CN113936502A - 一种用于危险路段的自供能道路健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于危险路段的自供能道路健康监测系统，包括俘能减速带、道路护栏、电源管理模块、控制中枢、无线传输模块、道路传感器模块、声波仪、应力检测仪以及警示牌，俘能减速带作为自供能电源，电源管理模块对俘能减速带转换的能量进行电路处理，电源管理模块为整个系统供电，道路传感器模块、声波仪、应力检测仪采集的信息通过无线传输模块传递至控制中枢，控制中枢与警示牌电连接，并在采集的信息存在异常时发送指令至警示牌，道路护栏为电源管理模块、控制中枢、无线传输模块和警示牌提供支撑；本发明同现有技术相比，能够实现对车路环境的能量采集，解决监测系统的电源问题，保障出行的安全与效率，为道路养护提供科学依据和指导。

Description

一种用于危险路段的自供能道路健康监测系统

[技术领域]

本发明属于能量采集和道路健康监测领域，具体地说是一种用于危险路段的自供能道路健康监测系统。

[背景技术]

交通道路的一些路段由于地理环境等因素容易造成严重交通事故和人员伤亡。对这些路段的内部应力、路面结构损伤、路面温湿度等信息的采集，可以有效地监测到山体滑坡、道路坍塌、道路漫水、道路结冰等严重影响交通安全的状况，保障行车安全和行车效率，同时便于分析道路受损原因并进行科学维护。

目前道路健康监测方法可分为三种：人工检测、远程监测和复合监测。其中，人工监测通过培养专业技术人员，使用检测仪器获取道路状态信息，对偏远路段的监测成本大，且监测结果受技术人员自身水平的影响；远程监测结合传感器、互联网等技术，实现远程在线地获取道路设施各项参数信息，是健康监测发展的方向，目前还有待进一步完善；复合监测混合使用人工检测和远程监测两种监测方法，在远程监测技术不够成熟时起一个过渡作用。

在监测过程中，道路环境和道路状态信息基本可由传感器直接获得，道路结构信息则需结合其他技术获取，如：超声波穿透、红外热成像、射线穿透、声发射等。各种传感器设备的供电是健康监测技术面临的关键问题之一，在监测技术的普及应用上存在困难。较多危险路段可能具有路况差、地势险、海拔高等的特点，其道路健康监测的需求强，但监测成本高、难度大。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种用于危险路段的自供能道路健康监测系统，能够实现对车路环境的能量采集，解决监测系统的电源问题，可以实时高效的掌握路面和山坡的参数信息，智能化的评估道路结构安全情况，给出相应安全警告，保障出行的安全与效率，为道路养护提供科学依据和指导。

为实现上述目的设计一种用于危险路段的自供能道路健康监测系统，包括俘能减速带1、道路护栏2、电源管理模块3、控制中枢4、无线传输模块5、道路传感器模块6、声波仪7、应力检测仪8以及警示牌9，所述俘能减速带1设置于路面上，所述俘能减速带1采集行驶车辆滚压产生的电能，并作为自供能电源，所述俘能减速带1通过线路连接电源管理模块3，并由电源管理模块3对其转换的能量进行电路处理，所述电源管理模块3为控制中枢4、无线传输模块5、道路传感器模块6、声波仪7、应力检测仪8以及警示牌9供电，所述道路传感器模块6用于监测道路的环境状态信息，所述声波仪7用于监测道路结构的损伤状态，所述应力检测仪8用于监测山坡应力信息，所述道路传感器模块6、声波仪7、应力检测仪8采集的信息通过无线传输模块5传递至控制中枢4，所述控制中枢4与警示牌9电连接，并在采集的信息存在异常时发送指令至警示牌9，所述道路护栏2为电源管理模块3、控制中枢4、无线传输模块5和警示牌9提供支撑。

进一步地，所述应力检测仪8采集应力数据后，将数据传输至控制中枢4后进行处理，若判定应力波动或数值出现异常，则触发警示指令，并准备进一步分析，若无异常则将应力信息直接上传云端；所述道路传感器模块6内含采集区域A和采集区域B，两个采集区域的传感器模块采集道路数据后，传输给控制中枢4储存管理，为道路健康诊断分析提供依据；所述声波仪7发送原始超声波脉冲信号，另两个声波仪接受和进一步发送脉冲信号，在数据传输至控制中枢4后，若判定波形变化超出衰减阈值，则触发警示指令，并准备进一步分析，若无异常则将应力信息直接上传云端。

进一步地，基于对道路传感器模块6、声波仪7、应力检测仪8的数据整合，若存在异常传感器数据，则反馈初步健康诊断建议，并上传云端服务器；若无异常传感器数据，则直接上传云端服务器；所述健康诊断建议为：出现湿度和温度异常，则反馈道路结冰；出现湿度和压力异常，则反馈道路漫水；出现压力、振动和应力异常，则反馈山体滑坡；出现振动和超声波异常，则反馈道路坍塌。

进一步地，所述电源管理模块3包括升压器301、整流桥电路302、超级电容303和阈值输出电路304，所述升压器301的输入端与俘能减速带1连接，所述升压器301的输出端通过整流桥电路302连接超级电容303，所述超级电容303与阈值输出电路304相连接，所述电源管理模块3将采集的能量通过升压器301升压，以减小电能在运输过程的损耗，再用整流桥电路302将交流电转化为直流电，并将电能储存进超级电容303，最后利用阈值输出电路304使电能在超过电压阈值时为相关设备供电，未达到电压阈值时继续充电。

进一步地，所述道路传感器模块6在A、B采集区域各布置四种传感器，分别为温度传感器、湿度传感器、振动传感器和压力传感器，且A、B采集区域的传感器种类和数量相同，而同一路侧的传感器种类各不相同，传感器沿道路边缘安装；所述道路传感器模块6均为光栅传感器，所有信息传递均为无线传递。

进一步地，所述声波仪7的正常衰减阈值需要对道路取样试验，在试验过程中基于控制变量法，收集同一段脉冲信号在不同测试距离和天气环境干扰因素下的传输数据，推导出波形的正常衰减速度及衰减范围；所述声波仪7布置在路侧外沿，所述声波仪7设置有声波仪一701、声波仪二702和声波仪三703，三个声波仪7不布置在同一侧，且相邻两声波仪7之间的连线不穿出路面，每个声波仪7在发送超声波时附带一段标识脉冲信号。

进一步地，所述应力检测仪8根据危险路段的两侧有无山坡，存在空布置、单侧布置和双侧布置的情况；无山坡时，不布置应力检测仪8；有一侧山坡时，布置应力检测仪一801、应力检测仪二802和应力检测仪三803；有双侧山坡时，布置应力检测仪一801、应力检测仪二802、应力检测仪三803在一侧，并布置应力检测仪四804、应力检测仪五805、应力检测仪六806在另一侧。

进一步地，所述电源管理模块3和控制中枢4由圆柱体绝缘外壳保护，其下的道路护栏2为中空结构，其内部用于铺设线路；所述无线传输模块5由圆锥体塑料外壳保护，安装在控制中枢4上；所述无线传输模块5包含Zigbee模块和信号发射模块，Zigbee模块用于道路区域内部短距离无线传输，信号发射模块为2G/3G/4G/5G的信号发射模块。

进一步地，所述控制中枢4为STM32单片机，所述单片机内置指令的功能包括：数据收发、数据对比、二极管点灯、数据储存、数据打包、初步诊断、数据上传。

进一步地，所述警示牌9由红色和黄色两种发光二极管均匀交错组成，正常条件下二极管省电休眠，警示牌9安装于道路护栏2上，且正对于俘能减速带1。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明提供了一种实施可行的危险道路自供能监测系统，同时具备道路监测和安全预警功能，可有效应对危险路段健康监测成本高、难度大的问题；

(2)本发明供电充足，通过在俘能减速带下阵列若干发电单元，采集车辆滚压路面时的巨大冲击能量，解决系统的供电问题；

(3)本发明防护合理，发电单元和减速带之间设置有弹性结构，系统线路布置在空心护栏俘和俘能减速带内部，电源管理和无线传输模块设置有保护外壳；

(4)本发明智能化运作，路面和山坡出现异常信息自动生成初步诊断结果并与其它监测数据一起上传云端，无需人工操作；

(5)本发明反馈迅速，结合Zigbee网络和移动通信技术实现全程高速无线传输，使云端服务器在车辆通过危险路段前快速获取道路的健康状态；

(6)本发明当某个道路监测系统出现故障时不会对相邻的其它系统造成影响，保证健康监测系统运作的稳定性；

综上，本发明能够实现对车路环境的能量采集，解决监测系统的电源问题，可以实时高效的掌握路面和山坡的参数信息，智能化的评估道路结构安全情况，给出相应安全警告，保障出行的安全与效率，为道路养护提供科学依据和指导，值得推广应用。

[附图说明]

图1为本发明的整体布局图；

图2为本发明的功能框架图；

图3为本发明健康监测流程图；

图4为本发明初步诊断分析图；

图5为本发明中俘能减速带的整体结构示意图；

图6为本发明中发电单元的结构示意图；

图7为本发明中电源管理流程图；

图8为本发明中传感器模块布置图；

图9为本发明中声波仪布置图；

图10a为本发明中应力检测仪空布置图；

图10b为本发明中应力检测仪单侧布置图；

图10c为本发明中应力检测仪双侧布置图；

图中：1、俘能减速带 101、全密封发电单元 102、升降带 103、升降板 104、被驱动永磁体 105、导柱 106、复位弹簧 107、顶板 108、传动组件 109、复合发电轮 110、发电定子 111、底板 112、安装板 113、传动安装板 2、道路护栏 3、电源管理模块 301、升压器302、整流桥电路 303、超级电容 304、阈值输出电路 4、控制中枢 5、无线传输模块 6、道路传感器模块 601、温度传感器一 602、湿度传感器一 603、振动传感器一 604、压力传感器一 605、压力传感器二 606、振动传感器二 607、湿度传感器二 608、温度传感器二 7、声波仪 701、声波仪一 702、声波仪二 703、声波仪三 8、应力检测仪 801、应力检测仪一 802、应力检测仪二 803、应力检测仪三 9、警示牌。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

如附图1所示，本发明提供了一种用于危险路段的自供能道路健康监测系统，包括俘能减速带1、道路护栏2、电源管理模块3、控制中枢4、无线传输模块5、道路传感器模块6、声波仪7、应力检测仪8以及警示牌9，俘能减速带1设置于路面上，俘能减速带1采集行驶车辆滚压产生的电能。

如附图2所示，该自供能道路健康监测系统设置俘能减速带1作为自供能电源，俘能减速带1通过线路连接电源管理模块3，电源管理模块3对俘能减速带1转换的能量进行电路处理，俘能减速带1结合电源管理模块3为整个系统供电；电源管理模块3为控制中枢4、无线传输模块5、道路传感器模块6、声波仪7、应力检测仪8以及警示牌9供电，道路传感器模块6用于监测道路的环境状态信息，声波仪7用于监测道路结构的损伤状态，应力检测仪8用于监测山坡应力信息，道路传感器模块6、声波仪7、应力检测仪8采集的信息通过无线传输模块5传递至控制中枢4，控制中枢4与警示牌9电连接，并在异常时发送指令至警示牌9，最后进一步将数据上传云端；道路护栏2为电源管理模块3、控制中枢4、无线传输模块5和警示牌9提供支撑；道路传感器模块6内含A、B两个数据采集区域，用于采集道路信息。

如附图3所示，健康监测系统在三个方面同时进行监测工作。其一，监测山坡应力信息，应力检测仪8采集应力数据，数据传输至控制中枢4后进行处理，若判定应力波动或数值出现异常，则触发警示指令，并准备进一步分析，若无异常则将应力信息直接上传云端；其二，监测道路的环境状态信息，A、B区域的传感器模块采集道路数据，传输给控制中枢4储存管理，为道路健康诊断分析提供依据；其三，监测道路结构的损伤状态，由声波仪701发送原始超声波脉冲信号，声波仪702、声波仪703接受和进一步发送脉冲信号，如附图9所示。在数据传输至控制中枢4后，若判定波形变化超出衰减阈值，则触发警示指令，并准备进一步分析，若无异常则将应力信息直接上传云端。最后，基于对道路传感器模块6、声波仪7、应力检测仪8三条监测路径的数据整合，若存在异常传感器数据，则反馈初步健康诊断建议，并上传云端服务器；若无异常传感器数据，则直接上传云端服务器。如附图4所示，健康诊断建议为：出现湿度和温度异常，反馈道路结冰；出现湿度和压力异常，反馈道路漫水；出现压力、振动和应力异常，反馈山体滑坡；出现振动和超声波异常，反馈道路坍塌。

本发明中，俘能减速带1共设有六条，每条俘能减速带1阵列若干全密封发电单元101，并利用密封罩密封保护，安装在升降带102下，如附图5所示。升降带102和全密封发电单元101设置有相斥磁铁，全密封发电单元101之间通过有线连接的方式串联或并联在一起。如附图6所示，全密封发电单元101包括升降板103、顶板107、传动组件108、复合发电轮109、发电定子110，升降板103位于全密封发电单元101顶部且位于顶板107上方，升降板103与顶板107之间间隔布置，升降板103中间安装有被驱动永磁体104，升降板103下方设有竖直布置的导柱105，导柱105外围套装有复位弹簧106，复位弹簧106设置在升降板103与顶板107之间，导柱105可滑动式穿过顶板107，升降板103底端连接有传动组件108，传动组件108的输出端连接并驱动复合发电轮109，复合发电轮109对应设置有发电定子110；全密封发电单元101底部设置有底板111，顶板107与底板111之间对称安装两块发电定子安装板112与两块传动安装板113，复合发电轮109、发电定子110对称设置在两块发电定子安装板112处，传动组件108对称设置在两块传动安装板113处。

该全密封发电单元的工作原理为：当汽车行驶经过俘能减速带1时，升降带受压向下运动，此时相斥磁力使升降板下沉，下端的齿条带动齿轮旋转，在齿轮组的作用下左侧棘轮受力旋转，一方面，棘轮带动永磁体高速旋转，切割与线圈之间的磁感线，产生感应电流。另一方面，棘轮带动与之固定连接的旋转盘单向高速转动，使摩擦电极与得电子架和失电子架发生摩擦，产生摩擦电，与此同时右侧棘轮棘爪不做功。同理，升降带在弹簧的作用下复位时，右侧棘轮旋转产生感应电流，且带动旋转盘产生摩擦电。关于上述全密封发电单元的更详细描述，可参照申请人先前已申请的另一项发明专利申请《高鲁棒性磁力耦合全密封摩擦与电磁复合路面能量收集装置》，其专利申请号为202010744067.1，此处不再赘述。

如附图7所示，电源管理模块3包括升压器301、整流桥电路302、超级电容303和阈值输出电路304，升压器301的输入端与俘能减速带1连接，升压器301的输出端通过整流桥电路302连接超级电容303，超级电容303与阈值输出电路304相连接；电源管理模块3使用升压器301、整流桥电路302、超级电容303、阈值输出电路304实现电源管理，电源管理模块3将采集的能量通过升压器301升压，减小电能在运输过程的损耗，再用整流桥电路302将交流电转化为直流电，从而能够较好的将电能储存进超级电容303，最后利用阈值输出电路304，使电能在超过电压阈值时为相关设备供电，未达到电压阈值时继续充电。

如附图8所示，道路传感器模块6在A、B采集区域各布置四种传感器，分别为温度传感器、湿度传感器、振动传感器和压力传感器。其中A区域包括温度传感器一601、湿度传感一602、振动传感器一603和压力传感器一604，B区域包括温度传感器二608、湿度传感器二607、振动传感器二606和压力传感器二605。A、B采集区域的传感器种类和数量相同，而同一路侧的传感器种类各不相同；传感器沿道路边缘30cm左右的距离安装，减少布线工作量；道路传感器模块6均为光栅传感器，所有信息传递均为无线传递，系统运转的电能均来自俘能减速带1。

声波仪7的正常衰减阈值需要对道路取样试验，在试验过程中基于控制变量法，收集同一段脉冲信号在不同测试距离和天气环境等干扰因素下的传输数据，科学推导出波形的正常衰减速度及衰减范围。如附图9所示，声波仪7布置在路侧外沿，声波仪7设置有声波仪一701、声波仪二702和声波仪三703，三个声波仪7不布置在同一侧，声波仪一701与声波仪二702、声波仪二702与声波仪三703之间的连线不穿出路面，便于波纹分析；每个声波仪7在发送超声波时附带一段标识脉冲信号，便于波段识别。

应力检测仪8根据危险路段的两侧有无山坡，存在空布置、单侧布置和双侧布置的情况；如附图10a、附图10b和附图10c所示，无山坡时，不布置应力检测仪8；有一侧山坡时，布置应力检测仪一801、应力检测仪二802和应力检测仪三803；有双侧山坡时，布置应力检测仪一801、应力检测仪二802、应力检测仪三803在一侧，并布置应力检测仪四804、应力检测仪五805、应力检测仪六806在另一侧。

电源管理模块3和控制中枢4由圆柱体绝缘外壳保护，其下的道路护栏2为中空结构，内部可铺设线路；无线传输模块5由圆锥体塑料外壳保护，安装在控制中枢4上；其中，无线传输模块5包含两部分，一个是用于道路区域内部短距离无线传输的Zigbee模块，另一个是2G/3G/4G/5G的信号发射模块，具体信号发射模块取决于所在道路的网络覆盖情况。控制中枢4为STM32单片机，单片机内置指令的主要功能包括：数据收发、数据对比、二极管点灯、数据储存、数据打包、初步诊断、数据上传。警示牌9由红色和黄色两种发光二极管均匀交错组成，正常条件下二极管省电休眠，警示牌9安装于道路护栏2上，且正对于俘能减速带1。

本发明具备道路监测和安全预警功能，能够有效应对危险路段健康监测成本高、难度大的问题；其供电充足，通过在俘能减速带下阵列若干发电单元，采集车辆滚压路面时的冲击能量；防护合理，设置有弹性缓冲结构和多种保护壳；智能化运作，危险路段出现异常信息自动生成初步诊断结果并与其它监测数据一起上传云端，无需人工操作；反馈迅速，无线传输使云端服务器在车辆通过危险路段前快速获取道路的健康状态。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于危险路段的自供能道路健康监测系统，其特征在于：包括俘能减速带(1)、道路护栏(2)、电源管理模块(3)、控制中枢(4)、无线传输模块(5)、道路传感器模块(6)、声波仪(7)、应力检测仪(8)以及警示牌(9)，所述俘能减速带(1)设置于路面上，所述俘能减速带(1)采集行驶车辆滚压产生的电能，并作为自供能电源，所述俘能减速带(1)通过线路连接电源管理模块(3)，并由电源管理模块(3)对其转换的能量进行电路处理，所述电源管理模块(3)为控制中枢(4)、无线传输模块(5)、道路传感器模块(6)、声波仪(7)、应力检测仪(8)以及警示牌(9)供电，所述道路传感器模块(6)用于监测道路的环境状态信息，所述声波仪(7)用于监测道路结构的损伤状态，所述应力检测仪(8)用于监测山坡应力信息，所述道路传感器模块(6)、声波仪(7)、应力检测仪(8)采集的信息通过无线传输模块(5)传递至控制中枢(4)，所述控制中枢(4)与警示牌(9)电连接，并在采集的信息存在异常时发送指令至警示牌(9)，所述道路护栏(2)为电源管理模块(3)、控制中枢(4)、无线传输模块(5)和警示牌(9)提供支撑。

2.如权利要求1所述的用于危险路段的自供能道路健康监测系统，其特征在于：所述应力检测仪(8)采集应力数据后，将数据传输至控制中枢(4)后进行处理，若判定应力波动或数值出现异常，则触发警示指令，并准备进一步分析，若无异常则将应力信息直接上传云端；所述道路传感器模块(6)内含采集区域A和采集区域B，两个采集区域的传感器模块采集道路数据后，传输给控制中枢(4)储存管理，为道路健康诊断分析提供依据；所述声波仪(7)发送原始超声波脉冲信号，另两个声波仪接受和进一步发送脉冲信号，在数据传输至控制中枢(4)后，若判定波形变化超出衰减阈值，则触发警示指令，并准备进一步分析，若无异常则将应力信息直接上传云端。

3.如权利要求2所述的用于危险路段的自供能道路健康监测系统，其特征在于：基于对道路传感器模块(6)、声波仪(7)、应力检测仪(8)的数据整合，若存在异常传感器数据，则反馈初步健康诊断建议，并上传云端服务器；若无异常传感器数据，则直接上传云端服务器；所述健康诊断建议为：出现湿度和温度异常，则反馈道路结冰；出现湿度和压力异常，则反馈道路漫水；出现压力、振动和应力异常，则反馈山体滑坡；出现振动和超声波异常，则反馈道路坍塌。

4.如权利要求1、2或3所述的用于危险路段的自供能道路健康监测系统，其特征在于：所述电源管理模块(3)包括升压器(301)、整流桥电路(302)、超级电容(303)和阈值输出电路(304)，所述升压器(301)的输入端与俘能减速带(1)连接，所述升压器(301)的输出端通过整流桥电路(302)连接超级电容(303)，所述超级电容(303)与阈值输出电路(304)相连接，所述电源管理模块(3)将采集的能量通过升压器(301)升压，以减小电能在运输过程的损耗，再用整流桥电路(302)将交流电转化为直流电，并将电能储存进超级电容(303)，最后利用阈值输出电路(304)使电能在超过电压阈值时为相关设备供电，未达到电压阈值时继续充电。

5.如权利要求2或3所述的用于危险路段的自供能道路健康监测系统，其特征在于：所述道路传感器模块(6)在A、B采集区域各布置四种传感器，分别为温度传感器、湿度传感器、振动传感器和压力传感器，且A、B采集区域的传感器种类和数量相同，而同一路侧的传感器种类各不相同，传感器沿道路边缘安装；所述道路传感器模块(6)均为光栅传感器，所有信息传递均为无线传递。

6.如权利要求1所述的用于危险路段的自供能道路健康监测系统，其特征在于：所述声波仪(7)的正常衰减阈值需要对道路取样试验，在试验过程中基于控制变量法，收集同一段脉冲信号在不同测试距离和天气环境干扰因素下的传输数据，推导出波形的正常衰减速度及衰减范围；所述声波仪(7)布置在路侧外沿，所述声波仪(7)设置有声波仪一(701)、声波仪二(702)和声波仪三(703)，三个声波仪(7)不布置在同一侧，且相邻两声波仪(7)之间的连线不穿出路面，每个声波仪(7)在发送超声波时附带一段标识脉冲信号。

7.如权利要求1所述的用于危险路段的自供能道路健康监测系统，其特征在于：所述应力检测仪(8)根据危险路段的两侧有无山坡，存在空布置、单侧布置和双侧布置的情况；无山坡时，不布置应力检测仪(8)；有一侧山坡时，布置应力检测仪一(801)、应力检测仪二(802)和应力检测仪三(803)；有双侧山坡时，布置应力检测仪一(801)、应力检测仪二(802)、应力检测仪三(803)在一侧，并布置应力检测仪四(804)、应力检测仪五(805)、应力检测仪六(806)在另一侧。

8.如权利要求1所述的用于危险路段的自供能道路健康监测系统，其特征在于：所述电源管理模块(3)和控制中枢(4)由圆柱体绝缘外壳保护，其下的道路护栏(2)为中空结构，其内部用于铺设线路；所述无线传输模块(5)由圆锥体塑料外壳保护，安装在控制中枢(4)上；所述无线传输模块(5)包含Zigbee模块和信号发射模块，Zigbee模块用于道路区域内部短距离无线传输，信号发射模块为2G/3G/4G/5G的信号发射模块。

9.如权利要求1所述的用于危险路段的自供能道路健康监测系统，其特征在于：所述控制中枢(4)为STM32单片机，所述单片机内置指令的功能包括：数据收发、数据对比、二极管点灯、数据储存、数据打包、初步诊断、数据上传。

10.如权利要求1所述的用于危险路段的自供能道路健康监测系统，其特征在于：所述警示牌(9)由红色和黄色两种发光二极管均匀交错组成，正常条件下二极管省电休眠，警示牌(9)安装于道路护栏(2)上，且正对于俘能减速带(1)。

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