CN109064768B - 一种用于交通信号设施工作状态实时监控***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于交通信号设施工作状态实时监控***及方法，包括信号采集单元、数据处理单元、故障识别单元、故障预处理***及无线传输单元，其中信号采集单元包括电流电压采集模块和图像采集模块，输入端与交通信号设施的输出端连接，输出端与数据处理模块连接，数据处理单元包含了数据采集项的预设值，与采集数据进行比对，从而对交通信号设施的工作状态进行判断，故障识别单元用以输出故障的具***置及故障类型。本发明***在发生故障时，故障信息通过无线传输的方式发送至交通监测中心，并启动故障预处理***，确保发生故障的交通信号设施在短时间内恢复正常的工作状态，避免由于信号灯故障带来的交通秩序混乱的问题。

Description

一种用于交通信号设施工作状态实时监控***及方法

技术领域

本发明涉及交通信号设施领域，尤其涉及一种用于交通信号设施工作状态实时监控***及方法。

背景技术

随着城市道路交通日益拥堵，交通信号灯成为每个路口必不可少的交通管理设施，通过对车辆、行人发出行进或停止的指令使同时到达的人、车交通流，尽可能的减少相互干扰，从而提高路口的通行能力，保障路口的畅通和安全。然而，交通信号灯常年暴露在雷雨、大风、严寒、酷暑等恶劣的自然环境中，且需要连续，不间断的工作，很容易出现各种故障，因此为保证城市交通的正常运行就需要对道路的交通信号设施进行实时监控，并及时对故障做出反应，尽可能避免因信号灯故障导致交通堵塞和交通事故的发生。

目前，对于交通信号设施的监控已不再局限于人员巡检排查。例如，中国申请公布号为CN106327904的发明专利就公开了一种交通信号灯故障检测***，其主要的技术构思为，包括电流检测电路、电压检测电路、主控电路、通信电路、监控终端、GPRS通信模块，电流检测电路、电压检测电路的信号输出端连接主控电路，主控电路与通信电路相互连接，通信电路通过GPRS通信模块与监控终端相连；主控电路内部包括电压信息采集单元、数据处理单元、电流信息采集单元、故障分析单元，电压信息采集单元和电流信息采集单元的信号输出传送给数据处理单元，数据处理单元的信号输出传送给故障分析单元，故障分析单元与通信电路相互连接。

但上述交通信号灯检测***存在如下缺陷：

故障发生时，经***检测出故障后，通过网络传输给远程监控人员及维修人员，故障上报到故障解决需要一定的时间，在这期间，很容易产生交通混乱的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于交通信号设施工作状态实时监控***及方法，以解决上述背景技术中提出的维修效率低，容易造成交通混乱的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，一种用于交通信号设施工作状态实时监控***,包括信号采集单元、数据处理单元、故障识别单元以及无线传输单元，其中，

所述信号采集单元包括电流电压采集模块和图像采集模块，所述电流电压采集模块和图像采集模块的输入端分别与交通信号设施的输出端连接，两者的输出端与数据处理单元连接，所述图像采集模块包括至少一个用于采集交通信号灯显示图形、颜色、亮度的摄像头；

所述数据处理单元中包含预设交通信号灯正常工作时的电流电压阈值，以及以一定周期重复的图像信息，在数据处理单元获取所述信号采集单元的信息后，其对实时数据与相应阈值进行比较及判定，获取故障具***置及故障类型

所述故障识别单元用以输出故障的具***置及故障类型，并通过无线传输模块将故障信息发送给交通监控中心；

所述故障预处理***用于在交通信号设施被检测到故障并报告给监控中心后，启动独立于所述数据处理单元的仅针对此故障路口的临时管理。

进一步地，所述无线传输单元包括带有位置编号的无线4G端口，使得交通监控中心判断故障信号设施的准确位置。

进一步地，所述故障预处理***包括独立的电源和交通信号灯控制器，分别与交通信号灯连接。

进一步地，所述故障预处理***启动时间在3-5秒，并且启动期间，所述数据处理单元控制黄灯闪烁。

进一步地，所述信号采集单元包括每个交通设施检测点设置一个图像传感器，采集到的图像经图像传感器处理后转化为像素值，在检测时，信号采集单元采集至少三个检测点的实时信息，经图像传感器处理后分别为第一像素值r₁，第二像素值r₂，第三像素值r₃，并传输至数据处理单元；所述数据处理单元按照下述均值运算公式判定第一图像传感器、第二图像传感器的第一比较值P₂₁：

式中，P₂₁表示第一图像传感器、第二图像传感器的第一比较值，r₁表示第一图像传感器的实时采样像素值，r₂表示第二图像传感器的实时采样像素值；r₃表示第三图像传感器的实时采样像素值；T表示均方差运算，I表示积分运算；

其中I表示基于二次函数的任意积分运算，上述公式为获取积分的比值信息，下述两公式相同，如基于函数y＝ax²，在x取值为(a,b)内，a＜b为任意数值；

所述的数据处理单元按照下述公式判定第一图像采集信息、第三图像采集信息的第二比较值P₃₁：

式中，P₃₁表示第一图像传感器、第三图像传感器的第二比较值，r₁表示第一图像传感器的实时采样像素值，r₂表示第二图像传感器的实时采样像素值；r₃表示第三图像传感器的实时采样像素值；T表示均方差运算，I表示积分运算；

所述的数据处理单元按照下述公式判定第二图像传感器、第三图像传感器的第三比较值P₂₃：

式中，P₂₃表示第二图像传感器、第三图像传感器的第三比较值，r₁表示第一图像传感器的实时采样像素值，r₂表示第二图像传感器的实时采样像素值；r₃表示第三图像传感器的实时采样像素值；T表示均方差运算，I表示积分运算；

经过上述方式获取的P₂₁、P₃₁、P₂₃，获取三个比较值的差值比较，判定是否超过存储在数据处理单元的阈值P，若有一个差值超过阈值P，则该时点信号灯发生故障；若比较差值均未超过阈值P，交通信号设施正常工作，则重新进行取样运算。

进一步地，所述信号采集单元将采集到的电流电压数据传输到数据处理单元，通过电流频率检测，判断故障类型：

式中，I表示电流，R表示图像传感器测定的实时像素值，a表示初始系数，其值在0.96-0.98之间，w表示初始频率，其值在20-25之间任意值，f₀表示标准电流频率，预先设定，其值为90ppi的像素时的标准电流频率；

当电流频率f低于预设频率时，则认为该交通信号设施发生断路故障，而当电流频率f高于预设频率时，则认为该交通信号设施发生短路故障。

本发明还提供一种用于交通信号设施工作状态实时监控方法，过程为：

信号采集单元中的电流电压采集模块和图像采集模块分别实时获取交通信号设施的电流电压和交通信号灯显示图形、颜色、亮度信息；其中，所述电流电压采集模块和图像采集模块分别与交通信号设施的输出端连接，两者的输出端与数据处理单元连接，所述图像采集模块包括至少一个用于采集交通信号灯显示图形、颜色、亮度的摄像头；所述数据处理单元对实时数据与相应阈值进行比较及判定，获取故障具***置及故障类型；其中，所述数据处理单元中包含预设交通信号灯正常工作时的电流电压阈值，以及以一定周期重复的图像信息，在数据处理单元获取所述信号采集单元的信息后，对实时数据与相应阈值进行比较及判定，获取故障具***置及故障类型；

所述故障识别单元用以输出故障的具***置及故障类型，并通过无线传输模块将故障信息发送给交通监控中心；

在交通信号设施被检测到故障并报告给监控中心后，所述故障预处理***用于启动独立于所述数据处理单元的仅针对此故障路口的临时管理。

与现有技术相比，本发明采用电流电压监控与图像监控相结合，大大减小故障误判的可能性，为交通监控中心避免了不必要的麻烦。

本发明通过对交通信号设施进行实时监控，并且故障发生时及时启动临时管理***，避免了由于交通信号灯的故障带来的交通问题，同时给维修人员提供了充足的时间。

尤其，本发明利用图像传感器将采集的图像信息转化为像素值，并传输至处理单元进行运算处理，通过不同检测点图像采集信息的对比，从而判断故障的具***置，在判断过程中，对其中每三个监测点进行检测，整个检测过程，能够覆盖所有检测点，检测结果更加精准。

尤其，本发明还通过监测电流频率，判断故障类型，减少因电流波动而造成的误差过大，提升交通信号设施工作状态检测的准确性，通过设定阈值，使得故障在初始发生时，即能够进行监控，检测更加及时。

附图说明

图1为本发明实施例用于交通信号设施工作状态实时监控***的功能框图；

图2为本发明施例用于交通信号设施工作状态实时监控***的流程图。

具体实施方式

下面参照附图来描述发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释发明的技术原理，并非在限制发明的保护范围。

需要说明的是，在发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

此外，还需要说明的是，在发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。

请参阅图1所示，其为本发明实施例的***结构图，包括信号采集单元、数据处理单元、故障识别单元、故障预处理***及无线传输单元；所述信号采集单元包括电流电压采集模块和图像采集模块，所述电流电压采集模块和图像采集模块的输入端与交通信号设施的输出端连接，其输出端与数据处理模块连接；所述图像采集模块包括1个或多个用于采集交通信号灯显示图形、颜色、亮度等的摄像头；

所述数据处理模块中包含预设交通信号灯正常工作时的电流电压阈值，以及以一定周期重复的图像信息；

所述故障识别单元用以输出故障的具***置及故障类型，如短路或断路；

所述无线传输单元包括带有位置编号的无线4G端口，用以传输电路故障信息、位置编号以及故障图像，以便管理人员更准确的了解现场的信息。

所述故障预处理***是指当交通信号设施被检测到故障并报告给监控中心后，启动的独立于原***的仅针对此故障路口的临时管理***，该***包括独立的电源和交通信号灯控制器，与交通信号灯连接。由于临时***简单，启动仅需3-5秒的时间，即可使交通信号灯正常运转，启动期间，由原***控制黄灯闪烁，既不影响交通秩序，同时还给维修人员提供了充足的时间。

请参阅图2所示，一种用于交通信号设施工作状态实时监控方法，包括以下步骤：

(1)通过信号采集单元对工作中的交通信号灯进行实时数据采集，包括电流、电压数据以及信号灯工作状态的图像数据，并将所采集的数据发送至数据处理单元；

(2)数据处理单元接收到采集单元输送的数据后，对电流电压值与预设值进行对比，若对比结果在预设值范围内，说明信号灯未出现故障，则返回步骤(1)重新进行实时数据采集；若对比结果超出预设值范围，包括大于或小于，为提高故障判断的准确性，避免由于电压不稳导致的故障误判，则对图像信息进行对比；

(3)将采集的图像与预设的图像信息进行对比，包括图形信息、颜色信息、亮度信息，若对比结果一致，则可能出现误判，返回步骤(1)-(3)重新判断，若对比结果不一致，则确定该信号灯出现故障，对其实时采集的图像进行存储；

(4)由故障识别单元判断电路故障的具***置及故障类型，并连同故障图像进行汇总，通过无线4G端口发送至交通监控中心，同时启动故障预处理***；

(5)交通监控中心在收到故障数据的同时，还接收到一个位置编码，用以报告准确的地理位置。

(6)故障预处理***启动时，原***立即做出反应，控制黄灯闪烁，3-5秒后，预处理***启动完毕，交通信号灯暂时恢复正常状态，等待维修人员维修。

本发明利用图像传感器将采集的图像信息转化为像素值，并传输至处理单元进行运算处理，通过不同检测点图像采集信息的对比，从而判断故障的具***置。

本发明还通过监测电流频率，判断故障类型，减少因电流波动而造成的误差过大，提升交通信号设施工作状态检测的准确性。

具体而言，本发明实施例在每个交通设施检测点设置一个图像传感器，采集到的图像经图像传感器处理后转化为像素值，在检测时，信号采集单元采集至少三个检测点的实时信息，经图像传感器处理后分别为第一像素值r₁，第二像素值r₂，第三像素值r₃，并传输至数据处理单元。所述数据处理单元按照下述均值运算公式判定第一图像传感器、第二图像传感器的第一比较值P₂₁：

式中，P₂₁表示第一图像传感器、第二图像传感器的第一比较值，r₁表示第一图像传感器的实时采样像素值，r₂表示第二图像传感器的实时采样像素值；r₃表示第三图像传感器的实时采样像素值；T表示均方差运算，I表示积分运算。

其中I表示基于二次函数的任意积分运算，上述公式为获取积分的比值信息，下述两公式相同，如基于函数y＝ax²，在x取值为(a,b)内，a＜b为任意数值。

上述均值运算的基本算法为：通过获取在某一时间点的所有采样点的像素值，对某个一间点的各个取值进行积分运算和均方差运算，然后取比值，得出相比较的平均值。

所述的数据处理单元按照下述公式判定第一图像采集信息、第三图像采集信息的第二比较值P₃₁：

式中，P₃₁表示第一图像传感器、第三图像传感器的第二比较值，r₁表示第一图像传感器的实时采样像素值，r₂表示第二图像传感器的实时采样像素值；r₃表示第三图像传感器的实时采样像素值；T表示均方差运算，I表示积分运算。

所述的数据处理单元按照下述公式判定第二图像传感器、第三图像传感器的第三比较值P₂₃：

式中，P₂₃表示第二图像传感器、第三图像传感器的第三比较值，r₁表示第一图像传感器的实时采样像素值，r₂表示第二图像传感器的实时采样像素值；r₃表示第三图像传感器的实时采样像素值；T表示均方差运算，I表示积分运算。

经过上述方式获取的P₂₁、P₃₁、P₂₃，获取三个比较值的差值比较，判定是否超过存储在数据处理单元的阈值P，若有一个差值超过阈值P，则该时点信号灯发生故障；若比较差值均未超过阈值P，交通信号设施正常工作，则重新进行取样运算。

所述信号采集单元采集到的电流电压数据传输到数据处理单元，本发明通过采用电流频率检测，判断故障类型。

式中，I表示电流，R表示图像传感器测定的实时像素值，a表示初始系数，其值在0.96-0.98之间，w表示初始频率，其值在20-25之间任意值，f₀表示标准电流频率，预先设定，其值为90ppi的像素时的标准电流频率。

当电流频率f低于预设频率时，则认为该交通信号设施发生断路故障，而当电流频率f高于预设频率时，则认为该交通信号设施发生短路故障。

本发明通过对电流电压及图像同时进行监控，提升了交通信号设施工作状态判断的准确性，增加故障预处理***，解决了因维修效率低而导致交通混乱的问题。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种用于交通信号设施工作状态实时监控***，其特征在于，包括信号采集单元、数据处理单元、故障识别单元以及无线传输单元，其中，

所述信号采集单元包括电流电压采集模块和图像采集模块，所述电流电压采集模块和图像采集模块的输入端分别与交通信号设施的输出端连接，两者的输出端与数据处理单元连接，所述图像采集模块包括至少一个用于采集交通信号灯显示图形、颜色、亮度的摄像头；

所述数据处理单元中包含预设交通信号灯正常工作时的电流电压阈值，以及以一定周期重复的图像信息，在数据处理单元获取所述信号采集单元的信息后，其对实时数据与相应阈值进行比较及判定，获取故障具***置及故障类型；

所述故障识别单元用以输出故障的具***置及故障类型，并通过无线传输模块将故障信息发送给交通监控中心；

所述故障预处理***用于在交通信号设施被检测到故障并报告给监控中心后，启动独立于所述数据处理单元的仅针对此故障路口的临时管理；

所述信号采集单元包括每个交通设施检测点设置一个图像传感器，采集到的图像经图像传感器处理后转化为像素值，在检测时，信号采集单元采集至少三个检测点的实时信息，经图像传感器处理后分别为第一像素值r₁，第二像素值r₂，第三像素值r₃，并传输至数据处理单元；所述数据处理单元按照下述均值运算公式判定第一图像传感器、第二图像传感器的第一比较值P₂₁：

式中，P₂₁表示第一图像传感器、第二图像传感器的第一比较值，r₁表示第一图像传感器的实时采样像素值，r₂表示第二图像传感器的实时采样像素值；r₃表示第三图像传感器的实时采样像素值；T表示均方差运算，I表示积分运算；

其中I表示基于二次函数的任意积分运算，上述公式为获取积分的比值信息，下述两公式相同，如基于函数y＝ax²，在x取值为(a,b)内，a<b为任意数值；

所述的数据处理单元按照下述公式判定第一图像采集信息、第三图像采集信息的第二比较值P₃₁：

式中，P₃₁表示第一图像传感器、第三图像传感器的第二比较值，r₁表示第一图像传感器的实时采样像素值，r₂表示第二图像传感器的实时采样像素值；r₃表示第三图像传感器的实时采样像素值；T表示均方差运算，I表示积分运算；

所述的数据处理单元按照下述公式判定第二图像传感器、第三图像传感器的第三比较值P₂₃：

式中，P₂₃表示第二图像传感器、第三图像传感器的第三比较值，r₁表示第一图像传感器的实时采样像素值，r₂表示第二图像传感器的实时采样像素值；r₃表示第三图像传感器的实时采样像素值；T表示均方差运算，I表示积分运算；

经过上述公式获取的P₂₁、P₃₁、P₂₃，获取三个比较值的差值比较，判定是否超过存储在数据处理单元的阈值P，若有一个差值超过阈值P，则该时点信号灯发生故障；若比较差值均未超过阈值P，交通信号设施正常工作，则重新进行取样运算；

所述信号采集单元将采集到的电流电压数据传输到数据处理单元，通过电流频率检测，判断故障类型：

式中，I表示电流，R表示图像传感器测定的实时像素值，a表示初始系数，其值在0.96-0.98之间，w表示初始频率，其值在20-25之间任意值，f₀表示标准电流频率，预先设定，其值为90ppi的像素时的标准电流频率；

当电流频率f低于预设频率时，则认为该交通信号设施发生断路故障，而当电流频率f高于预设频率时，则认为该交通信号设施发生短路故障。

2.根据权利要求1所述的用于交通信号设施工作状态实时监控***，其特征在于，所述无线传输单元包括带有位置编号的无线4G端口，使得交通监控中心判断故障信号设施的准确位置。

3.根据权利要求1所述的用于交通信号设施工作状态实时监控***，其特征在于，所述故障预处理***包括独立的电源和交通信号灯控制器，分别与交通信号灯连接。

4.根据权利要求3所述的用于交通信号设施工作状态实时监控***，其特征在于，所述故障预处理***启动时间在3-5秒，并且启动期间，所述数据处理单元控制黄灯闪烁。

5.一种用于交通信号设施工作状态实时监控方法，其特征在于，过程为：

信号采集单元中的电流电压采集模块和图像采集模块分别实时获取交通信号设施的电流电压和交通信号灯显示图形、颜色、亮度信息；其中，所述电流电压采集模块和图像采集模块分别与交通信号设施的输出端连接，两者的输出端与数据处理单元连接，所述图像采集模块包括至少一个用于采集交通信号灯显示图形、颜色、亮度的摄像头；所述数据处理单元对实时数据与相应阈值进行比较及判定，获取故障具***置及故障类型；其中，所述数据处理单元中包含预设交通信号灯正常工作时的电流电压阈值，以及以一定周期重复的图像信息，在数据处理单元获取所述信号采集单元的信息后，对实时数据与相应阈值进行比较及判定，获取故障具***置及故障类型；

所述故障识别单元用以输出故障的具***置及故障类型，并通过无线传输模块将故障信息发送给交通监控中心；

在交通信号设施被检测到故障并报告给监控中心后，所述故障预处理***用于启动独立于所述数据处理单元的仅针对此故障路口的临时管理；

所述信号采集单元包括每个交通设施检测点设置一个图像传感器，采集到的图像经图像传感器处理后转化为像素值，在检测时，信号采集单元采集至少三个检测点的实时信息，经图像传感器处理后分别为第一像素值r₁，第二像素值r₂，第三像素值r₃，并传输至数据处理单元；所述数据处理单元按照下述均值运算公式判定第一图像传感器、第二图像传感器的第一比较值P₂₁：

式中，P₂₁表示第一图像传感器、第二图像传感器的第一比较值，r₁表示第一图像传感器的实时采样像素值，r₂表示第二图像传感器的实时采样像素值；r₃表示第三图像传感器的实时采样像素值；T表示均方差运算，I表示积分运算；

其中I表示基于二次函数的任意积分运算，上述公式为获取积分的比值信息，下述两公式相同，如基于函数y＝ax²，在x取值为(a,b)内，a<b为任意数值；

所述的数据处理单元按照下述公式判定第一图像采集信息、第三图像采集信息的第二比较值P₃₁：

式中，P₃₁表示第一图像传感器、第三图像传感器的第二比较值，r₁表示第一图像传感器的实时采样像素值，r₂表示第二图像传感器的实时采样像素值；r₃表示第三图像传感器的实时采样像素值；T表示均方差运算，I表示积分运算；

所述的数据处理单元按照下述公式判定第二图像传感器、第三图像传感器的第三比较值P₂₃：

式中，P₂₃表示第二图像传感器、第三图像传感器的第三比较值，r₁表示第一图像传感器的实时采样像素值，r₂表示第二图像传感器的实时采样像素值；r₃表示第三图像传感器的实时采样像素值；T表示均方差运算，I表示积分运算；

经过上述公式获取的P₂₁、P₃₁、P₂₃，获取三个比较值的差值比较，判定是否超过存储在数据处理单元的阈值P，若有一个差值超过阈值P，则该时点信号灯发生故障；若比较差值均未超过阈值P，交通信号设施正常工作，则重新进行取样运算；

所述信号采集单元将采集到的电流电压数据传输到数据处理单元，通过电流频率检测，判断故障类型：

式中，I表示电流，R表示图像传感器测定的实时像素值，a表示初始系数，其值在0.96-0.98之间，w表示初始频率，其值在20-25之间任意值，f₀表示标准电流频率，预先设定，其值为90ppi的像素时的标准电流频率；

当电流频率f低于预设频率时，则认为该交通信号设施发生断路故障，而当电流频率f高于预设频率时，则认为该交通信号设施发生短路故障。