CN116519980A - 一种公路机电环境设备自检自诊自管控方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种公路机电环境设备自检自诊自管控方法和系统，所述系统包括：处理器和传感器镜头污染监测模块，所述传感器镜头污染监测模块包括LED红外发生器、控制和触发电路、LED强度监控器和反向散射接收器；所述方法包括：所述控制和触发电路控制所述LED红外发生器向传感器镜头发射脉冲红外线；所述反向散射接收器接收从所述传感器镜头或镜头污染物向后散射的光强度，并提供给所述处理器；所述处理器根据所述向后散射的光强度，确定镜头污染程度。本实施例实现镜头污染度的自动检测和预警。

Description

一种公路机电环境设备自检自诊自管控方法和系统

技术领域

本发明实施例涉及公路机电环境设备检测领域，尤其涉及一种公路机电环境设备自检自诊自管控方法和系统。

背景技术

基于光学原理的检测设备是公路交通机电设备中使用广泛的交通传感器。在传感器使用过程中，最容易出现的故障是因镜头被污染，导致的误读数或无法工作。污染的原因可能是灰尘，或者是雨水蒸干后留下的水渍。电气原因也可能会导致故障。

现有技术中，大部分公路机电设备缺少自诊自检功能，以能见度传感器为例，针对镜头污染尚没有一种准确的自检自诊算法。

发明内容

本发明实施例提供一种公路机电环境设备自检自诊自管控方法和系统，对镜头污染度进行自动检测。

第一方面，本发明实施例提供了一种公路机电环境设备自检自诊自管控方法，应用于公路机电环境设备自检自诊自管控系统，所述系统包括：处理器和传感器镜头污染监测模块，所述传感器镜头污染监测模块包括LED红外发生器、控制和触发电路、LED强度监控器和反向散射接收器；

所述方法包括：

所述控制和触发电路控制所述LED红外发生器向传感器镜头发射脉冲红外线；

所述反向散射接收器接收从所述传感器镜头或镜头污染物向后散射的光强度，并提供给所述处理器；

所述处理器根据所述向后散射的光强度，确定镜头污染程度。

第二方面，本发明实施例提供了一种公路机电环境设备自检自诊自管控系统，其特征在于，包括：处理器和传感器镜头污染监测模块，所述传感器镜头污染监测模块包括LED红外发生器、控制和触发电路、LED强度监控器和反向散射接收器；其中：

所述控制和触发电路用于控制所述LED红外发生器向传感器镜头发射脉冲红外线；

所述反向散射接收器用于接收从所述传感器镜头或镜头污染物向后散射的光强度，并提供给所述处理器；

所述处理器用于根据所述向后散射的光强度，确定镜头污染程度。

本发明实施例通过LED发生器和散射光接收器构建镜头污染监测模块，通过被测镜头向后散射的光通量，反映镜头的污染程度，实现了镜头污染度的自动检测和预警。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种公路机电环境设备自检自诊自管控系统的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的一种传感器镜头污染监测模块的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的一种公路机电环境设备自检自诊自管控方法的流程图。

图4为本发明实施例提供的LED红外发生器、反向散射接收器和散射点的相对位置关系。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供的一种公路机电环境设备自检自诊自管控方法。为了说明该方法，优先说明执行该方法的公路机电环境设备自检自诊自管控系统。图1为本发明实施例提供的一种公路机电环境设备自检自诊自管控系统的结构示意图。如图1所示，该系统包括处理器(CPU)、传感器镜头污染监测模块、传感器供电电压监测模块、传感器内部温度监测模块。CPU以一定频率收到各模块监测数据，并根据设定的限值生成警报，输出传感器工作状态。

其中，传感器镜头污染监测模块用于监测传感器镜头的污染程度。图2为本发明实施例提供的一种传感器镜头污染监测模块的结构示意图。如图所示，传感器镜头污染监测模块包括：LED红外发生器、控制和触发电路、LED强度监控器和反向散射接收器。

基于以上结构，图3是本发明实施例提供的一种公路机电环境设备自检自诊自管控方法的流程图。该方法适用于对基于光学原理的交通传感器状态检测和管控的情况，如图3所示，具体包括：

S110、所述控制和触发电路控制所述LED红外发生器向传感器镜头发射脉冲红外线。

S120、所述反向散射接收器接收从所述传感器镜头或镜头污染物向后散射的光强度，并提供给所述处理器。

S130、所述处理器根据所述向后散射的光强度，确定镜头污染程度。

可以看出，上述步骤是传感器镜头污染监测模块与CPU配合，实现镜头污染程度监测的过程。具体的，控制和触发电路控制发生器通过红外二极管产生一定脉冲的红外线；红外线到达传感器镜头后，被镜头或镜头表面的污染物散射；反向散射接收器可接收从镜头、其他对象或污染物向后散射的光，并将光通过光电传感器转换成电信号，提供给CPU；CPU根据电信号评估出的镜头污染程度，同时如果接收到的向后散射的光信号低于或高于给定的限值，软件将生成警报。

在一具体实施方式中，首先，所述处理器根据以下方程，计算传感器镜头的整体散射系数β'：

其中，EB表示所述向后散射的光强度，E₀表示所述LED红外发生器发射的光强度，h表示所述LED红外发生器发出的平行到散射点的距离，l表示所述LED红外发生器与反向散射接收器的距离，n表示Bessel函数计算过程中产生的整数，N₁表示空气中发生瑞利散射的空气密度，N₁＝1。其中，整体散射系数用于表征被测镜头对入射光线的整体散射效果。

然后，所述处理器根据整体散射系数与镜头污染程度的关系表，查找所述整体散射系数对应的镜头污染程度。其中，所述关系表由大量测试数据预先标定得到。

可以理解，当被测镜头的污染程度不同时，散射接收器接收到光强度将有所不同。但散射光强度EB除了与镜头污染程度有关外，还在很大程度上取决于监测模块的具体尺寸，例如与发生器、接收器、被测镜头三者的相对位置等。如果选取散射光强度EB作为镜头污染程度的参照变量(即判断依据)，则针对不同尺寸的监测模块，都需要对EB与镜头污染程度的关系重新进行标定，耗时耗力。因此，上述具体实施方式中选取被测镜头整体散射系数作为镜头污染程度参照变量，该变量主要受镜头污染程度影响，受监测模块具体尺寸影响非常小，能够更加直观的体现镜头污染情况，且标定好的、镜头污染程度与整体散射系数的关系表适用于相同结构的监测模块，避免了对每种尺寸的监测器都重新标定。

进一步的，为了保证参照变量的有效性和可求解性，所述处理器还执行了如下变量分析过程：

步骤一、所述处理器获取光束从LED红外发生器到达散射点、再从所述散射点到达所述反向散射接收器的光幅度方程。该方程为求解参照变量的基础。

具体来说，一束光投射到镜面、污染物等表面后，会发生后向散射，在路径一端的微分距离dx中，后向散射的光通量dE占原摄入通量可以由下式表示：

dE/E＝βdx (1)

其中，E是薄层dx上的光辐射照度，β是散射系数。

经过路径上一段距离之后的光束辐射照度E_x可由积分求得，积分限是自0到x，由此得出：

E_x＝E₀×exp(-x) (2)

其中，E0是x＝0处的光束辐照度。

基于以上原理，下面来获取后弦散射光辐射强度的计算方程。图4显示了LED红外发生器、反向散射接收器和散射点的相对位置关系，如图所示，光源发出的平行光经过一段距离h到达某散射点，在散射角θ的方向上继续传输经过L的距离到达接收器，假设发生器与接收器在同一水平线上，且距离为l，则辐射照度为E₀的光束从发生器到达散射点的光幅度E_h满足方程：

E_h＝E₀×exp(-β’×h) (3)

而散射点到接收器的散射角为：

在散射点散射产生的光辐射照度dE可以由公式(1)得到，又dE₀/E＝β(θ)dx，则散射到θ上的辐射照度E_θ与dE的比为：

dE_θ/dE＝β(θ)/β

从而散射到θ方向的光辐射照度为：

其中，β表示该散射点的散射系数，β(θ)表示散射角表示散射角θ对应的散射系数。

而到达接收器的光辐射照度dE_L为：

dE_L＝dE_θ×exp(-β’×L)，其中

综合以上计算可以得到：

在综合计算后向散射时，接收器可以接收到散射光是由h距离上的散射点累加的结果，所以需要对光束进行有效距离的积分，即其中，h为有效距离，EB表示总的后向散射光辐射照度：

方程(7)就是光束从LED红外发生器到达散射点、再从所述散射点到达所述反向散射接收器的光幅度方程。

步骤二、所述处理器识别所述光幅度方程中的直接可测变量与间接可测变量。具体的，识别出方程(7)中的直接可测变量E₀、EB、l、h，以及间接可测变量β'。

步骤三、所述处理器根据所述间接可测变量与镜头污染程度的关联关系，确定是否能够通过所述间接可测变量确定镜头污染程度。可选的，所述处理器分析所述间接可测变量与镜头污染程度是否相关；如果相关，所述处理器分析与所述间接可变变量相关的其它变量；如果所述其它变量包括在所述直接可测变量中，所述处理器确定能够通过所述间接可测变量确定镜头污染程度。具体到间接可测变量β'，该变量与镜头污染程度相关；则继续分析与所述间接可变变量相关的其它变量，这些变量包括l、h，包括在直接可测变量，因此β'既能体现污染程度的大小，又能通过直接可测变量求解，适合作为镜头污染程度的参照变量。需要说明的是，尽管l、h对β'的影响很小，可以省略“判断所述其它变量l、h是否包括在直接可变变量中”的步骤，但通过上述逻辑能充分保证参考变量的可求解性，是一套完备的变量有效性确定方法。

本实施例通过LED发生器和散射光接收器构建镜头污染监测模块，通过被测镜头向后散射的光通量，反映镜头的污染程度，实现了镜头污染度的自动检测和预警。具体的，将被测镜头的整体散射系数作为污染度的参照变量，通过向后散射的光通量计算整体散射系数，并标定整体散射系数与污染度之间的关系，为相同结构类型的镜头污染度监测模块提供通用的监测依据。在参考变量的确定中，根据变量间的关联关系分析了参照变量的有效性和可求解性，保证了方法的可实现性。

进一步的，所述传感器镜头污染监测模块中的LED强度监控用于自动使LED的强度保持为预设值，LED反馈电压由监控器反馈CPU，以获取LED的老化情况和可能的缺陷等相关信息，CPU将根据反馈电压对发光二极管的温度和老化效应进行补偿，这样可确保发生器稳定运行而无需维护，同时在状态信息中输出发生器状态，当其反馈电压大于或小于设定值时，输出相关警告信息，便于远程故障分析。

所述传感器供电电压监测模块用于监测设备运行电压状态。该模块将传感器的供电电压经精密检测电路转换后反馈给所述处理器；所述处理器根据反馈的电压对所述传感器进行补偿，以保持所述传感器工作在稳定电压。

所述传感器内部温度监测模块通过热敏电阻实时监测传感器的内部温度，并反馈给所述处理器；同时，该模块可设定温度限值，当测量温度超出温度设定报警值时，实时输出相关报警状态信息。

可选的，该系统还包括传感器加热模块，当所述处理器判断所述内部温度低于温度限值时，控制所述传感器加热模块对所述传感器进行加热。

可选的，系统上电后，先启动传感器供电电压监测模块和传感器内部温度监测模块，在供电电压和温度正常的情况下，再启用镜头污染度监测模块，保证污染度监测的可信度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。

Claims (10)

1.一种公路机电环境设备自检自诊自管控方法，其特征在于，应用于公路机电环境设备自检自诊自管控系统，所述系统包括：处理器和传感器镜头污染监测模块，所述传感器镜头污染监测模块包括LED红外发生器、控制和触发电路、LED强度监控器和反向散射接收器；

所述方法包括：

所述控制和触发电路控制所述LED红外发生器向传感器镜头发射脉冲红外线；

所述反向散射接收器接收从所述传感器镜头或镜头污染物向后散射的光强度，并提供给所述处理器；

所述处理器根据所述向后散射的光强度，确定镜头污染程度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处理器根据所述向后散射的光强度，确定镜头污染程度，包括：

所述处理器根据以下方程，计算传感器镜头的整体散射系数β'：

其中，EB表示所述向后散射的光强度，E₀表示所述LED红外发生器发射的光强度，h表示所述LED红外发生器发出的平行到散射点的距离，l表示所述LED红外发生器与反向散射接收器的距离，n表示Bessel函数计算过程中产生的整数，N₁表示空气中发生瑞利散射的空气密度，N₁＝1；

所述处理器根据整体散射系数与镜头污染程度的关系表，查找所述整体散射系数对应的镜头污染程度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述处理器根据整体散射系数与镜头污染程度的关系表，查找所述整体散射系数对应的镜头污染程度之前，还包括：

通过测试数据，对整体散射系数与镜头污染程度的关系进行标定。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述处理器根据所述向后散射的光强度计算传感器镜头的整体散射系数，并根据所述整体散射系数确定镜头污染程度之前，还包括：

所述处理器获取光束从LED红外发生器到达散射点、再从所述散射点到达所述反向散射接收器的光幅度方程；

所述处理器识别所述光幅度方程中的直接可测变量与间接可测变量；

所述处理器根据所述间接可测变量与镜头污染程度的关联关系，确定是否能够通过所述间接可测变量确定镜头污染程度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述处理器根据所述间接可测变量与镜头污染程度的关联关系，确定是否能够通过所述间接可测变量确定镜头污染程度，包括：

所述处理器分析所述间接可测变量与镜头污染程度是否相关；

如果相关，所述处理器分析与所述间接可变变量相关的其它变量；

如果所述其它变量包括在所述直接可测变量中，所述处理器确定能够通过所述间接可测变量确定镜头污染程度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述间接可测变量为传感器镜头的整体散射系数。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器镜头污染监测模块还包括：LED强度监控器；

所述方法还包括：

所述LED强度监控器将所述LED红外发生器的LED电压反馈给所述处理器；

所述处理器根据反馈的电压对LED进行补偿，以保持所述LED工作在恒定电压。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统还包括：传感器供电电压监测模块；

所述方法还包括：

所述传感器供电电压监测模块将传感器的供电电压反馈给所述处理器；

所述处理器根据反馈的电压对所述传感器进行补偿，以保持所述传感器工作在稳定电压。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统还包括：传感器内部温度监测模块和传感器加热模块；

所述方法还包括：

所述传感器内部温度监测模块实时监测传感器的内部温度，并反馈给所述处理器；

所述处理器实时判断所述内部温度是否低于设定下限，如果低于设定下限，控制所述传感器加热模块对所述传感器进行加热。

10.一种公路机电环境设备自检自诊自管控系统，其特征在于，包括：处理器和传感器镜头污染监测模块，所述传感器镜头污染监测模块包括LED红外发生器、控制和触发电路、LED强度监控器和反向散射接收器；其中：

所述控制和触发电路用于控制所述LED红外发生器向传感器镜头发射脉冲红外线；

所述反向散射接收器用于接收从所述传感器镜头或镜头污染物向后散射的光强度，并提供给所述处理器；

所述处理器用于根据所述向后散射的光强度，确定镜头污染程度。