一种基于高速公路交通状况监测系统的监测方法与流程

本发明涉及道路交通监控技术领域，特别是涉及一种基于高速公路交通状况监测系统的监测方法。

背景技术：

随着经济发展，汽车已经成为人类社会必不可少的交通工具。高速公路作为专供汽车分道高速行驶的公路，已经逐步成为交通运输的骨干道路。然而高速公路堵车现象是目前高速公路通行的主要问题。高速公路交通信息化管理成为解决拥堵问题的主要途径，实时、有效的交通信息是交通信息化管理的根本依据。交通信息需要信息采集系统来收集和提取。

目前市面上采集交通信息的产品主要有压电、磁感线圈、激光、视频等。可以分为接触式和非接触式两大类。接触式信息采集技术主要包括压电、压力管探测、环行线圈探测和磁力式探测。虽然这些采集技术具有测量精度高，易于掌握的优点，但也存在安装维护困难，使用寿命短，使用成本高，路基下沉、盐碱和冰冻等环境条件下不适用等缺点。非接触式交通信息采集装置包括波频探测和视频探测。红外检测对车型分辨清晰，但受天气的影响很大，而超声检测对于车速和车型的判定准确，但有特殊的安装条件的限制，只能正向顶部安装，只能采集一个车道的信息。微波检测有着安装维护方便、使用寿命长、受天气气候影响小、能同时进行多个车道检测的优点，但侧向安装且需要同时检测多个车道时，存在不能检测单一车辆的速度等缺点。视频探测是利用车辆进入检测区域导致背景灰度变化的原理来进行检测，直观可靠，但受光度，气候条件的影响很大。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，设计出一种基于高速公路交通状况监测系统的监测方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于高速公路交通状况监测系统的监测方法,该高速公路交通状况监测系统包括多段单模光纤、多个DAS交通流量监控系统、服务器和客户端，所述每个DAS交通流量监控系统均与多段单模光纤通信连接，一个服务器与多个DAS交通流量监控系统通信连接，服务器与客户端通信连接，所述DAS交通流量监控系统包括脉冲发射器、调制解调器、光电探测器和处理器，所述监测方法包括以下步骤：

步骤1：脉冲发射器发射光脉冲，光脉冲经调制解调器入射到单模光纤中；

步骤2：单模光纤检测被监测路段的振动信号，振源位置的背向散射信号返回至光电探测器；

步骤3：光电探测器记录光脉冲和背向散射信号的相位、光脉冲入射单模光纤的时间、背向散射信号入射光电探测器的时间；

步骤4：处理器根据光脉冲入射单模光纤的时间和背向散射信号返回至光电探测器的时间计算振源的位置，根据光脉冲与背向散射信号的相位差确定振源的振动强度；

步骤5：服务器将振源位置和振动强度数据传输给客户端，客户端显示连续时间范围内的连续振源位置及振源的振动强度，所述同一振动强度的连续振源位置构成的直线为振源轨迹，振源轨迹的斜率为行驶车辆的车速；

步骤6：判断客户端上显示的多个振源轨迹的斜率是否超出设定的限值，所述限值包括上限值和下限值，若至少有一个振源轨迹的斜率超出上限值，则发出车辆超速报警信号；若多个振源轨迹的斜率均低于下限值，则减少开放高速收费站点并发出高速堵车报警信号。

所述步骤1中脉冲发射器每隔0.5ms发射一束光脉冲，所述光脉冲为高相干的激光脉冲。

所述步骤4中计算振源位置的具体公式为：S=（t1- t0）*10⁸m/s，其中S为振源位置，t1为背向散射信号返回至光电探测器的时间，t0为光脉冲入射单模光纤的时间。

所述多根单模光纤纵向串联埋设在高速公路路边的微槽内，所述微槽的宽度为1.5-2cm，深度为50-60cm。单模光纤设置在高速公路的单侧或两侧。

所述每段单模光纤检测路段的长度为45-50km。

本发明的积极有益效果：

1、本发明能够对50Km长的路面进行监测，监测距离长，且能够对整个路段上连续时间范围内的连续振源位置进行检测，连续时间范围内的连续振源位置所构成的直线斜率即为在路段上行驶的车辆车速。

2、由于不同车型对路面的振动强度不同，因此可以从客户端上的不同振动轨迹监控高速公路上众多车辆的车速，当大多数车速超出上限值或低于下限值时，可通过客户端提醒工作人员适当的减少或增加高速收费站点的开放个数，能够对高速公路的交通状态进行实时监控，避免发生交通拥堵。

3、本发明能够根据光脉冲入射单模光纤的时间和背向散射信号返回至光电探测器的时间确定振源的位置，当客户端上显示的不同振动强度的振源位置聚集在某一处时，则可判断该位置发生了交通异常事件，如交通事故或者拥堵等。

4、不同类型的机动车、非机动车对路面的振动强度是不同的，同一类型的机动车或非机动车对路面的振动强度是相同的，本发明可以检测机动车或非机动车在行驶过程中所引发的振源的振动强度，根据客户端显示器上所显示的不同振动强度的运行轨迹，可以得出同一类型的机动车或非机动车的数量。

附图说明

图1为本发明高速公路交通状况监测方法的流程图。

图2为高速公路交通状况监测系统的系统原理框图。

图3为DAS交通流量监测系统的电路原理框图。

图4为光电探测器接收光脉冲的时刻图。

图5为车辆的运行轨迹图。

图中标号的具体含义为：1为单模光纤，2为 DAS交通流量监控系统，3为服务器，4为客户端，5为高速公路，6为脉冲发射器，7为调制解调器，8为光电探测器，9为处理器。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明的具体实施方式。

参见图2、图3，本发明的基于高速公路交通状况监测系统的监测方法，应用高速公路交通状况监测系统对高速公路的交通状况进行监控。该高速公路交通状况监测系统包括多段单模光纤1、多个DAS交通流量监控系统2、服务器3、客户端4，每个DAS交通流量监控系统2均与多段单模光纤1进行通信连接，一个服务器3与多个DAS交通流量监控系统2通信连接。

所述单模光纤1用于检测高速公路5的振动信号。所述单模光纤1为一芯单模光纤，采用GYTA53标准地埋通信光缆。每段单模光纤1能够检测45-50km的路面振动情况，同一路面上铺设有多根单模光纤1，多根单模光纤1纵向串联埋设在被监测路段的单侧或两侧路边。路面上的振动信号有多种，主要包括机动车振动信号和非机动车振动信号。

所述DAS交通流量监控系统2用于接收单模光纤1检测到的振动信号，根据振动信号确定振源位置和振动强度，并将振源位置和振动强度信息传输给服务器。DAS交通流量监控系统2包括脉冲发射器6、调制解调器7、光电探测器8和处理器9。所述脉冲发射器6用于发射光脉冲，并将光脉冲传输给调制解调器7。调制解调器7将光脉冲光脉冲的频率稳定在2*10¹⁴HZ，将光脉冲经光电探测器8传输给单模光纤1。当路面上某一位置产生振动时，会引发单模光纤1上对应的位置振动，那么在该振动位置会产生背向散射信号。光电探测器8用于接收从单模光纤1的振源位置返回的背向散射信号，并记录光脉冲和背向散射信号的相位、光脉冲入射单模光纤的时间、背向散射信号入射光电探测器8的时间，并将光脉冲和背向散射信号的相位信息和时间信息传输给处理器9。处理器9用于根据光脉冲与背向散射信号的相位差确定振源的振动强度，根据背向散射信号入射光电探测器的时间与光脉冲入射单模光纤的时间确定振源位置。

所述服务器3用于对多个DAS交通流量监控系统2的数据信息进行处理并传递给客户端4；客户端4用于可视化显示高速公路5的振源位置和振动强度。

该高速公路交通状况监测系统，主要利用光纤本身的传感功能来检测路面的振动信号，光纤本身的传感功能是基于瑞利散射原理实现的，如图1所示，在进行交通状况监测的过程中，具体包括以下步骤：

步骤1：脉冲发射器每隔0.5ms发射一束高相干的光脉冲，光脉冲经光电探测器传输给单模光纤，光脉冲在单模光纤中的传播速度为2*10⁸m/s；

步骤2：单模光纤检测被监测路段的振动信号，当单模光纤上某点发生振动时，在该振动位置会发生背向散射现象，部分光脉冲会由该振动点返回至光电探测器，返回至光电探测器的光脉冲为背向散射信号；

步骤3：光电探测器记录光脉冲和背向散射信号的相位、光脉冲入射单模光纤的时间、背向散射信号入射光电探测器的时间；

步骤4：处理器根据光脉冲入射单模光纤的时间和背向散射信号返回至光电探测器的时间计算振源的位置，根据光脉冲与背向散射信号的相位差确定振源的振动强度；计算振源位置的具体公式为：S=（t1- t0）*10⁸m/s，其中S为振源位置，t1为背向散射信号返回至光电探测器的时间，t0为光脉冲入射单模光纤的时间。

本发明所采用的光电探测器的探测灵敏度较高，能够直接探测光脉冲的相位，例如可采用EPM605LL型号的直插式光电探测器。光电探测器可记录传输到单模光纤中的光脉冲的相位λ0及其入射到单模光纤的时间t0，同时也记录背向散射信号的相位λ1及其返回至光电探测器的时间t1，光电探测器将获取的相位λ0和λ1、时间t0和t1传输给处理器。处理器根据第二频率光脉冲与背向散射信号的相位差（λ1- λ0）得到光的强度差，从而确定振源的振动强度；

如图4所示，图4中横坐标代表时间，纵坐标代表光脉冲强度。将光脉冲入射单模光纤的那一刻记作时间t0，光脉冲在单模光纤中传播返回后的时间记作时间t2，当单模光纤的长度为50km时，t2-t0=2*50*10³m÷2*10⁸m/s=0.5ms。如果t0和t2之间发生振动，由于瑞利散射的存在，光电探测器会接收到一束较弱的光脉冲，假设背向散射信号返回至光电探测器的时间与第二频率光脉冲入射单模光纤的时间差为0.3ms，那么振源的具体位置S=0.3*10^-3*10⁸=30km，即振动发生在距离单模光纤起始端的30km处。

步骤5：客户端对连续时间范围内的连续振源位置及振源的振动强度进行可视化显示。由于不同信号的车辆对地面的振动强度不同，客户端上会显示多种车辆的振动轨迹。而同一型号的车辆对地面的振动强度是相等的，车辆的行驶轨迹又是连续的，因此，同一振动强度的连续振源位置构成的直线为振源轨迹，振源轨迹的斜率为行驶车辆的车速。

步骤6：在客户端中事先设定车辆行驶速度的上限值和下限值，观察客户端上显示的不同车辆的振源轨迹，判断多个振源轨迹的斜率是否超出设定的限值。若至少有一个振源轨迹的斜率超出上限值，则发出车辆超速报警信号；若多个振源轨迹的斜率均未超出上限值，则判断多个振源轨迹的斜率是否均低于下限值，若低于下限值，则说明高速公路出现拥堵现象，此时应减少开放高速收费站点并发出高速拥堵报警信号；若多个振源轨迹的斜率高于下限值且低于上限值，则说明高速公路上的车辆行驶顺畅，此时高速收费站点正常开放即可。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。