CN101105690A - 城市长隧道监控***中的多传感器融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种城市长隧道监控***中的多传感器融合方法，由传感器***、采集通讯传输接口及存储数据的数据库构成，其特点是：采集通讯传输接口由PLC来完成，同时采集传感器***输出的模拟量和数字量，直接提交到上位机的数据库，进行数据融合处理，然后由数据库输出信号与人机交互界面相连接，同时也连接到交通环境监测的智能报警***，该智能报警***包括火灾报警，能见度报警，一氧化碳浓度报警，车流量和车速报警，以及在隧道入口处光强差值的报警。本发明的特点是：通过对多传感器采集的信息融合实现对城市地下长隧道的实时监测，可实现对隧道内健康状态的自动报警，对设备故障的自动报警，以保证隧道长时间的健康运行。

Description

城市长隧道监控***中的多传感器融合方法

技术领域

本发明属于信息技术领域，具体的讲是通过处理多传感器采集的实时数据，来实现对城市长隧道监控***中的多传感器融合方法。

背景技术

传统的信号采集往往由单一的传感器来完成，即使采用多个(种)传感器也仅是从多个侧面孤立地反映目标信息。实际上，在大多数情况下，必须同时处理多个信号，而这些信号一般又来自多个信号源，即多传感器。但是多传感器也带来了信息冗余甚至矛盾。所以必须通过对多个传感器及其观测信息的合理支配与使用，将其采集的信息依据某种优化准则组合，产生对观测环境一致性的解释和描述，因此迫切要求对信息进一步处理。“信息融合”就是对多传感器的数据进行多级别、多方面、多层次的处理，即融合来自多个传感器或其他信息源的数据，以获得综合的、更好的估计。

发明内容

本发明的目的是提供一种旨在对城市长隧道内各种环境参数进行实时采集并综合地处理它们来提高预警功能的智能性，可靠性，以保证隧道内交通的畅通和驾驶人员的行车安全，并有效的大幅降低能源消耗的城市长隧道监控***中的多传感器融合方法，以克服上述的不足。

为了实现上述目的，本发明由传感器***、采集通讯传输接口及存储数据的数据库构成，其中传感器***输出与采集通讯传输接口相连，采集通讯传输接口的输出与存储数据的数据库相连接，存储数据的数据库输出信号与人机交互界面相连接，其特点是：采集通讯传输接口由PLC来完成，同时采集传感器***输出的模拟量(主要是各种环境数值)和数字量(传感器设备和被控制设备的状态以及它们的故障信号)，这些数据有选择性的由PLC来进行综合处理，或者直接提交到上位机的数据库，利用数据库的数据处理能力，进行数据融合处理，以便获得监测的更加有效的数据；然后这些经过综合处理的数据由数据库输出信号与人机交互界面(即上位机)相连接，同时也连接到交通环境监测的智能报警***，该智能报警***包括火灾报警，能见度报警，一氧化碳浓度报警，车流量和车速报警，以及在隧道入口处光强差值的报警。

上述智能报警***依赖的是多传感器采集的实时数据，实时监测的数据分为两部分，一部分是隧道内平均风速和风向，能见度大小，一氧化碳浓度，火灾报警的温度感应器信号，照度仪的光强值，以及车检器采集的平均3分钟的车流量和车速值，液位仪采集的液位高度值，另一部分是被控制设备(如风机，照明，视频，水泵)的运行状态和它们的故障信号，将这些数据传输到数据库。

上述火灾报警***是以获取隧道内各个点的温度感应仪的值，综合一氧化碳浓度和能见度的大小，应用模糊控制理论，从已建立好的火灾控制预案数据库中选择合适的处理方法，以此来完成火灾的报警。

上述一氧化碳浓度和能见度是获取CO/VI检测仪的值，实时的监测CO是考虑到堵车发生时，它会上升很快，为避免驾驶人员CO中毒，需要适时的启动风机；实时的监测能见度VI是在雾天时或由于隧道内水蒸汽的聚集。

上述风速平均值和风向是通过风速/风向仪获取，对它们实时监测，利用信息融合方法，在处理CO浓度和VI时，以及在发生火灾时，综合的考虑它们的大小和方向，更加优化处理方案。

上述光强度差值由照度仪获取，监测入口处的光强的差值大小，通过已设定的差值界限自动调整入口处的照明，避免由于光线反差过大，造成眼睛一时无法适应看不清前面，而引起交通事故。

上述的液位仪实时获取隧道内积水的水位高度，根据已经设计好的水位界限值控制方案，结合模糊控制方法，实现水泵的负载均衡控制。

上述数据库还可以通过远程服务器及网络与远程用户终端机相连接。

本发明的特点是：通过对多传感器采集的信息融合实现对城市地下长隧道的实时监测，能有效的减少能耗，并以此建立了一套健康智能监测和诊断技术，它可实现对隧道内健康状态的自动报警，对设备故障的自动报警，以保证隧道长时间的健康运行。本申请人在武昌阅马场立交主通道工程隧道监控工程中的实践，应用了本发明的方法，在交通及环境监控子***中，使用了CO/VI检测仪、风速/风向仪、照度仪、车检器等多种检测设备，即使用了多个传感器进行数据采集，并经过融合处理，获得监测的有效数据(如CO是否过大、车流是否过大、光强是否不够等，以便于监控***控制风机、照明等设备)，有效地提高了隧道安全运营的水平，在保证通道高效运行的前提下，实现了大幅节能降耗，实现了一个智能健壮的长隧道监控***。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细说明本发明。

本发明(图1)由传感器***、采集通讯传输接口、隧道运行实时健康智能监测与诊断***及数据库所构成。其中传感器***输出与采集通讯传输接口相连，采集通讯传输接口的输出与数据库相连接，数据库与隧道内各个环境数据的智能报警***、底层设备的运行状态和故障监测***相连接，数据库的输出信号与人机交互界面相连接。

长隧道运行的火灾报警***：

由于隧道的距离比较长，加上车辆的行驶有时会明显改变风速的大小和风向，这样极有可能会使失火点的火势向顺着车流的方向发展，使得首先报警的失火点不是最先起火的位置，而且火灾报警***采用的是红外温度传感器，温度也很容易受到风速的影响，因此要合理安排温度感应传感器的分布距离，采用最大线性无关法来合理地布置用来测量温度的温度传感器，再根据实测的温度值使用数据融合方法，即事先计算好的风速和风向与温度值之间的相关性，也可以加上神经网络方法来对它们之间的相关性大小自动进行不断的修正，从而保证提高响应结果的精确性和可靠性，避免误报的发生。

一氧化碳浓度和能见度报警***：

在隧道中实时监测CO和VI值，CO的大小在隧道内受到风速和车流量的影响，同时风速又受到车速的影响，VI的情况也是一样，只是它受到影响的程度比CO要小，因此在这里运用数里统计学知识确定CO与风速和车速的相关性参数，确定VI与它们的相关性参数，由于它们是以往理论数据的经验值，因此可以加上神经网络方法，根据实测到的数据来对它们之间的相关性参数自动进行不断的修正；CO和VI的大小是决定风机启停的最直接因素，尤其是CO在隧道内会变化的比较频繁，因此设计它的界限报警***会用到模糊数学的理论，即当CO值在某一区间内时，风机开启的数量和位置也会有所不同，其目的一是防止风机的抖动，二是在不影响效果的情况下，减少风机的开启数目，可以降低能耗，同时也可以延长风机的使用寿命。

风速和风向在一般情况下是不需要报警的，但是它们直接影响到CO、VI的大小，同时风速和风向又受到车速和车流量的影响，因此在火灾报警***和CO、VI报警***中，它们是信息融合处理时必不可少的重要因素，在此运用数理统计学知识和神经网络技术确定它们与其他数据间的相关性大小，并在运行过程中由获取的实测值对相关性参数不断的修正。

隧道入口处光强度差值报警：

人眼对亮度光强的反应是非线性的，因此在亮度变化突然过大时会产生眩光，眩光的种类：直接眩光：眼睛直视光源时感到的刺眼眩光，如直视太阳或夜间对方来车车灯；反射眩光：光源投射物件后物件后面反射至眼睛的次验光线，一般常称为反光，此种眩光对舒适影响最大；对比眩光：室内主灯与其他光源的明暗比过大时，即会有对比眩光。

本发明是使用照度仪采集入口处的内外光强度值，然后计算它们的差值，根绝我们国家防止眩光的标准，在数据库中设计好差值的界限范围，根据实测的差值大小调整入口处的照明强度；因此在入口处的照明控制电路是独立与隧道内普通照明电路的，而且设计入口处的照明灯开关过程时光线是逐渐变化的，其光线也是选择十分接近自然的阳光。

平均车速和平均车流量的实时监测数据：

由上所述已知它们是必不可少的参数，即可以影响风速的大小，也是影响CO浓度的最直接的因素，此外，参考国内外对车速和车流量的研究结果，可以发现它们也能直接反映隧道内的运行健康状况，不同的车速和车流量的组合值反映了隧道当前的运行是否顺畅，或者是有可能发生堵车，将这些组合值保存在数据库中，借助于智能分析工具，分析出数据的下一步走势，然后将结果输出到人机交互界面，以此来帮助管理人员更好的监控隧道。

隧道内液位报警***：

由于地下隧道处于十分低的地势，因此很容易形成积水，因此在隧道内设计有液位仪专门实时监测水位的高度，该实测值传给数据库，在此连接着液位的界限报警***；该报警***运用了模糊控制理论，先确定水位的上限值和下限值，当水位超过上限位时开启水泵，直到水位到达下限水位才开始关闭水泵，其中的模糊控制是将水位的绝对值高度划分不同的区域，当水位到达不同区域时，再比较当前水位与上次水位比较是上升还是下降，并且将差值也划分，将此二维模糊控制表先保存在预警***中，与实测值做比较实现对水泵的控制，控制命令还要先发到均衡控制模块，该模块是实现水泵均衡运行；此设计的目的是避免不必要的水泵运行，延长水泵的工作寿命。

本发明整个的工作原理是：由传感器***获取上述各种环境参数的实测值，通过通讯传输接口将这些信息传输给数据库。火灾报警***、一氧化碳浓度和能见度报警***，以及光强自动调整***和水位高度控制***，包括风速和风向评定计算模块，平均车速和平均车流量计算模块都各自从数据库中获取所需的信息，并据此进行预先设计好的各个参数界限判断并不断用实测值来修正相关监测信息的相关系数，同时将结果信息送还数据库，这些报警***将从结果信息中提取所需要的控制命令，判断是否有报警信号。最终，数据库将上述监测、诊断和评定的结果信息经远程服务器、Inter网、局域网，传输到用户的终端电脑上，通过人机交互界面传输给用户。

本发明每个***均由中心处理单元MCU及***电路构成，每个***与采集通讯传输接口和数据库之间均采用数据总线形式进行通讯，传感器***与采集通讯传输接口同样采用数据总线形式进行通讯；上述数据总线形式采用CAN(控制局域网)数据总线。

本发明每个***的工作原理既可以通过每个***模块实施软件的方法实现，也可以用硬件装置实现，两种实现方式均属于本发明所要求保护的范畴。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种城市长隧道监控***中的多传感器融合方法，由传感器***、采集通讯传输接口及存储数据的数据库构成，其中传感器***输出与采集通讯传输接口相连，采集通讯传输接口的输出与存储数据的数据库相连接，存储数据的数据库输出信号与人机交互界面相连接，其特征在于：采集通讯传输接口由PLC来完成，同时采集传感器***输出的模拟量和数字量，这些数据有选择性的由PLC来进行综合处理，或者直接提交到上位机的数据库，进行数据融合处理，以便获得监测的更加有效的数据；然后这些经过综合处理的数据由数据库输出信号与人机交互界面相连接，同时也连接到交通环境监测的智能报警***，该智能报警***包括火灾报警，能见度报警，一氧化碳浓度报警，车流量和车速报警，以及在隧道入口处光强差值的报警。

2.如权利要求1所述的城市长隧道监控***中的多传感器融合方法，其特征在于：智能报警***依赖的是多传感器采集的实时数据，实时监测的数据分为两部分，一部分是隧道内平均风速和风向，能见度大小，一氧化碳浓度，火灾报警的温度感应器信号，照度仪的光强值，以及车检器采集的平均3分钟的车流量和车速值，液位仪采集的液位高度值，另一部分是被控制设备的运行状态和它们的故障信号，将这些数据传输到数据库。

3.如权利要求1所述的城市长隧道监控***中的多传感器融合方法，其特征在于：火灾报警***是以获取隧道内各个点的温度感应仪的值，综合一氧化碳浓度和能见度的大小，应用模糊控制理论，从已建立好的火灾控制预案数据库中选择合适的处理方法，以此来完成火灾的报警。

4.如权利要求1所述的城市长隧道监控***中的多传感器融合方法，其特征在于：一氧化碳浓度和能见度是获取CO/VI检测仪的值，实时的监测CO是考虑到堵车发生时，它会上升很快，为避免驾驶人员CO中毒，需要适时的启动风机；实时的监测能见度VI是在雾天时或由于隧道内水蒸汽的聚集。

5.如权利要求1所述的城市长隧道监控***中的多传感器融合方法，其特征在于：风速平均值和风向是通过风速/风向仪获取，对它们实时监测，利用信息融合方法，在处理CO浓度和VI时，以及在发生火灾时，综合的考虑它们的大小和方向，更加优化处理方案。

6.如权利要求1所述的城市长隧道监控***中的多传感器融合方法，其特征在于：光强度差值由照度仪获取，监测入口处的光强的差值大小，通过已设定的差值界限自动调整入口处的照明，避免由于光线反差过大，造成眼睛一时无法适应看不清前面，而引起交通事故。

7.如权利要求1所述的城市长隧道监控***中的多传感器融合方法，其特征在于：每个***均由中心处理单元MCU及***电路构成，每个***与采集通讯传输接口和数据库之间均采用数据总线形式进行通讯，传感器***与采集通讯传输接口同样采用数据总线形式进行通讯；数据总线形式采用CAN数据总线。

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