多車道機動車尾氣pm2.5遙測裝置製造方法
2023-09-16 23:49:25 2
多車道機動車尾氣pm2.5遙測裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種多車道機動車尾氣PM2.5遙測裝置，由路況檢測單元、牌照檢測單元、車輛速度加速度檢測單元、風速風向檢測單元、PM2.5檢測單元、控制單元與數據處理單元等組成。本發明可以檢測單向或雙向多車道路面車輛行駛的實時狀況，並能在多車道只有一輛車行駛時，在短時間內檢測出車輛的車牌號、速度、加速度以及尾氣中PM2.5的濃度。
【專利說明】多車道機動車尾氣PM2.5遙測裝置【技術領域】
[0001]本發明涉及一種多車道機動車尾氣PM2.5遙測裝置，屬於環境檢測【技術領域】以及光電檢測【技術領域】。具體涉及光學、數學、光電檢測技術，圖像處理技術、儀器儀表技術、多傳感器數據融合技術，多點通信技術，計算機軟體技術，機械製造技術，傳感器技術等。
【背景技術】
[0002]機動車尾氣PM2.5遙測裝置可以在車輛正常行駛狀態下完成尾氣PM2.5濃度檢測，是一種基於消光法的無需採樣、非接觸式、實時快速的PM2.5檢測裝置。微量振蕩天平法和β射線吸收法是目前主流的ΡΜ2.5監測方法，二者都需要對環境空氣進行採樣和切害I]，將ΡΜ2.5沉積在濾膜上，再直接或間接的測量ΡΜ2.5濃度，雖然測量準確，但測量周期長，並且設備龐大，難以應用於機動車尾氣ΡΜ2.5濃度的遙測。有相關產品將ΡΜ2.5吸入封閉區域，創造理想的缺乏幹擾的環境，測量數據較為準確，但是成本較高且測量周期長。相比以上方法，本專利是基於消光法的ΡΜ2.5檢測方法，適用於大量機動車輛快速實時的ΡΜ2.5濃度的遙測，其原理簡單、儀器成本低、測量範圍寬、測量速度快，只需要測量不同波長的光束透射被測空氣前後光強的變化，經過數據分析即可得到相對準確的ΡΜ2.5數量濃度，在一定的誤差允許範圍內，可再轉換為ΡΜ2.5質量濃度。本發明有兩個難點，其一是車道流量較大時，在不影響車輛正常行駛的情況下，快速檢測並篩選出超標車輛；其二是在自然環境中進行檢測，幹擾極多，如何將幹擾全部加入數據分析，並獲取相對準確的ΡΜ2.5濃度值，尤為關鍵。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在於解決機動車尾氣ΡΜ2.5遙測的難題，篩選出車道上對環境空氣ΡΜ2.5濃度貢獻較大的車輛。同類產品的測量手段有兩點不足，一是對環境要求較為嚴格，不能有太多幹擾，一般做法是將·含ΡΜ2.5的氣體吸入一個封閉體內，在一個較為理想的環境下測量；二是測量周期較長。本發明的最大特點就是測量速度快，檢測過程不對車輛的行駛造成影響，所以不可能將含有ΡΜ2.5的氣體吸入封閉體內進行檢測。而且在車流量較大時，如果每次測量時間間隔很短，較長的測量周期顯然不能適應這種路況，所以本發明旨在解決如上難題。
[0004]本發明所述的多車道機動車尾氣ΡΜ2.5遙測裝置要解決上述問題採用的技術方案是這樣實現的:
[0005]一種多車道機動車尾氣ΡΜ2.5遙測裝置，其特徵在於，由路況檢測單元、牌照檢測單元、車輛速度加速度檢測單元、風速風向檢測單元、ΡΜ2.5檢測單元、控制單元與數據處理單元組成，其中，
[0006]所述的路況檢測單元由路況攝像機、視頻檢測器組成，路況攝像機安裝在道路上方，分為兩組，分別對行駛方向拍攝車道雙向的車輛行駛狀況，視頻檢測器接收來自路況攝像機的圖像，判斷是否滿足在短時間內只有一輛車通過ΡΜ2.5檢測點的條件，並將結果傳給控制單元與數據處理單元；
[0007]所述的牌照檢測單元由牌照攝像機、視頻捕捉卡、牌照識別模塊組成，牌照攝像機分為兩組，安裝在車道兩側，拍攝通過PM2.5檢測點的雙向車輛的牌照，視頻捕捉卡對牌照攝像機的拍攝圖像進行抓拍處理，牌照識別模塊從抓拍的多幀圖像中篩選出包含車牌完整圖像信息的一個幀，進行牌照識別，將獲取的牌照信息傳給控制單元與數據處理單元；
[0008]所述的車輛速度加速度檢測單元主要由三組雷射發生器、接收器、以及以接收器信號為觸發源的計時器組成，三組雷射發生器以一定距離間隔置於車道一側，發射雷射水平穿射車道，位於車道另一側的三個接收器中任意一個接受到光強下降沿信號，即會觸發計時器進行清零與時間數據存儲操作，控制單元與數據處理單元將得到車輛速度加速度檢測單元獲取的三個時刻，依此計算出車輛速度和加速度；
[0009]所述的風速風向檢測單元主要由風速傳感器和風向傳感器組成，兩個傳感器安裝在PM2.5檢測單元附近，獲取監測車道上的風速和風向數據，並傳給控制單元和數據處理單元；
[0010]所述的PM2.5檢測單元主要由多波長雷射發射器、接收器和數據採集單元組成，紫光、綠光、紅光以及近紅外光的雷射光源在光強閉環控制下保持恆定的光強，發出的光束經匯聚和平行化處理，水平透射車道，車道另一側對透射光進行匯聚後，接收器檢測出各波段光強，數據採集單元對接收器的數據進行採集、分析、優化、存儲，並傳給控制單元與數據處理單元；
[0011]所述的控制單元，根據接收到的路況檢測單元對路況的檢測結果，進行整個系統工作狀態的選取，並根據當前系統工作狀態發出相應控制信號給各個檢測單元，數據處理單元處理各個檢測單元傳來的數據，完成車輛速度加速度的計算、PM2.5濃度的計算、修正與優化。
[0012]進一步的，實現了對多車道機動車快速、實時的PM2.5濃度的遙測，並通過檢測車輛的行駛狀態和風速風向對PM2.5濃度檢測值進行修正與優化，同時篩選出對環境PM2.5貢獻較大的車輛。
[0013]本發明的原理在於:
[0014]多車道機動車尾氣PM2.5遙測裝置，由路況檢測單元、牌照檢測單元、車輛速度加速度檢測單元、風速風向檢測單元、PM2.5檢測單元、控制單元與數據處理單元組成。
[0015]路況檢測單元獲取當前路況信息，並將數據傳給控制單元與數據處理單元，通過分析當前路況以決定整個系統的工作狀態。若路況滿足短時間內可能只有一輛車通過PM2.5檢測點的條件，則控制單元對各單元發出控制指令，使整個系統處於「工作」狀態；若短時間內可能沒有車輛或有多輛車同時通過監測點，則控制單元對各單元發出控制指令，使整個系統保持「準備」狀態。
[0016]牌照檢測單元在「工作」狀態下，對經過PM2.5檢測點車輛的牌照進行抓拍，在牌照識別後，將車輛牌照信息和車輛經過監測點的時刻傳給控制單元與數據處理單元；在「準備」狀態下，牌照檢測單元將停止工作。
[0017]車輛速度加速度檢測單元的雷射發射器和接收器保持工作，在「工作」狀態下，計時器記錄車輛通過時，三個接收器分別接收到光強下降沿信號的時刻，將這三個時刻傳給控制單元和數據處理單元；在「準備」狀態下，計時器停止對接收器信號的監測。[0018]風速風向檢測單元中的風速傳感器和風向傳感器保持工作，僅當在「工作」狀態下，將監測數據傳給控制單元與數據處理單元。
[0019]PM2.5檢測單元中多波長雷射發射器和接收器保持工作，僅當在「工作」狀態下，數據採集單元開始連續監測各波長雷射光強的變化，並將一段時間內的採樣值實時地傳給控制單元與數據處理單元。
[0020]控制單元與數據處理單元接收路況檢測單元傳來的路況信息，將工作狀態的控制信號傳給系統中其他單元；接收車輛速度加速度檢測單元傳來的三個時刻，結合已知的各組雷射發射器、接收器間距，計算出車輛速度和加速度，並判定車輛的運行狀態，同時與車輛牌照進行關聯；接收PM2.5檢測單元傳來的數據，初步計算出PM2.5數量濃度，再利用風速風向檢測單元傳來的數據與車輛速度加速度檢測單元傳來的數據進行修正，之後利用牌照檢測單元傳來的車輛牌照信息和車輛經過PM2.5檢測點的時刻，完成PM2.5檢測結果與車輛牌照間的關聯。
[0021]本發明與現有技術相比的優點在於:
[0022](I)、本發明可以監測單向或雙向多車道路面車輛行駛的實時狀況，準確獲取短時間內多車道上只有一輛車行駛時的尾氣中PM2.5數量濃度、速度、加速度和車牌號；
[0023](2)、本發明所使用的「消光法」利用透射光能的減弱來反演出PM2.5的真實濃度，是一種非接觸式的測量方法，不同於傳統的重量法和目前流行的beta射線法、微量振蕩天平法，測量過程中不需要通過切割器進行氣體採樣。消光法可以在不幹擾車輛正常行駛的情況下，通過透射車輛排放的尾氣，完成PM2.5遙感測量；
[0024](3)、為了配合長時間無人值守工作需要，通過添加標準氣體吸收池和支持遠程控制的位移平臺方法實現標準樣氣校準自動化。另外，為系統設計添加網絡傳輸接口，並完成支持網絡傳輸的系統框架搭建，使系統具有支持插入式有線或無線遙測數據傳輸組建的功倉泛;
[0025](4)、採用分層軟體系統構架方案，根據實際系統需要完成的功能和硬體連接結構將整個軟體系統分為:硬體連接層、後臺處理層和前臺界面層。其中硬體連接層用於封裝與主機連接的各種外設，包括設備的連接方式、數據通信方法、具體的通信指令和數據採集等；後臺處理負責數據的處理和各種功能的實現，後臺本身是完整的系統，能夠與各種設備一起獨立運行；前臺界面層主要提供人機互動界面和各種數據的顯示，前臺本身不完成具體的功能，需要時通過與後臺接口交互完成；
[0026](5)、為完成遙測設備的有線/無線網絡接入，在遙測設備軟體架構中，增加數據通道註冊管理模塊，支持插件式組件裝載，實現數據發送、數據顯示、遠程控制等功能的定製輸出。同時，為不同網絡接入方式設計不同的數據傳輸模塊，以與數據傳輸平臺集成。在工作時，遙測設備根據自身配置自動裝載不同的算法模塊，從而實現設備網絡系統集成的自適應。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1為本發明多車道機動車尾氣PM2.5遙測裝置的單元示意圖；其中，I為路況檢測單元，2為風速風向檢測單元，3為車輛速度加速度檢測單元，4為牌照檢測單元，5為PM2.5檢測單元板；[0028]圖2為本發明多車道機動車尾氣PM2.5遙測裝置的路況檢測示意圖；
[0029]圖3為本發明多車道機動車尾氣PM2.5遙測裝置的車輛速度、加速度檢測單元示意圖；
[0030]圖4為本發明多車道機動車尾氣PM2.5遙測裝置的PM2.5檢測單元示意圖；
[0031]圖5為雷射器電路控制框圖；
[0032]圖6為雷射器電路圖；
[0033]圖7為機動車經過PM2.5檢測點前後各譜線強度變化示意圖；
[0034]圖8為本發明多車道機動車尾氣PM2.5遙測裝置的示意圖。
【具體實施方式】
[0035]下面就本發明多車道機動車尾氣PM2.5遙測裝置採取的技術方案做進一步說明:
[0036]如圖1所示，本發明所述多車道機動車尾氣PM2.5遙測裝置，由路況檢測單元、牌照檢測單元、車輛速度加速度檢測單元、風速風向檢測單元、PM2.5檢測單元、控制單元與數據處理單元等組成。
[0037]1.路況檢測單元由路況攝像機、視頻檢測器組成。
[0038]路況攝像機可以是一臺視頻攝像機或數位相機，安裝在道路上方，分為兩組，分別對車輛行駛方向拍攝車道雙向的車輛行駛狀況，選擇合適的安裝位置、角度或增加攝像機數量，使各個車道的路面圖像都能被拍攝到，且保證兩個車輛行駛方向上拍攝區域與PM2.5檢測點的距離相同。路況攝像機安裝遮雨蓋，若需要在夜間監測，還可安裝補光燈。路況攝像機與視頻檢測器連接，可將其所獲取的圖像送至視頻檢測器處理。
[0039]視頻檢測器包括一臺處理設備，可以是一臺工控機或其它處理器。視頻檢測器接收來自路況攝像機的圖像，進行處理，並實現同控單元制與數據處理單元的通訊。
[0040]如圖2所示，視頻檢測器將路況攝像機的每幀圖像中各個車道劃分為A、B、C三段，每段長度為一個車長(中小型車輛)，約4-5米。取無車輛經過時路面圖像作為灰度比較的背景，當有車輛經過檢測區域時會改變該區域在拍攝圖像上的灰度值。通過檢測各個車道上A、B、C區域內灰度的變化，確定各區域內是否有車輛。在兩個方向上視頻攝像機拍攝區域與PM2.5檢測點距離一致且較近的情況下，僅當只有一個方向上的一個車道的A區域有車，而任意方向任意車道的B、C區域無車時，則滿足短時間內將只有一輛車經過PM2.5檢測點的條件。
[0041]視頻檢測器將路況判定結果通過無線的方式傳給控制單元與數據處理單元。
[0042]2.牌照檢測單元由牌照攝像機、視頻捕捉卡、牌照識別模塊組成。
[0043]牌照攝像機可以是視頻攝像機或數位相機，安裝於車道一側的雲臺上。兩臺牌照攝像機在兩個方向上車輛通過PM2.5檢測點是拍攝車輛的牌照，牌照攝像機與視頻捕捉卡連接。視頻捕捉卡位於一臺處理設備內，可以是一臺工控機或其它處理器。在「工作」狀態下，視頻捕捉卡對牌照攝像機傳來的圖像進行抓拍，獲取牌照圖片。牌照圖片經處理設備內的牌照識別軟體，轉化成車牌號，同牌照拍攝時間一起由無線方式傳給控制單元與數據處理單元。在「準備」狀態下，視頻捕捉卡和牌照識別軟體暫時停止工作。
[0044]3.車輛速度、加速度檢測單元由三組雷射發生器、接收器、以接收器信號為觸發源的計時器等組成。[0045]採用紅外雷射發射管和相應的紅外雷射接收器組成三組平行車道的測量裝置，如圖3所示。31、32、33為紅外雷射發射管，34、35、36為紅外雷射接收器，三組光路以間隔L1、L2嚴格平行且垂直車輛行駛方向。
[0046]計時器由單片機實現。在「工作」狀態時，計時器持續監測三個接收器的下降沿信號。記錄接收器36、35、34下降沿出現的時刻為T1、T2、T3。通過有線或無線方式傳給控制
單元與數據處理單元，完成車輛速度和加速度的計算。其中:
[0047]
【權利要求】
1.一種多車道機動車尾氣PM2.5遙測裝置，其特徵在於，由路況檢測單元、牌照檢測單元、車輛速度加速度檢測單元、風速風向檢測單元、PM2.5檢測單元、控制單元與數據處理單元組成，其中， 所述的路況檢測單元由路況攝像機、視頻檢測器組成，路況攝像機安裝在道路上方，分為兩組，分別對行駛方向拍攝車道雙向的車輛行駛狀況，視頻檢測器接收來自路況攝像機的圖像，判斷是否滿足在短時間內只有一輛車通過PM2.5檢測點的條件，並將結果傳給控制單元與數據處理單元； 所述的牌照檢測單元由牌照攝像機、視頻捕捉卡、牌照識別模塊組成，牌照攝像機分為兩組，安裝在車道兩側，拍攝通過PM2.5檢測點的雙向車輛的牌照，視頻捕捉卡對牌照攝像機的拍攝圖像進行抓拍處理，牌照識別模塊從抓拍的多幀圖像中篩選出包含車牌完整圖像信息的一個幀，進行牌照識別，將獲取的牌照信息傳給控制單元與數據處理單元； 所述的車輛速度加速度檢測單元主要由三組雷射發生器、接收器、以及以接收器信號為觸發源的計時器組成，三組雷射發生器以一定距離間隔置於車道一側，發射雷射水平穿射車道，位於車道另一側的三個接收器中任意一個接受到光強下降沿信號，即會觸發計時器進行清零與時間數據存儲操作，控制單元與數據處理單元將得到車輛速度加速度檢測單元獲取的三個時刻，依此計算出車輛速度和加速度； 所述的風速風向檢測單元主要由風速傳感器和風向傳感器組成，兩個傳感器安裝在PM2.5檢測單元附近，獲取監測車道上的風速和風向數據，並傳給控制單元和數據處理單元; 所述的PM2.5檢測單元主要由多波長雷射發射器、接收器和數據採集單元組成，紫光、綠光、紅光以及近紅外光的雷射光源在光強閉環控制下保持恆定的光強，發出的光束經匯聚和平行化處理，水平透射車道，車道另一側對透射光進行匯聚後，接收器檢測出各波段光強，數據採集單元對接收器的數據進行採集、分析、優化、存儲，並傳給控制單元與數據處理單元； 所述的控制單元，根據接收到的路況檢測單元對路況的檢測結果，進行整個系統工作狀態的選取，並根據當前系統工作狀態發出相應控制信號給各個檢測單元，數據處理單元處理各個檢測單元傳來的數據，完成車輛速度加速度的計算、PM2.5濃度的計算、修正與優化。
2.權利要求1所述的多車道機動車尾氣PM2.5遙測裝置，其特徵在於:實現了對多車道機動車快速、實時的PM2.5濃度的遙測，並通過檢測車輛的行駛狀態和風速風向對PM2.5濃度檢測值進行修正與優化，同時篩選出對環境PM2.5貢獻較大的車輛。
【文檔編號】G01N15/06GK103630474SQ201310655684
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月8日 優先權日:2013年12月8日
【發明者】康宇, 呂文君, 劉驍, 胥琳靜 申請人:中國科學技術大學