基于高光譜成像的隧道油污監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

趙風(fēng)財 肖廣兵 張 涌

(南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，南京 210037)

引言

隧道內(nèi)車輛尾氣混合空氣中的水霧易覆蓋在路表形成油膩性膜層，導(dǎo)致路面抗滑性能差，容易發(fā)生交通事故[1]，由于隧道的空間和視野限制，更增加了發(fā)生連環(huán)碰撞事故的幾率。因此，隧道地面積累的油污需要及時清理，使其保證在安全標(biāo)準(zhǔn)以下。然而絕大多數(shù)隧道沒有油污清理機制，少數(shù)采取固定時間清理，這很大程度上增加了隧道事故風(fēng)險和資源的浪費。墻昌延[2]在路面濕滑處置時采取微表處技術(shù)，具有環(huán)保、易施工的特點，但是積水和高溫都會影響效果。邱天勇等[3-4]在解決濕滑問題，改善抗滑性能時采取復(fù)做防滑構(gòu)造法，防滑效果好，但是由于工程量大造成成本較高。

由汽車產(chǎn)生的油污積累造成的路面濕滑是導(dǎo)致路面抗滑性能不足主要原因之一，王星澤[5]釆用高光譜成像裝置獲取圖像像素點在每個波段處的反射率值制作像素點光譜矢量與預(yù)存儲的路面光譜矢量進行比對，從而實現(xiàn)地面油污、積水積累量的監(jiān)測，對隧道油污的監(jiān)測預(yù)警提供了技術(shù)支持，目前路面油污監(jiān)測缺少合理可行的設(shè)計方案，因此需要一種有效的監(jiān)測系統(tǒng)為油污監(jiān)測預(yù)警的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。本文針對隧道油污積累的隨機性，設(shè)計隧道油污監(jiān)測系統(tǒng)，通過高光譜成像監(jiān)測油污的積累量，數(shù)據(jù)由單片機發(fā)送給上位機進行分析、決策，實現(xiàn)油污超標(biāo)自動預(yù)警同時向相關(guān)部門下達清理指令，使隧道中油污積累超標(biāo)地點得到精準(zhǔn)清理。相對傳統(tǒng)的隧道濕滑處理[6-7]，實現(xiàn)油污的精準(zhǔn)監(jiān)測和清理，能夠快速發(fā)現(xiàn)油污超標(biāo)，消除隱患，降低人力物力的消耗，解決了油污監(jiān)測難和大規(guī)模清理阻礙交通的問題，具有省時省力、簡單高效等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

隧道油污監(jiān)測系統(tǒng)由油污監(jiān)測系統(tǒng)、上位機控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、油污清理模塊構(gòu)成。

系統(tǒng)的核心在于高光譜成像裝置對油污積累量進行實時監(jiān)測。高光譜成像裝置將成像技術(shù)與光譜技術(shù)相結(jié)合，基于復(fù)合窄波段的影像數(shù)據(jù)，探測目標(biāo)的二維幾何空間及一維光譜信息，獲取高光譜分辨率的連續(xù)、窄波段的圖像數(shù)據(jù)。分布在隧道里的高光譜成像裝置會實時記錄路面監(jiān)測點的光譜信息并進行數(shù)據(jù)處理，將路面異常油污積累點的光譜信息與預(yù)儲存的路面不同程度油污積累時對應(yīng)的光譜矢量進行比較，從而識別出路面各點的油污積累量。

油污監(jiān)測系統(tǒng)對隧道地面油污進行實時監(jiān)控，并通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊，單片機處理數(shù)據(jù)，把地面油污積累量傳送至上位機終端。一旦油污積累量超過安全標(biāo)準(zhǔn)[8]，觸發(fā)預(yù)警系統(tǒng)并把清理指令發(fā)送到相關(guān)部門，PC終端可以與相關(guān)部門取得雙向聯(lián)系，查看清理進度，指導(dǎo)油污清理。隧道油污監(jiān)測系統(tǒng)如圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件電路設(shè)計

介紹下電路的組成，主要包括電源模塊、MSP430控制模塊和無線通信模塊等。

2.1 電源模塊設(shè)計

電源模塊需要同時為控制模塊和路面監(jiān)測設(shè)備供電，MSP430單片機正常工作一般使用1.8-3.6V的直流電，而路面檢測設(shè)備用電要求為220V交流電，因此電源供電需要分別按照不同的電壓要求分為兩路供電。按照圖2電路，由集成穩(wěn)壓塊LM7812通過匹配電阻R1和R2轉(zhuǎn)化成5V直流，為控制模塊供電。通過改變兩端電容C2和C3的大小，可以發(fā)揮穩(wěn)定電流的作用，在斷電時候，電容C1的能量可以被R3和R4所吸收。該模塊能夠形成恒流穩(wěn)壓電路并完善地保護元器件，具有輸出穩(wěn)定性好、輸出過流、過熱自動保護等特點。

圖2 電源模塊電路

2.2 MSP430控制模塊

MSP430單片機是一種16位的混合信號處理器，它具有功能強、超低功耗、片內(nèi)資源豐富、開發(fā)環(huán)境方便高效等特點。MSP430系列采用精簡指令集結(jié)構(gòu)，能在25MHz晶體的驅(qū)動下實現(xiàn)125ns的指令周期，尋址方式豐富，具有靈活的運行時鐘，另外，MSP430系列能夠較好的降低芯片的電源電壓[9]。

MSP430單片機實現(xiàn)對檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲，同時把工作狀態(tài)控制線和單向串行傳輸數(shù)據(jù)線提供給芯片nRF401[10]。路面數(shù)據(jù)信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號，然后串行發(fā)送給RXD接口，單片機通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)向上位機和清理部門傳輸數(shù)據(jù)，完成油污的檢測。MSP430的電路設(shè)計如圖3。

圖3 MSP430處理器電路

2.3 無線通信模塊

圖4 無線通信電路

本文使用NORDIC公司研發(fā)的nRF401芯片，多信道雙串口，F(xiàn)SK調(diào)制，采用PLL頻率合成技術(shù)，靈敏度高達-105dBm，最大發(fā)射功率達+10dBm[11]。具有功耗小、傳輸距離遠和低誤碼率的特點，較其他類別射頻收發(fā)芯片有明顯的優(yōu)勢。

各傳感器節(jié)點之間的通信由無線通訊模塊負責(zé)，使用時，通過單片機根據(jù)需要進行收發(fā)轉(zhuǎn)換控制和狀態(tài)轉(zhuǎn)換。電路中，芯片的PWR_UP引腳是模式控制引腳； CS引腳控制發(fā)送接收頻率； 數(shù)據(jù)輸入和輸出引腳用DIN和DOUT表示； LNA的輸入由ANT1和ANT2接收[12]。電路設(shè)計如圖4。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用Visual Basic6.0軟件開發(fā)設(shè)計，主要包括油污監(jiān)測預(yù)警程序設(shè)計、歷史記錄和設(shè)備檢測程序設(shè)計[13]。

圖5 系統(tǒng)主頁面

如圖5所示，系統(tǒng)主界面由油污監(jiān)測、設(shè)備檢測、歷史記錄、天氣和設(shè)置五個部分組成，各自的的功能分別是查看隧道油污積累圖； 控制設(shè)備開關(guān)及檢測路面硬件設(shè)備工作情況； 查看歷史隧道地面的積累和清理記錄； 實時監(jiān)測外界的天氣情況； 軟件界面調(diào)整。右上角是退出登錄按鈕。

圖6 油污監(jiān)測界面

圖6是油污監(jiān)測頁面，由隧道選擇、隧道各監(jiān)測點油污積累量折線圖、添加隧道、語音聯(lián)系、安全標(biāo)準(zhǔn)等組成。收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機處理繪制出隧道各監(jiān)測點油污積累量折線圖，正常情況下數(shù)據(jù)點為綠色顯示，油污超標(biāo)狀態(tài)下為紅色。單片機處理各監(jiān)測點的油污積累量數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)置的油污積累安全標(biāo)準(zhǔn)，一旦路面油污積累量超標(biāo)，系統(tǒng)會自動向相關(guān)部門報警并發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)，并在收到相關(guān)部門的反饋信息后，顯示已通知。油污超標(biāo)時管理人員可通過語音聯(lián)系功能主動尋找距離最近人員進行清理，也可以聯(lián)系清理部門，查看清理進度，指導(dǎo)油污清理。同時管理人員可以通過添加隧道功能新增安裝油污監(jiān)測系統(tǒng)的隧道，并在隧道選擇中顯示。

圖7 系統(tǒng)流程圖

如圖7所示，用戶登錄成功后進入功能區(qū)，系統(tǒng)的功能主要分為五部分，首先是油污監(jiān)測，路面油污積累量超標(biāo)時通知相關(guān)部門清理，經(jīng)過清理，油污積累量達到安全標(biāo)準(zhǔn)，警報解除。設(shè)備檢測界面可以進行設(shè)備檢測、查看設(shè)備參數(shù)、控制設(shè)備開關(guān)，當(dāng)數(shù)據(jù)缺少或不準(zhǔn)確時可以通過設(shè)備檢測排除故障，保障設(shè)備正常運行； 歷史數(shù)據(jù)功能幫助用戶查看各路段各監(jiān)測點歷史油污積累數(shù)據(jù)； 天氣頁面提供當(dāng)天和未來五天的天氣數(shù)據(jù)。

登陸該系統(tǒng)軟件的核心是隧道油污監(jiān)測，即得到隧道地面的油污積累量，從而實現(xiàn)自動報警和精準(zhǔn)清理。外界信息除了高光譜成像裝置獲取的地面油污積累量，還包含天氣數(shù)據(jù)及設(shè)備的工作狀態(tài)。管理人員通過天氣信息對清理人員進行合理安排，根據(jù)設(shè)備檢測結(jié)果與維修人員聯(lián)系，保證設(shè)備處在最佳狀態(tài)[14]。

圖8 歷史記錄頁面

圖8中展示的是隧道油污積累數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)查詢分為隧道查詢和路段查詢，滿足用戶的各種查詢需求。用戶通過選擇時間和隧道，查看各路段各隧道的油污積累量，并通過排序，比較得出該路段或隧道在整體中的易積累程度。該數(shù)據(jù)對總結(jié)油污積累規(guī)律和改進隧道建設(shè)[15]有重要作用，掌握隧道油污分布規(guī)律能夠方便管理部門合理安排相關(guān)人員和設(shè)備資源，減少對人力物力的消耗。

圖9 天氣界面

考慮到天氣情況對隧道油污積累以及高光譜成像裝置的檢測影響明顯，為防止數(shù)據(jù)失準(zhǔn)做好應(yīng)對準(zhǔn)備，系統(tǒng)提供當(dāng)天及未來五天如圖9中的天氣數(shù)據(jù)，實時更新，用戶可以提高管理部門決策的快捷性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本文利用高光譜成像技術(shù)實現(xiàn)隧道油污的實時監(jiān)測，把自動預(yù)警技術(shù)運用到隧道油污監(jiān)測中實現(xiàn)對油污的精準(zhǔn)清理，減少了人工管理的繁瑣和大規(guī)模處理的資源浪費。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功能全面，能夠滿足一般隧道日常的管理。目前提供天氣數(shù)據(jù)為管理提供輔助，但路面油污數(shù)據(jù)仍受其他因素影響，所以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度是進一步研究的主要目標(biāo)。