CN111371895A - 一种高速公路隧道用机电设备管理系统及其方法 - Google Patents

一种高速公路隧道用机电设备管理系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高速公路隧道用机电设备管理系统及其方法，包括：隧道监控模块，设置于高速公路隧道的出入口，用于自动捕捉过往车辆以监测当前车流量数据；传感器模块，设置于高速公路隧道内，用于采集隧道内机电设备的环境数据；摄像头模块，设置于高速公路隧道内，用于采集隧道内机电设备的视频流数据；数据集中器，与所述隧道监控模块、所述传感器模块和所述摄像头模块通信连接，用于收集车流量数据、环境数据和视频流数据并上传；中央数据综合分析平台，与所述数据集中器通信连接，用于存储数据以进行数据处理和资源调度，并控制隧道内机电设备进行相应的响应。根据故障信息发出预警，提高了系统预警的准确度和响应的及时性。

Description

一种高速公路隧道用机电设备管理系统及其方法
技术领域
本发明涉及机电设备管理技术领域，尤其是涉及一种高速公路隧道用机电设备管理系统及其方法。
背景技术
随着经济的快速发展，高速公路隧道建设规模不断扩大，为了确保隧道内行车的安全，需要做好隧道机电设施的管理与养护工作。而加强隧道机电建设、完善机电维护、确保机电系统正常运转是减少事故，减轻事故危害的根本途径之一。高速公路隧道机电系统由隧道照明、通风排烟、消防给排水、火灾检测与报警、紧急呼叫与有线广播、交通监控、闭路电视监控、中央管理与控制、通信网络、消防救援设施、供配电和防雷接地等11大系统组成。
现有机电管理既不能根据机电管理的历史提取出单个设备的使用时间、在线时间，故障次数及在线状态等，也不能统计出某类设备、某厂家设备的使用时间、故障率、连续运行时间的信息。且机电设备种类多、系统复杂，普通的隧机管员无法同时掌握隧道机电的全方位知识，综合型多面手太少。一旦发生隧道机电设备故障，隧机管员常因个人能力不足，无法及时排除故障，故障修复的及时性得不到保证。
因此，现有机电管理没有充分利用采集到的数据进行综合分析，特别是包含丰富信息的图像数据的分析，其预警准确度有进一步提高的空间。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一是提供一种高速公路隧道用机电设备管理系统，具有提高预警准确度和响应及时的优点。
本发明的上述发明目的之一是通过以下技术方案得以实现的：
一种高速公路隧道用机电设备管理系统，包括：
隧道监控模块，设置于高速公路隧道的出入口，用于自动捕捉过往车辆以监测当前车流量数据；
传感器模块，设置于高速公路隧道内，用于采集隧道内机电设备的环境数据；
摄像头模块，设置于高速公路隧道内，用于采集隧道内机电设备的视频流数据；
数据集中器，与所述隧道监控模块、所述传感器模块和所述摄像头模块通信连接，用于收集车流量数据、环境数据和视频流数据并上传；
中央数据综合分析平台，与所述数据集中器通信连接，用于存储数据以进行数据处理和资源调度，并控制隧道内机电设备进行相应的响应。
通过采用上述技术方案，隧道监控模块监测隧道内的车流量数据，传感器模块采集隧道内机电设备的环境数据，摄像头模块采集隧道内机电设备的视频流数据；通过数据集中器将数据统一传输到中央数据综合分析平台进行存储和处理，然后中央数据综合分析平台实时从传感器模块采集的各种环境数据中进行初步分析并得出初步机电设备故障信息，再结合从摄像头模块采集的图像数据进行人工智能分类识别和预测的结果，从而最终确认出机电设备的故障信息，并根据故障信息发出预警和通知相关人员及时采取相应的动作，从而提高了系统预警的准确度和响应的及时性。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述传感器模块包括温度传感器、烟雾传感器、湿度传感器、火焰检测传感器中的一种或多种。
通过采用上述技术方案，将不同类型的多个传感器散布在高速公路隧道的各个位置，经这些传感器可以获得多个维度的隧道的环境数据，从而可以综合分析这些数据以更加全面地了解现场状况，减少误报率。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述中央数据综合分析平台包括初步判断模块，所述初步判断模块预设有对应所述传感器模块各传感器的阈值并根据所述阈值进行故障初步判断。
通过采用上述技术方案，在中央数据综合分析平台的初步判断模块内预设对应上述传感器模块的阈值，并将实时采集的数据和该阈值相比较，从而可以实时全面地进行机电设备故障的初步预判。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述中央数据综合分析平台还包括人工智能预测模块，所述人工智能预测模块基于所述视频流数据对故障进行人工智能预测。
通过采用上述技术方案，人工智能预测模块对摄像头模块采集到的监测隧道内的视频流数据预处理后，进行人工智能分类预测，然后输出机电设备故障信息，可以进一步的提高机电设备出现故障预测的准确率。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述人工智能预测模块包括：
预处理单元，用于对所述视频流数据进行预处理；
提取单元，用于从所述预处理后的视频流数据中提取出故障特征；
预测单元，用于通过预训练好的神经网络对所述故障特征进行分类识别并作出预测。
通过采用上述技术方案，对视频流数据进行预处理，可以降低数据信息的处理量和存储量，而且减少了计算时间成本；提取故障特征并对特征进行融合处理，可以进一步挖掘图像的信息，从而增加了识别效率。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述隧道监控模块包括MESH路由器、MESH配置服务器、MESH网关服务器以及蓝牙客户端，多个所述MESH路由器设置于高速公路隧道内，至少两个所述MESH配置服务器设置于高速公路隧道的出入口，所述MESH网关服务器设置于高速公路隧道内，所述MESH路由器、MESH配置服务器、MESH网关服务器组成隧道骨干MESH网络，所述MESH配置服务器用于将所述蓝牙客户端配置为所述隧道骨干MESH网络的MESH节点，所述MESH路由器与所述MESH网关服务器通信连接，所述隧道骨干MESH网络通过所述MESH网关服务器与远程监控中心通信连接，多个所述MESH路由器之间多跳传输数据。
通过采用上述技术方案，高速公路隧道出入口的MESH配置服务器，可以检测并配置在或者进入隧道内的蓝牙客户端设备，并将其配置为隧道骨干MESH网络的MESH节点而加入该MESH网络，然后该节点可直接与隧道骨干MESH网络的MESH路由器进行多跳数据传输，进而将数据通过MESH网关服务器上传到远程监控中心，从而有助于提高隧道内数据传输到远程监控中心的可靠性、及时性。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：多个所述MESH路由器之间自组网通信连接。
通过采用上述技术方案，多个MESH路由器之间自组网通信连接，形成一个网状网络，有助于数据在MESH路由器多跳传输的效率。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述MESH配置服务器通过广播、邀请、交换密钥、认证、配置参数发送的步骤将所述蓝牙客户端配置为所述隧道骨干MESH网络的MESH节点。
通过采用上述技术方案，广播、邀请、交换密钥、认证、配置参数发送的步骤，MESH配置服务器将蓝牙客户端配置为隧道骨干MESH网络的MESH节点，从而将蓝牙客户端加入MESH网络，有助于提高数据传输的安全性。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述MESH节点通过所述隧道骨干MESH网络与所述中央数据综合分析平台通信。
通过采用上述技术方案，MESH节点经隧道骨干MESH网络与中央数据综合分析平台通信，可以及时可靠地远程监控隧道的情况，且中央数据综合分析平台还可以向隧道内的MESH节点发送消息或指令。
本发明的另一目的是提供一种高速公路隧道用机电设备管理方法，具有提高预警准确度和响应及时的优点。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种高速公路隧道用机电设备管理方法，包括：
通过隧道监控模块监测车辆进出高速公路隧道的车流量数据；
通过传感器模块采集高速公路隧道内机电设备的环境数据；
通过摄像头模块采集高速公路隧道内机电设备的视频流数据；
数据集中器将车流量数据、环境数据和视频流数据上传至中央数据综合分析平台，中央数据综合分析平台对数据进行处理和资源调度，并控制隧道内机电设备进行相应的响应。
通过采用上述技术方案，隧道监控模块监测隧道内的车流量数据，传感器模块采集隧道内机电设备的环境数据，摄像头模块采集隧道内机电设备的视频流数据；通过数据集中器将数据统一传输到中央数据综合分析平台进行存储和处理，然后中央数据综合分析平台实时从传感器模块采集的各种环境数据中进行初步分析并得出初步机电设备故障信息，再结合从摄像头模块采集的图像数据进行人工智能分类识别和预测的结果，从而最终确认出机电设备的故障信息，并根据故障信息发出预警和通知相关人员及时采取相应的动作，从而提高了系统预警的准确度和响应的及时性。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
1.隧道监控模块监测隧道内的车流量数据，传感器模块采集隧道内机电设备的环境数据，摄像头模块采集隧道内机电设备的视频流数据；通过数据集中器将数据统一传输到中央数据综合分析平台进行存储和处理，然后中央数据综合分析平台实时从传感器模块采集的各种环境数据中进行初步分析并得出初步机电设备故障信息，再结合从摄像头模块采集的图像数据进行人工智能分类识别和预测的结果，从而最终确认出机电设备的故障信息，并根据故障信息发出预警和通知相关人员及时采取相应的动作，从而提高了系统预警的准确度和响应的及时性；
2.高速公路隧道出入口的MESH配置服务器，可以检测并配置在或者进入隧道内的蓝牙客户端设备，并将其配置为隧道骨干MESH网络的MESH节点而加入该MESH网络，然后该节点可直接与隧道骨干MESH网络的MESH路由器进行多跳数据传输，进而将数据通过MESH网关服务器上传到远程监控中心，从而有助于提高隧道内数据传输到远程监控中心的可靠性、及时性。
附图说明
图1是本发明实施例的系统框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
一种高速公路隧道用机电设备管理系统，参照图1，包括：隧道监控模块，设置于高速公路隧道的出入口，用于自动捕捉过往车辆以监测当前车流量数据；传感器模块，设置于高速公路隧道内，用于采集隧道内机电设备的环境数据；摄像头模块，设置于高速公路隧道内，用于采集隧道内机电设备的视频流数据；数据集中器，与所述隧道监控模块、所述传感器模块和所述摄像头模块通信连接，用于收集车流量数据、环境数据和视频流数据并上传；中央数据综合分析平台，与所述数据集中器通信连接，用于存储数据以进行数据处理和资源调度，并控制隧道内机电设备进行相应的响应。
隧道监控模块监测隧道内的车流量数据，传感器模块采集隧道内机电设备的环境数据，摄像头模块采集隧道内机电设备的视频流数据；通过数据集中器将数据统一传输到中央数据综合分析平台进行存储和处理，然后中央数据综合分析平台实时从传感器模块采集的各种环境数据中进行初步分析并得出初步机电设备故障信息，再结合从摄像头模块采集的图像数据进行人工智能分类识别和预测的结果，从而最终确认出机电设备的故障信息，并根据故障信息发出预警和通知相关人员及时采取相应的动作，从而提高了系统预警的准确度和响应的及时性。
传感器模块包括温度传感器、烟雾传感器、湿度传感器、火焰检测传感器中的一种或多种；将不同类型的多个传感器散布在高速公路隧道的各个位置，经这些传感器可以获得多个维度的隧道的环境数据，如温湿度数据、烟雾数据、火焰红外数据等，然后将这些监测数据经上述数据集中器，通过有线或无线的方式统一上传到上述中央数据综合分析平台存储起来，或进行实时的、历史的数据处理和分析，从而可以综合分析这些数据以更加全面地了解现场状况，减少误报率。
中央数据综合分析平台包括初步判断模块，初步判断模块预设有对应传感器模块各传感器的阈值并根据阈值进行故障初步判断；在中央数据综合分析平台的初步判断模块内预设对应上述传感器模块的阈值，并将实时采集的数据和该阈值相比较，从而可以实时全面地进行机电设备故障的初步预判。比如，可在初步判断模块内设置一个阈值表（如数据库表或者配置文件等），包括温度阈值、湿度阈值、烟雾浓度阈值等，该阈值表的各个阈值可以根据实际情况修改，在该初步判断模块运行时读取该表内的阈值，然后与上述数据集中器上传的各个实时数据进行比较，看是否超过各个设定的阈值，如果是，则产生初步机电设备故障信息。
中央数据综合分析平台还包括人工智能预测模块，人工智能预测模块基于视频流数据对故障进行人工智能预测；人工智能预测模块对摄像头模块采集到的监测隧道内的视频流数据预处理后，进行人工智能分类预测，然后输出机电设备故障信息，可以进一步的提高机电设备出现故障预测的准确率。
人工智能预测模块包括：预处理单元，用于对视频流数据进行预处理，预处理包括灰度化和平滑化。灰度化就是将彩色图像转化为灰度图像的过程，图像灰度化处理不仅可以降低数据信息的处理量和存储量，而且减少了计算时间成本，增加了识别效率。灰度化处理时可以采用线性函数进行变换而得到特征更加明显的灰度图像，除了线性变换以外，还有对数变换、伽玛变换以及阈值变换等方法，其中的阈值变换为：通过设置一灰度阈值T，然后将原始图像中的每个像素与该灰度阈值T相比，比较结果为小于则将输出像素设为0，为大于则将输出像素设为1，处理过程比较简单实用。平滑化采用滤波处理，如均值滤波、高斯滤波以及中值滤波等。通过预处理单元对摄像头模块采集到的隧道内的视频流数据，进行灰度化和平滑化预处理，可以减少图像的噪声和数据量，加快后续计算的速度。
提取单元，用于从预处理后的视频流数据中提取出故障特征；预测单元，用于通过预训练好的神经网络对故障特征进行分类识别并作出预测。首先为了进一步挖掘图像的信息,可以将上述获取到的故障特征通过加权拼接进行融合，然后输入到预训练好的神经网络分类器进行分类识别和预测，如二分类，从而可以得出是故障的概率，然后输出故障预警信息；其中，分类器可以使用支持向量机SVM分类器、深度卷积神经网络DCNN或极限学习机等；神经网络的预训练包括构建神经网络、获取并预处理训练数据及使用dropout方法训练神经网络防止过拟合而提高模型的预测准确度。对视频流数据进行预处理，可以降低数据信息的处理量和存储量，而且减少了计算时间成本；提取故障特征并对特征进行融合处理，可以进一步挖掘图像的信息，从而增加了识别效率。
隧道监控模块包括MESH路由器、MESH配置服务器、MESH网关服务器以及蓝牙客户端，多个MESH路由器设置于高速公路隧道内，至少两个MESH配置服务器设置于高速公路隧道的出入口，MESH网关服务器设置于高速公路隧道内，MESH路由器、MESH配置服务器、MESH网关服务器组成隧道骨干MESH网络，MESH配置服务器用于将蓝牙客户端配置为隧道骨干MESH网络的MESH节点，MESH路由器与MESH网关服务器通信连接，隧道骨干MESH网络通过MESH网关服务器与远程监控中心通信连接，多个MESH路由器之间多跳传输数据。
本发明的蓝牙客户端包括使用低功耗蓝牙进行无线通信的终端设备，如今大多数电子设都带有低功耗蓝牙，如手机、穿戴设备、车载电子设备等，这些低功耗蓝牙设备都有一个蓝牙低功耗协议栈，但还不能直接与MESH网络通信，因此使用低功耗蓝牙进行无线通信的蓝牙客户端首先需要通过蓝牙低功耗协议栈的代理功能才能与上述隧道骨干MESH网络进行通信，即蓝牙低功耗协议栈暴露了一个代理GATT接口，蓝牙低功耗设备可使用该接口与MESH网络进行通讯，并通过MESH网络传输多种数据到监控中心，如蓝牙客户端设备采集的隧道内的图像数据、语音数据或者温湿度数据等，用来实时监控隧道的情况。
高速公路隧道出入口的MESH配置服务器，可以检测并配置在或者进入隧道内的蓝牙客户端设备，并将其配置为隧道骨干MESH网络的MESH节点而加入该MESH网络，然后该节点可直接与隧道骨干MESH网络的MESH路由器进行多跳数据传输，进而将数据通过MESH网关服务器上传到远程监控中心，从而有助于提高隧道内数据传输到远程监控中心的可靠性、及时性。
多个MESH路由器之间自组网通信连接，多个MESH路由器之间自组网通信连接，形成一个网状网络，有助于数据在MESH路由器多跳传输的效率。本发明的MESH路由器之间采用双频MESH组网，双频组网中每个MESH路由器节点的回传和接入均使用两个不同的频段，如本地接入服务用2.4 GHz 802.1l b/g信道，骨干MESH网络的回传网络使用5.8 GHz802.11a信道，互不存在干扰；这样每个MESH路由器就可以在服务本地接入用户的同时，执行回传转发功能。双频组网相比单频组网，解决了回传和接入的信道干扰问题，大大提高了网络性能。且每个MESH路由器可以和临近的MESH路由器无线通信连接，形成一个网状的多跳网络，有助于数据在MESH路由器多跳传输的效率，并使得每个MESH路由器可以将数据暂时发送到临近的MESH路由器上，再通过临近的MESH路由器进行转发到附近的MESH路由器上，直到数据传输到设置于隧道内的MESH网关服务器上，从而提高了隧道数据传输的可靠性，特别是在WIFI、GPRS信号较弱的情况下可以使数据传输更加及时。
MESH配置服务器通过广播、邀请、交换密钥、认证、配置参数发送的步骤将蓝牙客户端配置为隧道骨干MESH网络的MESH节点；MESH配置服务器为支持各种不同的蓝牙加入MESH网络，引入了全新的GAP广播类型mesh Beacon广播类型，各种未经配置的蓝牙客户端设备会通过使用广播mesh Beacon广播类型的信息来说明它的存在，如可以同时按下几个按钮、或长按某个按钮等方式启动蓝牙设备进行广播；MESH配置服务器收到mesh Beacon广播信息后，将会通过启动配置邀请PDU（Provisioning InvitePDU）信息字段向蓝牙客户端设备发送加入MESH网络的邀请，发出mesh Beacon信息的蓝牙客户端设备会作出响应，在Provisioning Capabilities PDU信息字段中响应自身的信息；接着，MESH配置服务器和要进行配置的蓝牙客户端设备可以直接或者通过带外等方式交换他们的公共密钥，这些密钥可以是静态或暂时的；然后进入认证步骤，要进行启动配置的蓝牙客户端设备会通过一定的形式给用户输出一个随机的数字，例如，闪烁LED灯数次，用户将启动配置的蓝牙客户端设备输出的数字发送到MESH配置服务器中，两台设备之间进行这一随机数的加密交换，以完成两个设备彼此之间的认证；认证成功完成后，会通过两台设备的私有密钥和交换的对称公共密钥生成会话密钥，会话密钥随后用于保护完成配置过程所需数据的后续分发，包括称为网络密钥（Netkey）的安全密钥，MESH配置服务器配置完成后会为配置的蓝牙客户端设备分配网络密钥Netkey这一MESH网络安全性参数，从而将该蓝牙客户端设备配置为上述MESH网络的节点，并将该节点的网络信息存储在MESH配置服务器上的节点信息列表以进行维护，然后将节点信息列表发送给各个MESH路由器。
本发明中MESH配置服务器的配置而加入MESH网络的MESH节点（即蓝牙客户端），该MESH节点的网络信息（包括地址信息）存在于上述MESH路由器的节点信息列表内，因此可以直接与MESH路由器进行数据传输。将蓝牙客户端加入MESH网络，有助于提高数据传输的安全性。MESH节点通过隧道骨干MESH网络与中央数据综合分析平台通信，MESH节点经隧道骨干MESH网络与中央数据综合分析平台通信，可以及时可靠地远程监控隧道的情况，且中央数据综合分析平台还可以向隧道内的MESH节点发送消息或指令。
一种高速公路隧道用机电设备管理方法，包括：通过隧道监控模块监测车辆进出高速公路隧道的车流量数据；通过传感器模块采集高速公路隧道内机电设备的环境数据；通过摄像头模块采集高速公路隧道内机电设备的视频流数据；数据集中器将车流量数据、环境数据和视频流数据上传至中央数据综合分析平台，中央数据综合分析平台对数据进行处理和资源调度，并控制隧道内机电设备进行相应的响应。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高速公路隧道用机电设备管理系统，其特征在于，包括：
隧道监控模块，设置于高速公路隧道的出入口，用于自动捕捉过往车辆以监测当前车流量数据；
传感器模块，设置于高速公路隧道内，用于采集隧道内机电设备的环境数据；
摄像头模块，设置于高速公路隧道内，用于采集隧道内机电设备的视频流数据；
数据集中器，与所述隧道监控模块、所述传感器模块和所述摄像头模块通信连接，用于收集车流量数据、环境数据和视频流数据并上传；
中央数据综合分析平台，与所述数据集中器通信连接，用于存储数据以进行数据处理和资源调度，并控制隧道内机电设备进行相应的响应。
2.根据权利要求1所述的一种高速公路隧道用机电设备管理系统，其特征在于，所述传感器模块包括温度传感器、烟雾传感器、湿度传感器、火焰检测传感器中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的一种高速公路隧道用机电设备管理系统，其特征在于：所述中央数据综合分析平台包括初步判断模块，所述初步判断模块预设有对应所述传感器模块各传感器的阈值并根据所述阈值进行故障初步判断。
4.根据权利要求3所述的一种高速公路隧道用机电设备管理系统，其特征在于，所述中央数据综合分析平台还包括人工智能预测模块，所述人工智能预测模块基于所述视频流数据对故障进行人工智能预测。
5.根据权利要求4所述的一种高速公路隧道用机电设备管理系统，其特征在于，所述人工智能预测模块包括：
预处理单元，用于对所述视频流数据进行预处理；
提取单元，用于从所述预处理后的视频流数据中提取出故障特征；
预测单元，用于通过预训练好的神经网络对所述故障特征进行分类识别并作出预测。
6.根据权利要求1所述的一种高速公路隧道用机电设备管理系统，其特征在于，所述隧道监控模块包括MESH路由器、MESH配置服务器、MESH网关服务器以及蓝牙客户端，多个所述MESH路由器设置于高速公路隧道内，至少两个所述MESH配置服务器设置于高速公路隧道的出入口，所述MESH网关服务器设置于高速公路隧道内，所述MESH路由器、MESH配置服务器、MESH网关服务器组成隧道骨干MESH网络，所述MESH配置服务器用于将所述蓝牙客户端配置为所述隧道骨干MESH网络的MESH节点，所述MESH路由器与所述MESH网关服务器通信连接，所述隧道骨干MESH网络通过所述MESH网关服务器与远程监控中心通信连接，多个所述MESH路由器之间多跳传输数据。
7.根据权利要求6所述的一种高速公路隧道用机电设备管理系统，其特征在于，多个所述MESH路由器之间自组网通信连接。
8.根据权利要求7所述的一种高速公路隧道用机电设备管理系统，其特征在于，所述MESH配置服务器通过广播、邀请、交换密钥、认证、配置参数发送的步骤将所述蓝牙客户端配置为所述隧道骨干MESH网络的MESH节点。
9.根据权利要求8所述的一种高速公路隧道用机电设备管理系统，其特征在于，所述MESH节点通过所述隧道骨干MESH网络与所述中央数据综合分析平台通信。
10.一种高速公路隧道用机电设备管理方法，其特征在于，包括：
通过隧道监控模块监测车辆进出高速公路隧道的车流量数据；
通过传感器模块采集高速公路隧道内机电设备的环境数据；
通过摄像头模块采集高速公路隧道内机电设备的视频流数据；
数据集中器将车流量数据、环境数据和视频流数据上传至中央数据综合分析平台，中央数据综合分析平台对数据进行处理和资源调度，并控制隧道内机电设备进行相应的响应。
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