CN115565318A - 基于丁达尔效应的公路交通应急阻拦光烟幕成型控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于丁达尔效应的公路交通应急阻拦光烟幕成型控制方法，属于隧道运营安全及应急管控领域。该方法包括：S1：将烟雾发生器安装于道路两侧和横杆式支架上方，通过两侧和上方的烟雾发生器喷嘴喷出薄形烟雾弥散于迎车面横向立体空间，以形成丁达尔效应所需的胶体介质；在阻力风和顺风的作用下，安装于道路两侧的烟雾发生器喷嘴所喷射出来的烟雾应到达对面路侧，安装于支架上方的烟雾发生器喷嘴所喷射出来的烟雾应抵抗风力弥散于正下方区域；S2：控制单元根据烟雾厚度调整激光光源组射出激光束的出射光方向、扫射频率和偏转角，达到在有自然风情况下满足丁达尔效应的烟雾区域光幕阻拦信息远距离清晰可见。

Description

基于丁达尔效应的公路交通应急阻拦光烟幕成型控制方法

技术领域

本发明属于隧道运营安全及应急管控领域，涉及一种基于丁达尔效应的公路交通应急阻拦光烟幕成型控制方法。

背景技术

公路隧道数量和通车里程的增加对安全运营提出更高要求，其半封闭的结构导致发生紧急事件时疏散和救援难度加大。特别是当公路隧道发生突发应急事件时，如何有效阻拦后方车车辆不再继续驶入隧道是降低事件风险、提高运营安全保障的有效措施。

根据标准规范，目前隧道在洞口中设置有车道指示器和可变情报板等交通信息设施，但由于不完全与社会驾乘人员的视觉习惯一致加之警醒度不够等问题，在隧道内发生突发事件时无法有效阻止后方车辆的驶入，往往在隧道内拥堵发生二次事故造成事态的扩大。

也有部分隧道在洞口安装拦杆机等硬阻拦装置，对于高速行驶车辆在装置启动之初容易发生碰撞造成严重事故。也有一些学者提出理想情况下的激光拦截，根据光学原理，在无任何介质情况下，激光束最终只在照射点被看到，根本无法看到激光束，因而无法起到车辆阻拦作用。国外有采用水帘结合光投影的方式在水帘或水幕上成像，从而起到在立体空间阻拦车辆的作用，由于水帘或水幕成像基于光的反射，存在远距离可见度低，特别是强光下对比度低辨识度不高，只有近处才看得到，紧急刹车亦产生车辆追尾事故，加之需通过水作为介质进行信息成像，容易造成路面湿滑，临近紧急刹车存在安全隐患，在寒冷地区水管容易结冰，启动时间也较长，存在较大的技术局限性。此外，还有利用投影将隧道事件信息投至地面，不仅需将车辆驶至跟前才看得到信息，无法在远距离就辨识到事件信息同样存在急刹车存在可能的追尾现象，更存在白天可见度低的缺点。

综上，基于现有技术的缺陷，目前亟需一种全天候远距离可见的快速响应应急光阻拦技术，可克服单纯激光阻拦光束不可见、投影显示亮度低且只有近处才看得到紧急停车易引发追尾、水幕阻拦响应速度慢且远距离可见度差以及形成水幕易引起路面湿滑冬天易结冰等问题。该技术主要存在的难点是如何在交通风和路段上有风的情况下形成相对稳定且远距离辨识度高的光幕及立体空间阻挡图像，因此根据风速进行烟雾和光束的控制形成光烟雾阻拦图像是关键。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于丁达尔效应的公路交通应急阻拦光烟幕成型控制方法，解决采用丁达尔效应的隧道应急光阻拦系统中烟雾与光束的控制问题，以形成全天候远距离清晰可辨的立体空间光阻拦图像信息。具体通过：1)设计一种可根据风速风向进行纳米烟雾喷射的压力与方向控制方法，保证在不同风速风向下在行车方向迎车面立体空间区域均具备满足丁达尔效应的轻薄型纳米烟雾。2)设计一种根据立体空间烟雾分布进行激光扫射偏转角度的控制方法，既可保证行车方向上的激光束高亮度远距离可见，又可避免烟雾厚度对散射激光强度的影响。3)设计的光烟雾系统可根据事件响应和车辆阻拦效果进行动态控制，避免可能出现的车辆穿越激光束造成的眩光，又保证车辆的有效阻拦以及达到预期阻拦效果后的系统自动停止。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于丁达尔效应的公路交通应急阻拦光烟幕成型控制方法，具体包括以下步骤：

S1：将烟雾发生器安装于道路两侧和横杆式支架上方，通过两侧和上方的烟雾发生器喷嘴喷出薄形烟雾弥散于迎车面横向立体空间，以形成丁达尔效应所需的胶体介质；

在自然风速v的作用下，安装于道路两侧的烟雾发生器喷嘴所喷射出来的烟雾应到达对面路侧，安装于支架上方的烟雾发生器喷嘴所喷射出来的烟雾应抵抗风力弥散于正下方区域；其中，自然风表现为阻力风和顺风；

S2：将激光光源组安装于横杆的两端和中间位置，控制单元根据烟雾厚度调整激光光源组射出激光束的出射光方向、扫射频率和偏转角，达到在有自然风情况下满足丁达尔效应的烟雾区域光幕阻拦信息远距离清晰可见。

进一步，步骤S1中，烟雾发生器喷嘴安装于道路两侧，

(1)当自然风表现为阻力风时，喷嘴压力P与自然风速v满足以下关系：

其中，c为风阻系数，ρ为空气密度，c_v为烟雾喷射的速度系数，通常取0.95，w为路面宽度，d为喷射烟雾分布区域的直径；

当该阻力风向与路面横向垂直方向有一定夹角θ时，喷嘴压力应满足以下关系：

其中，θ'为喷嘴的偏转角度，与风向夹角θ满足关系：θ-θ'＝π；

(2)当自然风表现为顺风时：当该顺风与路面横向垂直方向有一定夹角θ时，喷嘴的偏转角度θ'与θ反向，即：θ'＝-θ。

进一步，步骤S1中，烟雾发生器喷嘴安装于横杆式支架上方，并向下喷射时，喷嘴在向下喷射的基础上沿水平方向的转角θ'应满足：θ'＝-θ，其中θ为自然风与路面横向垂直方向的夹角。

进一步，步骤S2中，激光束的出射光方向和偏转角应满足以下关系：激光束根据烟雾的厚度进行扫射方向调整，在满足激光束与横向水平轴方向的夹角α介于20°～45°之间前提下，通过摄像机的图像识别技术分析光束与观察者前方烟雾之间的厚度，至少满足一半以上的区域厚度满足处于薄雾区域的最佳厚度区域内，即：

0<d_i≤d_max (1)

其中，d_i表示观察区域内指定观测点的激光束与观察者之间的烟雾厚度；d_max为具有最佳观察亮度的烟雾厚度；

通过以下控制原理控制激光束的偏转角度，使得激光束在满足指定角度条件下与烟雾的相对位置达到最佳可辨识状态：

1)设有N个观察点，n＝1,2,3,...,N；

2)当至少N/2个观察点的厚度满足(1)式条件时，激光束的偏转角α为满足下式(3)中的最大偏转角α_imax，即：

α＝α_imax (2)

即α_imax为满足(3)式的系列偏转角中的最大值；其中，D为观测区域喷嘴前方烟雾平均厚度，d_i和w_i分别为对应观测点的光束前方烟雾厚度及与烟雾发生器喷嘴安装侧路沿的距离。

进一步，步骤S2中，激光束的扫射频率应满足以下关系：形成丁达尔效应的光烟雾阻拦系统所需的激光在扫射过程中分为光幕用激光和图像用激光，其中光幕用激光在扫射过程中的扫射角度应大于60°，图像用激光在扫射过程中的扫射角度应小于5°，根据人眼对光线扫描的暂留效果所需时间t₀，激光光源组在形成光幕和图像对应的扫射速度需满足以下条件：

其中，

表示激光束所成图像需要的半角，当形成光幕时，该半角为光源至光幕宽度之间形成的半角，当形成图案时，该半角为光源至图像宽度之间形成的半角。

本发明的有益效果在于：

1)本发明能有效克服自然风对该系统形成效果的影响。根据自然风阻力和风速的关系，系统自动调整烟雾的喷射压力和喷射角度，从而有效抵消自然风带来的影响，使得烟幕能够稳定覆盖在激光扫描区域。

2)本发明能自动调整激光扫射的角度。激光扫射在不同厚度的烟雾上有着不同的效果，通过偏转角与观测区域喷嘴前方烟雾平均厚度、对应观测点的光束前方烟雾厚度、喷嘴安装侧路沿的距离的关系，自动调整激光的角度，使得激光照射在成像效果最佳的烟雾区域。

3)本发明系统的响应速度快。隧道发生交通事故时，烟机和激光在短时间内形成的光幕阻拦系统相对于其他系统可以更快的达到预警的效果。

4)本发明系统独立的反馈机制。在光幕形成时，车辆检测仪会实时检测穿过光幕的车辆，若无车辆穿过光幕，则系统在一段时间后停止工作；反之，则继续工作并记录车辆数。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为喷嘴安装于道路两侧，自然风表现为阻力图；

图2为喷嘴安装于道路两侧，自然风表现为顺风图；

图3为喷嘴安装于上方支架，并向下喷射图；

图4为激光扫射图；

图5为利用本发明应急阻拦系统实现车辆管控的控制流程图。

附图标记：1-基座，2-烟雾发生器，3-激光光源组，4-风速仪，5-车检器，6-摄像头，7- 声光报警器，8-情报板，9-激光效果。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图5，本发明提供一种的基于丁达尔效应的公路交通应急光阻拦系统，如图 1所示，该系统包括基座1、烟雾发生器2、激光光源组3、风速仪4、车检器5、摄像头6、声光报警器7和情报板8。

该系统在接收到隧道智慧管控平台发送的应急事件信息时，基座1上的所有设备均与智能控制终端连接，实现一键联动；烟雾发生器2根据风速仪4检测到的风向风速调整烟雾喷射的压强和方向，实现在行驶车辆迎车面的横向空间区域形成持续性纳米级薄烟雾分布；同时激光光源组3往薄烟雾区域进行不同频率和角度快速扫射。此外，当系统开启时，声光报警器7开展高频闪烁并发出高分贝报警声音。情报板8显示“隧道事故、禁止前行”等警示字样，进行禁止通行信息的多重性显示。车检器5对通过阻拦系统的车辆进行统计，并与安装于隧道口的车检器所检测到的数量进行比对，分析在系统开启后进入隧道内的车辆数，既可对系统的阻拦效果进行评定，更可为隧道内的疏散救援提供现场被困车辆信息，为疏散救援提供决策数据。

当上述应急光阻拦系统用于隧道口和前方路段时，形成的光烟雾需克服自然风对形成效果的影响。根据自然风阻力和风速的关系：

其中，c为风阻系数，ρ为空气密度，s为迎风面积，v为自然风速。

烟雾发生器2的烟雾出口安装于道路两侧和横杆式支架上方，通过两侧和上方的喷嘴喷出薄形烟雾弥散于迎车面横向立体空间，以形成丁达尔效应所需的胶体介质。

在自然风速v的作用下，安装于道路两侧的烟雾发生器的喷嘴所喷射出来的烟雾应到达对面路侧，安装于支架上方的烟雾发生器喷嘴所喷射出来的烟雾应抵抗风力弥散于正下方区域。满足此喷射要求的喷嘴压力P与自然风速v需符合以下要求：

(1)烟雾发生器2的喷嘴安装于路侧，自然风表现为阻力风时：

其中，c_v为烟雾喷射的速度系数，通常取0.95；w为路面宽度，d为喷射烟雾分布区域的直径。

当该阻力风向与路面横向垂直方向有一定夹角θ时，喷嘴压力应满足如下关系：

其中，θ'为喷嘴的偏转角度，与风向夹角θ满足以下关系：

θ-θ'＝π (4)

(2)烟雾发生器2的喷嘴安装于路侧，自然风表现为顺风时：

此时由喷嘴喷出的烟雾在顺风作用下，均可以到达道路对面。当该自然风与路面横向垂直方向有一定夹角θ时，喷嘴的喷射方向θ'与θ反向，即：

θ'＝-θ (5)

(3)烟雾发生器2的喷嘴安装于上方支架，并向下喷射时：

此时，喷嘴所喷射的烟雾均可以到达下方区域，为保证烟雾尽量处于支架下方垂直区域，在自然风的作用下，喷嘴的喷射方向以逆着风向喷射即可，即喷嘴在向下喷射的基础上沿水平方向的转角应满足：

θ'＝-θ (6)

上述喷嘴的喷射压力和偏转方向可通过上述应急光阻拦系统的控制单元实现，在满足上述控制条件下，由烟雾发生器所喷射的烟雾可在隧道洞口及前方路段对应安装位置的行车方向迎车面形成横向立体空间胶状烟雾空间。

为保证所形成的光烟雾阻拦信息远距离清晰可辨，除了光烟雾控制系统控制烟雾发生器的喷嘴的压力和转角满足上述关系外，激光束的出射光方向和扫射频率和偏转角亦应满足以下关系：

(1)出射光方向

根据激光束的出射方向与行车过程中人眼所观察到的最佳光束亮度方向，激光束与横向水平轴方向的夹角α介于20°～45°之间，人眼所观察到的光束亮度达到一个较高水平，在薄烟状态下或光束与观察者之间的烟雾厚度较薄时，观察者在1倍停车视距处均可看到清晰可辨识的丁达尔效应光烟雾阻拦信息。

为此本发明的激光束需根据烟雾的厚度进行扫射方向调整，如图所示，在满足α角介于 20°～45°之间前提下，通过摄像机的图像识别技术分析光束与观察者前方烟雾之间的厚度，至少满足一半以上的区域厚度满足处于薄雾区域的最佳厚度区域内，即：

0<d_i≤d_max (7)

其中，d_i表示观察区域内指定观测点的激光束与观察者之间的烟雾厚度；d_max为具有最佳观察亮度的烟雾厚度。

(2)偏转角

通过以下控制原理控制激光束的偏转角，使得激光束在满足指定角度条件下与烟雾的相对位置达到最佳可辨识状态：

1)设有N个观察点，n＝1,2,3,...,N；

2)当至少N/2个观察点的厚度满足(7)式条件时，激光束的偏转角为满足下式中的最大偏转角，即：

α＝α_imax (8)

即α_imax为满足(9)式的系列偏转角中的最大值。其中，D为观测区域喷嘴前方烟雾平均厚度，d_i和w_i分别为对应观测点的光束前方烟雾厚度及与烟雾发生器喷嘴安装侧路沿的距离。

根据上述关系通过控制单元随时控制激光束的偏转方向，可达到实际有自然风情况下满足丁达尔效应的烟雾区域光幕阻拦信息远距离清晰可见。

(3)扫射频率

形成基于丁达尔效应的光烟雾阻拦系统所需的激光在扫射过程中分为光幕用激光和图像用激光，其中光幕用激光在扫射过程中的扫射角度应大于60°，图像用激光在扫射过程中的扫射角度应小于5°，根据人眼对光线扫描的暂留效果所需时间t₀，激光光源组在形成光幕和图像对应的扫射速度需满足以下条件：

其中，

表示激光束所成图像需要的半角，当形成光幕时，该半角为光源至光幕宽度之间形成的半角，当形成图案时，该半角为光源至图像宽度之间形成的半角。

根据上述烟雾的喷射压力和喷射角度以及激光光源的出射角度控制，可实现在远距离行车迎车面上达到清晰可辨的立体空间光烟雾阻拦效果。

此外，根据本发明方法用于应急情况下的车辆阻拦需求，以及达到预期效果的设施管控需求。本发明方法在应急阻拦系统中实施车辆管控的控制流程如图5所示。在光幕形成时，车辆检测仪会实时检测穿过光幕的车辆，若无车辆穿过光幕，则系统在一段时间后停止工作；反之，则继续工作并记录车辆数。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于丁达尔效应的公路交通应急阻拦光烟幕成型控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：将烟雾发生器安装于道路两侧和横杆式支架上方，通过两侧和上方的烟雾发生器喷嘴喷出薄形烟雾弥散于迎车面横向立体空间，以形成丁达尔效应所需的胶体介质；

在自然风速v的作用下，安装于道路两侧的烟雾发生器喷嘴所喷射出来的烟雾应到达对面路侧，安装于支架上方的烟雾发生器喷嘴所喷射出来的烟雾应抵抗风力弥散于正下方区域；其中，自然风表现为阻力风和顺风；

S2：将激光光源组安装于横杆的两端和中间位置，控制单元根据烟雾厚度调整激光光源组射出激光束的出射光方向、扫射频率和偏转角，达到在有自然风情况下满足丁达尔效应的烟雾区域光幕阻拦信息远距离清晰可见。

2.根据权利要求1所述的公路交通应急阻拦光烟幕成型控制方法，其特征在于，步骤S1中，烟雾发生器喷嘴安装于道路两侧，

(1)当自然风表现为阻力风时，喷嘴压力P与自然风速v满足以下关系：

其中，c为风阻系数，ρ为空气密度，c_v为烟雾喷射的速度系数，w为路面宽度，d为喷射烟雾分布区域的直径；

当该阻力风向与路面横向垂直方向有一定夹角θ时，喷嘴压力应满足以下关系：

其中，θ'为喷嘴的偏转角度，与风向夹角θ满足关系：θ-θ'＝π；

(2)当自然风表现为顺风时：当该顺风与路面横向垂直方向有一定夹角θ时，喷嘴的偏转角度θ'与θ反向，即：θ'＝-θ。

3.根据权利要求1所述的公路交通应急阻拦光烟幕成型控制方法，其特征在于，步骤S1中，烟雾发生器喷嘴安装于横杆式支架上方，并向下喷射时，喷嘴在向下喷射的基础上沿水平方向的转角θ'应满足：θ'＝-θ，其中θ为自然风与路面横向垂直方向的夹角。

4.根据权利要求1所述的公路交通应急阻拦光烟幕成型控制方法，其特征在于，步骤S2中，激光束的出射光方向和偏转角应满足以下关系：激光束根据烟雾的厚度进行扫射方向调整，在满足激光束与横向水平轴方向的夹角α介于20°～45°之间前提下，通过摄像机的图像识别技术分析光束与观察者前方烟雾之间的厚度，至少满足一半以上的区域厚度满足处于薄雾区域的最佳厚度区域内，即：

0<d_i≤d_max (1)

其中，d_i表示观察区域内指定观测点的激光束与观察者之间的烟雾厚度；d_max为具有最佳观察亮度的烟雾厚度；

通过以下控制原理控制激光束的偏转角度，使得激光束在满足指定角度条件下与烟雾的相对位置达到最佳可辨识状态：

1)设有N个观察点，n＝1,2,3,...,N；

2)当至少N/2个观察点的厚度满足(1)式条件时，激光束的偏转角α为满足下式(3)中的最大偏转角α_imax，即：

α＝α_imax (2)

即α_imax为满足(3)式的系列偏转角中的最大值；其中，D为观测区域喷嘴前方烟雾平均厚度，d_i和w_i分别为对应观测点的光束前方烟雾厚度及与烟雾发生器喷嘴安装侧路沿的距离。

5.根据权利要求1所述的公路交通应急阻拦光烟幕成型控制方法，其特征在于，步骤S2中，激光束的扫射频率应满足以下关系：形成丁达尔效应的光烟雾阻拦系统所需的激光在扫射过程中分为光幕用激光和图像用激光，其中光幕用激光在扫射过程中的扫射角度应大于60°，图像用激光在扫射过程中的扫射角度应小于5°，根据人眼对光线扫描的暂留效果所需时间t₀，激光光源组在形成光幕和图像对应的扫射速度需满足以下条件：

其中，

表示激光束所成图像需要的半角，当形成光幕时，该半角为光源至光幕宽度之间形成的半角，当形成图案时，该半角为光源至图像宽度之间形成的半角。

Images