高君璽，陶瑞兆，呂煥奔，黃天宇

(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院,河南鄭州，450001）

0 引言

非機(jī)動(dòng)車一直是我國(guó)居民較為常用的一種交通方式，并自2013年共享單車的引入與發(fā)展，騎自行車出行成為越來(lái)越多人首選的出行方式；然而，在共享單車給城市交通帶來(lái)的發(fā)展的同時(shí)，也帶來(lái)更多的交通事故，就死傷人員而言，自行車事故受傷人數(shù)占全國(guó)道路交通事故受傷人員總數(shù)的35%左右，死亡人數(shù)占全國(guó)道路交通事故死亡人數(shù)的25%左右；在我國(guó)城市交通事故統(tǒng)計(jì)中，與自行車有關(guān)的交通事故占60%左右，其中死亡事故與自行車有關(guān)者占30%[1]。

不正確的行為決策與行為模式是造成交通事故的主要原因，而現(xiàn)階段錯(cuò)誤的騎行方式，如單手騎行、身體離開(kāi)座位等現(xiàn)象比比皆是，但共享單車對(duì)于此卻沒(méi)有明確引導(dǎo)、提醒與限制；因此，為了解決這種現(xiàn)象，基于騎行者的行為模式，判斷出不安全騎行行為與時(shí)長(zhǎng)，并對(duì)騎行者進(jìn)行提醒與警示，對(duì)于減少共享單車發(fā)生交通事故有一定預(yù)防的意義。

1 系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，電池電壓經(jīng)穩(wěn)壓芯片1117穩(wěn)壓后供給系統(tǒng)中各個(gè)元件。其中用于測(cè)壓力的傳感器，將壓力變化傳輸給單片機(jī)并記錄在單片機(jī)內(nèi)，并通過(guò)藍(lán)牙傳輸協(xié)議向用戶手機(jī)發(fā)送情況報(bào)告，以便后期觀察；當(dāng)壓力與設(shè)定值不符時(shí)，通過(guò)單片機(jī)使燈光閃爍，若仍未改變騎行狀態(tài)蜂鳴器開(kāi)啟警報(bào)；轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)設(shè)置在把手處，通過(guò)轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)進(jìn)行通斷控制，將通斷信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)內(nèi)，通過(guò)單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向燈的開(kāi)啟與關(guān)閉。主要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向時(shí)提醒其他交通參與者、錯(cuò)誤騎行時(shí)的提醒與記錄的功能。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以分成四個(gè)模塊：壓力傳感器測(cè)試模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向指示燈模塊、安全警報(bào)模塊。轉(zhuǎn)向指示燈和壓力傳感器都是接3.3V電源和地，然后數(shù)據(jù)腳接一個(gè)上拉電阻，接到單片機(jī)；12V電源經(jīng)3.3V的穩(wěn)壓芯片得到3.3V的電源。系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

1.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件部分是主控程序模塊、藍(lán)牙傳輸模塊、傳感器數(shù)據(jù)記錄模塊組成。當(dāng)單片機(jī)接收到傳感器傳輸?shù)男盘?hào)，由語(yǔ)句判別變化范圍是否超過(guò)設(shè)定值；若超過(guò)，通過(guò)傳輸協(xié)議向手機(jī)APP發(fā)送消息，并同時(shí)作用于警告燈，若騎行者仍未改變騎行狀態(tài)，會(huì)作用于蜂鳴器開(kāi)始發(fā)出警告。

1.3 系統(tǒng)的檢測(cè)與分析

在設(shè)備完成代碼寫入和線路焊接后進(jìn)行檢測(cè)和靈敏度分析：

（1）系統(tǒng)實(shí)際操作檢測(cè)：當(dāng)打開(kāi)開(kāi)關(guān)后，設(shè)備藍(lán)牙模塊發(fā)出紅色閃光。通過(guò)藍(lán)牙模塊可以實(shí)現(xiàn)騎行設(shè)備和手機(jī)端APP的連接和數(shù)據(jù)交流。當(dāng)人雙手正確握在車把上并正確落座后，設(shè)備發(fā)出“滴”的長(zhǎng)鳴，同時(shí)紅燈常亮1秒，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。當(dāng)騎行者左手或者右手脫離車把后，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到騎行者的危險(xiǎn)騎行，位于車把左右的顯示燈閃爍進(jìn)行提示；當(dāng)繼續(xù)單手騎行時(shí)，燈光繼續(xù)閃爍的同時(shí)，蜂鳴器可以按照預(yù)先設(shè)計(jì)發(fā)聲報(bào)警，通過(guò)聲信號(hào)和電信號(hào)提示騎行者注意安全；在檢測(cè)到騎行者雙手離開(kāi)車把并離開(kāi)車座結(jié)束騎行后，系統(tǒng)可正常通過(guò)藍(lán)牙模塊向手機(jī)端APP發(fā)送一條簡(jiǎn)單的信息匯總和提醒，內(nèi)容正確包含：騎行總時(shí)間、單手騎行次數(shù)、離座騎行時(shí)間、離座騎行次數(shù)。

（2）數(shù)據(jù)分析：對(duì)軟件所報(bào)告的騎行時(shí)間進(jìn)行誤差分析，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，相對(duì)誤差為0.46%，證明該系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，符合普通民用設(shè)備的精度需求。

2 結(jié)果與討論

生物力學(xué)研究指出，人體骨骼在承受彎曲應(yīng)力及拉壓應(yīng)力時(shí)的特性表現(xiàn)同普通剛性材料類似，則可將大小腿及腳骨頭等效視為剛性桿件[2]，在人體神經(jīng)系統(tǒng)的控制下，橫紋肌收縮而產(chǎn)生的拉力帶動(dòng)下肢骨骼，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)功能，故可視其為動(dòng)力源[3]，借助SOLIDWORKS建模，利用ANSYS R19.2軟件對(duì)不同騎行情況行駛中受力情況進(jìn)行模態(tài)分析，并實(shí)際測(cè)量人體在不同行駛情況下的生理參數(shù)與制動(dòng)距離等數(shù)據(jù)。為了在不影響仿真模擬結(jié)果的前提下，使研究的問(wèn)題簡(jiǎn)單化直觀化，作出以下假設(shè)：（1）在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，車和騎行者為一個(gè)系統(tǒng)，且可以在受力條件下發(fā)生應(yīng)變；（2）系統(tǒng)作直線運(yùn)動(dòng)，且忽略系統(tǒng)重心高度變化。（3）施加在人體手部有限元模型上的力為定值，且總大小為4KN。

2.1 單手騎行與正確騎行的力學(xué)分析

針對(duì)單雙手騎行時(shí)手臂與主要軀干用ANSYS R19.2軟件進(jìn)行應(yīng)力有限元分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 單雙手騎行應(yīng)力有限元分析

通過(guò)顏色云圖可以明顯發(fā)現(xiàn)，單手騎行時(shí)手臂與主要上肢軀干部分受到的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙手騎行時(shí)所受應(yīng)力，且前臂靠關(guān)節(jié)部分與肩部受力較大，為主要控制自行車行駛狀態(tài)的部位；單手騎行時(shí)最大有限元應(yīng)力為1.428*10-6MPa，最小有限元應(yīng)力為4.976*10-7MPa；雙手騎行時(shí)最大有限元應(yīng)力為6.634*10-7MPa，最小有限元應(yīng)力為1.687*10-7MPa，且受力基本呈現(xiàn)中心對(duì)稱的情況。

單手騎行時(shí)所受應(yīng)力較大，對(duì)方向的控制較為困難，與雙手騎行整體上的應(yīng)力呈現(xiàn)出數(shù)量級(jí)的差異；且單手騎行時(shí)人體重心與自行車行駛重心存在偏差，存在一定的整體性傾斜，騎行時(shí)需克服傾斜帶來(lái)的力；單手控制時(shí)，遇緊急情況是僅能控制單個(gè)車輪的制動(dòng)容易產(chǎn)生前翻或者制動(dòng)距離較長(zhǎng)的情況，對(duì)行駛安全與事故規(guī)避不利。

2.2 站立騎行與正確騎行的力學(xué)分析

針對(duì)站立騎行時(shí)手臂與主要軀干用ANSYS R19.2軟件進(jìn)行應(yīng)力有限元分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 單雙手騎行應(yīng)力有限元分析

通過(guò)顏色云圖可以明顯發(fā)現(xiàn)，站立騎行時(shí)手臂與主要上肢軀干部分受到的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常騎行時(shí)所受應(yīng)力，且前臂靠關(guān)節(jié)部分與腿部受力較大，為主要控制自行車行駛狀態(tài)的部位；站立騎行時(shí)最大有限元應(yīng)力為1.4263*10-6MPa，最小有限元應(yīng)力為6.339*10-7MPa，受力基本呈現(xiàn)中心對(duì)稱的情況。

站立騎行時(shí)所受應(yīng)力較大，難以對(duì)騎行狀態(tài)與方向有較好的把控，與正常騎行整體上的應(yīng)力呈現(xiàn)出數(shù)量級(jí)的差異；且站立騎行時(shí)人體重心較高，人與自行車這個(gè)整體重心也較高，更容易出現(xiàn)傾斜，騎行時(shí)需額外增加克服傾斜帶來(lái)的力給騎行帶來(lái)不便；站立騎行時(shí)，遇緊急情況時(shí)制動(dòng)容易因?yàn)轵T行者重心過(guò)高而出現(xiàn)人體受慣性影響仍保持前行狀態(tài)出現(xiàn)危險(xiǎn)情況。

2.3 危險(xiǎn)騎行方式與正確騎行的對(duì)比

設(shè)定測(cè)試速度為20.5±0.4Km/h，對(duì)同一自行車進(jìn)行多次制動(dòng)距離測(cè)量取平均值，結(jié)果如表1所示。

表1 不同騎行方式下的制動(dòng)距離

由表中數(shù)據(jù)可知：?jiǎn)问烛T行時(shí)制動(dòng)距離是正常騎行的約3.3倍，而站立騎行是正常騎行的1.64倍。

設(shè)定速度為20.5±0.4Km/h時(shí)，記錄從發(fā)出指令騎行者到雙手制動(dòng)至自行車完全停止的時(shí)間多次測(cè)量取平均值，結(jié)果如表2所示。

表2 不同騎行方式下的反應(yīng)時(shí)間

由表中數(shù)據(jù)可知：?jiǎn)问烛T行時(shí)反應(yīng)時(shí)間約為1.825s，比雙手騎行時(shí)反應(yīng)時(shí)間約多出1s左右。

3 結(jié)論與展望

（1）系統(tǒng)在正常環(huán)境中可以正常運(yùn)行，危險(xiǎn)騎行次數(shù)記錄準(zhǔn)確，危險(xiǎn)騎行時(shí)間記錄誤差為0.46%對(duì)系統(tǒng)使用無(wú)實(shí)際影響；（2）單手騎行時(shí)手臂與主要上肢軀干部分受到的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙手騎行時(shí)所受應(yīng)力，且前臂靠關(guān)節(jié)部分與肩部受力較大，并呈現(xiàn)數(shù)量級(jí)的差異；（3）站立騎行時(shí)手臂與主要上肢軀干部分受到的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常騎行時(shí)所受應(yīng)力，且前臂靠關(guān)節(jié)部分與腿部受力較大，并呈現(xiàn)數(shù)量級(jí)的差異；（4）實(shí)際測(cè)量時(shí)，危險(xiǎn)騎行的制動(dòng)距離比正確騎行方式下平均多出6.01m，占正常騎行時(shí)制動(dòng)距離的175.82%；危險(xiǎn)騎行的反應(yīng)時(shí)間比正確騎行方式下平均多出0.945s，占正常騎行時(shí)反應(yīng)時(shí)間的107.38%，約增加5.61m制動(dòng)距離；（5）根據(jù)已測(cè)出與有限元模擬的數(shù)據(jù)，可證明單手騎行與站立騎行是危險(xiǎn)騎行的說(shuō)法是可靠的；（6）由于人體工學(xué)不能簡(jiǎn)單的看成機(jī)械構(gòu)件，在利用ANSYS軟件模擬時(shí)，雖增加了一些修正但人體的受力方式、力的傳導(dǎo)方式等方面比較特殊，在日后的研究中基于人體特點(diǎn)進(jìn)行更精細(xì)化考慮，并加以修正。