隧道及周边事故状态下的安全提示装置设计

岳俊芳，杨艳

（攀枝花学院 智能制造学院，四川攀枝花，617000）

0 引言

隧道事故偶然性大，危害性强、影响和损失巨大，并且易引发交通事故、危化品泄漏事故等灾害。并且由于隧道构造的特殊性发生事故后容易造成二次交通事故，而二次交通事故的发生会加剧事故的危害性，这对于道路交通的安全大为的不利。因此当隧道交通事故发生时对后方车辆进行警示尤为重要。

1 隧道安全警示方案

本文提到的安全提示装置主要针对隧道发生火灾、塌方、泥石流和交通事故时所提出的安全警示方案。当光纤光栅温度传感器检测到火灾的发生后，光纤光栅温度传感器立即将所得到的信息传递到单片机，然后单片机通过以无线传输的方式将指令传递到相应位置的LED灯和LCD显示屏之上，显示出相关的火灾警示内容；当塌方发生的时候，安置在隧道上的超声波传感器会及时检测到相关事故信息并将相应的信息传递给单片机进行处理，单片机处理后发出信号指令控制相应的显示装置显示出塌方警示内容；当泥石流发生的时候，超声波传感器检测到相关信息并且SL3-1型翻斗式雨量计水器所测数据超过阈值，传感器将相关数据发送给单片机，单片机经过处理后发出信号指令控制显示装置显示泥石流警示内容；当道路上发生交通事故时，工作人员通过隧道视频监控系统监控到交通事故发生，通过按键将信息传递给单片机，单片机经过处理后发出相关指令控制显示装置显示交通事故警示内容。

2 硬件设计

2.1 系统总体设计

该系统的总体设计方案如图1所示，设计通过光纤光栅温度传感器、超声波传感器、SL3-1型翻斗式雨量传感器和人工按键输入判断事故状态发生类型，然后单片机对采集到的信息进行处理后向预警显示装置发出信号指令，使安全提示显示装置显示出相关的警示内容，从而达到对后来车辆驾驶员起到警示的作用，减少二次交通事故的发生。

图1 系统框架图

2.2 输入模块

（1）STC15W4K32S4单片机

STC15W4K32S4单片机如图2所示，是无需转换芯片即可直接与PC的USB接口通信，集成了上电复位电路与高精准RC时钟，给单片机芯片加上电源就可运行程序；集成了大容量的程序存储器、数据存储器以及EEPROM，增加了定时器、串行口等基本功能部件；集成了AD、PCA、比较器、专用PWM模块、SPI等多功能接口部件，可大大地简化单片机应用系统的外部电路，使单片机应用系统的设计更加简洁，系统性能更加高效、可靠。

图2 STC15W4K32S4单片机

（2）光纤光栅温度传感器

本文设计中所采用的光纤光栅温度传感器的测温原理是通过检测光纤光栅的反射谱或透射谱的变化获得相应的温度值。其电路图如图3所示，VCC为电源电压，AO与单片机P10口相接从而将传感器所得数据传输给单片机进行处理。其结构简单、可靠性高、便于日常的维修保护且具有抗电磁干扰好、灵敏度高、耐腐蚀、响应速度快和测量精度高等良好性能。

图3 光纤光栅温度传感器电路图

（3）超声波传感器

超声波传感器由发送探头和接收探头组成，发送探头发送超声波，发送的超声波遇到障碍物后被反射，反射后的超声波被接受探头接受，以此来达到检测障碍物的目的，其电路图如图4所示。环形线圈虽也能检测道路上是否存在障碍物但是安装与维修起来耗费不方便，所以相比较下超声波传感器更适合用于障碍物的检测。

图4 超声波传感器电路图

（4）SL3-1型翻斗式雨量传感器

本文设计所使用的SL3-1 型翻斗式雨量传感器的基本结构包括盛水器、计数翻斗、汇集漏斗、计量翻斗、弹簧管、感应器、上翻斗、防堵网、底盘、筒身等。与其他类型雨量传感器如称重式雨量传感器、压电式雨量传感器相比精确度更高，可靠性更好。当所测数据超过阈值后，单片机发出相关信号指令控制安全提示显示装置显示出相关的内容。其电路图如图5示。

图5 SL3-1型翻斗式雨量 传感器电路图

（5）人工按键输入模块

当发生交通事故如车辆侧翻等，工作人员通过按键开关来控制安全提示显示装置显示事故状态下的提示内容。按键开关通过不同挡位断开与连接让安全提示装置显示出相应的事故状态下的安全提示内容。

2.3 输出模块

（1）LCD显示模块

在本文设计中，采用的是AGM1232G来显示相应的警示内容，其中单片机的引脚与AGM1232G显示屏引脚的具体连线如图6所示。通过电路的连接可以将警示的内容准确地传递到该LCD显示屏上。

图6 LCD显示模块图

（2）LED显示模块

当信息采集装置采集到相应的事故状态信息的时候，通过单片机进行处理之后，发出相对应的信号控制指令，在电路设计中LED所接的接口是单片机的P3.5、P3.6和P3.7接口。其中的接口连线方式如图7所示。

图7 LED显示模块图

3 软件设计

本设计通过运用Keil软件进行程序的编写与软件的调试。首先是开启电源，对系统进行初始化，之后系统程序完成相关塌方事故、泥石流事故、火灾事故和交通事故的信息采集，再将相应的安全警示内容LCD显示屏上显示。其具体的程序流程图如图8所示。系统中分别检测各事故类型的传感器在采集到相关的数据后，单片机对相关的事故数据进行处理后发出相关的信号指令控制安全提示装置显示相对应的警示内容。

图8 系统流程图

4 软件测试

本设计用Proteus软件进行仿真，仿真图如图9所示，仿真结果能较好地反应隧道安全提示装置设计效果。与事故类型相关的传感器检测到事故类型发生的信息时，单片机处理相关信息后发出信号指令控制安全提示显示装置做出仿真相关反应。受软件限制光纤光栅温度传感器、SL3-1型翻斗式雨量计水器没有设计，所以采用滑动变阻器代替，其阻值增减代表数量大小；超声波传感器、人工输入设置为按钮，其可以模拟相关信息的采集。

图9 系统仿真图

4.1 火灾测试结果

当安置在隧道上的光纤光栅温度传感器检测到火灾的有关信息时，由单片机检测到传感器传出的数据，单片机经过处理之后发出的信号指令让LED灯变为红色，并且LCD显示屏显示出“前方火灾，禁止通行！靠右停车”的字样，且在安全提示显示装置在进行警示的一定时间过后，LED灯会变成绿色不停闪烁和黄色不停闪烁，LCD显示屏显示“请由相邻车道调头”的字样，当事故解决时隧道恢复正常。火灾事故状态下的仿真测试结果如图10所示。

4.2 塌方测试结果

当安置在隧道上的超声波传感器检测到其中一条车道有异物存在时，单片机在检测到由传感器传出的数据之后，通过一系列的处理发出的信号指令使LED灯变成黄色，并且LCD显示屏显示出“前方塌方减速慢行”的字样，达到对后方车辆进行提示的目的；当两条车道都有异物存在时， LED灯变成红色，LCD显示屏显示出“前方塌方道路中断禁止通行靠右停车”的字样，且在安全提示显示装置在进行警示的一定时间过后，LED灯会变成绿色不停闪烁和黄色不停闪烁，LCD显示屏显示“请由相邻车道调头”的字样，当事故解决时隧道恢复正常。塌方事故状态下的具体仿真测试结果如图11所示。

图11 塌方测试结果图

本文提出的以STC15W4K32S4单片机为控制中心结合超声波传感器、光纤光栅温度传感器、SL3-1型翻斗式雨量计水器和隧道视频监控系统采集事故信息的安全提示设计装置可用于隧道交通系统中。在事故发生时可以及时警示后方车辆，从而达到减少二次交通事故的目的。不仅减少了隧道交通事故发生率，一定程度上提高了道路交通安全的程度，还保障了人民的人身财产安全。

4.3 交通事故仿真结果及分析

当工作人员根据隧道视频监控系统监测到有交通事故的发生并且只占据一条车道时的相关信息，通过人工输入将数据传递给单片机，单片机经过处理之后发出的信号指令让LED灯变为黄色，并且LCD显示屏显示出“交警提示您：注意观察，减速慢行”的字样；当监测到有交通事故的发生并且占据了两条车道时，此时的 LED灯变为红色，并且LCD显示屏显示出“交警指令：禁止通行 靠右停车”的字样，当事故解决时隧道恢复正常。交通事故仿真测试结果如图12所示。

图12 交通事故测试结果图

4.4 泥石流仿真结果及分析

当安置在隧道上的超声波传感器和SL3-1型翻斗式雨量计检测到有关泥石流事故状态的信息时，由单片机检测到传感器传出的数据，单片机经过处理之后发出的信号指令让LED灯变为红色，LCD显示屏显示“前方泥石流禁止通行靠右停车”的字样；且在进行一定的警示时间后，LED灯会变成绿色不停闪烁和黄色不停闪烁，此时的LCD显示屏会显示“请由相邻车道调头”的字样，当事故解决时隧道恢复正常。泥石流事故状态下的仿真测试结果图如图13所示。

图13 泥石流测试结果图

5 结语