基于光电传感器的环山公路弯道会车预警系统设计与智能交通管控方案研究
作者：钱玥丞 学校：上海市松江区九亭中学
摘要：本研究针对环山公路弯道会车时存在的安全隐患，设计了一种基于光电开关的弯道会车预警系统。由于环山公路弯道地形复杂、视距受限，导致在会车过程中驾驶员往往难及时看到对向来车，增加了交通事故风险。为改善这一问题，本系统利用光电开关原理，通过安装在弯道两侧的光电开关装置进行监测，一旦检测到信号中断，系统将立即触发警报，提醒驾驶员采取避撞措施。系统核心部件是基于arduino控制器的控制模块，搭载传感器、蜂鸣器和显示屏等硬件，通过对传感器数据的实时处理，提供多重警示反馈，包括声音和视觉提示，以增强警告效果。通过调研和测试，系统显示出良好的可行性和稳定性，能有效提高弯道行车安全性，减少事故发生。该系统具有较低的成本和较强的应用前景，特别适用于弯道较多、视线受限的山区公路。关键词：光电开关；环山公路；弯道会车；安全保障
1.引言
环山公路因弯道多且视线受限，极易发生交通事故。特别是在弯道会车时由于视线受阻，司机往往难及时预见对向来车，增加了交通事故风险。大雨造成的模糊视线，加上环山公路弯道的自然限制，极大地压缩了驾驶员的反应时间，从而增加了发生事故的风险。
据我了解，环山公路弯道会车的安全问题已成为许多家庭自驾游时的顾虑。为了规避风险，他们不得不放弃一些风景秀丽的环山路线，错过了许多旅行体验。在实际案例中，2022 年 6 月28 日，重庆市合川区狮滩镇发生的一起严重交通事故就是一个警示。一辆班线车在途经环山公路弯道时与货车相撞，造成5 人死亡、12 人受伤的悲剧。
目前，大多数环山公路弯道仅依靠凸面广角镜作为预警设备，但这种设备存在明显的局限性：①不能在雾霾，天暗无灯的环境下使用。②容易被污损，影响使用。③给出的警示信息不明显，不能引起所有司机的注意。
从更宏观的角度来看，环山公路弯道会车安全问题给社会带来了巨大的损失，不仅包括人员伤亡，还有对周边森林环境的潜在威胁。鉴于此，我将重点研究环山公路的道路检测和车辆识别技术，开发更高效、可靠的弯道会车预警系统，以减少事故发生，保障驾驶员和乘客的安全。
2.背景与需求调研
2.1发展现状
2.1.1理论研究/相关政策
针对这个交通安全问题，西安市政府采取了创新措施，在著名的旅游景点“临潼最美环山公路”的弯道两端入弯处，应用了先进的无线雷达车辆采集技术。该技术能实时监测并收集过往车辆的速度和行驶信息，并将这些数据传输至对向车道的预警显示屏上，从而为驾驶员提供即时的路况信息。
此举显著提升了急转弯地形下的安全会车能力，有效降低了交通事故发生的风险，确保游客在环山公路上的安全出行。这一智能交通系统的实施，不仅体现了西安市政府对公共安全的高度重视，也展示了其在智慧城市建设方面的积极探索和实践。
然而，值得注意的是，尽管该系统在提升道路安全方面取得了显著成效，但由于初期投入成本较高，目前尚未能在更广泛的区域内推广应用。
2.1.2现有课题或产品研究
●名称：公路转弯广角镜凸面镜道路口转角反光球面镜
功能原理：凸面镜的镜面向外凸起，这种设计使镜子能收集并反射来自广阔区域的光线。当光线照射到凸面镜上时，会按照特定的路径反射，即遵循“入射光线、反射光线和镜面法线都在同一平面上，且入射角等于反射角”的光学原理。由于镜面曲率，反射光线会向镜面焦点汇聚，形成一个缩小的、颠倒的（上下相反、左右相反）虚像。这样，驾驶员可通过观察镜中虚像，提前看到弯道另一侧的情况。
优点：
1）成本效益高：凸面镜的初始投资相对智能弯道会车预警系统较低。
2）维护成本低：凸面镜通常由耐用材料制成，能抵抗日常磨损，因此其维护成本相对较低。不需频繁更换或维修，进一步降低了长期运营成本。
3）安装简便：凸面镜的安装过程相对简单，不需要复杂的基础设施支持，也不需大量的人力和物力投入，这在一定程度上降低了安装成本。
缺点：
1）视觉畸变：凸面镜产生的是缩小的、颠倒的虚像，这可能导致驾驶员对物体的真实大小和距离产生误判。驾驶员需要一定的适应和经验来正确解读镜中的影像。
2）对光线条件敏感：在强光或逆光条件下，凸面镜可能会出现眩光，影响驾驶员的视线，降低其使用效果。
3）依赖驾驶员的注意力：凸面镜的有效性在很大程度上依赖于驾驶员的注意力和反应。如果驾驶员分心或不注意观察，凸面镜就无法发挥其应有的作用。
4）对环境的适应性：凸面镜可能受恶劣天气条件的影响，如大雨、雾、雪等，这些条件可能会降低镜面的可见性和反射效果。点评：这个产品不能解决我提出的问题，它给出的警示信息不明显，不能引起所有司机的注意；且过于依赖自然条件，一旦出现恶劣天气或强光逆光就可能降低镜面的可见性和反射效果。
●名称：智能弯道会车预警系统
功能原理：通过安装在弯道两端的雷达探测器来监测即将驶过弯道的车辆。这些探测器具有单向判定功能，即只检测即将过弯的车辆，以激活预警系统。雷达探测器的探测距离可达200米，有效延长了对向车辆的反应时间，降低急弯通行风险。
优点：
1）提高行车安全：系统通过实时监测和预警，有效提醒驾驶员注意对向来车，特别是在视线受限的弯道区域，大大降低了交通事故风险。
2）实时监测与反馈：利用雷达探测器等传感器实时采集过往车辆的速度和行驶数据，并将这些信息及时反馈给驾驶员，帮他们做出正确的驾驶决策。
3）声光警示效果显著：结合LED显示屏的文字提示和警示灯的爆闪，以及语音警报，形成声光立体警示，增强警示效果，确保信息能迅速被驾驶员注意到。
4）适应性强：系统可根据不同应用场景和需求进行定制，如显示屏文字和语音警报内容的定制，以及语音音量的调节，使系统更具灵活性和适应性。
缺点：初期投资成本可能相对较高，尤其是在需大量安装和维护的地区。此外，对于经济条件较差或基础设施不完善的地区，成本可能是一个重要的考虑因素。系统的有效运行高度依赖先进的技术设备和稳定的电力供应。在一些偏远地区，电力供应不稳定可能会影响系统正常运行。在一些地区，智能弯道会车预警系统的普及可能面临挑战，包括当地居民和驾驶员对新技术的接受程度，以及对系统效益的认知。在一些地形复杂或人口稀少的地区，部署和维护这样的系统可能会面临更多的地理和物流挑战。 点评：此产品不能解决我提出的问题，它高昂的初始投资和维护成本可能会限制其在经济条件较差地区的普及。其次，系统的有效性高度依赖技术设备和电力供应的稳定性，这在一些偏远或基础设施不完善地区可能是个问题。此外，系统需定期维护和升级，以适应不断变化的技术和环境需求。
2.2调查访谈
为了设计一个更符合实际需求的环山公路弯道会车预警系统，我们开展了针对驾驶员、交通管理部门、交通安全专家等群体的调查与访谈，结合线上网络查询、实地调查等方式，旨在全面了解用户需求并为后续的产品功能设计提供依据。
1）调查背景与目的
环山公路由于地形复杂、道路狭窄，弯道多且视距受限，成为交通安全的 重要隐患。尤其是在会车时由于弯道曲率大、视野不清，极易发生交通事故。为了提高驾驶员在弯道会车时的安全性，设计一个有效的预警系统显得尤为重要。本次调查旨在通过访谈和问卷等方式，了解不同用户群体对这一预警系统 的实际需求。
2）调查方法与对象
本次调查主要采用了线上调查和实地访谈相结合的方法。线上调查通过社交媒体平台（如微博、B 站）、新闻门户网站和交通论坛收集了大量用户反馈，调查对象包括频繁驾驶环山公路的驾驶员、交通管理人员、交通安全专家等。 线下访谈则通过走访环山公路沿线的交警部门和交通安全公司，深入了解专业人士的意见与建议。此外，部分驾驶员通过面对面的交流提供了对系统功能的具体需求。
3）调查结果
通过调查，我们发现驾驶员普遍关注以下几点：
实时交通监测：大多数驾驶员希望系统能实时监控弯道对向的交通状况，尤其是能及时发现逆行车辆或突发的交通堵塞。
多种预警方式：除了声音警告，驾驶员希望系统能提供震动反馈和车载 显示屏的视觉警示，确保警告信息传达更加全面。
高精度传感器：用户普遍期望系统能精准地判断来车速度和距离，避免 因误差导致的误报或漏报现象。
天气适应性：部分驾驶员提到恶劣天气下（如雾霾、雨雪天气）现有的 驾驶辅助系统效果不理想，因此对于在恶劣天气下的准确性要求较高。
交通管理部门也提出了需求，特别是对系统数据的追踪和反馈功能有较高的要求。他们希望通过系统收集的数据能实时更新到交通管理平台，帮助相关部门及时了解弯道路段的交通状况，从而制定更有效的交通管控措施。
4） 问题分析
通过访谈和调查，我们还发现了一些系统设计上的挑战：
系统响应时间：如何在极短时间内完成传感器数据处理并做出有效反应，是系统设计的难点之一。
多传感器数据融合：如何确保不同传感器（如雷达、激光雷达、摄像头等）数据的融合精度，是技术实现中的一大挑战。
环境适应性：现有的一些传感器在雨雾天气下性能有所下降，如何解决传感器在不同天气条件下的适应性问题，也需进一步研究和优化。
2.3需求调研总结
根据前期的调查与访谈结果，明确了环山公路弯道会车预警系统需具备 的几个关键功能和特性。这些功能不仅是为了满足用户的基本需求，更是为了 提高驾驶员的安全性、降低交通事故的发生率，并与交通管理部门的工作结合，优化整体交通安全管理。
一个重要的需求是实时交通监测与障碍物检测。调查过程中，大部分驾驶员表示，弯道行驶时最担心的就是无法及时发现弯道对向的来车或障碍物，尤其是在能见度较低或交通复杂的情况下。因此，系统需具备实时监测的能力，能检测对向车道的交通情况，尤其是逆行车辆、行人或其他障碍物。通过高精度传感器，如雷达、激光雷达和超声波传感器，系统能精准探测道路上可能出现的危险，并及时发出预警。
多种预警方式的综合运用也是系统须具备的特性之一。调查显示，驾驶员对于预警方式有较高的多样化需求，尤其是在紧急情况下，驾驶员希望通 过更直观、及时的方式获取警示信息。音频、震动和视觉反馈的多重预警方式，能更有效地传达潜在危险。例如，系统在检测到危险时，除了通过车载音响发出声音警告，还应通过方向盘震动或座椅震动等方式加强警示，同时通过车载显示屏显示相关危险信息。根据不同的风险等级，预警方式可自动调整，确保在任何情况下，驾驶员都能第一时间接收到准确的警示。
系统的天气适应性与环境识别能力在调查中也被视为一个关键需求。在 恶劣天气条件下（如雾霾、暴雨、雪天等），现有系统往往效果不佳，因此新 系统须具备在复杂天气下稳定运行的能力。雷达传感器在雾霾或雨雪等不良天气下仍能稳定工作，激光雷达和摄像头则需通过优化算法提高在低能见度环境下的表现，确保系统能精准判断道路环境并识别障碍物。
另外，精准的预警机制也是系统成功的关键。调查中，用户强调了误报和漏报带来的安全隐患，系统需通过多传感器融合技术来减少这些问题。通过雷达、激光雷达、超声波传感器及摄像头的数据融合，系统能提升数据的 精确度，并通过智能算法对不同场景进行分析，自动调整预警策略，从而避免不必要的误报或漏报。
3. 原型设计
3.1概念图
3.1.1概念结构图
系统概念图
我的设计图如图所示，在环山公路弯道两旁安装装置。当两侧光电开关正 常接收激光信号时，系统保持静默；一旦任一侧未能检测到信号，51单片机上 的蜂鸣器启动警报，提醒驾驶员潜在的碰撞风险。
3.2流程图
工作流程图
1）当两套系统均能正常接收激光信号时，警报保持静默。
2）如果任一装置被遮挡或无法接收信号，警报系统不会启动。
3）一旦两侧的光电开关都未能检测到激光，警报系统将立即启动，提醒驾驶员可能的碰撞风险。
3.3硬件框图
系统硬件框图
其中，传感器为光电开关，执行器为蜂鸣器，控制器为单片机，通讯系统为蜂鸣器。
4.原型设计
4.1设计过程
4.1.1开发环境
开发环境是开发环山公路弯道会车预警系统的关键组成部分，它提供了实现软件和硬件功能的基础工具和平台。为了完成这个项目，我们使用了Arduino IDE作为主要的开发环境。
Arduino IDE是一个广泛使用的集成开发环境，专门用于与Arduino 开发板进行编程和调试。它支持多种编程语言，尤其是C/C++，并具有简单易用的接口，使得开发者能快速编写、编译和上传代码到Arduino开发板。通过Arduino IDE，我们能实现传感器数据的采集、处理，以及与其他硬件组件（如显示屏、蜂鸣器、震动模块等）的控制。
使用Arduino IDE开发环境的优势在于其高度的灵活性和广泛的支持库。对于硬件项目，尤其是涉及传感器和微控制器的嵌入式系统，Arduino IDE提供了一个简洁而强大的平台，能让开发者迅速原型化和测试系统功能。此外，Arduino的开源性质使我们可以方便地利用社区贡献的代码和库来实现更加复杂的功能。
编程环境
4.1.2机械结构/建模过程
在环山公路弯道会车预警系统的开发过程中，确实涉及机械结构的设计 部分，主要包括传感器安装支架、控制模块外壳及系统集成的物理框架。为 了确保系统的稳定性和可操作性，合理的机械结构设计至关重要。我们没有使 用复杂的三维建模软件，而是采用了简单的设计方法，通过3D 建模软件（如 SolidWorks 或 AutoCAD）进行初步的设计和仿真。
设计思路：
1）传感器安装支架设计：传感器是系统的核心部分，通常包括雷达、超声波传感器和摄像头等。在设计支架时，需确保这些传感器能稳定安装在合适位置，且具备一定的调节范围，以便调整传感器的角度和方向。我们考虑到传感器需在不同气候条件下正常工作，因此支架材料选择了耐腐蚀、抗风沙的金属或高强度塑料。支架的设计需保证传感器与控制单元间的连接稳定，避免因震动或环境因素影响传感器数据的采集。
2）控制模块外壳设计：控制模块的外壳主要负责保护内部电子元件，包括微控制器、传感器连接端口和电源单元。外壳设计不仅要确保内部元件的安全，还需提供良好的散热效果，避免因高温导致设备损坏。在外壳的设计上，我们选择了适合户外使用的防水防尘材料，并设计了散热孔和电缆接口，以便进行系统调试和维护。
3）系统集成框架设计：系统集成框架用于将所有硬件模块组合成一个紧凑、可操作的单元。考虑到设备安装的简便性和便捷的维护性，同时考虑到运输和安装时的空间占用。框架设计时还考虑了重量和稳定性，确保在车载或路面安装时，系统不会因震动或外力影响而发生偏移。
4.2项目原型
4.2.1所需材料
在环山公路弯道会车预警系统的开发中，我们需使用一系列硬件元器件来构建系统的各个模块。这些元器件包括传感器、微控制器、显示屏、通信模块、电源模块及机械支架等。每个组件都在系统的工作中扮演着至关重要的角色，如传感器负责收集交通信息，微控制器负责数据处理和决策，通信模块实现系统间的连接与数据传输，显示屏则用于实时展示警告信息。
以下是本项目所使用的主要元器件列表，包含了各个元器件的名称、规格及功能：
这些元器件的合理选用和精确配置是确保环山公路弯道会车预警系统顺利 运行的关键，任何一个模块的失效都会影响整个系统的性能和稳定性。 4.2.2制作过程
在装置制作过程中，所有必要的元器件，如传感器、微控制器、显示屏和 蜂鸣器等，都被提前准备好并进行检查。根据设计图纸，传感器的安装支架被 搭建，确保它们能稳固且精准地固定在合适位置。传感器与微控制器间的连接完成后，通过编写程序来实现数据采集、处理和预警信号的触发功能。编程完成后，系统进入调试阶段，确保各传感器准确检测弯道交通情况，并通过显示屏和蜂鸣器正确发出警报。所有硬件组件经过测试后，最终被装入防水防尘的外壳中，以确保装置能在户外环境下正常运行，具备稳定性和可靠性。
4.2.3装置原型
5.总结 本文设计的环山公路弯道会车预警系统，通过光电开关实现，具有以下突出特点：
1）使用光电开关，并使用51单片机来进行环山公路弯道会车预警，技术 容易实现。
2）本课题的模型是用光电开关、51 单片机、电池来进行组装装置，用模型车来模拟汽车，成本低。
3）环山公路弯道会车是大众常遇到的安全问题，有很大的应用市场。使用该环山公路弯道会车预警系统可减少事故发生概率，保障驾驶员和乘客安全。
本论文完成的主要工作包括以下几个方面：
1）进行调研、访谈，了解了大量关于本课题的背景知识。
2）绘制概念图和流程图，完成了本课题的方案设计。
3）制作实物，并用C++编写代码，详细设计装置的软件逻辑流程。
4）进行实验与测试，证明本课题的可行性。
目前我的装置只是提醒驾驶员注意弯道来车使用的，将来希望能改进用于真实的环山公路上，实现警示驾驶员注意弯道来车并保护驾驶员及乘客安全。
6.收获与成长
这是我第一次参加科创活动，之前对于科创的认知只是做一些小发明。后来在老师的指导下才了解科创的全过程，并产生了兴趣。在课题的选择上，从我的兴趣爱好入手，因为我的家长常在行驶于环山公路时认为弯道会车很危险，所以我决定从识别车辆是否经过的角度出发，在功能上进行多次修改后，选定了现在的课题。在调研和设计上，我花了许多时间和精力，查阅了许多关于环山公路弯道会车预警系统的资料，发布线上问卷星调查，也对同学进行了线下访谈，在此基础上不断完善设计。在制作和实验中，我第一次使用编程语言C++，使用8051单片机来完成课题，让我开阔了眼界。
在撰写论文的每个环节，回望自己已经完成的篇章，心中难免生出浓浓的成就感，我想这就是课题研究的最大魅力。最后要感谢老师对我的细心辅导，感谢科创研究使我有了自我提升的机会，发现自己的价值。
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