公共汽车驾驶员智能分级防护系统

申立阳，马志远，郭宾，李彦璋，焉蕾，苏海龙

公共汽车驾驶员智能分级防护系统

申立阳，马志远，郭宾，李彦璋，焉蕾，苏海龙

（天津科技大学，天津 300222）

近年来发生了多起公共汽车驾驶员被乘客干扰导致车辆失控引发的意外事故。为了防止驾驶员在驾驶中受他人干扰形成安全隐患，设计了一种在驾驶员被干扰时最大限度降低意外事故发生的智能分级防护系统。该系统基于单片机89C52RC，集成了传感器、多种执行器和通信模块。改进了HX711的使用方法，实现了低采样率下测量持续时间极短，可实时监测车况，将车况分为四个安全等级，根据不同情况采取对应措施。及时提醒车内乘客或周边车辆，严重时司机可快速报警。该系统能有效防止乘客干扰司机，并且能在情况严重时保障行车安全。

公共汽车；驾驶员；分级防护；HX711模块

1 引言

公共汽车是人们出行的重要方式，有利于节约社会资源，提高交通运输效率，但由于人群密集，安全性必须有所保障。2018-10-28重庆万州22路公交车在长江二桥行驶中突然越过中心实线，撞击对向小轿车后坠入长江中，车内15人全部遇难。针对此问题，目前已有的解决方案都是物理防护，主要有设置单臂横杠隔离、半封闭式隔离门、玻璃防护罩。

现有解决方案的核心都是通过隔离以保证驾驶过程中免受干扰。但公交安全的主体不仅是驾驶员个人，还有周边交通环境。智能化分级防护系统在遇到突发状况时，除提供物理防护外，还能自动做出相应警示，保障驾驶员的正常驾驶，提醒周边车辆注意避让，并在发生危急状况时驾驶员能快速寻求外界帮助。整个系统对所发生情况的所有处置均为自动处理，驾驶员只需在危机情况点击一键报警按键即可处置，最大限度地保证行车安全。

2 系统组成及工作原理

2.1 系统组成

系统主要由防护门、传感器、执行器、单片机及其他辅助部件组成。防护门为双层全封闭式结构，为司机提供一个与外界隔绝的空间，防止与他人接触。朝向驾驶区的固定端门框为铸铁材料，受压端的材料为刚度较低的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS），朝向乘客区，其整体刚度下降，受力时产生的形变量相比于单层门铰接固定的形变量大大增加，而固定端本身为减震材料，且不与受压端直接相连，因此受压端受力时，振动难以传递到固定端。

传感器为DYHW-116压力传感器和声音传感器。执行器有语音模块、蜂鸣器模块、车内提示灯和车外报警闪光灯。通信模块采用GSM通信。单片机采用89C52RC，晶振频率为11.059 2 MHz用于收集、处理传感器的信息，并控制执行器执行相关操作。其他辅助部件有HX711模块、数字音频功率放大器、太阳能电池板。

2.2 工作原理

压力传感器共6个，分布于防护门窗的四角与门下两角落，压力传感器置于两玻璃夹层中。声音传感器置于驾驶舱内，用于司机与乘客交流和广播。车内提示灯装在门窗的边框，在警报触发时“请勿打扰司机行车”快速闪烁以提醒乘客不要干扰司机驾驶。情节严重时，“驾驶员需要帮助”提示灯快速闪烁。车外报警闪光灯使用车体自带的双闪，在二级警报触发时双闪打开。

防护门如图1所示，单片机主要连线如图2所示，工作主要流程如图3所示。

图1 防护门

图2 单片机主要连线

图3 工作主要流程

系统状态分为四个安全等级：正常行驶、轻微干扰、严重干扰、车辆失控。系统依据传感器受力大小判断安全等级，并采取相应措施，具体如下：①正常行驶。一般情况下为正常行驶状态，压力传感器受力较小。②轻微干扰。如果压力大于轻微干扰阈值，则触发语音消息提示，提醒乘客不要干扰司机。③严重干扰。如果压力大于严重干扰阈值则触发蜂鸣器，车辆内警报灯和车外双闪，进一步提醒车内乘客和同时提醒周边车辆注意避让。④车辆失控。当司机主观认定防护装置不能阻止乘客干扰，情节严重或突发意外状况时驾驶员按下一键报警按钮，公交总站通过车载监控了解车内情况，通过GPS确定公共汽车的地理位置，并可帮助调解现场或报警。

3 实验数据采集和分析处理

为了得到比较合理的力来实现智能分级的目的，找了4名实验员在力学实验室进行敲击实验，敲击对象钢板的材料为灰铸铁HT。主要操作步骤是每名同学连续轻击测力钢板5次后再重击5次。采集测力钢板受力情况。每名同学得到2组数据，共8组。求所有人轻击和重击数据每个尖峰的平均值，得到不同防护级别力的大小。

3.1 实验结果（实验员一和二为女性）

实验测出4组实验数据，参与测试的4个人力的所有数据如表1所示。取4组数据的轻击平均值555 N定为语音提示的临界值，重击平均值930 N为触发警报和双闪的临界值。

表1 实验结果

实验员轻击/N重击/N 一号415424 二号7441 167 三号177777 四号8851 355

3.2 与实际情况对比

冯诺依曼体系下的二进制计算机无法处理连续信号，必须对信号离散化，对于压力传感器得到的连续电信号，HX711模块采样周期如图4所示，其中，1＞0.1 μs，2＜0.1 μs，3=0.2～50 μs，4＞0.2 μs，如果选用128倍增益，则需要25个下降沿，在晶振11.059 2 MHz，RATE管脚置0时采样速率为10 Hz，一次测量用时共计=100 ms，而力学实验室测得的冲击力在HT上持续时间约10 ms，采样频率低于信号频率，不能复现原始信号，造成失真。因此，模型使用ABS材料会出现变形大、冲击时间延长的问题。与实验平板铸铁相比，受力时变形极小且作用时间极短，由于出拳击中平板到回弹的过程中总动量近似不变，由动量定理知，变形小且作用时间短则等效冲击力较大；反之，等效冲击力较小。经实测，同样大小的力作用在ABS上，持续约400 ms，弥补了采样速率不足的缺点。

图4 HX711采样周期

3.2.1 变形分析

对于半径为、厚度为的圆平板，受轴对称载荷，在--坐标系下，内力投影为，，三个分量，且挠度只是的函数，与无关，通过分析对称应力的变形可知，轴向应力与半径挠度的关系为：

由于变形的二阶微分方程较复杂，且门框的边界条件不是圆形铰接，ABS材料挠度较大，但使用场景只需保证一定精度，因此采用线性变化关系=近似代替受力曲线，其中为线性等效冲击力，为大变形低采样精度限制条件下的实测值，为比例系数实测每一种材料的冲击持续时间和峰值。经实测，这种方法能够得到计算量小且误差在一定接受范围内的结果，在受压端材料为ABS，固定端材料为HT，按模型所示的结构安装时，相对于力学实验室材料灰铸铁的比例系数为603，等效冲击力为轻击0.92 N，重击1.54 N。圆平板对称应力变形如图5所示。

图5 圆平板对称应力变形

3.2.2 实验结论

在测试仪器采样精度不足时，可通过放大形变量缓冲受力，实测每个具体情景下的相对系数，计算等效冲击力=，将其作为阈值。

当人敲击防护门的等效冲击力＜555 N时，系统无反应，对应系统安全等级“正常行驶”；当555 N＜＜930 N时，触发系统的语音提示，对应系统安全等级“轻微干扰”，即防护门上的语音将会提醒响起，提醒行为人停止干扰行为，该过程无需驾驶员操作，不影响正常驾驶；当人敲击防护门的等效冲击力＞930 N时，会触发系统的车内警报及车外双闪，即对应系统安全等级“严重干扰”，警报器自动响起，双闪将会自动打开，当乘客情绪失控，各种保护和提示都无法阻止乘客干扰，司机主观认定难以正常驾驶时，向公交总站求助，公交总站将进行调解，必要时联系交警。

4 结束语

传统驾驶员保护方式依赖于单纯的物理防护，不能较好地达到防止乘客骚扰的目的，本文设计了一种公共汽车驾驶员智能分级防护系统。该系统可以分析车门受力情况，在受干扰时能够及时采取措施，保证司机进行正常的驾驶操作，最大限度地降低意外事故发生的概率，这对保证公共交通安全有重要意义。

本方案还有一些尚待解决的问题和可改进的方面：①报警的触发机制不够完善，比如可以增加区间测力条件，即当一段时间内触发警报的次数超过采样次数的一定百分比时，则认定为有人靠在门上导致警报误触，关闭警报一段时间；②线性逼近的准确性十分有限，通过有限元软件分析在实际应用中不同材料在不同边界条件下得到受力与形变程度的关系，再用切比雪夫逼近得到受力函数，相比线性逼近，可以大大提高准确度；③可增设声音屏蔽系统，通过采集驾驶舱外噪声，驾驶舱内的音响输出相位相反的波形，减小噪声，比如遇乘客辱骂喊叫等行为，司机可以选择开启声音屏蔽；④用树莓派代替89C52RC，提高处理速度，为后期增设各种功能提供条件；⑤单片机的抗电磁干扰能力弱，可外设金属外壳；⑥通过多个车辆间的智能分级防护系统连接为整个智能交通网络，一辆车出现突发状况，所有周边车辆都能及时做出反应。

［1］杨阳，浦瀚，郭晓凤.基于STC89C52单片机压力测试与显示系统研究［J］.电子设计工程，2018（19）：4.

［2］吴玉林，方鹏斌，严黎华.简易数字电子秤的设计［J］.咸宁学院学报，2010（12）：2.

［3］贾民平，张洪亭.测试技术：普通高等教育“十一五”国家级规划教材［M］.2版.北京：高等教育出版社，2009.

［4］刘鸿文.材料力学Ⅰ：“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材［M］.6版.北京：高等教育出版社，2017.

［5］康作夷.双层门式刚架屈曲的理论分析与计算机模拟［D］.太原：太原理工大学，2012.

［6］郑津洋，董其伍，桑芝富，等.过程设备设计［J］.化学工业，2010（7）：52-59.

TH715

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.003

2095－6835（2019）14－0005－03

〔编辑：张思楠〕