CN113050186A - 非接触式路面状态监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式路面状态监测系统，包括：光信号发射模块，用于每隔第一预设时间朝向路面发射光信号，该光信号为红外光；光信号接收模块，用于每隔第二预设时间接收路面反射的光信号，并从路面反射的光信号中获取n个敏感工作波长的光信号，其中n＞1，为正整数；信号处理模块，其与光信号接收模块连接，用于根据n个敏感工作波长的光信号对路面状态进行聚类分析，并输出路面状态的聚类分析结果信息。该非接触式路面状态监测系统可全天候实时非接触式识别干燥、积水(湿润)、结冰和积雪四种路面状态，具有检测精度高、反应灵敏、结构简单和成本低便于安装的优点。

Description

非接触式路面状态监测系统

技术领域

本发明涉及路面状况检测技术领域，尤其涉及一种非接触式路面状态监测系统。

背景技术

随着我国道路(包括高速公路)总里程的不断增长，由此带来的交通安全问题也日益突出。冬季恶劣的气候条件会使公路路面产生湿润、积雪、结冰和冰雪混合等复杂的状态，从而导致车辆轮胎与路面之间的摩擦力减小，成为诱发交通事故的直接原因。据我国道路交通事故年报统计，道路结冰或积雪所引起的交通事故发生率通常是干燥路面的10倍以上。公安部道路信息应急指挥中心，特别要求在高速公路、国道等重要通行路面尽快实施冰雪状态的全天候实时监测。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种非接触式路面状态监测系统，通过该监测系统可全天候实时非接触式识别路面状态。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种非接触式路面状态监测系统包括：光信号发射模块100，用于每隔第一预设时间朝向路面发射光信号，所述光信号为红外光；光信号接收模块200，用于每隔第二预设时间接收路面反射的光信号，并从所述路面反射的光信号中获取n个敏感工作波长的光信号，其中n＞1，为正整数；信号处理模块300，所述信号处理模块300与所述光信号接收模块200连接，用于根据所述n个敏感工作波长的光信号对路面状态进行聚类分析，并输出路面状态的聚类分析结果信息。

可选地，所述信号处理模块300包括：数据分析单元301，用于根据所述n个敏感工作波长的光信号计算出每个敏感工作波长的光信号的路面吸收反射值，并根据每个敏感工作波长的光信号的路面吸收反射值计算得到各个路面吸收反射值的比例关系；聚类分析单元302，其与所述数据分析单元301连接，所述聚类分析单元302用于根据所述各个路面吸收反射值的比例关系对路面状态进行聚类分析，然后输出并对外发送路面状态的聚类分析结果信息。

可选地，所述信号处理模块300还包括：光电转换单元303，其与所述光信号接收模块200连接，用于将n个敏感工作波长的光信号对应转换为电信号，以利于数据分析单元301进行分析处理；放大滤波单元304，其与所述光电转换单元303连接，用于对转换后的电信号进行信号的放大滤波处理；模数转换单元305，其与放大滤波单元304连接，用于对放大滤波后的电信号进行模拟信号向数字信号的转换，并将转换后的数字信号发送至所述数据分析单元301进行路面状态分析。

可选地，所述非接触式路面状态监测系统，还包括：路面状态显示模块400，用于无线接收所述聚类分析单元302发送的聚类分析结果信息，并显示所述聚类分析结果信息。

可选地，所述非接触式路面状态监测系统的工作温度为-40℃至85℃。

可选地，所述路面状态包括干燥状态、积水状态、结冰状态和积雪状态。

本发明至少具有以下技术效果：

本发明通过该非接触式路面状态监测系统可全天候实时非接触式识别干燥、积水(湿润)、结冰和积雪四种路面状态，具有检测精度高、反应灵敏、结构简单和成本低便于安装的优点，可广泛应用于高速公路、国道、机场跑道、特大桥梁及雨雪多发地区的路面监测。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的非接触式路面状态监测系统的结构框图；

图2为根据本发明一实施例的非接触式路面状态监测系统的工作原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的非接触式路面状态监测系统。

图1为根据本发明一实施例的非接触式路面状态监测系统的结构框图。参考图1所示，该非接触式路面状态监测系统10包括光信号发射模块100、光信号接收模块200和信号处理模块300。其中，光信号发射模块100用于每隔第一预设时间朝向路面发射连续波段的光信号，该光信号为红外光；光信号接收模块200用于每隔第二预设时间接收路面反射的光信号，并从路面反射的光信号中获取n个敏感工作波长的光信号，其中n＞1，为正整数；信号处理模块300与光信号接收模块200连接，用于根据n个敏感工作波长的光信号对路面状态进行聚类分析，并输出路面状态的聚类分析结果信息。

具体地，光信号发射模块100可为光源发射设备，例如卤素灯。其中，卤素灯发射的光信号为红外光信号，其波段连续，波长范围较宽，并且卤素灯相对于其他光源发射设备成本较低。本实施例中，可每隔一段距离在RSU(Rode-Side Unit，路旁单元)上设置卤素灯，并可远程人工控制卤素灯的开启与关闭。例如在需要进行路面状态监测时，开启卤素灯以进行路面状态监测，在其它状态时，关闭卤素灯以节约能源。

当以预设间隔(如5min)开启光信号发射模块100后，光信号发射模块100朝向路面发射连续波段的红外光信号，光信号接收模块200每隔预设时间(如5min)接收路面反射的光信号。本实施例中，光信号接收模块200可为多光谱探测器，通过多光谱探测器能够从路面反射的光信号中获取n个敏感工作波长的光信号，其中，n＞1，为正整数。例如，敏感工作波长的光信号的个数为2个或3个。举例而言，敏感工作波长的光信号其波长可为960nm、1550nm和1950nm，或880nm、950nm，或1310nm、1550nm。需要说明的是，本申请通过上述两个敏感工作波长或三个敏感工作波长即可聚类分析出路面状态，当然为了提高聚类分析的精确度，还可通过更多的敏感工作波长进行路面状态的综合判断。

光信号接收模块200在获取n个敏感工作波长的光信号后，可将其发送至信号处理模块300以进行数据分析处理。信号处理模块300根据n个敏感工作波长的光信号即可对路面状态进行聚类分析，并输出路面状态的聚类分析结果信息。

如图2所示，信号处理模块300包括数据分析单元301和聚类分析单元302。数据分析单元301用于根据n个敏感工作波长的光信号计算出每个敏感工作波长的光信号的路面吸收反射值即光信号强度值，并根据每个敏感工作波长的光信号的路面吸收反射值计算得到各个路面吸收反射值的比例关系；聚类分析单元302，其与数据分析单元301连接，聚类分析单元302用于根据各个路面吸收反射值的比例关系对路面状态进行聚类分析，然后输出并对外发送路面状态的聚类分析结果信息。

作为一个示例，数据分析单元301可根据n个敏感工作波长的光信号计算出每个敏感工作波长的光信号的路面吸收反射值，如Q1、Q2……Qn，然后计算出各个敏感工作波长的光信号的路面吸收反射值占所有敏感工作波长的光信号的路面吸收反射值总和的比例关系，得到I1、I2……In，并根据I1、I2……In的大小关系对路面状态进行聚类分析，例如，I1、I2……In值位于路面状态为有水类别所限定的数值范围中，可判定当前路面状态为有水状态或积水状态。需要说明的是，本实施例中的非接触式路面状态监测系统可识别的路面状态包括干燥状态、积水状态、结冰状态和积雪状态，并且上述实施例仅为可实现本申请的一种实施例，本申请还可通过其它聚类分析算法实现对路面状态的聚类分析识别，此处不作具体限定。

如图2所示，信号处理模块300还包括光电转换单元303、放大滤波单元304和模数转换单元305。其中，光电转换单元303与光信号接收模块200连接，用于将n个敏感工作波长的光信号对应转换为电信号，以利于数据分析单元301进行分析处理；放大滤波单元304与光电转换单元303连接，用于对转换后的电信号进行信号的放大滤波处理；模数转换单元305与放大滤波单元304连接，用于对放大滤波后的电信号进行模拟信号向数字信号的转换，并将转换后的数字信号发送至数据分析单元301进行路面状态分析。

进一步地，非接触式路面状态监测系统10还包括路面状态显示模块400。路面状态显示模块400通过内置的5G(5th-Generation Mobile Networks，第五代移动通信技术)无线通信设备能够无线接收聚类分析单元302发送的聚类分析结果信息，提高数据传输的及时性和系统灵敏性，并显示该聚类分析结果信息，以实现路面状态的全天候监测。当然，也可以直接接入道路管理系统通过有线通信进行数据传输。

本实施例中的非接触式路面状态监测系统可在各种温度环境下进行路面状态监测，其具体工作温度范围为-40℃至85℃。

根据本发明实施例的非接触式路面状态监测系统可全天候实时非接触式识别干燥、积水(湿润)、结冰和积雪四种路面状态，具有检测精度高、反应灵敏的优点，并且系统工作模块数量较少具有结构简单和成本低便于安装的优点，因此该系统可广泛应用于高速公路、国道、机场跑道、特大桥梁及雨雪多发地区的路面监测。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，与在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或它们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种非接触式路面状态监测系统，其特征在于，包括：

光信号发射模块(100)，用于每隔第一预设时间朝向路面发射光信号，所述光信号为红外光；

光信号接收模块(200)，用于每隔第二预设时间接收路面反射的光信号，并从所述路面反射的光信号中获取n个敏感工作波长的光信号，其中n＞1，为正整数；

信号处理模块(300)，所述信号处理模块(300)与所述光信号接收模块(200)连接，用于根据所述n个敏感工作波长的光信号对路面状态进行聚类分析，并输出路面状态聚类分析结果信息。

2.如权利要求1所述的非接触式路面状态监测系统，其特征在于，所述信号处理模块(300)包括：

数据分析单元(301)，用于根据所述n个敏感工作波长的光信号计算出每个敏感工作波长的光信号的路面吸收反射值，并根据每个敏感工作波长的光信号的路面吸收反射值计算得到各个路面吸收反射值的比例关系；

聚类分析单元(302)，其与所述数据分析单元(301)连接，所述聚类分析单元(302)用于根据所述各个路面吸收反射值的比例关系对路面状态进行聚类分析，然后输出并对外发送路面状态聚类分析结果信息。

3.如权利要求2所述的非接触式路面状态监测系统，其特征在于，所述信号处理模块(300)还包括：

光电转换单元(303)，其与所述光信号接收模块(200)连接，所述光电转换单元(303)用于将n个敏感工作波长的光信号对应转换为电信号，以利于数据分析单元(301)进行分析处理；

放大滤波单元(304)，其与所述光电转换单元(303)连接，所述放大滤波单元(304)用于对转换后的电信号进行信号的放大滤波处理；

模数转换单元(305)，其与放大滤波单元(304)连接，所述模数转换单元(305)用于对放大滤波后的电信号进行模拟信号向数字信号的转换，并将转换后的数字信号发送至所述数据分析单元(301)进行路面状态分析。

4.如权利要求1所述的非接触式路面状态监测系统，其特征在于，还包括：

路面状态显示模块(400)，用于无线接收所述聚类分析单元(302)发送的聚类分析结果信息，并显示所述聚类分析结果信息。

5.如权利要求1所述的非接触式路面状态监测系统，其特征在于，所述非接触式路面状态监测系统的工作温度为-40℃至85℃。

6.如权利要求1-5任一项所述的非接触式路面状态监测系统，其特征在于，所述路面状态包括干燥状态、积水状态、结冰状态和积雪状态。

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