《Scientific Reports》：Instability detection and overload controlling system: a case of public transportation
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摘要译文：
在许多地区，公共交通——尤其是小型巴士服务——是一种不可或缺的出行替代方式，然而超载仍然是一种普遍存在的安全隐患。当超过允许的重量限制时，车辆稳定性受到危害，道路恶化加速，事故可能性增加。为了解决这些问题，本研究提出了一种集成的、实时的驾驶员支持系
摘要译文：
在许多地区，公共交通——尤其是小型巴士服务——是一种不可或缺的出行替代方式，然而超载仍然是一种普遍存在的安全隐患。当超过允许的重量限制时，车辆稳定性受到危害，道路恶化加速，事故可能性增加。为了解决这些问题，本研究提出了一种集成的、实时的驾驶员支持系统，用于检测小型巴士的失稳状态，从而防止超载。该系统利用钢板弹簧应变片和底盘安装的称重传感器（load cell）持续跟踪车辆重量和动态载荷转移。当整车重量超过限值时，燃油切断电磁阀（fuel cutoff solenoid）使发动机停止运转。在行驶过程中，应变阈值（ε = 0.03）用于检测失稳状态，触发声光警告，并在需要时通过GSM/GPS向主管部门发送基于位置的警报。通过分析和实验研究，确定了丰田海狮（Toyota HiAce，LH172V）厢式货车的最大安全运行速度为24.37 km/h，车轮载荷能力分别为前轴10.24 kN和后轴11.52 kN。该系统通过最大限度地降低侧翻危险、在各种驾驶条件下保持稳定性以及减轻因超载诱发的失稳所导致的事故，从而提升了公共交通安全。
论文解读：基于实时检测与控制的公共小型巴士超载与失稳防护系统
一、研究背景与问题
公共交通是城市出行的重要方式，尤其在发展中国家，小型巴士（minibus）是许多地区不可或缺的交通选择。然而，车辆超载问题在这些地区普遍存在，并带来严重的安全隐患。当车辆超过允许的载荷限制时，车辆稳定性被破坏，道路损坏加速，事故风险显著增加。超载还会导致制动距离延长、轮胎过热磨损、悬架系统过载、发动机性能下降和燃油消耗增加。此外，超载车辆引起的路面破坏会大幅提高道路维护成本，缩短路面使用寿命。现有商业超载监控系统多集中于大型卡车或乘用车，例如车载称重系统和现代客车稳定性控制，而针对发展中国家广泛使用的小型巴士，缺乏低成本、集成化的实时检测与控制方案。因此，本研究旨在开发一种集成的实时驾驶员辅助系统，用于检测小型巴士的失稳状态并防止超载，填补现有技术的空白。
二、研究内容与主要结论
研究人员以丰田海狮（Toyota HiAce LH172V）厢式货车为测试车辆，通过理论分析、实验测量、仿真模拟和文献对比相结合的方法，系统研究了车辆在静态和动态条件下的载荷分布、失稳机理和临界安全车速。研究首先通过静态条件下的轴荷分配计算，确定了车辆在水平路面和倾斜路面上的轮荷反应力；利用千斤顶提升前轮法测量了车辆重心高度；随后通过车辆动力学方程分析了车辆在水平弯道和倾斜弯道上行驶时的陀螺效应、离心力效应以及各车轮载荷的变化规律。研究发现，车辆在水平弯道上的临界速度为37.8 km/h，超过该速度内侧车轮将失去地面接触；而考虑轮胎与路面摩擦系数后的最大安全速度为24.37 km/h。在倾斜弯道上，临界速度略高为38.449 km/h，但最大安全速度建议不超过7.2 m/s。为保证车辆在所有弯道工况下保持稳定，研究人员将6.77 m/s（约24.37 km/h）作为参考安全速度。基于不同工况下的车轮载荷与钢板弹簧应变关系，确定了钢板弹簧的应变阈值ε = 0.03，当应变超过该值时车辆进入失稳状态。研究还设计了基于Arduino微控制器的检测与控制系统，利用称重传感器（load cell）和应变片实时监测车辆载重和钢板弹簧变形，并配备LCD显示屏、LED指示灯、蜂鸣器、GSM/GPS模块以及燃油切断电磁阀。当车辆超载时，系统自动切断燃油供给使发动机熄火，并通过GSM发送带有定位坐标的短信通知交通管理部门；当检测到失稳应变超过阈值时，系统发出声光警报。该研究为小型巴士提供了低成本的超载与失稳主动防护方案，有助于降低侧翻事故风险、减少路面损坏并提升公共交通安全水平。
三、主要关键技术方法
研究人员采用了多种关键技术方法。首先是实验测量方法，包括使用称重传感器在静态和倾斜工况下获取轮荷数据，在钢板弹簧上粘贴应变片测量应变值，以及采用千斤顶提升前轮法测定车辆重心高度。其次是理论分析方法，利用车辆静力学平衡方程、稳态转弯动力学方程和载荷转移公式计算不同工况下的车轮载荷与临界速度。第三是仿真模拟方法，使用Proteus Design Suite软件对基于Arduino的控制逻辑进行电路仿真和动画演示。第四是文献对比方法，参考已有研究中的路面损坏系数和系统设计进行比较。样本队列来源为单一测试车辆——丰田海狮（LH172V）厢式货车，所有实验数据均来自该车辆。
四、研究结果
1. 应变值与各车轮反作用力
研究表明，当车辆在不同路面条件下行驶时，重量会从一侧转移至另一侧，钢板弹簧应变随之波动。前内轮（ε11）的应变在0.00356至0.0239之间变化，表明车辆在减速工况下驾驶员对车速具有完全控制。后内轮（ε21）应变在0至0.0293之间变化，当车辆在弯道上以临界速度加速时，该车轮可能失去地面接触，应变趋近于零，存在侧翻危险。前外轮（ε12）应变范围为0.0143至0.04519，后外轮（ε22）应变范围为0.02127至0.0487，外侧车轮在转弯时承受较大载荷，应变波动显著，表明车辆处于不稳定状态。因此，车辆在弯道行驶时需限制速度以维持稳定性。
2. 失稳参考点
车辆失稳的主要原因是载荷分布不均、路面条件变化以及超载车辆以不同速度行驶。为防止因车速过高和车轮载荷分布不均导致侧翻，倾斜弯道上的最大安全速度应低于7.2 m/s。研究人员将在水平弯道上获得的6.77 m/s作为水平和倾斜弯道的统一参考速度。比较外侧钢板弹簧的应变值，后外轮的应变略大于前外轮，后外轮变形值应小于0.033，而前外轮应变值为0.03，因此系统将0.03作为参考应变阈值。
3. 整体Proteus材料与结果
研究人员利用Proteus设计软件搭建了超载控制和失稳检测系统的电子电路，将称重传感器连接至Arduino的A0引脚，应变片连接至A2引脚，GSM、LCD、GPS、蜂鸣器和LED分别连接至相应引脚。仿真结果显示：当实际载荷WA小于额定载荷WP时，LCD显示“安全载荷”；当WA等于WP时，系统发出警告信号，LCD显示“警告，车辆处于安全载荷极限”，蜂鸣器和黄色LED启动；当WA大于WP时，LCD显示“检测到超载并发送数据”，系统通过GSM向管理人员发送带有GPS坐标的短信。
4. 稳定性检查
当应变值大于0.03时，Arduino向LED和LCD发送警报信号，LCD显示“警告，检测到失稳”，表明系统能够实时识别车辆的失稳风险并提醒驾驶员。
五、讨论与结论
讨论部分指出，全球范围内超载问题严重，已有研究多侧重于超载对路面的损坏及其检测，但普遍忽视了超载车辆在高速行驶时引发的失稳问题，且未提供主动防止超载和提升稳定性的解决方案。本研究所提出的驾驶员辅助系统通过载荷传感器和应变监测，能够准确检测超载状态，并在超载时切断燃油、发送短信通知，从而主动防止超载。系统还通过应变阈值识别失稳状态，发出声光警报，帮助驾驶员保持对车辆的控制。
研究结论认为，该驾驶员辅助系统能够消除由超载和失稳引起的事故与伤害，降低车辆侧翻风险，并有助于在各种路面条件下维持稳定性。当车辆载荷达到额定载荷时，警示系统启动；当载荷超过额定值时，系统自动检测超载并切断燃油供应，发动机无法产生动力，同时通过GSM发送包含位置坐标的短信。系统基于参考应变值0.03检测失稳状态，当钢板弹簧应变等于0.03时，车辆处于最大安全极限，警示信号激活；当应变显著超过0.03时，车辆进入危险状态。该研究为小型巴士提供了经济有效的超载与失稳主动防护技术方案，对提升公共交通安全性、降低道路维护成本具有重要实践意义。
