基于分布式光纤传感的隧道车辆行驶预警装置及其方法与流程

1.本发明涉及隧道交通技术领域，尤其涉及一种基于分布式光纤传感的隧道车辆行驶预警装置及其方法。


背景技术：

2.随着我国公路建设的高速发展，公路中隧道的数量也在突飞猛进，隧道作为一种特殊的构造物，为我国交通事业发展起到了极大的促进作用，正是由于其“穿山越岭”的特殊性，导致其洞体内部与外界产生极大的环境差异，其中主要包括照度、能见度、车流量等信息，而且隧道长度越长此类差异越大，为了保障隧道内的各种环境、路面情况和事故信息能及时反馈给车辆驾驶员及隧道管理站，均会在隧道内设置情报板、车辆检测器、高清摄像机、视频事件检测器等采集仪组成安全预警系统，通过各种采集设备可以对隧道内信息进行及时收集、发布，大幅度提高了隧道行车的安全性。
3.目前隧道内设置情报板、车辆检测器、高清摄像机、视频事件检测器等数据采集设备组成的安全预警系统在运营和管理的过程中还存在很多问题，主要体现在系统结构复杂、联动性能差、存在采集盲区、成本高等方面，车辆检测器一般布置于隧道出入口，对隧道内实际车辆运行轨迹无法判断；视频事件检测器通过高清摄像机和后端算法实现，但是覆盖率不足，而且当隧道能见度较低时，无法正常工作；情报板作为信息发布装置，主要在获取交通状况后将预案及时发布，提高隧道通行效率和安全性。


技术实现要素：

4.为解决现有技术存在的局限和缺陷，本发明提供一种基于分布式光纤传感的公路隧道车辆行驶预警装置，包括车牌识别系统、光纤数据采集系统、光端机、光纤、数据交换机、存储服务器以及公路隧道车辆行驶预警设备，所述车牌识别系统设置在隧道入口处，所述光纤数据采集系统设置在隧道口，所述光纤根据预设规律的排列方式铺设在隧道内的路面；
5.所述车牌识别系统用于对驶入隧道的车辆进行锁定标记，同步触发追踪操作，实现车辆隧道全过程动态监控；
6.所述光纤用于当车辆经过时产生相应的关联数据信息，所述关联数据信息包括应力、振动、数据生成时间、数据生成位置；
7.所述光纤数据采集系统用于采集实时光纤数据，所述实时光纤数据包括关联数据信息；
8.所述光端机用于将所述实时光纤数据传输至所述数据交换机；
9.所述数据交换机用于通过数据场景化拟合，将所述实时光纤数据中的关联数据信息与预警场景相互对应，对车辆行驶状态进行还原，最终还原车辆在隧道内的动态轨迹，所述预警场景包括车辆行驶速度、车辆行驶轨迹、车辆隧道内变道、压线、隧道堵塞、交通事故；
10.所述存储服务器用于存储实时光纤数据，根据预设的采集精度和识别事件类型，对所述实时光纤数据进行针对性存储；
11.所述公路隧道车辆行驶预警设备用于针对各种场景预案提前设置对应的阈值，当车辆在隧道行驶过程中出现非正常情况超过对应的阈值时，触发预警动作。
12.可选的，所述光纤包括多模传感光纤和数据传输光纤，设置在隧道入口、隧道出口以及隧道内的路面每隔200m处的多模传感光纤均会增设高精度光纤光栅传感器。
13.可选的，所述多模传感光纤l1设置在隧道内超车道，所述多模传感光纤包括间隔交替设置的垂直光纤与平行光纤，所述垂直光纤与隧道方向垂直，所述平行光纤与隧道方向平行，各段垂直光纤的长度相等，均为车道宽度lm，各段平行光纤的长度相等，均为10m。
14.可选的，所述多模传感光纤l2设置在隧道内行车道，所述多模传感光纤包括间隔交替设置的垂直光纤与平行光纤，所述垂直光纤与隧道方向垂直，所述平行光纤与隧道方向平行，各段垂直光纤的长度相等，均为车道宽度lm，各段平行光纤的长度相等，均为10m。
15.可选的，当隧道长度大于3km时，根据预设比例增加所述光纤数据采集系统与所述光纤的数量。
16.本发明还提供一种基于分布式光纤传感的公路隧道车辆行驶预警方法，所述公路隧道车辆行驶预警方法使用所述的公路隧道车辆行驶预警装置，所述公路隧道车辆行驶预警方法包括：
17.对隧道内行驶的车辆进行全过程动态智能监控，进入隧道的辆车均为单独的预警线程，从车辆进入隧道时，所述车牌识别系统和所述光纤数据采集系统通过车牌信息和应变值信息对车辆进行唯一性锁定和标记；
18.使用隧道内按照识别区域布设的多模传感光纤和数据传输光纤，对进入隧道的标记车辆的行驶信息进行实时采集；
19.根据采集获得的关联数据信息，利用各个采集区域之间的位置距离、数据生成时间进行综合计算分析，所述关联数据信息包括应力、振动、数据生成时间、数据生成位置；
20.通过数据模拟车辆进入隧道后的各种预警场景，所述预警场景包括车辆行驶速度、车辆行驶轨迹、车辆隧道内变道、压线、隧道堵塞、交通事故，还原车辆在隧道内运行状态全过程；
21.当出现车辆超速、隧道内停车、隧道内变道、隧道内压线、车辆行驶缓慢、隧道堵塞或者交通事故时，根据提前编制的应急预案，及时预警同时触发对应的措施。
22.可选的，还包括：
23.当车辆m经过第一个垂直光纤时，对所述高精度光纤光栅传感器产生应力作用，记录应力产生时间t1和应力信息，同时识别车牌和锁定车辆，启动针对该车辆信息的预警线程，当车辆m正常行驶至隧道出口，对隧道出口处的高精度光纤光栅传感器产生应力作用，记录应力产生时间tn和应力信息，核对应力信息一致后，认定车辆m正常通过隧道，同时释放该预警线程；
24.当车辆m经过第一个垂直光纤时，记录触发时间t1，经过第二个垂直光纤时，记录触发时间t2，计算车辆m在区域z
11
内的行驶速度v
11
＝10/(t
2-t1)，实时计算车辆m在整个隧道行驶过程中的行车速度，当行驶速度超出限速时进行预警；
25.当车辆m经过区域z
11
，由区域z
11
进入区域z
21
处于压线状态时，所述多模传感光纤
l1出现相应时间的应力变化，随后车辆m同时作用于所述多模传感光纤l1和所述多模传感光纤l2，根据数据产生时间以及回归正常运行时间，认定车辆m处于压线状态，同时进行预警；
26.当车辆m经过区域z
11
，由区域z
11
变道进入区域z
21
时，所述多模传感光纤l1出现相应时间的应力变化，随后车辆m持续作用于所述多模传感光纤l2的垂直光纤，根据以上应力变化的位置以及产生时间，认定车辆m处于变道状态，同时进行预警；
27.每隔200m对经过车辆进行一次车辆承载力计数，若所述车辆承载力计数超过预设的阈值，表明进入该区域的车辆远大于离开该区域的车辆，认定该隧道内路段处于交通堵塞状态，同时进行预警；
28.当隧道内车辆的应力产生的位置和时间异常，同时在同一区域内的作用点数大于8，而且作用力持续保持不变时，切换该区域的摄像机进行事件确认，若确认发生交通事故，警示其他车辆，同时启动应急预案。
29.本发明具有下述有益效果：
30.本发明提供一种基于分布式光纤传感的公路隧道车辆行驶预警装置及其方法，包括车牌识别系统、光纤数据采集系统、光端机、光纤、数据交换机、存储服务器以及公路隧道车辆行驶预警设备，车牌识别系统对驶入隧道的车辆进行锁定标记，同步触发追踪操作，实现车辆隧道全过程动态监控，车辆驶出隧道后，监控操作结束，光纤数据采集系统、光端机、光纤、数据交换机主要完成对实时光纤数据的采集，根据采集的应力、振动、数据生成时间、数据生成位置等关联数据信息对车辆行驶状态进行高精度还原；存储服务器根据采集精度和识别事件类型，对实时采集数据进行针对性存储，公路隧道车辆行驶预警设备主要对车辆在隧道行驶过程中出现的非正常情况进行及时预警，同时执行预案。本发明提供的技术方案，相比于现有技术，结合使用分布式光纤传感技术和车牌识别技术，结构简单、成本低、效率高、性能稳定、无盲区，真正实现了隧道车辆运行状态智能监控全覆盖，在低能见度、隧道内断电等极端情况下仍可以正常采集信息，分析车辆状态，使得预警系统可靠性更强，更适用。本发明提供的技术方案结合分布式光纤传感技术和车牌识别技术，通过实时采集数据分析，构建多种检测模型，对隧道内车辆行驶情况以及隧道运行状态进行判定，同时针对性的进行预警和处置，通过较低成本的智能监控，使得隧道运行更加安全高效。
附图说明
31.图1为本发明实施例一提供的基于分布式光纤传感的公路隧道车辆行驶预警装置的结构框图。
32.图2为本发明实施例一提供的基于分布式光纤传感的公路隧道车辆行驶预警装置的设备布置图。
33.图3为本发明实施例一提供的光纤传感系统的区域布置俯视图。
34.其中，附图标记为：车牌识别系统-1；光纤数据采集系统-2；光端机-3；数据交换机-4；存储服务器-5；公路隧道车辆行驶预警设备-6。
具体实施方式
35.为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的基于分布式光纤传感的隧道车辆行驶预警装置及其方法进行详细描述。
36.实施例一
37.本实施例提供一种适用于公路隧道的车辆行驶预警装置，主要由车牌识别系统、光纤数据采集系统、光端机、光纤、数据交换机、存储服务器及公路隧道车辆行驶预警设备组成，其中车牌识别系统布置于隧道入口处，主要对驶入隧道的车辆进行锁定标记，同步触发追踪程序，实现车辆隧道全过程动态监控；光纤数据采集系统主机布置于隧道口，接收实时的光纤传感信息，并通过光端机将其传回到数据交换机；隧道内路面的传感光纤，依据规律的排列方式进行铺设，当车辆经过时，针对光纤会产生相应的应力、振动、数据生成时间、数据生成位置等关联数据信息，通过数据场景化拟合，可将其与车辆行驶速度、车辆行驶轨迹、车辆隧道内变道、压线、隧道堵塞、交通事故等多种预警场景相对应；数据交换机主要对光纤数据采集系统采集的数据进行计算，通过采集与计算的数据，高精度还原车辆在隧道内的动态轨迹；存储服务器主要用于存储海量的光纤传感数据，通过系统设置的采集精度和识别事件类型，对大量实时数据进行针对性存储；公路隧道车辆行驶预警设备主要对提前设置的情景预案进行阈值设置，当车辆在隧道行驶过程中出现非正常情况，则会触发预警装置。
38.本实施例提供的基于分布式光纤传感的公路隧道车辆行驶预警装置主要由车牌识别系统、光纤数据采集系统、光端机、光纤、数据交换机、存储服务器及公路隧道车辆行驶预警设备组成，通过车牌识别系统对驶入隧道的车辆进行锁定标记，同步触发追踪程序，实现车辆隧道全过程动态监控，车辆驶出隧道后，监控程序结束；光纤数据采集系统、光端机、光纤、数据交换机主要完成对实时光纤数据的采集，根据采集的应力、振动、数据生成时间、数据生成位置等关联数据信息对车辆行驶状态进行高精度还原；存储服务器针对数据的采集精度和识别事件类型，对实时采集数据进行针对性存储，公路隧道车辆行驶预警软件主要对车辆在隧道行驶过程中出现的非正常情况进行及时预警，并执行预案。
39.图1为本发明实施例一提供的基于分布式光纤传感的公路隧道车辆行驶预警装置的结构框图。如图1所示，整个装置主要由车牌识别系统、光纤数据采集系统、光端机、光纤、数据交换机、存储服务器及公路隧道车辆行驶预警设备组成。本实施例提供的技术方案结合分布式光纤传感技术和车牌识别技术，通过实时采集数据分析，构建多种检测模型，对隧道内车辆行驶情况以及隧道运行状态进行判定，同时针对性的进行预警和处置，通过较低成本的智能监控，使得隧道运行更加安全高效。
40.本实施例提供的车牌识别系统主要布置于隧道入口处，主要对驶入隧道的车辆进行锁定标记，同步触发追踪程序，实现车辆隧道全过程动态监控，光纤数据采集系统主要包括光纤数据处理主机和按技术要求、测试区域布设的分布式多模传感光纤组成，其中光纤数据处理主机主要用于处理传感光纤采集的实时数据信息，分布式多模传感光纤主要依据规律的排列方式进行铺设，当车辆经过时，针对光纤会产生相应的应力、振动、数据生成时间、数据生成位置等关联数据信息，通过数据场景化拟合，可将其与车辆行驶速度、车辆行驶轨迹、车辆隧道内变道、压线、隧道堵塞、交通事故等多种预警场景相对应。光端机及传输光纤主要用于将隧道现场数据信息传送至隧管站，数据交换机主要用于处理光纤数据采集系统采集的数据进行计算，通过采集与计算的数据，高精度还原车辆在隧道内的动态轨迹。存储服务器主要用于存储海量的光纤传感数据，通过系统设置的采集精度和识别事件类型，对大量实时数据进行针对性存储。公路隧道车辆行驶预警设备主要对提前设置的情景
预案进行阈值设置，当车辆在隧道行驶过程中出现非正常情况，则会触发预警装置。
41.图2为本发明实施例一提供的基于分布式光纤传感的公路隧道车辆行驶预警装置的设备布置图。如图2所示，m1为车牌识别系统主机，m2为光纤数据采集系统主机，m3和m4为光端机，m5为数据交换机，m6为公路隧道车辆行驶预警软件，m7为存储服务器，l1、l2为多模传感光纤，l3、l4为数据传输光纤。本实施例结合使用分布式光纤传感技术和车牌识别技术，结构简单、成本低、效率高、性能稳定、无盲区，真正实现了隧道车辆运行状态智能监控全覆盖，在低能见度、隧道内断电等极端情况下仍可以正常采集信息，分析车辆状态，使得预警系统可靠性更强，更适用。
42.本实施例提供的车牌识别系统m1用于识别进入隧道的车辆信息，同时与隧道入口处覆盖的l1、l2传感光纤采集的车辆信息(车重)对进入车辆进行唯一性标记。光纤数据采集系统主机m2主要用于实时采集光纤传感数据。m3和m4为光端机，l3、l4为数据传输光纤，其作用主要用于数据的中转和传输。数据交换机m5主要用于传感数据的计算和分析，公路隧道车辆行驶预警设备m6主要基于数据交换机分析计算的结果进行判断，确定该线程的处理方案，存储服务器m7主要用于存储海量的光纤传感数据，通过系统设置的采集精度和识别事件类型，对大量实时数据进行针对性存储。
43.图3为本发明实施例一提供的光纤传感系统的区域布置俯视图。如图3所示，m为模拟通过隧道的车辆，l1、l2为多模传感光纤。图3展示了隧道内部分传感光纤铺设方式，隧道内传感区域主要由两根传感光纤l1、l2组成，各负责一个车道的数据采集，当隧道长度l＞3km时，需按比例增加光纤传感主机与传感光纤数量。
44.包含a
11
、a
22
的椭圆形阴影区域为车辆信息识别区域，该区域除了是车牌识别的覆盖区域外，在l1光纤a
11
区域范围和l2光纤a
22
区域范围内均布设有4组高精度光纤光栅传感器，用于实时测量进入隧道的车重信息，该采集信息与车辆实际重量为线性关系，在隧道入口、出口及每隔200m处的传感光纤均会增设高精度光纤光栅传感器。
45.本实施例提供的多模传感光纤l1铺设于隧道内超车道，铺设方式如图3所示，由a
11
段和b
11
段组成区域z
11
，由a
12
段和b
12
段组成区域z
12
，以此类推。其中a
11
段、a
12
段及a
1n
段的长度相等，均为车道宽度lm，b
11
段、b
12
段及b
1n
段的长度相等，均为10m。
46.本实施例提供的多模传感光纤l2铺设于隧道内行车道，铺设方式如图中所示，由a
21
段和b
21
段组成区域z
21
，由a
21
段和b
21
段组成区域z
21
，以此类推。其中a
21
段、a
22
段及a
2n
段的长度相等，均为车道宽度lm，b
21
段、b
22
段及b
2n
段的长度相等，均为10m。
47.本实施例提供一种基于分布式光纤传感的公路隧道车辆行驶预警装置，包括车牌识别系统、光纤数据采集系统、光端机、光纤、数据交换机、存储服务器以及公路隧道车辆行驶预警设备，车牌识别系统对驶入隧道的车辆进行锁定标记，同步触发追踪操作，实现车辆隧道全过程动态监控，车辆驶出隧道后，监控操作结束，光纤数据采集系统、光端机、光纤、数据交换机主要完成对实时光纤数据的采集，根据采集的应力、振动、数据生成时间、数据生成位置等关联数据信息对车辆行驶状态进行高精度还原；存储服务器根据采集精度和识别事件类型，对实时采集数据进行针对性存储，公路隧道车辆行驶预警设备主要对车辆在隧道行驶过程中出现的非正常情况进行及时预警，同时执行预案。本实施例提供的技术方案，相比于现有技术，结合使用分布式光纤传感技术和车牌识别技术，结构简单、成本低、效率高、性能稳定、无盲区，真正实现了隧道车辆运行状态智能监控全覆盖，在低能见度、隧道
内断电等极端情况下仍可以正常采集信息，分析车辆状态，使得预警系统可靠性更强，更适用。本实施例提供的技术方案结合分布式光纤传感技术和车牌识别技术，通过实时采集数据分析，构建多种检测模型，对隧道内车辆行驶情况以及隧道运行状态进行判定，同时针对性的进行预警和处置，通过较低成本的智能监控，使得隧道运行更加安全高效。
48.实施例二
49.本实施例提供的公路隧道车辆行驶预警方法主要对隧道内行驶的车辆进行全过程动态智能监控，进入隧道的每辆车均是一个独立的预警线程，从车辆进入隧道时，车牌识别系统和入口处光纤传感采集系统通过车牌信息和应变值信息(车重)对车辆进行唯一性锁定并标记，通过隧道内按照识别区域布设的多模光纤传感系统，对进入隧道的标记车辆行驶信息进行实时采集，通过采集的应力、振动、数据生成时间、数据生成位置等关联数据，并利用各采集区域之间的位置距离、数据生成时间进行综合计算分析，通过数据模拟车辆进入隧道后，车辆行驶速度、车辆行驶轨迹、车辆隧道内变道、压线、隧道堵塞、交通事故等一系列特征现象，可精确还原车辆在隧道内运行状态全过程。当出现车辆超速、隧道内停车、隧道内变道、隧道内压线、车辆行驶缓慢、隧道堵塞、交通事故等情况，应根据提前编制的应急预案，及时预警并触发相应措施，提高响应速度、准确度。
50.车辆在隧道内主要有以下情况：
51.(1)正常行驶
52.参见图3，车辆m在行车道正常行驶，当车辆经过l1光纤a
11
区域范围时，会对布设于该区域的高精度光纤光栅传感器产生应力作用，记录应力产生时间t1和应力信息(车重)，同时触发车牌识别并锁定，启动针对该车辆信息的预警线程，当车辆在隧道内稳定正常行驶至出口，对出口处a
1n
段内设置的高精度光纤光栅传感器产生应力作用，记录应力产生时间tn和应力信息(车重)，核对应力信息一致后，表明车辆m在t1～tn时间段内，通过隧道，同时释放该预警线程。
53.(2)行车速度
54.参见图3，车辆m经过a
11
区域范围时，记录触发时间t1，经过a
12
区域范围时，记录触发时间t2，则车辆m在区域z
11
内的行驶速度v
11
＝10/(t
2-t1)，车辆在整个隧道的运行过程中，都会实时采集数据并计算其行车速度，当车辆速度超出限速时，会以可变情报板警示、广播等手段进行预警。
55.(3)压线
56.参见图3，当车辆m经过z
11
区域，并由z
11
区域进入z
21
区域处于压线状态时，l1光纤b
11
区域范围会有相应时间的应力变化，随后车辆m会分别作用于a
12
区域和a
22
区域两次各一点，并持续同时作用于l1光纤和l2光纤，然后根据数据产生时间及回归正常运行时间，则可表征车辆压线状态，并应及时以可变情报板警示、广播等手段进行预警。
57.(4)变道
58.参见图3，当车辆m经过z
11
区域，并由z
11
区域变道进入z
21
区域时，l1光纤b
11
区域范围会有相应时间的应力变化，随后车辆m会由l1光纤z
11
区域分两次两点完整进入z
21
区域，然后持续作用a
22
段及a
2n
段等区域，根据以上应力变化位置及产生时间，则可表征车辆变道状态，并及时以可变情报板警示、广播等手段进行预警。
59.(5)交通堵塞
60.参见图3，隧道每200m作为一个隧道运行状态监控单元，在每个监控单元进入及离开处的传感光纤均会增设高精度光纤光栅传感器，当车辆m进入监控单元n1时，除了对车辆进行标记锁定，还会对监控单元n1的车辆承载力计数位n
1s
进行加1操作，当车辆m离开监控单元n1即进入监控单元n2时，除了对车辆进行标记确认，还会对监控单元n1的车辆承载力计数位n
1s
进行减1操作，对监控单元n2的车辆承载力计数位n
2s
进行加1操作，以此类推，当车辆驶离隧道后，结束该车辆的承载力计数工作。所以当某一个隧道运行状态监控单元内车辆承载力计数位超过阈值，即进入该区域车辆远大于离开车辆，即可表征该隧道内路段处于交通堵塞状态，并及时以可变情报板警示、广播等手段进行预警。
61.(6)交通事故
62.参见图3，当隧道内车辆行驶状态，即应力产生位置、时间异常，在同一区域内作用点数大于8处，且作用力持续保持不变，则应自动切换该区域摄像机进行事件确认，如确实发生交通事故，应及时通过可变情报板、广播等手段警示其他车辆，并同时启动应急预案，提高搜救效率，最大限度减少损失。
63.本实施例提供一种基于分布式光纤传感的公路隧道车辆行驶预警方法，车辆行驶预警装置包括车牌识别系统、光纤数据采集系统、光端机、光纤、数据交换机、存储服务器以及公路隧道车辆行驶预警设备，车牌识别系统对驶入隧道的车辆进行锁定标记，同步触发追踪操作，实现车辆隧道全过程动态监控，车辆驶出隧道后，监控操作结束，光纤数据采集系统、光端机、光纤、数据交换机主要完成对实时光纤数据的采集，根据采集的应力、振动、数据生成时间、数据生成位置等关联数据信息对车辆行驶状态进行高精度还原；存储服务器根据采集精度和识别事件类型，对实时采集数据进行针对性存储，公路隧道车辆行驶预警设备主要对车辆在隧道行驶过程中出现的非正常情况进行及时预警，同时执行预案。本实施例提供的技术方案，相比于现有技术，结合使用分布式光纤传感技术和车牌识别技术，结构简单、成本低、效率高、性能稳定、无盲区，真正实现了隧道车辆运行状态智能监控全覆盖，在低能见度、隧道内断电等极端情况下仍可以正常采集信息，分析车辆状态，使得预警系统可靠性更强，更适用。本实施例提供的技术方案结合分布式光纤传感技术和车牌识别技术，通过实时采集数据分析，构建多种检测模型，对隧道内车辆行驶情况以及隧道运行状态进行判定，同时针对性的进行预警和处置，通过较低成本的智能监控，使得隧道运行更加安全高效。
64.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。