一种高速公路团雾的监测预警系统及方法

1.一种高速公路团雾的监测预警系统的执行方法，其特征在于：该高速公路团雾的监测预警系统包括能见度检测单元、传感器模块、信息处理模块、数据存储模块、GPRS数据传输模块、本地显示模块、语音报警器、远程上位机；上述模块均由太阳能供电模块供电；所述能见度检测单元、传感器模块的输出端与信息处理模块的输入端连接；所述信息处理模块的输出端与数据存储模块、GPRS数据传输模块、本地显示模块、语音报警器的输入端分别连接；所述GPRS数据传输模块与远程上位机连接；所述能见度检测单元包括光源和集成数字光强检测芯片； 所述信息处理模块包括互相连接配合的控制器和IO扩展板；所述控制器包括通过主从控制线连接的主控制器和从控制器，所述主控制器和从控制器的核心均为Atmega328单片机；
所述执行方法包括如下方法步骤：
a. 模块初始化；
b. 传感器模块开始工作，能见度检测单元探测当前背景光照度、空间内前向散射光照度，传感器模块检测湿度、风速、风向、大气压参数；
c. 启动主控制器采集传感器探测到的数据，并将数据整理封装；
d. 主控制器通过主从控制线控制从控制器的读写、存储、显示功能，数据经数据总线从主控制器传送至从控制器；
e. 从控制器接收数据后，将数据分别发送至数据存储模块和GPRS数据传输模块来存储并传输；
f. 启动GPRS数据传输模块，每块模块在首次使用前先配置，目标地址设为远程上位机IP地址下某一端口地址，每个模块对应一个端口号，发送数据；
g. 判断能见度等级，是否威胁行车安全，若达到预警条件，启动本地显示模块的警示灯或警示牌，启动语音报警器；若没有达到预警条件，则返回步骤b；
h. 启动GPRS数据传输模块的同时， GPRS数据传输模块将数据发送至远程上位机，运行监控界面；
i. 侦测端口信息，并读取数据；
j. 数据包解码，分离出各传感器探测到的数据，并送至显示控件进行数据显示；
k. 由监控中心专业人员人工判断决定是否需要发布预警信息；
其中，判断能见度等级，威胁行车安全达到预警条件具体包括：步骤（1）不启动光源时，分别在暗环境和有光环境下，检测当前空间的背景光照度，记录为X；
步骤（2）启动光源时，延时若干秒，为了发射信号稳定，分别在与步骤（1）对应的暗环境和有光环境下检测此时对应位置的散射光照度，记录为Y；
步骤（3）将X，Y做差，即Y-X，得到差值，根据差值大小判断能见度阈值；
步骤（4）重复以上步骤（1）至步骤（3），实现连续测量；差值在1—2照度单位，认为无雾或薄雾，无需预警；3—4个单位认为有雾，需要预警；5个照度单位以上认为有团雾或疑似团雾，需要预警。
2.根据权利要求1所述的一种高速公路团雾的监测预警系统的执行方法，其特征在于：
所述光源和集成数字光强检测芯片的距离为50—60cm。
3.根据权利要求1所述的一种高速公路团雾的监测预警系统的执行方法，其特征在于：
所述光源为5V LED白光光源。
4.根据权利要求1所述的一种高速公路团雾的监测预警系统的执行方法，其特征在于：
所述传感器模块包括湿度传感器和风速传感器和风向传感器和大气压传感器。
5.根据权利要求1所述的一种高速公路团雾的监测预警系统的执行方法，其特征在于：
所述本地显示模块为24V红绿警示灯或电子警示牌的任意一种。

一种高速公路团雾的监测预警系统及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种监测预警系统，具体涉及一种针对高速公路团雾的监测预警系统及方法。\n背景技术\n[0002] 团雾本质上也是雾，是受局部地区微气候环境的影响，在大雾中数十米到上百米的局部范围内，出现的雾气更浓、能见度更低的雾。团雾外视线良好，团雾内一片朦胧。团雾预测预报难、区域性强，容易造成重大交通事故。团雾因局部水汽受辐射降温而引起。当低层水汽条件比较好的时候，团雾比较容易出现，尤其是雨后一到两天，如果天气晴好就比较容易出现。\n[0003] 高速公路重要的交通特征是车速快、交通量大，一旦发生交通事故后，其惨烈度较大，而团雾是影响高速公路通行的最恶劣气象影响因素之一。与市区相比，为什么高速公路所处的郊区和乡村地带更容易出现团雾，经过专家研究分析，得出以下原因：\n[0004] 1、由于团雾与局部小气候环境关系密切，而高速公路路面白天温度较高，昼夜温差更大，更有利于团雾形成；\n[0005] 2、公路附近一些排放污染物颗粒的增加，如秋季秸秆焚烧、工业粉尘污染、汽车尾气排放等，空气中微小颗粒的增加，有利于形成团雾。\n[0006] 团雾与大雾弥漫有所不同，它的势力范围比较小，就像一朵落在地上的云彩，团雾外视线良好，团雾内四顾朦胧；团雾能见度很低，一般只有十至二十米；其覆盖范围呈一段一段的形态，有的地方少，有的地方很浓；而且覆盖面积大小也不一致，一般来说，大的团雾覆盖面积长约五公里，小的团雾仅有一公里。\n[0007] 团雾给行车带来极大的安全隐患，尤其是在行车速度较快的高速公路上。由于团雾出现的区域性很强，预测预报难，车辆难以提前得到通知或警示，目前尚未具备有效解决团雾问题的办法。对高速路运营管理影响较大的主要是能见度小于500米的浓雾天气，尤其是200米以下的低能见度天气。由于雾的生消变化很快，有时能见度从几千米降到几十米只需几分钟，人工观测很难及时发现并采取相应管理措施。要实现智能交通，需采用自动监测。由于团雾预测预报难、区域性很强，车辆难以提前得到通知或警示，等驾驶员意识到有雾的时候，已进入团雾中心了，有时驾驶员刚从一团雾中出来，可下一团雾却又在不经意间降临，让人防不胜防，常常酿成重大交通事故，因此团雾被称为高速公路上的“流动杀手”。\n据统计，雾天发生交通事故的概率比平常高出几倍，甚至几十倍，因浓雾、团雾造成多车连续追尾事故屡有发生，损失严重，极具杀伤力。\n[0008] 在团雾检测技术中，能见度的检测技术至关重要，传统的能见度检测一般是光源部分采用红外二极管，并进行调制，以红外脉冲形式发出。光接收部分主要PIN二极管或者其他光敏部件，将光信号转换为电信号，主要采用锁相电路实现微弱信号提取。这种检测方法的好处是调制后的光信号可以不受背景光的影响，因此能见度仪通常可以直接在大气空旷环境下使用，并可做到24小时连续工作，精度高。但是该检测方法组成结构复杂，通常需要辅助装置，成本高，尤其是接收端的信号提取比较困难，提取的信号通常是正弦信号，需要转换后才能确定出能见度。\n[0009] 我国现有的高速公路团雾监测设备只能对大范围区域性大雾进行预报，但是团雾的生消变化非常快，高速公路团雾采用人工监测难度大，气象监测站的自动能见度仪多为前向散射式，仅能监测该点附近的气象变化情况，不能对高速公路狭长带状空间内的团雾进行可靠的监测。由于不能及时掌握高速公路上团雾状况，向路上行驶的车辆及时提供团雾信息。目前高速公路管理部门只能采取封路禁行等消极方法对团雾发生时段进行管理，虽然防止了交通事故的发生，但是牺牲了高速公路的通行能力，降低了运输效率，给高速公路业主造成了巨大的经济损失。\n[0010] 气象部门用的能见度仪比较标准，国内也有一些机构研究并生产，目前比较认可而大面积用的是维萨拉的，能见度仪根据最大量程、附带产品不同价位也有所区别，20km能见度量程的价位在7万元，如果带有天气形势监测，外加3万元，也就是10万元。这些检测设备价格昂贵，很难大范围推广使用。高速公路能见度自动观测仪器的布设密度和资料传输时间间隔不同。在设施相对先进的沪宁高速上，能见度自动观测空间距离的间隔约10公里，每1分钟传一次资料，但团雾距离一般不足10公里，所以自动观测仪也不能完全监测到团雾。能见度在200米以下时，自动观测仪也可能出现较大误差。\n发明内容\n[0011] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种成本低廉，布设灵活，维护方便的高速公路团雾的监测预警系统及方法，可以广泛应用于高速公路沿线安全监测领域。\n[0012] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高速公路团雾的监测预警系统，包括能见度检测单元、传感器模块、信息处理模块、数据存储模块、GPRS数据传输模块、本地显示模块、语音报警器、远程上位机，本发明的具体结构如下：\n[0013] 上述模块均由太阳能供电模块供电；所述能见度检测单元、传感器模块的输出端与信息处理模块的输入端连接；所述信息处理模块的输出端与数据存储模块、GPRS数据传输模块、本地显示模块、语音报警器的输入端分别连接；所述GPRS数据传输模块与远程上位机连接；\n[0014] 所述能见度检测单元包括光源和集成数字光强检测芯片；\n[0015] 所述信息处理模块包括互相连接配合的控制器和IO扩展板；所述控制器包括通过主从控制线连接的主控制器和从控制器，所述主控制器和从控制器的核心均为Atmega328单片机。\n[0016] 进一步的，所述光源和集成数字光强检测芯片的距离为50—60cm。\n[0017] 进一步的，所述光源为5VLED白光光源。\n[0018] 进一步的，所述传感器模块包括湿度传感器和风速传感器和风向传感器和大气压传感器。\n[0019] 进一步的，所述本地显示模块为24V红绿警示灯或电子警示牌的任意一种。\n[0020] 本发明还公开了一种如上所述的高速公路团雾的监测预警系统的方法，包括如下方法步骤：\n[0021] a. 模块初始化；\n[0022] b. 传感器模块开始工作，探测当前背景光照度、空间内前向散射光照度，检测湿度、风速、风向、大气压参数；\n[0023] c. 启动主控制器采集传感器探测到的数据，并将数据整理封装；\n[0024] d. 主控制器通过主从控制线控制从控制器的读写、存储、显示功能，数据经数据总线从主控制器传送至从控制器；\n[0025] e. 从控制器接收数据后，将数据分别发送至数据存储模块和GPRS数据传输模块来存储并传输；\n[0026] f. 启动GPRS数据传输模块，每块模块在首次使用前先配置，目标地址设为远程上位机IP地址下某一端口地址，每个模块对应一个端口号，发送数据；\n[0027] g. 判断能见度等级，是否威胁行车安全，若达到预警条件，启动本地显示模块的警示灯或警示牌，启动语音报警器；若没有达到预警条件，则返回步骤b；\n[0028] h. 启动GPRS数据传输模块的同时， GPRS数据传输模块将数据发送至远程上位机，运行监控界面；\n[0029] i. 侦测端口信息，并读取数据；\n[0030] j. 数据包解码，分离出各传感器探测到的数据，并送至显示控件进行数据显示；\n[0031] k. 由监控中心专业人员人工判断决定是否需要发布预警信息。\n[0032] 本发明的有益效果如下：\n[0033] 1.本发明检测速度快，成本低廉，布设灵活，维护方便，可以广泛应用于高速公路沿线安全监测领域。\n[0034] 2.本发明能见度检测单元采用前向散射法原理，利用LED白光光源和数字光强检测芯片作为核心部件来检测光照度，简单直观，无需复杂的光源和信号检测电路设计，判断速度快。\n[0035] 3.本发明使用多传感器采集技术采集与团雾相关的高速公路环境参数，使用GPRS网络与以太网络相结合的远程通讯方式，将高速公路监测点采集的数据传输至交通指挥中心的上位机，如果达到预警条件，监测点附近的电子显示牌以及语音报警装置就会及时反映预警信息，提醒过往车辆，指挥中心工作可以根据预警等级采取相应措施，确保高速公路行车安全。\n[0036] 4.本发明的能见度检测单元采用光源和集成数字光强检测芯片，信息处理模块运用的Atmega328单片机，都具有成本低廉，布设灵活，维护方便的优点，可以广泛应用于高速公路沿线安全监测领域。\n附图说明\n[0037] 图1为本发明的系统原理框图。\n[0038] 图2为本发明系统总体通讯框图。\n[0039] 图3为本发明的前向散射法原理图。\n[0040] 图4为本发明的能见度检测单元在暗环境下光照检测数据图。\n[0041] 图5为本发明的能见度检测单元在有光环境下光照检测数据图。\n[0042] 图6为本发明的工作原理框图。\n[0043] 图7为本发明的工作方法流程图。\n[0044] 附图3标号：1、光源；2、光强检测芯片；3、团雾。\n具体实施方式\n[0045] 以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。\n[0046] 如图1所示，本发明的一种高速公路团雾的监测预警系统，包括能见度检测单元、传感器模块、信息处理模块、数据存储模块、GPRS数据传输模块、本地显示模块、语音报警器和远程上位机，具体连接结构如下：\n[0047] 上述模块均由太阳能供电模块供电，能见度检测单元、传感器模块的输出端与信息处理模块的输入端连接，信息处理模块的输出端与数据存储模块、GPRS数据传输模块、本地显示模块、语音报警器的输入端分别连接，GPRS数据传输模块与远程上位机连接。\n[0048] 本发明的创新点为能见度检测单元包括光源和集成数字光强检测芯片，光源穿过团雾散射到检测芯片，形成前向散射角；上述能见度检测单元，负责检测高速公路沿线能见度。信息处理模块包括互相连接配合的控制器和IO扩展板，控制器包括主控制器和从控制器，核心均为Atmega328单片机。主控制器负责数据采集封装，从控制器负责数据发送、存储和显示。\n[0049] 如图2所示，信息处理模块负责整个监测节点的控制管理和与传感器模块通信，并对采集数据进行处理封装，并将信息传送至本地显示模块及语音报警器，同时负责将信息传送至GPRS数据传输模块利用远程上位机实现远程通信，还可以将监测到的信息保存至数据存储模块。\n[0050] 作为对本发明的进一步优化，光源和集成数字光强检测芯片的距离为50—60cm，这样保证了光源经过团雾散射后能发送至集成数字光强检测芯片，光源为5VLED白光光源，集成数字光强检测芯片为BH1750FVI芯片。传感器模块包括湿度传感器、风速传感器、风向传感器和大气压传感器。本地显示模块为24V红绿警示灯或电子警示牌的任意一种。远程上位机是一种使用LabView软件开发的基于虚拟仪器的技术，负责接收、存储、处理监测点发来的数据，管控各个监测点。\n[0051] 如图3所示，前向散射法是一种基于前向散射系数的能见度光学测量方法。当光线通过团雾3时会因雾滴作用发生散射和吸收，并伴随有能量衰减，位于光源1异侧的BH1750FVI数字光强检测芯片2会接收到散射信号。散射信号越强，表明雾量越大，即能见度越低。当散射信号达到一定阈值，即可认为能见度已低于警戒值，需作出相应预警措施。对于高速公路主要测量500m以下能见度低值，500m以上的能见度天气对于行车安全影响不大，可以不进行检测。由反复试验可得前向散射法的前向散射角（散射角是散射方向与入射方向之间的夹角）范围在20—50度时，检测效果最佳。\n[0052] 以照度来作为能见度的检测对象比较直观，首先照度是一种衡量光照强度的单位，能见度相关理论中，也有能见度与照度之间的相应数学关系。我们采用BH1750FVI芯片是一块集成光强检测芯片，输出量直接为照度单位，无需转换。同时在可见光波段灵敏度较好，比较接近人的正常视觉感受范围。由于我们采用的光源是不经过调制的，且检测芯片是不区分背景光与散射信号的，因此存在如何确定散射信号强弱的问题，即如何判断能见度大小。我们提出了一个照度对比的方法：\n[0053] 1、不启动光源时，分别在暗环境和有光环境下，检测当前空间的背景光照度，记录为X，如图4和图5所示；\n[0054] 2、启动光源时，延时若干秒，主要为了发射信号稳定，分别在与步骤1对应的暗环境和有光环境下检测此时对应位置的散射光照度，记录为Y，如图4和图5所示；\n[0055] 3、将X，Y做差，即Y-X，得到差值，根据差值大小判断能见度阈值。\n[0056] 4、重复以上步骤，实现连续测量。\n[0057] 由上述数据，我们可分析出，通常差值在1—2照度单位，认为无雾或薄雾，无需预警；大于3—4个单位可以认为有雾，需要预警；大于5个照度单位以上可以认为有团雾或疑似团雾，需要预警。具体是否真是团雾，需要专业人员在上位指挥室结合其他气象参数作出判断，发布最终预警信息。\n[0058] 该方法简单直观，无需复杂的光源和信号检测电路设计，判断速度快，检测信号与能见度的映射关系比较容易确立。由于团雾的特性，团雾发生时段在夜间或黎明阶段（环境光照较小），因此我们不需要24小时对团雾进行检测，可以整个系统分时段工作。\n[0059] 本发明的具体的设计原理框图如图6所示，传感器模块包含湿度传感器、风速传感器、风向传感器、气压传感器。能见度检测单元的光源开启关闭受主机控制，检测芯片通过IIC通讯方式，并联在IIC总线上。气压传感器也采用通过IIC通讯方式，并联在IIC总线上。\nIIC通讯是带地址的，因此可以并联方式连接各终端。湿度传感器、风速传感器、风向传感器采用的是模拟传感器，工作电压5V，三线制（VCC,GND,Single）。\n[0060] 控制器包括Arduino UNO R3开发板和专用传感器扩展板V6版，Arduino UNO R3为主控器，其核心单片机为ATmega328。板载有10bitAD转换芯片，具有IIC通讯功能。本设计采用两块Arduino 开发板（含扩展板）构建主从结构，目的在于扩展功能口，提高兼容性，为今后更换功能模块提供方便，同时减少单个单片机负荷，使职能具体化，方便今后维护。其中，主控制器负责与传感器模块连接，负责数据采集，并将数据进行封装。在下位机端对实测数据进行简单分析，判断是否达到预警条件。主控制器与从控制器之间的数据通信采用IIC通讯，控制信号以开关量形式通过主从控制器数字IO口传递，即图6中的主从控制线，这样避免了主从控制器工作时序上的不一致，从控制器的工作受主控制器有效管控。从控制器主要负责数据接收、存储、数据远程发送、发送预警信号。受主控制器控制，未接受控制信号时，处于等待状态，接收到信号后，完成相应的操作。\n[0061] GPRS数据传输模块采用485通讯，Arduino UNO开发板本身不具备485通讯功能，但可以通过加扩展板，增加485功能。扩展板板载有MAX485芯片，可将Arduino使用的TTL信号转化为485信号。\n[0062] 数据存储模块，即SD卡存储模块含SD插座和SD卡，模块通过SPI插座与主控制器相连。\n[0063] 本地显示模块的电子警示灯（牌）和语音报警器，均通过继电器控制。一般的预警主要是警示灯（牌），由于团雾能见度低，一旦进入其中视线极差，警示灯（牌）未必能起到很好的作用，此时，语音报警器则可通过语音形式对驾驶员进行引导。\n[0064] 太阳能供电模块监测点提供DC9V、DC5V或DC24V的电源。\n[0065] 如图7所示，本发明的一种高速公路团雾的监测预警系统的工作方法如下：\n[0066] a. 模块初始化；\n[0067] b. 传感器模块开始工作，探测当前背景光照度、空间内前向散射光照度，检测湿度、风速、风向、大气压参数；\n[0068] c. 启动主控制器采集传感器探测到的数据，并将数据整理封装；\n[0069] d. 主控制器通过主从控制线控制从控制器的读写、存储、显示功能，数据经数据总线从主控制器传送至从控制器；\n[0070] e. 从控制器接收数据后，将数据分别发送至数据存储模块和GPRS数据传输模块来存储并传输；\n[0071] f. 启动GPRS数据传输模块，每块模块在首次使用前先配置，目标地址设为远程上位机IP地址下某一端口地址，每个模块对应一个端口号，发送数据；\n[0072] g. 判断能见度等级，是否威胁行车安全，若达到预警条件，启动本地显示模块的警示灯或警示牌，启动语音报警器；若没有达到预警条件，则返回步骤b；\n[0073] h.启动GPRS数据传输模块的同时， GPRS数据传输模块将数据发送至远程上位机，运行监控界面；\n[0074] i. 侦测端口信息，并读取数据；\n[0075] j. 数据包解码，分离出各传感器探测到的数据，并送至显示控件进行数据显示；\n[0076] k. 由监控中心专业人员人工判断决定是否需要发布预警信息。\n[0077] 本发明的一种基于能见度分析的高速公路团雾预警监测系统，采用前向散射法实现团雾能见度阈值监测，并使用多传感器采集技术采集与团雾相关的高速公路环境参数，使用GPRS网络与以太网络相结合的远程通讯方式，将高速公路监测点采集的数据传输至交通指挥中心的远程上位机，如果达到预警条件，监测点附近的电子显示牌以及语音报警器就会及时反映预警信息，提醒过往车辆，指挥中心工作可以根据预警等级采取相应措施，确保高速公路行车安全。本发明具有成本低廉，布设灵活，维护方便的优点，可以广泛应用于高速公路沿线安全监测领域。