一种高速公路突发事故无盲区实时监测与报警系统

1.本发明属于光电技术领域，具体涉及一种高速公路突发事故无盲区实时监测与报警系统。


背景技术：

2.高速公路是现代经济和社会发展重要的基础设施，是构筑交通现代化的重要基础。高速公路作为现代交通的骄子，是速度和效率的代表，也成为衡量国民经济现代化的重要标志之一。然而，在高速公路通车里程不断增加、车辆保有量飞速增长的同时也带来很多问题，如高速公路交通事故频发，伤亡人数和财产损失居高不下，交通安全问题日益突出。高速公路具有车速高、封闭性强、车辆类型复杂等特点，致使高速公路交通事故往往不能及时发现和处置，给国家带来巨大的伤亡与财产损失、影响相比于城市道路交通事故而言都更为严重，并且我国高速公路交通事故死亡率远远高于普通公路并居世界首位。因此，改善高速公路交通安全管理形成有效对策与措施是我国函待解决的社会问题之一。
3.目前针对于高速公路全程信息监测，主要有事故人员报警和摄像头监控报警等手段，从而得知交通事故位置信息，缺乏全路段、全天候和及时性，易受到雨雾雪天等恶劣环境或深夜视线不明等条件制约。其他一些例如利用白光干涉模块、振动传感器、压力传感器等采集公路护栏受到的碰撞信号技术方式来判断事故发生的方法系统复杂、实现成本高，难以大规模推广使用。


技术实现要素：

4.本发明针对现有高速公路全程信息监测缺乏全路段、全天候和及时性，易受到雨雾雪天等恶劣环境或深夜视线不明等条件制约以及系统复杂、实现成本高的问题，提供一种高速公路突发事故无盲区实时监测与报警系统，通过波长、相位解调实现交通事故发生时车辆撞击声波的智能感知，通过局域网络与视频和无人机巡视系统进行联动，提供故障的准确位置和类别，解决人工检测效率低、不能实时监测等难题。
5.本发明采用如下技术方案：
6.一种高速公路突发事故无盲区实时监测与报警系统，包括位于不同监控区域的公路探测单元、监测信号处理单元和定位巡视单元，所述公路探测单元包括设置于高速公路护栏上用于交通事故发生时碰撞声音进行分布式在线监听的分布式声波探测光缆，所述监测信号处理单元包括光纤声波解调仪，所述定位巡视单元包括工作站和监控终端及无人机联动，不同监控区域之间通过数据传输单元进行数据互通形成整体的传感监测网络，所述数据传输单元包括网络交换机；
7.分布式声波探测光缆的输出端与光纤声波解调仪的输入端连接，光纤声波解调仪的输出端与监控终端和工作站的输入端连接。
8.进一步地，所述分布式声波探测光缆，包括若干等间距分布的反射节点，布置在高速公路两边的围栏上。
9.进一步地，所述分布式声波探测光缆每隔10米为一段探测点。
10.进一步地，所述光纤声波解调仪基于相干干涉的分布式声波原理。
11.进一步地，所述监控终端基于云计算，构建声波探测物联网。
12.进一步地，所述定位融合了gis地理坐标标定技术。
13.进一步地，所述系统基于光时域反射技术(otdr)和光纤干涉技术发展而成的光纤传感技术。
14.进一步地，所述光纤声波解调仪包括光源、脉冲调制器、掺铒光纤放大器、偏振控制器、fbg阵列、fpga、环形器ⅰ、环形器ⅱ、3x3耦合器、法拉第旋转镜ⅰ、法拉第旋转镜ⅱ、探测器、高速数据采集卡和上位机，所述fpga包括信号发生器和延迟模块，光源的输出端与脉冲调制器的输入端连接，脉冲调制器的输出端与掺铒光纤放大器的输入端连接，掺铒光纤放大器的输出端通过偏振控制器与环形器ⅰ的输入端连接，环形器ⅰ的输出端分别与fbg阵列和环形器ⅱ的输入端连接，环形器ⅱ的输出端与3x3耦合器的输入端连接，3x3耦合器的输出端分别与法拉第旋转镜ⅰ和法拉第旋转镜ⅱ的输入端连接；
15.探测器的输出端与高速数据采集卡的输入端连接，高速数据采集卡的输出端与上位机的输入端连接，上位机的输出端与fpga的输入端连接。
16.所述监测光缆为感知外界声波信号变化的光缆，以10米一段光纤作为探测点，单根光缆最大监测距离50公里，分布置在高速公路两侧围栏上。单纤传感点容量达到数千支以上，比传统光栅传感器复用容量提高了两个数量级，克服了传统基于波长的强光栅传感器容量的不足。
17.根据以上方案，所述的声波解调仪包括超窄线宽光源、脉冲edfa.、raman放大器,同时集成了声光调制器等光学器件。集成度高、尺寸小,采用edfa放大与拉曼放大相结合，增加了分布式光纤振动传感系统的传感距离,同时提高了传感系统的信噪比。
18.根据以上方案，所述的监控终端基于云计算构建了高速公路交通故障声波探测物联网的网络环境，结合大数据特质，设计大数据下的云计算物联网信息化管理系统。以“云服务器”为基础、“移动互联网”为载体、“监测终端”为核心，形成集风险自动化“采集、储存、解算、传输、预警、显示”等功能于一体的综合平台，实现现场安全风险的可视化表达。
19.根据以上方案，所述巡视系统当检测到事故发生时监控终端会即刻对事故发生点进行定位并调用无人机到现场查看并确认现场信息，报警响应时间<5s，大大缩减事故处置的响应时间。
20.根据以上方案，所述定位通过将声波感知光缆与高速公路的地理信息做好对应。基于gis地理坐标标定工作，沿光纤振动预警系统传感光缆，对传感线路迚行坐标标定，每500m～1000m做一次，在传感光缆线路拐点、接头标桩等设标定点。
21.本系统采用分布式光纤声波传感是一种基于光时域反射技术(otdr)和光纤干涉技术发展而成的先进的光纤传感技术，它同时具有光时域反射技术定位精度高和光纤干涉技术灵敏度高的特点。
22.本系统针对高速公里复杂的情况，拥有一套多种混合声波信号、极弱干扰信号的辨别解调算法、设计了一种新型的数据建模方案，采用光信号到达时延的方法准确定位声源的方向和距离问题。定位依赖于到达时的时差法来计算两个感测点之间的时差。通过这种方法，可以得到声源与传感光纤之间的精确垂直距离。
23.该高速公路监测系统，采用光纤声学传感网络，判断道路运行状况，并实时上传监控终端，实现全自动监控。
24.本发明通过一连串等间距分布的反射节点组成传感光纤网络，高速、实时无盲区地监测交通事故发生时产生的声波信号，通过分析频率成分组成，准确定位交通事件，及时发送报警信息，并通过局域网络与视频和无人机巡视系统进行联动，提供故障的准确位置和类别，实现高速公路沿线的实时监测。
25.本发明的有益效果如下：
26.本系统采用线型反射节点传感阵列时分
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波分混合复用光纤声波检测技术，通过收集公路沿线车辆碰撞声音频率，准确定位事故发生地，结合智能人机交互云平台数据网络研究和gis地理坐标标定技术搭建了一个完整的有机整体网络，具有精准定位功能、超长距离监测功能以及昼夜连续可用功能,并且能够抗电磁干扰、环境适应能力强、实时性好。同时通过与视频系统、无人机巡视系统进行联动进一步判断，为救援人员提供详细、及时、准确的信息，解决人工检测效率低、不能实时监测等难题。
附图说明
27.图1为本发明的系统结构示意图；
28.图2为本发明的声波解调仪结构图；
29.其中：1
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分布式声波探测光缆；2
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光纤声波解调仪；3
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工作站，4
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监控终端；5
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高速网络交换机；6
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激光光源；7
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脉冲调制器；8
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掺铒光纤放大器；9
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偏振控制器；10
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fbg阵列；11
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信号发生器；12
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延迟模块；13
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fpga；14
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环形器ⅰ；15
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环形器ⅱ；16
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3x3耦合器；17
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法拉第旋转镜ⅰ；18
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法拉第旋转镜ⅱ；19探测器；20
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高速数据采集卡；21
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上位机。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此外所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都将属于本发明保护的范围。
31.本发明传感器部分采用分布式声波探测光缆由自主研发的光纤拉丝塔在线制作。
32.巡视系统采用了无人机。
33.如图1所示，高速公路沿线在线监测系统包括：分布式声波探测光缆1、光线声波解调仪2、工作站3、监控终端4、高速网络交换/5。分布式声波探测光缆布置在高速公路两边的围栏上，通过一串等间距分布的反射节点组成的光纤声波传感器，将实时信号传入光纤声波解调仪2进行解调，解调出来的信息传入工作站3和监控终端4显示分析结果对进行路况的实时监测，不同监测区域由网络交换机5进行数据互通形成整体的传感监测网络。关键部位通过gis智能人机交互系统、无人机巡航系统、视频系统、电子地图系统实现联动，可通过现有移动互联技术通知管理与执勤救援人员。
34.如图2所示，声波解调仪基于时分复用技术，以声波感知光缆中相邻两个反射节点之间的光纤作为传感单元，利用michelson(迈克耳孙)干涉仪的两臂差来弥补相邻两个反射节点之间的光程差，使两个反射节点反射回来的光在耦合器处发生干涉，再通过探测器
来探测干涉信号的变化，从而解调出外界的振动信号。激光光源6经过脉冲调制器7调制后，将连续光调制成脉冲光并进行第一级放大，脉冲光经过一个edfa后将脉冲光信号进行二级放大，放大后的光信号从环形器ⅰ的2端口进入串联的fbg阵列中。各反射节点的反射光在不同时间内反射回来，相邻两个反射节点的反射光经过环形器的3端口后进人环形器ⅱ，再通过环形器ⅱ进入3
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3耦合器，经过michelson干涉仪的长臂和短臂，被法拉第旋转镜ⅰ、ⅱ(frm)反射为四束。当干涉仪两臂与相邻两反射节点间距匹配时，时序上位于中间的两束光在耦合器相遇并产生干涉现象。干涉信号经过探测器光电转换后转换为电压信号，通过高速采集卡采集该电压信号并上传到上位机进行数据处理和显示。其中fpga部分的作用是产生两路脉冲信号和相应的延时：一路脉冲信号用来驱动soa。另—路脉冲信号用来触发采集卡进行采集，通过控制两路脉冲之间的延长时间，实现对反射节点中每个反射节点的逐一检测。采集的数据通过工作站内服务器上的数据处理软件进行分析处理，判断是否发生交通事故。
35.以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可对其他物理量进行检测，这些均属于本发明的保护范围之内。