1 ； 若 V2 ≤ V0， 单片机输出指令 0。
(5) 传输指令
电缆用来在预检线圈和单片机之间以及单片机和电机之间传输信号、 指令。单片 机通过电缆将指令传递给电机， 电机接收传输指令， 决定是否实施减速效果。
(6) 决定是否实施减速效果
是否实施减速效果通过电机带动减速装置转动来实现， 见图 5 所示， 减速装置与 电机通过齿轮联动。系统初次使用时， 单片机初始值为 1， 减速装置弧状部分凸出地面 70mm 高度。
若电机接收传输指令为 1， 减速装置保持初始状态不变、 呈弧状部分凸出地面70mm， 达到减速效果 ； 若电机接收传输指令为 0， 电机带动减速装置转动， 将减速装置平面 部分转到与地面齐平的位置， 车辆舒适、 平稳的通过， 不受减速带的影响。
(7) 恢复减速初始状态
当电机受到的传输指令为 0 时， 车辆平稳通过后， 减速带恢复到呈弧状凸出地面 一定高度的初始状态。系统的整个工作流程图见图 6。