趙風(fēng)財(cái) 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(shí)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(jī)制，少數(shù)采取固定時(shí)間清理，這很大程度上增加了隧道事故風(fēng)險(xiǎn)和資源的浪費(fèi)。墻昌延[2]在路面濕滑處置時(shí)采取微表處技術(shù)，具有環(huán)保、易施工的特點(diǎn)，但是積水和高溫都會(huì)影響效果。邱天勇等[3-4]在解決濕滑問題，改善抗滑性能時(shí)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(diǎn)在每個(gè)波段處的反射率值制作像素點(diǎn)光譜矢量與預(yù)存儲(chǔ)的路面光譜矢量進(jìn)行比對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)地面油污、積水積累量的監(jiān)測(cè)，對(duì)隧道油污的監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了技術(shù)支持，目前路面油污監(jiān)測(cè)缺少合理可行的設(shè)計(jì)方案，因此需要一種有效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為油污監(jiān)測(cè)預(yù)警的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。本文針對(duì)隧道油污積累的隨機(jī)性，設(shè)計(jì)隧道油污監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過高光譜成像監(jiān)測(cè)油污的積累量，數(shù)據(jù)由單片機(jī)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行分析、決策，實(shí)現(xiàn)油污超標(biāo)自動(dòng)預(yù)警同時(shí)向相關(guān)部門下達(dá)清理指令，使隧道中油污積累超標(biāo)地點(diǎn)得到精準(zhǔn)清理。相對(duì)傳統(tǒng)的隧道濕滑處理[6-7]，實(shí)現(xiàn)油污的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)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(cè)難和大規(guī)模清理阻礙交通的問題，具有省時(shí)省力、簡(jiǎn)單高效等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

隧道油污監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由油污監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、上位機(jī)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(duì)油污積累量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。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(cè)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(huì)實(shí)時(shí)記錄路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的光譜信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將路面異常油污積累點(diǎn)的光譜信息與預(yù)儲(chǔ)存的路面不同程度油污積累時(shí)對(duì)應(yīng)的光譜矢量進(jìn)行比較，從而識(shí)別出路面各點(diǎn)的油污積累量。

油污監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)隧道地面油污進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)處理數(shù)據(jù)，把地面油污積累量傳送至上位機(jī)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(jìn)度，指導(dǎo)油污清理。隧道油污監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件電路設(shè)計(jì)

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(jì)

電源模塊需要同時(shí)為控制模塊和路面監(jiān)測(cè)設(shè)備供電，MSP430單片機(jī)正常工作一般使用1.8-3.6V的直流電，而路面檢測(cè)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?qǐng)D2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(shí)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(hù)元器件，具有輸出穩(wěn)定性好、輸出過流、過熱自動(dòng)保護(hù)等特點(diǎn)。

圖2 電源模塊電路

2.2 MSP430控制模塊

MSP430單片機(jī)是一種16位的混合信號(hào)處理器，它具有功能強(qiáng)、超低功耗、片內(nèi)資源豐富、開發(fā)環(huán)境方便高效等特點(diǎn)。MSP430系列采用精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，能在25MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)125ns的指令周期，尋址方式豐富，具有靈活的運(yùn)行時(shí)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(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲(chǔ)，同時(shí)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(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號(hào)，然后串行發(fā)送給RXD接口，單片機(jī)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)向上位機(jī)和清理部門傳輸數(shù)據(jù)，完成油污的檢測(cè)。MSP430的電路設(shè)計(jì)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(dá)-105dBm，最大發(fā)射功率達(dá)+10dBm[11]。具有功耗小、傳輸距離遠(yuǎn)和低誤碼率的特點(diǎn)，較其他類別射頻收發(fā)芯片有明顯的優(yōu)勢(shì)。

各傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信由無線通訊模塊負(fù)責(zé)，使用時(shí)，通過單片機(jī)根據(jù)需要進(jìn)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(jì)如圖4。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

圖5 系統(tǒng)主頁(yè)面

如圖5所示，系統(tǒng)主界面由油污監(jiān)測(cè)、設(shè)備檢測(cè)、歷史記錄、天氣和設(shè)置五個(gè)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(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)界面

圖6是油污監(jiān)測(cè)頁(yè)面，由隧道選擇、隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)油污積累量折線圖、添加隧道、語(yǔ)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(jī)處理繪制出隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)油污積累量折線圖，正常情況下數(shù)據(jù)點(diǎn)為綠色顯示，油污超標(biāo)狀態(tài)下為紅色。單片機(jī)處理各監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(huì)自動(dòng)向相關(guān)部門報(bào)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(shí)管理人員可通過語(yǔ)音聯(lián)系功能主動(dòng)尋找距離最近人員進(jìn)行清理，也可以聯(lián)系清理部門，查看清理進(jìn)度，指導(dǎo)油污清理。同時(shí)管理人員可以通過添加隧道功能新增安裝油污監(jiān)測(cè)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(jìn)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(cè)，路面油污積累量超標(biāo)時(shí)通知相關(guān)部門清理，經(jīng)過清理，油污積累量達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，警報(bào)解除。設(shè)備檢測(cè)界面可以進(jìn)行設(shè)備檢測(cè)、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(shí)可以通過設(shè)備檢測(cè)排除故障，保障設(shè)備正常運(yùn)行； 歷史數(shù)據(jù)功能幫助用戶查看各路段各監(jiān)測(cè)點(diǎn)歷史油污積累數(shù)據(jù)； 天氣頁(yè)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(cè)，即得到隧道地面的油污積累量，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)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(duì)清理人員進(jìn)行合理安排，根據(jù)設(shè)備檢測(cè)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(yè)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(shí)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(duì)總結(jié)油污積累規(guī)律和改進(jìn)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(duì)人力物力的消耗。

圖9 天氣界面

考慮到天氣情況對(duì)隧道油污積累以及高光譜成像裝置的檢測(cè)影響明顯，為防止數(shù)據(jù)失準(zhǔn)做好應(yīng)對(duì)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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)隧道油污的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，把自動(dòng)預(yù)警技術(shù)運(yùn)用到隧道油污監(jiān)測(cè)中實(shí)現(xiàn)對(duì)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(fèi)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jìn)一步研究的主要目標(biāo)。