CN112750316A - 智能诱导与团雾检测装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了智能诱导与团雾检测装置、系统及方法，该装置包括能见度检测装置、运算控制单元、报警诱导单元与无线和物联通信模块；能见度检测装置包括盒体，盒体内设置有通孔；通孔第一侧设置有红外发射单元；通孔第二侧异于红外发射单元入射光方向设置有红外接收单元。本发明采用微型能见度检测装置，在检测到能见度下降时能够发送告警信息；本发明采用低功耗低成本的检测装置，结合物联网与边缘计算，便于在道路两边密集布设，能够准确的判断发生团雾还是弥漫性大雾，检测团雾发生的能见度程度、分布范围、移动变化情形，为高速行车安全提供重要的道路信息。

Description

智能诱导与团雾检测装置、系统及方法

技术领域

本发明属于交通道路检测技术领域，尤其涉及智能诱导与团雾检测装置、系统及方法。

背景技术

“团雾是行车的杀手”是道路交通尤其是高速公路行业常说的一句话。团雾不同于区域弥漫性大雾，通常有以下特点：一是常发生在整体天气状况良好的清晨或上午，二是带有明显的地域性和突发性，三是只要发生通常都是特浓雾，给高速行车带来非常大的安全威胁。

长期以来，高速行业针对团雾没有有效的技术手段来实时监测，当前经常采用的手段是在团雾易发的区域布设安装专门的能见度检测仪(或带能见度检测的气象仪)，由于该设备体积较大且比较昂贵，不可能在团雾易发的公路沿线大量布设，往往布设一两个点位来检测团雾。由于团雾的范围且具有一定的移动性，这样设置的团雾检测并不能准确检测区域范围内发生的团雾，且成本较高。

现有的能见度检测有两种方案：

一是透射式能见度仪：利用光在大气中传播直接衰减的原理，将大气对光的吸收、反射、散射等都作为衰减因素，以厚度等于“基线”长度的气柱为样本，采用测量基线气柱的平均消光(透射)比，从而得出大气能见度和烟雾浓度，原理图如附图1所示。设F₀为光源发射功率，F为光线经长度气柱衰减后的接收功率，L为基线长度，指光源到接收器探头之间的光程。依据Koschmieder定律和Bouguer-Lambert定律，能够求出能见度VR：

二是散射式能见度仪：通过测量大气气溶胶粒子的散射系数(忽略气溶胶对光的吸收因素)求得大气能见度。具有占地空间小、使用方便的特点，在气象、交通等领域广泛应用。前向散射式能见度仪是目前使用数量最多的散射式能见度仪，它的工作测量原理如附图2所示：仪器的发射端发出光辐射，对采样空间的大气进行照射，大气样本中的气溶胶粒子对光辐射产生散射，通过测量特定角度上的散射光强，并根据其与总散射量之间的关系确定总散射系数。由于气溶胶对光的吸收系数相对较小，忽略不计，从而利用总散射系数求得能见度。

以上两种能见度检测技术中，由于透射式需要较大的光程，占用空间面积较大，不适合在小空间内应用。而目前常见的散射式能见度仪也具有较大的体积和成本，不适合用于小空间的诱导装置内；同时，由于现有方案和设备体积较大、成本较高，无法大量高密度延团雾易发的高速公路沿线布设，只能少量安装布设，无法对道路进行准确性、覆盖性的大范围检测，且单点检测易由于环境烟雾和扬尘等产生团雾误报。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供智能诱导与团雾检测装置，包括能见度检测装置、运算控制单元、报警诱导单元与无线和物联通信模块；能见度检测装置、报警诱导单元、无线和物联通信模块与运算控制单元相连，能见度检测装置包括盒体，盒体内设置有通孔；通孔第一侧设置有红外发射单元；通孔第二侧异于红外发射单元入射光方向设置有红外接收单元，用于接收红外发射单元经过通孔由雾散射的红外光；运算控制单元与红外发射单元、红外接收单元相连。

智能诱导与团雾检测系统，包括智能诱导与团雾检测端、边缘计算网关、云服务器与终端；智能诱导与团雾检测装置端设置多个智能诱导与团雾检测装置，用于多个位置的能见度检测；智能诱导与团雾检测端通过边缘计算网关与云服务器相连；终端与云服务器相连；

智能诱导与团雾检测端用于检测红外光散射后到达接收端的信号强度，根据信号强度判断能见度等级并根据能见度等级发出报警诱导信号，同时将检测结果发送至边缘计算网关；

边缘计算网关用于分析处理、记录智能诱导与团雾检测装置端数据，根据智能诱导与团雾检测装置之间的位置关系判断是否是团雾，并将分析处理结果反馈至智能诱导与团雾检测装置端以及发送至云服务器；

云服务器用于对多个边缘计算网关的数据统一监控，且与终端通信。

智能诱导与团雾检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1:设置一组或多组智能诱导与团雾检测装置，编号，进行能见度检测：

S12:红外光到达并通过通孔，若通孔内有雾，则红外光通过雾发生散射；

S13:在异于红外光发射方向检测通过通孔散射后的红外光的信号强度，根据信号强度计算能见度值；

S14:系统按能见度取值范围设置多个能见度等级，设定能见度报警阈值；

S2:判断能见度是否超出报警阈值，若是则启动报警诱导灯报警，否则重复检测；

S3:智能诱导与团雾检测装置上传能见度数据至边缘计算网关；

S4:边缘计算网关结合报警诱导灯的数量分布和位置关联关系，以及温湿度、能见度值分析计算并判断是否发生团雾或弥漫性大雾；

S5:边缘计算网关反馈分析计算结果至智能诱导与团雾检测装置同时发送分析计算结果至云服务器，云服务器发送分析计算结果至终端。

本发明的有益效果在于：本发明能够将微型能见度检测装置内置于诱导灯或雾灯中，在检测到能见度下降时能够主动发送告警信息和发送能见度数据至云服务器，由云服务器对终端进行危险提醒；本发明采用低功耗低成本的能见度检测装置，便于在道路两边密集布设，能够准确的判断发生团雾还是弥漫性大雾，能够更准确的检测团雾发生的能见度程度、分布范围、移动变化情形，为高速行车安全提供重要的道路信息；本发明结合物联网与边缘计算进行数据传输和处理，保证了数据传输的稳定性和数据处理的高效性。

附图说明

图1是现有技术1透射式能见度仪的原理图；

图2是现有技术2散射式能见度仪的原理图；

图3是本发明能见度检测装置的原理图；

图4是智能诱导与团雾检测装置的系统图；

图5是智能诱导与团雾检测系统的原理图；

图6是智能诱导与团雾检测方法的流程原理图；

图中：1-暗盒；2-通孔；3-红外发射单元；4-红外接收单元；5-红外发射驱动器；6-信号放大电路；7、8-聚光透镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如附图1所示，本发明智能诱导与团雾检测装置，包括能见度检测装置、运算控制单元、报警诱导单元与无线和物联通信模块；能见度检测装置、报警诱导单元、无线和物联通信模块与运算控制单元相连，能见度检测装置包括盒体，盒体内设置有通孔；通孔第一侧设置有红外发射单元；通孔第二侧异于红外发射单元入射光方向设置有红外接收单元，用于接收红外发射单元经过通孔由雾散射的红外光；运算控制单元与红外发射单元、红外接收单元相连。

进一步的，所述智能诱导与团雾检测装置还包括与运算控制单元相连的温湿度传感器与定位模块。

进一步的，所述智能诱导与团雾检测装置还包括与运算控制单元相连的太阳能供电单元；太阳能供电单元包括太阳能电池板、蓄电池与太阳能控制器；太阳能电池板、蓄电池分别与太阳能控制器相连；太阳能控制器与运算控制单元相连。

进一步的，所述运算控制单元与红外发射单元之间连接有红外发射驱动器；红外发射单元靠近通孔一侧以及红外接收单元靠近通孔另一侧均设置有聚光透镜。

进一步的，所述红外接收单元包括红外探测接收器与信号放大电路；红外探测接收器通过信号放大电路与运算控制单元输入端相连。

进一步的，所述报警诱导单元为LED闪烁灯。

进一步的，所述无线和物联通信模块包括LoRa模块与4G无线网络通讯模块；LoRa模块与4G无线网络通讯模块分别与运算控制单元相连。

智能诱导与团雾检测系统，包括智能诱导与团雾检测装置端、边缘计算网关、云服务器与终端；智能诱导与团雾检测装置端设置多个智能诱导与团雾检测装置，用于多个位置的能见度检测；智能诱导与团雾检测装置端通过边缘计算网关与云服务器相连；终端与云服务器相连；

智能诱导与团雾检测装置端用于检测红外光散射后到达接收端的信号强度，根据信号强度判断能见度等级并根据能见度等级发出报警诱导信号，同时将检测结果发送至边缘计算网关。

边缘计算网关用于分析处理、记录智能诱导与团雾检测端数据，根据智能诱导与团雾检测装置之间的位置关系判断是否是团雾，并将分析处理结果反馈至智能诱导与团雾检测装置端以及发送至云服务器；

云服务器用于对多个边缘计算网关的数据统一监控，且与终端通信。

智能诱导与团雾检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1:设置一组或多组智能诱导与团雾检测装置，编号，进行能见度检测：

S11:红外光到达并通过通孔，若通孔内有雾，则红外光通过雾发生散射；

S12:在异于红外光发射方向检测通过通孔散射后的红外光的信号强度，根据信号强度计算能见度值；

S13:系统按能见度取值范围设置多个能见度等级，设定能见度报警阈值；

S2:判断能见度是否超出报警阈值，若是则启动报警诱导灯报警，否则重复检测；

S3:智能诱导与团雾检测装置上传能见度数据至边缘计算网关；

S4:边缘计算网关结合报警诱导灯的数量分布和位置关联关系，以及温湿度、能见度值分析计算并判断是否发生团雾或弥漫性大雾；

S5:边缘计算网关反馈分析计算结果至智能诱导与团雾检测装置同时发送分析计算结果至云服务器，云服务器发送分析计算结果至终端。

本发明智能诱导与团雾检测装置采用微型能见度检测装置，利用散射检测原理，内置于诱导灯中，具有体积小成本低的特点。具体工作原理为：诱导灯内设置一个长方体暗盒，激光器发射红外光，红外探测接收器接收红外光；由于红外光的发射和探测接收不直接相对，所以当没有雾的时候探测器是收不到红外光的，只有当暗盒中间的贯通两侧的圆孔中有雾时，雾会对发射的红外光发生散射作用，红外探测接收器就可以探测到微弱的红外光，且雾的浓度越高散射程度越高，红外探测接收器接收到的红外光就越强。

激光器靠近暗盒通孔处以及红外探测接收器靠近暗盒通孔的另一侧分别设置聚光透镜，会对发射的红外光和红外探测接收器接收的红外光起到聚焦的作用，减少环境红外光的影响。该能见度检测装置体积单边小于为50mm，能够放入诱导灯中。

智能诱导与团雾检测系统的原理为：

运算控制器接收能见度检测装置采集的红外强度信号，该信号通过模数转换后变成数字信号，该数字信号能够直观的表达能见度信息；运算控制器预设能见度门限值设置多级能见度等级，并根据检测的数字信号计算能见度值，判断当前能见度等级，根据能见度值或能见度等级发出报警信号，当能见度值或能见度等级大于预设值时，运算控制器通过无线通信模块向网关发送警告信息，并将能见度数据以及通过温湿度传感器检测的温湿度数据、通过定位模块获取的地理位置数据经过网关发送至服务器；服务器对所有通过网关接收到的能见度检测数据、警告信息、温度数据以及地理位置数据进行统一监控，并通过终端进行可视化监控管理。

诱导灯端通讯采用LoRa物联网通讯模块，上行采用4G无线网络通讯，通过4G网络接入服务器云平台。

采用太阳能电池板收集太阳能并将其转化为电能，采用MPPT太阳能控制器控制太阳能电池板给蓄电池充电，蓄电池为诱导灯与激光器、红外探测接收器以及运算控制器供电。采用太阳能供电的方式，避免了复杂的接线与电池更换，诱导灯端能够低功耗长时间工作，实现无人化管理。

本发明基于网关边缘计算的智能诱导与团雾检测方法：在道路两侧(双向隔离道路的每一个方向可以在路两侧布设2列，双向为4列)布设智能诱导灯，每个网关可以覆盖1～2公里范围内的诱导灯，边缘计算网关对单诱导灯或者多诱导灯上报的能见度检测告警信息进行分析和处理，以判断是否是团雾，如果分析计算为团雾则将团雾告警的信息，包括团雾等级与能见度值上报云服务器，用户终端通过云服务器获取数据及时了解团雾现场的团雾等级、团雾覆盖道路的长度范围、团雾的具体地址信息等，为应急决策提供依据。如仅仅小范围的部分几个诱导灯检测能见度低于设定值，同一道路的其他位置能见度正常，则该小范围区域发生了团雾；若该道路区域的所有所有诱导灯检测的能见度均低于设定值，则该道路区域发生了大雾。

本发明能够将微型能见度检测装置内置于诱导灯或雾灯中，在检测到能见度下降时能够主动发送告警信息和发送能见度数据至服务器，由服务器对终端进行危险提醒；本发明结合诱导灯的分布和数量及其位置关系以及温湿度判断发生团雾还是弥漫性大雾；本发明采用低功耗低成本的能见度检测装置，便于在道路两边密集布设，能够更准确的检测团雾发生的能见度程度、分布范围、移动变化情形，为高速行车安全提供重要的道路信息；本发明结合物联网与边缘计算进行数据传输和处理，保证了数据传输的稳定性和数据处理的高效性。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.智能诱导与团雾检测装置，包括能见度检测装置、运算控制单元、报警诱导单元与无线和物联通信模块；能见度检测装置、报警诱导单元、无线和物联通信模块与运算控制单元相连，其特征在于，能见度检测装置包括盒体，盒体内设置有通孔；通孔第一侧设置有红外发射单元；通孔第二侧异于红外发射单元入射光方向设置有红外接收单元，用于接收红外发射单元经过通孔由雾散射的红外光；运算控制单元与红外发射单元、红外接收单元相连。

2.根据权利要求1所述智能诱导与团雾检测装置，其特征在于，还包括与运算控制单元相连的温湿度传感器与定位模块。

3.根据权利要求1所述智能诱导与团雾检测装置，其特征在于，还包括与运算控制单元相连的太阳能供电单元；太阳能供电单元包括太阳能电池板、蓄电池与太阳能控制器；太阳能电池板、蓄电池分别与太阳能控制器相连；太阳能控制器与运算控制单元相连。

4.根据权利要求1所述智能诱导与团雾检测装置，其特征在于，所述运算控制单元与红外发射单元之间连接有红外发射驱动器；红外发射单元靠近通孔一侧以及红外接收单元靠近通孔另一侧均设置有聚光透镜。

5.根据权利要求1所述智能诱导与团雾检测装置，其特征在于，所述红外接收单元包括红外探测接收器与信号放大电路；红外探测接收器通过信号放大电路与运算控制单元输入端相连。

6.根据权利要求1所述智能诱导与团雾检测装置，其特征在于，所述报警诱导单元为LED闪烁灯，内置于诱导灯中。

7.根据权利要求1所述智能诱导与团雾检测装置，其特征在于，所述无线和物联通信模块包括LoRa模块与4G无线网络通讯模块；LoRa模块与4G无线网络通讯模块分别与运算控制单元相连。

8.智能诱导与团雾检测系统，其特征在于，包括智能诱导与团雾检测装置端、边缘计算网关、云服务器与终端；智能诱导与团雾检测装置端设置多个智能诱导与团雾检测装置，用于多个位置的能见度检测；智能诱导与团雾检测装置端通过边缘计算网关与云服务器相连；终端与云服务器相连；

智能诱导与团雾检测装置端用于检测红外光散射后到达接收端的信号强度，根据信号强度判断能见度等级并根据能见度等级发出报警诱导信号，同时将检测结果发送至边缘计算网关；

边缘计算网关用于分析处理、记录智能诱导与团雾检测装置端数据，根据智能诱导与团雾检测装置之间的位置关系判断是否是团雾，并将分析处理结果反馈至智能诱导与团雾检测装置端以及发送至云服务器；

云服务器用于对多个边缘计算网关的数据统一监控，且与终端通信。

9.智能诱导与团雾检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1:设置多组智能诱导与团雾检测装置，编号，进行能见度检测：

S11:红外光到达并通过通孔，若通孔内有雾，则红外光通过雾发生散射；

S12:在异于红外光发射方向检测通过通孔散射后的红外光的信号强度，根据信号强度计算能见度值；

S13:系统按能见度取值范围设置多个能见度等级，设定能见度报警阈值；

S2:判断能见度是否超出报警阈值，若是则启动报警诱导灯报警，否则重复检测；

S3:智能诱导与团雾检测装置上传能见度数据至边缘计算网关；

S4:边缘计算网关结合报警诱导灯的数量分布和位置关联关系，以及温湿度、能见度值分析计算并判断是否发生团雾或弥漫性大雾；

S5:边缘计算网关反馈分析计算结果至智能诱导与团雾检测装置同时发送分析计算结果至云服务器，云服务器发送分析计算结果至终端。

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