CN115602078A - 基于丁达尔效应的隧道洞口及路段全天候应急光阻拦系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于丁达尔效应的隧道洞口及路段全天候应急光阻拦系统，属于隧道运营安全及应急管控领域。该系统包括智能控制终端和基座，以及安装在基座上上的烟雾发生装置、激光光源组、风速仪、车检器、摄像头、声光报警器和情报板。烟雾发生装置根据风速仪检测到的风向风速调整烟雾喷射的压强和方向，实现在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；同时激光光源组往薄烟雾区域进行不同频率和角度快速扫射，一组光源以高频广角扫射频率结合人眼的视觉迟滞作用在烟雾区域形成与光源颜色一致的散射高亮度光幕，另一组光源以低频窄角扫射频率在光幕区域形成更高亮度禁行图案。本发明可实现各方向全天候远距离清晰可辨的阻拦效果。

Description

基于丁达尔效应的隧道洞口及路段全天候应急光阻拦系统

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隧道洞口及路段全天候应急光阻拦系统。

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系统，既可避免水雾反射亮度低、远距离不可见和响应速度慢与结冰路面湿滑等系列问题，又可使激光形成阻拦信息形成远距离可见的明显禁行图像，可用于隧道洞口及前方路段且不受南北地域限制的立体空间全断面车辆柔性阻拦系统。

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隧道洞口及路段全天候应急光阻拦系统，主要解决目前隧道在出现突发紧急事件下，隧道洞口和路段无快速、全天候远距离可辨识的安全柔性高警示性车辆阻拦措施问题。

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隧道洞口及路段全天候应急光阻拦系统，包括智能控制终端和基座1，以及安装在基座1上的烟雾发生装置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；烟雾发生装置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，一组光源以高频广角扫射频率结合人眼的视觉迟滞作用在烟雾区域形成与光源颜色一致(可设计为红色表示警醒)的散射高亮度光幕9，实现远距离可辨识的高亮度红光光幕，另一组光源以低频窄角扫射频率在光幕9区域形成更高亮度禁行图案，如禁行形状图案11(如“×”形图案)或禁行文字图案10，在车辆迎车面的立体空间整体上形成以高亮度红色光幕为载体，更高亮度红色禁行图案为明确信息显示的光阻拦系统。

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。

进一步，烟雾发生装置2的喷射方向与喷射压强p与风速v、路面宽度w应满足如下关系：

其中，c表示风阻系数，ρ₀表示空气密度，θ表示喷射方向与路面横向水平方面的夹角，C_v表示所喷射烟雾的速度系数，d表示所喷射烟雾当量直径；v为当下测得风速，由风速仪4所测得。

烟雾发生装置2调节喷嘴的喷射压强p和喷射方向，从而实现在车辆迎车面上形成稳定纳米级薄烟雾区域，为形成丁达尔效果光幕提供胶体介质。为在这种胶体介质上形成明显的丁达尔现象，实现警示信息的高亮度远距离可辨识，激光光源组3按速度v_r进行扫描：

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，该半角为光源至图象宽度之间形成的半角；t₀表示人眼暂留效果所需的时间，通常为0.1～0.4s，根据最佳辨识效果，当激光束与烟雾结合形成全域光幕时，激光束的半角应大于60°，当激光束与烟雾结合形成全域光幕时，激光束的半角应小于5°。根据(1)式和(2)式就可得到不同自然风或交通风下，形成稳定光幕车辆阻拦系统烟雾装置2与激光光源组3的工作参数。

本发明的有益效果在于：

1)本发明系统具有全天候、全区域可行性。本发明系统利用丁达尔效应物理原理，通过激光在光雾介质中的散射实现各方向全天候远距离清晰可辨的阻拦效果。激光本身指向性好，光分散度小，使得照射方向上的照度提高千万倍，颜色鲜明、亮度高的优势下再利用丁达尔效应的原理，使激光光束在烟的介质下形成光亮的“通路”，即使在白天也能清晰可见，优化了现有系统在白天效果不明显、适用范围有限的缺陷。

2)本发明系统响应性速度快。当隧道发生交通事故，需要立即启动本发明光学阻拦系统时，烟机和激光形成的光幕栅栏相对于水幕栅栏可以更快形成光学屏障，达到及时示警的效果，减少反应时间对行车安全的影响。具体的，本发明系统与中央控制系统联动，具备一键联动功能，且响应时间小于20s，避免与之类似的水幕阻拦系统响应时间长的弊端，起到黄金时间快速阻拦的效果。

3)本发明基于丁达尔效应的系统介质用烟更安全，避免了二次事故的发生。以烟代替水幕避免了寒冷天气容易造成水管结冰、积水造成路面失滑。

4)本发明系统可实现远距离警示后方车辆。烟机和激光相互配合形成应急光阻拦的效果可以保证白天100m外呈现清晰的效果，使后面的驾驶员能够提早发现并及时避让。具体的，本发明系统通过满足丁达尔效应产生机制的光雾发生系统，将激光束与警示图案投至纳米级烟雾区域，通过控制烟雾发生装置的压力避免烟雾受路段或隧道口的自然风与交通风影响，始终保持形成的光雾警示图像在远距离迎车面上清晰可见，实现车辆在远距离辨识后减速停车或利用匝道驶离该路段的作用，避免车辆驶入事故隧道。

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为基于丁达尔效应的隧道全天候应急光阻拦系统示意图；

图2为基于丁达尔效应的隧道全天候应急光阻拦系统其他形式示意图，图2(a)为禁行文字图案形式，图2(b)为“×”形图案形式，图2(c)为平行光束图案形式；

图3为基于丁达尔效应的隧道全天候应急光阻拦系统结构控制示意图。

附图标记：1-基座，2-烟雾发生装置，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-光幕，10-禁行文字图案，11-禁行形状图案。

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3，本发明提供一种基于丁达尔效应的隧道洞口及路段全天候应急光阻拦系统，包括智能控制终端和基座1，以及集成安装在基座1上的烟雾发生装置2、激光光源组3、信息监测设备(风速仪4)、车检器5、摄像头6、声光报警器7和情报板8，形成集成式一体机具备安装方便、适应性广的特点，可用于隧道口，也可用于路段上。

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；烟雾发生装置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，一组光源以高频广角扫射频率结合人眼的视觉迟滞作用在烟雾区域形成与光源颜色一致(可设计为红色表示警醒)的散射高亮度光幕9，实现远距离可辨识的高亮度红光光幕，另一组光源以低频窄角扫射频率在光幕9区域形成更高亮度禁行图案，如禁行形状图案11(如“×”形图案(图2(b)所示)或平行光束图案(图2(c)所示))或禁行文字图案10(图2(a)所示)，在车辆迎车面的立体空间整体上形成以高亮度红色光幕为载体，更高亮度红色禁行图案为明确信息显示的光阻拦系统。由于该系统的光源波长和出射烟雾满足丁达尔物理原理，因此可以实现远距离可辨识的高亮度安全柔性阻拦效果，具有全天候多场景可用的应用性广的优点。

此外，当系统开启时，安装于基座1上的声光报警器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。

该系统采用的激光光源不管是用来形成光幕的光源还是用来形成阻拦图形显示的光源，均为大功率按一定频率扫射的光束，一方面高功率光源具有亮度高的特点，通过丁达尔现象可实现远距离可见；另一方面在扫射过程中将能量进行分散，避免了激光能量集中可能造成的损伤。采用的烟雾发生装置通过电气化加热形式可将水性环保物质瞬间气化成纳米级气体颗粒，形成用来实现丁达尔效果的薄雾型胶体，当以不同形式扫射的激光束在该胶体区域内运动时，在该区域内形成高亮度远距离清晰可见的立体空间光幕墙效果，借助显示的禁止通行车辆阻拦交通信息可实现有效的车辆阻拦作用。

该系统利用丁达尔效果的物理机制实现带有交通信息的激光束的白天也可以远距离可见，并且出射的纳米级水性环保烟雾的喷射后会弥散在空气中逐渐消失，对路面和环境无任何不良影响，并且在安装上所有设施均可集成在安装基座上，无须敷设水管这些管道，亦不受南北气候高低温影响，具有适用性广的特点。

在实现机制上，为保证在行车车辆迎车面上形成稳定光幕，烟雾发生装置2的喷射方向与喷射压强p与风速v、路面宽度w应满足如下关系：

其中，c表示风阻系数，ρ₀表示空气密度，θ表示喷射方向与路面横向水平方面的夹角，C_v表示所喷射烟雾的速度系数，d表示所喷射烟雾当量直径；v为当下测得风速，由风速仪4所测得。烟雾发生装置2调节喷嘴的喷射压强p和喷射方向，从而实现在车辆迎车面上形成稳定纳米级薄烟雾区域，为形成丁达尔效果光幕提供胶体介质。为在这种胶体介质上形成明显的丁达尔现象，实现警示信息的高亮度远距离可辨识，激光光源组3按速度v_r进行扫描：

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，该半角为光源至图象宽度之间形成的半角；t₀表示人眼暂留效果所需的时间，通常为0.1～0.4s，根据最佳辨识效果，当激光束与烟雾结合形成全域光幕时，激光束的半角应大于60°，当激光束与烟雾结合形成全域光幕时，激光束的半角应小于5°。根据(1)式和(2)式就可得到不同自然风或交通风下，形成稳定光幕车辆阻拦系统烟雾装置2与激光光源组3的工作参数。

基于本发明应急系统应用方式灵活，适应性广的优点，本发明系统在应用上可以采用集成式机柜安装方法，亦可采用门架式安装方法，在禁止通行信息显示上可采用高亮度光束形成丁达尔效果光幕，亦可形成丁达尔效果图像等形式，如图2所示。本发明作为一种现场主动智能管控方式，可与目前正在普及的隧道智慧管控平台进行信息联动，实现应急控制系统的一体化管控，提高安全管控的快速有效及智慧化管控水平。

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 (7)

1.一种基于丁达尔效应的隧道洞口及路段全天候应急光阻拦系统，其特征在于，该系统包括智能控制终端和基座(1)，以及安装在基座上(1)上的烟雾发生装置(2)、激光光源组(3)、风速仪(4)和摄像头(6)；

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；烟雾发生装置(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，一组光源以高频广角扫射频率结合人眼的视觉迟滞作用在烟雾区域形成与光源颜色一致的散射高亮度光幕(9)，另一组光源以低频窄角扫射频率在光幕(9)区域形成更高亮度禁行图案，在车辆迎车面的立体空间整体上形成以高亮度光幕为载体，更高亮度禁行图案为明确信息显示的光阻拦系统。

2.根据权利要求1所述的隧道洞口及路段全天候应急光阻拦系统，其特征在于，该系统还包括安装在基座(1)上的声光报警器(7)；当系统开启时，所述声光报警器(7)开展高频闪烁并发出高分贝报警声音。

3.根据权利要求1所述的隧道洞口及路段全天候应急光阻拦系统，其特征在于，该系统还包括安装在基座(1)上的情报板(8)；当系统开启时，所述情报板(8)显示警示字样。

4.根据权利要求1所述的隧道洞口及路段全天候应急光阻拦系统，其特征在于，该系统还包括车检器(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。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的隧道洞口及路段全天候应急光阻拦系统，其特征在于，烟雾发生装置(2)的喷射方向与喷射压强p与风速v、路面宽度w应满足如下关系：

其中，c表示风阻系数，ρ₀表示空气密度，θ表示喷射方向与路面横向水平方面的夹角，C_v表示所喷射烟雾的速度系数，d表示所喷射烟雾当量直径；v为当下测得风速，由风速仪(4)所测得。

6.根据权利要求5中任意一项所述的隧道洞口及路段全天候应急光阻拦系统，其特征在于，激光光源组(3)按速度v_r进行扫描：

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，该半角为光源至图象宽度之间形成的半角；t₀表示人眼暂留效果所需的时间，w为路面宽度。

7.根据权利要求6所述的隧道洞口及路段全天候应急光阻拦系统，其特征在于，当激光束与烟雾结合形成全域光幕时，激光束的半角应大于60°或小于5°。

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