多车道机动车尾气pm2.5遥测装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种多车道机动车尾气PM2.5遥测装置，由路况检测单元、牌照检测单元、车辆速度加速度检测单元、风速风向检测单元、PM2.5检测单元、控制单元与数据处理单元等组成。本发明可以检测单向或双向多车道路面车辆行驶的实时状况，并能在多车道只有一辆车行驶时，在短时间内检测出车辆的车牌号、速度、加速度以及尾气中PM2.5的浓度。
【专利说明】多车道机动车尾气PM2.5遥测装置【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多车道机动车尾气PM2.5遥测装置，属于环境检测【技术领域】以及光电检测【技术领域】。具体涉及光学、数学、光电检测技术，图像处理技术、仪器仪表技术、多传感器数据融合技术，多点通信技术，计算机软件技术，机械制造技术，传感器技术等。
【背景技术】
[0002]机动车尾气PM2.5遥测装置可以在车辆正常行驶状态下完成尾气PM2.5浓度检测，是一种基于消光法的无需采样、非接触式、实时快速的PM2.5检测装置。微量振荡天平法和β射线吸收法是目前主流的ΡΜ2.5监测方法，二者都需要对环境空气进行采样和切害I]，将ΡΜ2.5沉积在滤膜上，再直接或间接的测量ΡΜ2.5浓度，虽然测量准确，但测量周期长，并且设备庞大，难以应用于机动车尾气ΡΜ2.5浓度的遥测。有相关产品将ΡΜ2.5吸入封闭区域，创造理想的缺乏干扰的环境，测量数据较为准确，但是成本较高且测量周期长。相比以上方法，本专利是基于消光法的ΡΜ2.5检测方法，适用于大量机动车辆快速实时的ΡΜ2.5浓度的遥测，其原理简单、仪器成本低、测量范围宽、测量速度快，只需要测量不同波长的光束透射被测空气前后光强的变化，经过数据分析即可得到相对准确的ΡΜ2.5数量浓度，在一定的误差允许范围内，可再转换为ΡΜ2.5质量浓度。本发明有两个难点，其一是车道流量较大时，在不影响车辆正常行驶的情况下，快速检测并筛选出超标车辆；其二是在自然环境中进行检测，干扰极多，如何将干扰全部加入数据分析，并获取相对准确的ΡΜ2.5浓度值，尤为关键。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于解决机动车尾气ΡΜ2.5遥测的难题，筛选出车道上对环境空气ΡΜ2.5浓度贡献较大的车辆。同类产品的测量手段有两点不足，一是对环境要求较为严格，不能有太多干扰，一般做法是将·含ΡΜ2.5的气体吸入一个封闭体内，在一个较为理想的环境下测量；二是测量周期较长。本发明的最大特点就是测量速度快，检测过程不对车辆的行驶造成影响，所以不可能将含有ΡΜ2.5的气体吸入封闭体内进行检测。而且在车流量较大时，如果每次测量时间间隔很短，较长的测量周期显然不能适应这种路况，所以本发明旨在解决如上难题。
[0004]本发明所述的多车道机动车尾气ΡΜ2.5遥测装置要解决上述问题采用的技术方案是这样实现的:
[0005]一种多车道机动车尾气ΡΜ2.5遥测装置，其特征在于，由路况检测单元、牌照检测单元、车辆速度加速度检测单元、风速风向检测单元、ΡΜ2.5检测单元、控制单元与数据处理单元组成，其中，
[0006]所述的路况检测单元由路况摄像机、视频检测器组成，路况摄像机安装在道路上方，分为两组，分别对行驶方向拍摄车道双向的车辆行驶状况，视频检测器接收来自路况摄像机的图像，判断是否满足在短时间内只有一辆车通过ΡΜ2.5检测点的条件，并将结果传给控制单元与数据处理单元；
[0007]所述的牌照检测单元由牌照摄像机、视频捕捉卡、牌照识别模块组成，牌照摄像机分为两组，安装在车道两侧，拍摄通过PM2.5检测点的双向车辆的牌照，视频捕捉卡对牌照摄像机的拍摄图像进行抓拍处理，牌照识别模块从抓拍的多帧图像中筛选出包含车牌完整图像信息的一个帧，进行牌照识别，将获取的牌照信息传给控制单元与数据处理单元；
[0008]所述的车辆速度加速度检测单元主要由三组激光发生器、接收器、以及以接收器信号为触发源的计时器组成，三组激光发生器以一定距离间隔置于车道一侧，发射激光水平穿射车道，位于车道另一侧的三个接收器中任意一个接受到光强下降沿信号，即会触发计时器进行清零与时间数据存储操作，控制单元与数据处理单元将得到车辆速度加速度检测单元获取的三个时刻，依此计算出车辆速度和加速度；
[0009]所述的风速风向检测单元主要由风速传感器和风向传感器组成，两个传感器安装在PM2.5检测单元附近，获取监测车道上的风速和风向数据，并传给控制单元和数据处理单元；
[0010]所述的PM2.5检测单元主要由多波长激光发射器、接收器和数据采集单元组成，紫光、绿光、红光以及近红外光的激光光源在光强闭环控制下保持恒定的光强，发出的光束经汇聚和平行化处理，水平透射车道，车道另一侧对透射光进行汇聚后，接收器检测出各波段光强，数据采集单元对接收器的数据进行采集、分析、优化、存储，并传给控制单元与数据处理单元；
[0011]所述的控制单元，根据接收到的路况检测单元对路况的检测结果，进行整个系统工作状态的选取，并根据当前系统工作状态发出相应控制信号给各个检测单元，数据处理单元处理各个检测单元传来的数据，完成车辆速度加速度的计算、PM2.5浓度的计算、修正与优化。
[0012]进一步的，实现了对多车道机动车快速、实时的PM2.5浓度的遥测，并通过检测车辆的行驶状态和风速风向对PM2.5浓度检测值进行修正与优化，同时筛选出对环境PM2.5贡献较大的车辆。
[0013]本发明的原理在于:
[0014]多车道机动车尾气PM2.5遥测装置，由路况检测单元、牌照检测单元、车辆速度加速度检测单元、风速风向检测单元、PM2.5检测单元、控制单元与数据处理单元组成。
[0015]路况检测单元获取当前路况信息，并将数据传给控制单元与数据处理单元，通过分析当前路况以决定整个系统的工作状态。若路况满足短时间内可能只有一辆车通过PM2.5检测点的条件，则控制单元对各单元发出控制指令，使整个系统处于“工作”状态；若短时间内可能没有车辆或有多辆车同时通过监测点，则控制单元对各单元发出控制指令，使整个系统保持“准备”状态。
[0016]牌照检测单元在“工作”状态下，对经过PM2.5检测点车辆的牌照进行抓拍，在牌照识别后，将车辆牌照信息和车辆经过监测点的时刻传给控制单元与数据处理单元；在“准备”状态下，牌照检测单元将停止工作。
[0017]车辆速度加速度检测单元的激光发射器和接收器保持工作，在“工作”状态下，计时器记录车辆通过时，三个接收器分别接收到光强下降沿信号的时刻，将这三个时刻传给控制单元和数据处理单元；在“准备”状态下，计时器停止对接收器信号的监测。[0018]风速风向检测单元中的风速传感器和风向传感器保持工作，仅当在“工作”状态下，将监测数据传给控制单元与数据处理单元。
[0019]PM2.5检测单元中多波长激光发射器和接收器保持工作，仅当在“工作”状态下，数据采集单元开始连续监测各波长激光光强的变化，并将一段时间内的采样值实时地传给控制单元与数据处理单元。
[0020]控制单元与数据处理单元接收路况检测单元传来的路况信息，将工作状态的控制信号传给系统中其他单元；接收车辆速度加速度检测单元传来的三个时刻，结合已知的各组激光发射器、接收器间距，计算出车辆速度和加速度，并判定车辆的运行状态，同时与车辆牌照进行关联；接收PM2.5检测单元传来的数据，初步计算出PM2.5数量浓度，再利用风速风向检测单元传来的数据与车辆速度加速度检测单元传来的数据进行修正，之后利用牌照检测单元传来的车辆牌照信息和车辆经过PM2.5检测点的时刻，完成PM2.5检测结果与车辆牌照间的关联。
[0021]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0022](I)、本发明可以监测单向或双向多车道路面车辆行驶的实时状况，准确获取短时间内多车道上只有一辆车行驶时的尾气中PM2.5数量浓度、速度、加速度和车牌号；
[0023](2)、本发明所使用的“消光法”利用透射光能的减弱来反演出PM2.5的真实浓度，是一种非接触式的测量方法，不同于传统的重量法和目前流行的beta射线法、微量振荡天平法，测量过程中不需要通过切割器进行气体采样。消光法可以在不干扰车辆正常行驶的情况下，通过透射车辆排放的尾气，完成PM2.5遥感测量；
[0024](3)、为了配合长时间无人值守工作需要，通过添加标准气体吸收池和支持远程控制的位移平台方法实现标准样气校准自动化。另外，为系统设计添加网络传输接口，并完成支持网络传输的系统框架搭建，使系统具有支持插入式有线或无线遥测数据传输组建的功倉泛;
[0025](4)、采用分层软件系统构架方案，根据实际系统需要完成的功能和硬件连接结构将整个软件系统分为:硬件连接层、后台处理层和前台界面层。其中硬件连接层用于封装与主机连接的各种外设，包括设备的连接方式、数据通信方法、具体的通信指令和数据采集等；后台处理负责数据的处理和各种功能的实现，后台本身是完整的系统，能够与各种设备一起独立运行；前台界面层主要提供人机交互界面和各种数据的显示，前台本身不完成具体的功能，需要时通过与后台接口交互完成；
[0026](5)、为完成遥测设备的有线/无线网络接入，在遥测设备软件架构中，增加数据通道注册管理模块，支持插件式组件装载，实现数据发送、数据显示、远程控制等功能的定制输出。同时，为不同网络接入方式设计不同的数据传输模块，以与数据传输平台集成。在工作时，遥测设备根据自身配置自动装载不同的算法模块，从而实现设备网络系统集成的自适应。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本发明多车道机动车尾气PM2.5遥测装置的单元示意图；其中，I为路况检测单元，2为风速风向检测单元，3为车辆速度加速度检测单元，4为牌照检测单元，5为PM2.5检测单元板；[0028]图2为本发明多车道机动车尾气PM2.5遥测装置的路况检测示意图；
[0029]图3为本发明多车道机动车尾气PM2.5遥测装置的车辆速度、加速度检测单元示意图；
[0030]图4为本发明多车道机动车尾气PM2.5遥测装置的PM2.5检测单元示意图；
[0031]图5为激光器电路控制框图；
[0032]图6为激光器电路图；
[0033]图7为机动车经过PM2.5检测点前后各谱线强度变化示意图；
[0034]图8为本发明多车道机动车尾气PM2.5遥测装置的示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面就本发明多车道机动车尾气PM2.5遥测装置采取的技术方案做进一步说明:
[0036]如图1所示，本发明所述多车道机动车尾气PM2.5遥测装置，由路况检测单元、牌照检测单元、车辆速度加速度检测单元、风速风向检测单元、PM2.5检测单元、控制单元与数据处理单元等组成。
[0037]1.路况检测单元由路况摄像机、视频检测器组成。
[0038]路况摄像机可以是一台视频摄像机或数码相机，安装在道路上方，分为两组，分别对车辆行驶方向拍摄车道双向的车辆行驶状况，选择合适的安装位置、角度或增加摄像机数量，使各个车道的路面图像都能被拍摄到，且保证两个车辆行驶方向上拍摄区域与PM2.5检测点的距离相同。路况摄像机安装遮雨盖，若需要在夜间监测，还可安装补光灯。路况摄像机与视频检测器连接，可将其所获取的图像送至视频检测器处理。
[0039]视频检测器包括一台处理设备，可以是一台工控机或其它处理器。视频检测器接收来自路况摄像机的图像，进行处理，并实现同控单元制与数据处理单元的通讯。
[0040]如图2所示，视频检测器将路况摄像机的每帧图像中各个车道划分为A、B、C三段，每段长度为一个车长(中小型车辆)，约4-5米。取无车辆经过时路面图像作为灰度比较的背景，当有车辆经过检测区域时会改变该区域在拍摄图像上的灰度值。通过检测各个车道上A、B、C区域内灰度的变化，确定各区域内是否有车辆。在两个方向上视频摄像机拍摄区域与PM2.5检测点距离一致且较近的情况下，仅当只有一个方向上的一个车道的A区域有车，而任意方向任意车道的B、C区域无车时，则满足短时间内将只有一辆车经过PM2.5检测点的条件。
[0041]视频检测器将路况判定结果通过无线的方式传给控制单元与数据处理单元。
[0042]2.牌照检测单元由牌照摄像机、视频捕捉卡、牌照识别模块组成。
[0043]牌照摄像机可以是视频摄像机或数码相机，安装于车道一侧的云台上。两台牌照摄像机在两个方向上车辆通过PM2.5检测点是拍摄车辆的牌照，牌照摄像机与视频捕捉卡连接。视频捕捉卡位于一台处理设备内，可以是一台工控机或其它处理器。在“工作”状态下，视频捕捉卡对牌照摄像机传来的图像进行抓拍，获取牌照图片。牌照图片经处理设备内的牌照识别软件，转化成车牌号，同牌照拍摄时间一起由无线方式传给控制单元与数据处理单元。在“准备”状态下，视频捕捉卡和牌照识别软件暂时停止工作。
[0044]3.车辆速度、加速度检测单元由三组激光发生器、接收器、以接收器信号为触发源的计时器等组成。[0045]采用红外激光发射管和相应的红外激光接收器组成三组平行车道的测量装置，如图3所示。31、32、33为红外激光发射管，34、35、36为红外激光接收器，三组光路以间隔L1、L2严格平行且垂直车辆行驶方向。
[0046]计时器由单片机实现。在“工作”状态时，计时器持续监测三个接收器的下降沿信号。记录接收器36、35、34下降沿出现的时刻为T1、T2、T3。通过有线或无线方式传给控制
单元与数据处理单元，完成车辆速度和加速度的计算。其中:
[0047]
【权利要求】
1.一种多车道机动车尾气PM2.5遥测装置，其特征在于，由路况检测单元、牌照检测单元、车辆速度加速度检测单元、风速风向检测单元、PM2.5检测单元、控制单元与数据处理单元组成，其中， 所述的路况检测单元由路况摄像机、视频检测器组成，路况摄像机安装在道路上方，分为两组，分别对行驶方向拍摄车道双向的车辆行驶状况，视频检测器接收来自路况摄像机的图像，判断是否满足在短时间内只有一辆车通过PM2.5检测点的条件，并将结果传给控制单元与数据处理单元； 所述的牌照检测单元由牌照摄像机、视频捕捉卡、牌照识别模块组成，牌照摄像机分为两组，安装在车道两侧，拍摄通过PM2.5检测点的双向车辆的牌照，视频捕捉卡对牌照摄像机的拍摄图像进行抓拍处理，牌照识别模块从抓拍的多帧图像中筛选出包含车牌完整图像信息的一个帧，进行牌照识别，将获取的牌照信息传给控制单元与数据处理单元； 所述的车辆速度加速度检测单元主要由三组激光发生器、接收器、以及以接收器信号为触发源的计时器组成，三组激光发生器以一定距离间隔置于车道一侧，发射激光水平穿射车道，位于车道另一侧的三个接收器中任意一个接受到光强下降沿信号，即会触发计时器进行清零与时间数据存储操作，控制单元与数据处理单元将得到车辆速度加速度检测单元获取的三个时刻，依此计算出车辆速度和加速度； 所述的风速风向检测单元主要由风速传感器和风向传感器组成，两个传感器安装在PM2.5检测单元附近，获取监测车道上的风速和风向数据，并传给控制单元和数据处理单元; 所述的PM2.5检测单元主要由多波长激光发射器、接收器和数据采集单元组成，紫光、绿光、红光以及近红外光的激光光源在光强闭环控制下保持恒定的光强，发出的光束经汇聚和平行化处理，水平透射车道，车道另一侧对透射光进行汇聚后，接收器检测出各波段光强，数据采集单元对接收器的数据进行采集、分析、优化、存储，并传给控制单元与数据处理单元； 所述的控制单元，根据接收到的路况检测单元对路况的检测结果，进行整个系统工作状态的选取，并根据当前系统工作状态发出相应控制信号给各个检测单元，数据处理单元处理各个检测单元传来的数据，完成车辆速度加速度的计算、PM2.5浓度的计算、修正与优化。
2.权利要求1所述的多车道机动车尾气PM2.5遥测装置，其特征在于:实现了对多车道机动车快速、实时的PM2.5浓度的遥测，并通过检测车辆的行驶状态和风速风向对PM2.5浓度检测值进行修正与优化，同时筛选出对环境PM2.5贡献较大的车辆。
【文档编号】G01N15/06GK103630474SQ201310655684
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月8日 优先权日:2013年12月8日
【发明者】康宇, 吕文君, 刘骁, 胥琳静 申请人:中国科学技术大学