一种信号灯工作状态检测系统及方法与流程

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种信号灯工作状态检测系统及方法。

背景技术：

交通信号控制系统必须要有较高的可靠性和稳定性，否则会引起交通事故。因此交通信号控制系统中普遍装有对交通信号灯的异常检测装置，避免因信号灯异常而导致输出红冲突(路口各方向均为红灯亮)、绿冲突(路口临近方向均为绿灯亮)、熄灯故障灯等问题。

由于目前交通信号灯绝大多数为强电控制信号灯，每个信号灯灯色都有独立的灯线，因此现在对于信号灯输出的检测方法，均为检测对应灯线上的电压和电流，通过电压值和电流值推测信号灯的点亮情况。

然而，以上检测方法只能以一定概率检测出信号灯的点亮状态，存在误检的情况。例如，当信号灯灯头led发生损坏不发光，表现出阻性负载的特性，或电源输出部分有短路的情况，信号灯的灯线上也可能有电压和电流，但此时信号灯并没有正常的发光。同时，在现场施工的过程中，经常有“一线多灯”的接法，即一个输出通道上，并联了多只信号灯，当其中部分信号灯异常时，通过检测电压、电流的方式也无法准确判断故障。此外，由于信号灯的种类众多，每种信号灯在工作正常时的电流均不相同，该因素也会导致信号灯误检。

利用电压、电流的检测方法，也无法实现对信号灯暗亮情况的检测，而信号灯的亮度不够，容易造成车辆驾驶人员的误判，也可能会酿成事故。

针对上述缺陷，目前有文献中提出了利用光检测实现对信号灯输出检测的方法加以解决，该方法通过检测信号灯若干颗灯珠的发光状态，实现对信号灯输出的检测。

但该方法也有严重的问题：

1、当所检测灯珠发生异常无法点亮或暗亮，而其他灯珠均在正常发光，并不会影响交通，并不需要上报为故障，而该方法会将此问题判定为故障。

2、当所检测灯珠点亮，而其他灯珠均异常时，此时为严重的故障，而该方法会判断为信号灯正常。

3、当以上两条情况发生时，利用该方法判断红绿冲突即会有严重的问题，很容易出现红冲突、绿冲突的漏检和误检；

4.该方法需要外接光纤和凸透镜，而凸透镜和光纤的摆放位置要求苛刻，导致生产制造过程较为繁琐，同时可靠性并不高。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种信号灯工作状态检测系统及方法，解决了现有技术中检测信号灯时，只对部分灯珠进行检测，无法根据信号灯整体的发光状态来判断信号灯当前的工作状态，容易出现漏检和误检的问题。

本申请实施例提供的具体技术方案如下：

一种信号灯工作状态检测系统，至少包括第一光采集设备、第一光检测设备和处理器，其中：

第一光采集设备，位于信号灯相对的一侧，用于将信号灯发出的光信号中设定比例的第一光信号反射至第一指定位置；

第一光检测设备，与所述处理器相连接，用于在第一指定位置检测所述第一光信号，确定所述第一光信号的第一信号强度；

处理器，根据所述第一信号强度确定所述信号灯当前的工作状态。

可选的，所述第一光采集设备为曲面透镜或菲涅尔透镜；其中，所述曲面透镜或菲涅尔透镜的反射面上设置有增反膜。

可选的，包括：第一凸透镜，位于所述第一指定位置处，用于对所述第一光信号作进一步聚焦，并将聚集后的第一光信号传送至所述第一光检测设备。

可选的，所述第一凸透镜的颜色与信号灯颜色一致。

可选的，所述第一光检测设备用于：

检测所述第一光信号中在第一预设波长范围内的光信号，其中，所述第一预设波长范围与所述信号灯发出的光信号的波长范围一致。

可选的，包括：

第二光采集设备，用于采集当前环境光，并将所述当前环境光的第二光信号传送至第二指定位置；

第二光检测设备，与所述处理器相连接，用于在所述第二指定位置检测所述第二光信号，确定所述第二光信号的第二信号强度，以及将所述第二信号强度传送至所述处理器。

可选的，所述第二光检测设备还用于：

在所述第二光信号中，过滤掉在设定时长内信号强度突然增强的光信号，或/和，过滤掉在第二预设波长范围之外的光信号，其中，所述第二预设波长范围和所述第一预设波长范围完全重叠或部分重叠。

可选的，所述第二光采集设备为第二凸透镜，用于将所述第二光采集设备采集的所述第二光信号进一步聚焦至所述第二指定位置。

可选的，所述处理器用于：

根据所述第二信号强度设置多个信号强度区间，其中，各个信号强度区间与所述信号灯的工作状态具有对应关系；

根据所述第一信号强度归属的信号强度区间，确定所述信号灯当前的工作状态。

本申请还提供一种信号灯工作状态检测方法，包括：

将信号灯发出的光信号中设定比例的第一光信号反射至第一指定位置；

在所述第一指定位置检测所述第一光信号，确定所述第一光信号的第一信号强度；

根据第一信号强度确定所述信号灯当前的工作状态。

可选的，将信号灯发出的光信号中设定比例的第一光信号反射至第一指定位置，包括：

在信号灯的一侧设置一曲面透镜或菲涅尔透镜，并在所述曲面透镜或菲涅尔透镜的反射面做增反处理，通过所述曲面透镜或菲涅尔透镜将所述第一光信号反射至第一指定位置。

可选的，还包括：

在所述第一指定位置处设置第一凸透镜，通过所述第一凸透镜将所述第一光信号作进一步聚焦。

可选的，采用的所述第一凸透镜的颜色与信号灯颜色一致。

可选的，包括：

检测所述第一光信号中在第一预设波长范围内的光信号，其中，所述第一预设波长范围与所述信号灯发出的光信号的波长范围一致。

可选的，还包括：

采集当前环境光，并将所述当前环境光的第二光信号传送至第二指定位置；

在所述第二指定位置检测所述第二光信号，确定所述第二光信号的第二信号强度。

可选的，从所述第二光信号中，过滤掉在设定时长内信号强度突然增强的光信号，或/和，过滤掉在第二设波长范围之外的光信号，其中，所述第二预设波长范围和所述第一预设波长范围完全重叠或部分重叠。

可选的，根据所述第一信号强度确定所述信号灯当前的工作状态，包括：

根据所述第二信号强度设置多个信号强度区间，其中，各个信号强度区间与所述信号灯的工作状态具有对应关系；

根据所述第一信号强度归属的信号强度区间，确定所述信号灯当前的工作状态。

本申请实施例中，采集信号灯整体发出的光信号中设定比例的第一光信号，并检测该第一光信号的第一信号强度，最后根据第一信号强度来确定信号灯当前的工作状态。这样，便可以在不影响信号灯正常发光前提下，针对信号灯中所有灯珠发出的光信号的第一光信号进行整体性采集，因此，即使信号灯出现极个别灯珠损坏，在信号灯仍可以整体发光的情况下，系统仍然可以判定信号灯处于正常发光状态，从而避免了只对个别灯珠的工作状态进行判定而造成对信号灯的整体工作状态产生误判的情况发生，有效提高了信号灯工作状态判定的准确性，同时也延长了信号灯的使用寿命。另一方面，本发明实施例中通过特定结果的灯罩即可以完成信号灯的第一光信号的采集，这不仅减少了装置占用的空间，同时也降低了实现复杂度，进而节约了实现成本，适于大范围内推广。

附图说明

图1为本申请实施例中检测信号灯工作状态的系统的第一种结构示意图；

图2为本申请实施例中第一光采集设备的结构示意图；

图3为本申请实施例中第一光采集设备工作原理示意图；

图4为本申请实施例中第一凸透镜的工作原理示意图；

图5为本申请实施例中检测信号灯工作状态的系统的第二种结构示意图；

图6为本申请实施例中交通信号灯检测系统中处理器的电路原理示意图；

图7为本申请实施例中对信号灯工作状态进行检测的流程示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供一种信号灯工作状态检测系统及方法，解决了现有技术中检测信号灯时，只对部分灯珠进行检测，无法根据信号灯整体的发光状态来判断信号灯当前的工作状态，容易出现漏检和误检的问题。

本申请实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：

本申请实施例中，由于第一光采集设备是对信号灯发出的设定比例的部分信号进行采集，是对信号灯整体的的光信号进行采集，然后再将采集到的第一光信号传送给第一光检测设备，第一光检测设备将接收到的所述第一光信号转化为电信号，即第一信号强度。最后处理器判断第一信号强度归属于那个目标信号强度区间，不同的信号强度区间对应不同的信号灯状态，由此确定当前信号灯的工作状态。采用此技术方案，可以有效解决信号灯漏检和误检的技术问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互结合。

本申请实施例中提供的信号灯工作状态检测系统(以下简称为系统)主要应用于交通信号灯故障检测，比如常见的交通道路十字路口的红绿信号灯，下面以路口的红绿信号灯为例来说明，第一光采集设备指红绿灯的灯罩，所要检测的红绿信号灯由若干灯珠组成。

参阅图1所示，本申请实施例中，系统具体架构如下，至少包括：

第一光采集设备12，位于信号灯的一侧，用于将整个信号灯灯珠发出的光按设定比例的第一光信号反射至第一指定位置。

可选的，所述第一指定位置为所述第一光信号反射后聚焦的焦点位置，可以是信号灯的中部，本申请实施例不做具体限制。

第一光检测设备13，与处理器14相连接，用于在第一指定位置接收所述第一光信号，并确定所述第一光信号的第一信号强度，将所述第一信号强度传送至所述处理器14。

可选的，所述第一光检测设备13位于第一指定位置处，第一光检测设备13至少包括光电二极管、光电三极管、光电倍增管等，用于将第一光采集设备12聚焦的第一光信号转换为电信号，并检测该电信号的信号强度，即第一信号强度。

处理器14，根据第一光检测设备13检测的第一信号强度确定信号灯当前的工作状态。

具体的，处理器14可以确定接收到的第一信号强度归属的目标信号强度区间，并参考预设的信号强度区间和信号灯工作状态之间的对应关系，基于第一信号强度确定所述信号灯当前的工作状态。

关于信号强度区间的设置，将在后续实施例中进行详细解释。

可选的，第一光采集设备12可以采用曲面透镜或菲涅尔透镜。

以菲涅尔透镜为例，参阅图2所示，在菲涅尔透镜21的反射面具有一层增反膜22，在本申请实施例中，可以直接将菲涅尔透镜21作为灯罩，被菲涅尔透镜21按一定比例反射回来的第一光信号会焦距于一点，便于第一光检测设备13接收，另一方面，菲涅尔透镜21能够使透射光能够与灯盘所发出的光平行，保证信号灯的发光状态不受影响。

菲涅尔透镜21作为第一光采集设备12采集光信号的具体原理，如图3所示，led灯珠发出的光，照射到由菲涅尔透镜21制成的灯罩之后，由于增反膜22的作用会使部分入射光发生反射，而灯罩的内侧为负菲涅尔透镜，与凹面镜的特性类似，该负菲涅尔透镜会使部分反射光聚焦在其焦点。led灯珠的出射光照射到灯罩后，除部分光会被反射外，还有大量的光会透过灯罩作为透射光，由于该灯罩内侧为负菲涅尔透镜，外侧为正菲涅尔透镜，因此，相对于灯罩，透射光与led灯珠发出的光传播方向平行。同时由于透射光光量占led灯珠发出光量的绝大部分，反射光的存在不会对信号灯最终的发光效果造成影响。

可选的，如图4所示，在第一指定位置处，设置第一凸透镜41。第一凸透镜41可以具体位于菲涅尔透镜21的焦点附近，第一凸透镜41会将第一光信号作进一步聚焦，聚集后的第一光信号与信号灯整体发光强度成一定比例。在第一凸透镜41后有第一光检测设备13，第一光检测设备13会将经过第一凸透镜41聚集的光转换为电信号，并将电信号送给所述处理器14。

可选的，为了进一步提高检测精度，第一凸透镜41可以选用带颜色的透镜，选用的的颜色与信号灯颜色一致。

例如：若信号灯灯头为红灯，则第一凸透镜41选用红色的凸透镜，红色的凸透镜会有针对性地将红色光聚焦，其他颜色光会被红色的凸透镜吸收，从而减少外界复杂光照环境对信号灯异常检测的影响。

可选的，第一光检测设备13具体用于：检测第一光信号中在第一预设波长范围内的光信号，所述第一预设波长范围与所述第一光信号的波长范围一致。之所以，设置第一光检测设备13只针对第一预设波长范围内的光信号进行检测，能够有效减少复杂光照环境的影响，便于后续检测过程中获得更为准确的第一信号强度。

例如，假设信号灯灯头为红灯，则第一光检测设备13只对第一光信号中的红色光进行检测处理，即第一预设波长范围与红色光的波长范围一致。

另一方面，参阅图4所示，若系统中未设置第一凸透镜41，则可以将第一光检测设备13放置在菲涅尔透镜21的第一焦点处，即将该第一焦点处作为第一指定位置；而若系统中设置了第一凸透镜41，则可以将第一光检测设备13放置在第一凸透镜41聚焦后的第二焦点处，即将该第二焦点处作为第一指定位置。

可选的，为了在不同的环境光照强度下仍能准确判断信号灯的工作状态，进一步地，还增加对当前环境光照环境检测的设备，参阅图5所示，系统中还包括：

第二光采集设备51，位于信号灯的一侧，且与第一光采集设备12位于不同侧，用于采集当前环境光，并将当前环境光的第二光信号传送至第二指定位置；需要注意的一点是：第二光采集设备51不能位于信号灯发光一侧。

例如，如图5所示，本申请实施例中，第二光采集设备51位于信号灯灯珠的背面，第二光采集设备51可以将环境光进行聚集，聚集后的焦点即为第二指定位置，并且在第二指定位置设置了第二光检测设备52。

第二光检测设备52，与处理器14相连接，用于在第二指定位置检测第二光信号，确定第二光信号的第二信号强度，以及将第二信号强度传送至处理器14；其中，可选的，第二光采集设备52为第二凸透镜，用于将第二光采集设备52采集的第二光信号进一步聚焦至第二指定位置。

可选的，处理器14可以基于第二信号强度设置信号强度区间；具体为：，处理器14可以根据第二信号强度和预设的环境常数，得到第一阈值和第二阈值，接着，处理器14可以将第一阈值和第二阈值作为界值，划分出与信号灯工作状态相对应的多个信号强度区间。如，第一区间为小于第一阈值的信号强度区间，表示信号灯处于熄灯状态，第二区间为大于等于第一阈值且小于等于第二阈值的信号强度区间，表示信号灯处于暗亮状态，第三区间为大于第二阈值的信号强度区间，表示信号灯为正常点亮状态。

例如：假设数据1(e1)表示信号灯发出的第一光信号的信号强度，即第一信号强度，而数据2(e2)表示环境光的第二光信号的信号强度，即上述第二信号强度；那么，根据e1与e2的比对判断信号机工作状态。具体判断方法如下：

(1)熄灯判断。

熄灯使指信号灯完全无法点亮，或点亮时发光强度太弱以至于使人肉眼难以识别。当检测到e1小于第一阈值(emin)时，判断为信号灯处于熄灯状态。

emin的取值由以下公式确定：

emin＝ke2+a

其中，a、k为一常数，该常数可能与信号灯外形，安装位置等有关。

(2)信号灯暗亮状态。

信号灯暗亮是指信号灯部分灯珠故障，或整体发光强度不理想，此时行人可能会对信号灯的亮灭状态造成误判，进而发生事故。当检测到e1小于等于第二阈值(edim)且大于等于emin时，处理器14判断信号灯处于暗亮状态。

edim的取值由以下公式确定：

edim＝e2*b+c

其中，b与c均为常数，可能与信号灯外形，安装位置等因素有关。

(3)信号灯正常点亮状态的判断。

当检测到e1大于edim时，处理器14判断信号灯处于正常点亮状态，其中edim的取值见上述公式。

本发明实施例中，可选的，处理器14处理电路结构如图6所示：至少包括有放大电路、模数转换器(analog-to-digitalconverter，adc)、主控器和通信接口。

第一光检测设备13将信号灯发出的第一光信号转为电信号，经过放大电路1放大后，由adc1转换为数字信号1(数据1)送给主控器。第二光检测设备52将外界环境光(第二光信号)转为电信号，经过放大电路2放大后，由adc2转换为数字信号2(数据2)送给主控器。主控器根据第一光信号的第一信号强度和第二光信号的第二信号强度判断信号灯是否存在异常，并将判断结果通过通信接口发送给交通信号控制系统中的主机。

由于主控器能够获取到用于指示点亮信号灯点亮的灯控信号，因此，若主控器未检测到灯控信号，同时却检测到信号灯当前的工作状态为正常点亮状态，则主控器通过通信接口直接发送信号灯点亮异常通知消息；而若主控器检测到灯控信号，同时却检测到信号灯当前的工作状态为熄灯状态，则主控器通过通信接口直接发送信号灯熄灯异常通知消息；而若主控器检测到灯控信号，同时却检测到信号灯处于暗亮状态，则主控器通过通信接口直接发送信号灯暗亮异常通知消息。

可选的，第二光检测设备52具体用于：从当前环境光中，过滤掉在设定时长内信号强度突然增强的光信号，或/和，过滤掉第二预设波长范围之外的环境光的光信号，其中，第二预设波长范围和第一预设波长范围重叠或部分重叠。

由于外界环境光照情况较复杂，为了避免发生车灯或者其他照明设备对信号灯造成影响的情况，需要在第二光检测设备52进行滤波处理。由于信号灯发光能力发出瞬间畸变的情况非常少见，当在设定时间内检测到第二光信号中存在突然增强的光信号时，可以认为是车灯突然照射或者其他照明设备突然照射导致的环境光突然增强，此时应该舍去检测到的突然增强的光信号。

为了进一步地提高环境光的检测精度，第二光检测设备52还可以进一步在第二预设波长范围中检测第二光信号，即过滤掉第二预设波长范围之外的环境光的光信号，其中，第二光检测设备52使用的第二预设波长范围和第一光检测设备13使用第一预设波长范围可以设置为重叠或部分重叠。

可选的，第二光采集设备51可以采用第二凸透镜，用于对第二光采集设备51采用的第二光信号作进一步聚焦。如，第二凸透镜能够将第二光信号聚焦于焦点处，该焦点处即为第二指定位置，第二光检测设备52便设置在第二指定位置。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种信号灯工作状态检测方法，通过前述对信号灯工作状态检测系统及其各种变化形式的详细描述，本领域技术人员可以清楚的了解本实施例中所述系统的实施结构，所以为了说明书的简洁，在此不再赘述。

参阅图7所示，信号灯工作状态检测方法的具体流程如下：

步骤701：将信号灯发出的光信号中设定比例的第一光信号反射至第一指定位置。

在执行步骤701时，可选的，可以在信号灯的一侧设置一曲面透镜或菲涅尔透镜，并在曲面透镜或菲涅尔透镜的反射面做增反处理，通过曲面透镜或菲涅尔透镜将第一光信号反射至第一指定位置。

可选的，可以在上述第一指定位置进一步设置第一凸透镜，通过第一凸透镜将第一光信号作进一步聚焦。

可选的，采用的上述第一凸透镜的颜色与信号灯颜色一致。

步骤702：在上述第一指定位置检测第一光信号，确定第一光信号的第一信号强度。

可选的，可以检测第一光信号中在第一预设波长范围内的光信号，其中，第一预设波长范围与信号灯发出的光信号的波长范围一致。

步骤703：根据第一信号强度确定信号灯当前的工作状态。

可选的，在执行步骤702之后，在执行步骤703之前，还可以进一步采集当前环境光，并将当前环境光的第二光信号传送至第二指定位置，以及在第二指定位置检测第二光信号，确定第二光信号的第二信号强度。

可选的,可以在第二光信号中，过滤掉在设定时长内信号强度突然增强的光信号，或/和，过滤掉在第二设波长范围之外的光信号，其中，第二预设波长范围和所述第一预设波长范围完全重叠或部分重叠。

执行完上述操作后，进一步地，在执行步骤703时，可以根据第二信号强度设置多个信号强度区间，其中，各个信号强度区间与所述信号灯的工作状态具有对应关系；然后，根据第一信号强度归属的信号强度区间，确定信号灯当前的工作状态。

本发明实施例中的技术方案，用当前环境光的第二光信号的第二信号强度来确定信号强度区间，原因有以下两点：

(1)检测到的信号灯的第一光信号，有可能会受到第二光信号的影响，从而导致误检、漏检的情况发生，因此，需要引入第二光信号，以便于精细化区分。

(2)在不同环境光照条件下，人眼对信号灯处于暗亮、熄灯的判断会有差异，为保证本申请实施例中提供的检测方法与人眼识别结果尽可能接近，需要引入第二光信号。

综上所述，本申请实施例中，第一光采集设备12采集信号灯整体发出的光信号中设定比例的第一光信号，再由第一光检测设备13检测第一光信号确定第一信号强度，最后处理器14根据第一信号强度来确定信号灯当前的工作状态。这样，便可以在不影响信号灯正常发光前提下，针对信号灯中所有灯珠发出的光信号中设定比例的第一光信号进行整体性采集，即使信号灯出现极个别灯珠损坏，在信号灯仍可以整体发光的情况下，系统仍然可以判定信号灯处于正常发光状态，从而避免了只对个别灯珠的工作状态进行判定而造成对信号灯的整体工作状态产生误判的情况发生，有效提高了信号灯工作状态判定的准确性，同时也延长了信号灯的使用寿命。

另一方面，本发明实施例中通过特定结构的灯罩即可以完成信号灯的第一光信号的采集，这不仅减少了装置占用的空间，同时也降低了实现复杂度，进而节约了实现成本，适于大范围内推广。

进一步地，用于将第一光采集设备12采集的第一光信号进一步聚焦的第一凸透镜41，不仅能够将光信号更加准确地传送给第一光检测设备13，还能根据自身的颜色滤去外界杂光的干扰，进一步提高了检测的精度。

进一步地，本申请实施例中，第一光检测设备13只检测第一预设波长范围内的光信号，而第二光检测设备52只检测第二预设波长范围的光信号，该第一预设波长范围与信号灯的第一光信号波长范围相同，该第一预设波长范围和第二预设波长范围设置为完全重叠或部分重叠，这样，便能够进一步滤去外界杂光的干扰，提高检测结果的准确性。

另一方面，由于信号灯在环境光较暗的情况下工作时，可能出现环境光突然增强的情况，导致对信号灯工作状态的误判，本申请实施例中，不仅对信号灯发出的第一光信号进行检测，还对当前环境光的第二光信号进行检测。处理器14还能够根据第二光信号的第二信号强度设置多个信号强度区间，各个信号强度区间和信号灯的工作状态之间具有对应关系，使得处理器14能够根据第一光信号归属的信号强度区间，准确判断信号灯的当前工作状态(如，暗亮状态、熄灭状态、正常点亮状态等等)，也更加符合实际需求，避免误检。

最后应说明的是：以上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的精神和范围。