專利名稱：城市長隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的多傳感器融合方法
技術領域：
本發(fā)明屬于信息技術領域，具體的講是通過處理多傳感器釆集的 實時數(shù)據(jù)，來實現(xiàn)對城市長隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的多傳感器融合方法。
背景技術：
傳統(tǒng)的信號采集往往由單一的傳感器來完成，即使采用多個(種) 傳感器也僅是從多個側面孤立地反映目標信息。實際上，在大多數(shù)情 況下，必須同時處理多個信號，而這些信號一般又來自多個信號源， 即多傳感器。但是多傳感器也帶來了信息冗余甚至矛盾。所以必須通 過對多個傳感器及其觀測信息的合理支配與使用，將其采集的信息依 據(jù)某種優(yōu)化準則組合，產(chǎn)生對觀測環(huán)境一致性的解釋和描述，因此迫 切要求對信息進一步處理。"信息融合"就是對多傳感器的數(shù)據(jù)進行 多級別、多方面、多層次的處理，即融合來自多個傳感器或其他信息 源的數(shù)據(jù)，以獲得綜合的、更好的估計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種旨在對城市長隧道內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)進 行實時采集并綜合地處理它們來提高預警功能的智能性，可靠性，以 保證隧道內(nèi)交通的暢通和駕駛人員的行車安全，并有效的大幅降低能 源消耗的城市長隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的多傳感器融合方法，以克服上述的 不足。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明由傳感器系統(tǒng)、采集通訊傳輸接口及 存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫構成，其中傳感器系統(tǒng)輸出與采集通訊傳輸接口相 連，釆集通訊傳輸接口的輸出與存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫相連接，存儲數(shù)據(jù)
的數(shù)據(jù)庫輸出信號與人機交互界面相連接，其特點是采集通訊傳輸 接口由PLC來完成，同時采集傳感器系統(tǒng)輸出的模擬量(主要是各種 環(huán)境數(shù)值)和數(shù)字量(傳感器設備和被控制設備的狀態(tài)以及它們的故 障信號)，這些數(shù)據(jù)有選擇性的由PLC來進行綜合處理，或者直接提 交到上位機的數(shù)據(jù)庫，利用數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)處理能力，進行數(shù)據(jù)融合處 理，以便獲得監(jiān)測的更加有效的數(shù)據(jù)；然后這些經(jīng)過綜合處理的數(shù)據(jù) 由數(shù)據(jù)庫輸出信號與人機交互界面(即上位機)相連接，同時也連接 到交通環(huán)境監(jiān)測的智能報警系統(tǒng)，該智能報警系統(tǒng)包括火災報警，能 見度報警， 一氧化碳濃度報警，車流量和車速報警，以及在隧道入口 處光強差值的報警。
上述智能報警系統(tǒng)依賴的是多傳感器采集的實時數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測 的數(shù)據(jù)分為兩部分， 一部分是隧道內(nèi)平均風速和風向，能見度大小， 一氧化碳濃度，火災報警的溫度感應器信號，照度儀的光強值，以及 車檢器采集的平均3分鐘的車流量和車速值，液位儀采集的液位高度 值，另一部分是被控制設備(如風機，照明，視頻，水泵)的運行狀 態(tài)和它們的故障信號，將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫。
上述火災報警系統(tǒng)是以獲取隧道內(nèi)各個點的溫度感應儀的值，綜 合一氧化碳濃度和能見度的大小，應用模糊控制理論，從已建立好的 火災控制預案數(shù)據(jù)庫中選擇合適的處理方法，以此來完成火災的報 警。
上述一氧化碳濃度和能見度是獲取CO/VI檢測儀的值，實時的監(jiān) 測co是考慮到堵車發(fā)生時，它會上升很決，為避免駕駛人員CO中毒, 需要適時的啟動風機；實時的監(jiān)測能見度VI是在霧天時或由于隧道 內(nèi)水蒸汽的聚集。
上述風速平均值和風向是通過風速/風向儀獲取，對它們實時監(jiān) 觀'J，利用信息融合方法，在處理CO濃度和VI時，以及在發(fā)生火災時， 綜合的考慮它們的大小和方向，更加優(yōu)化處理方案。
上述光強度差值由照度儀獲取，監(jiān)測入口處的光強的差值大小， 通過已設定的差值界限自動調整入口處的照明，避免由于光線反差過 大，造成眼睛一時無法適應看不清前面，而引起交通事故。
上述的液位儀實時獲取隧道內(nèi)積水的水位高度，根據(jù)已經(jīng)設計好 的水位界限值控制方案，結合模糊控制方法，實現(xiàn)水泵的負載均衡控 制。
上述數(shù)據(jù)庫還可以通過遠程服務器及網(wǎng)絡與遠程用戶終端機相 連接。
本發(fā)明的特點是通過對多傳感器采集的信息融合實現(xiàn)對城市地 下長隧道的實時監(jiān)測，能有效的減少能耗，并以此建立了一##:康智 能監(jiān)測和診斷技術，它可實現(xiàn)對隧道內(nèi)健康狀態(tài)的自動報警，對設備 故障的自動報警，以保證隧道長時間的健康運行。本申請人在武昌閱 馬場立交主通道工程隧道監(jiān)控工程中的實踐，應用了本發(fā)明的方法， 在交通及環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)中，使用了 C0/VI檢測儀、風速/風向儀、 照度儀、車檢器等多種檢測設備，即使用了多個傳感器進行數(shù)據(jù)采集，
并經(jīng)過融合處理，獲得監(jiān)測的有效數(shù)據(jù)(如co是否過大、車流是否 過大、光強是否不夠等，以便于監(jiān)控系統(tǒng)控制風機、照明等設備)， 有效地提高了隧道安全運營的水平，在保證通道高效運行的前提下， 實現(xiàn)了大幅節(jié)能降耗，實現(xiàn)了一個智能健壯的長隧道監(jiān)控系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明的原理框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖進一步詳細說明本發(fā)明。
本發(fā)明(圖1)由傳感器系統(tǒng)、采集通訊傳輸接口、 p遂道運行實 時健康智能監(jiān)測與診斷系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫所構成。其中傳感器系統(tǒng)輸出與 采集通訊傳輸接口相連，采集通訊傳輸接口的輸出與數(shù)據(jù)庫相連接， 數(shù)據(jù)庫與隧道內(nèi)各個環(huán)境數(shù)據(jù)的智能報警系統(tǒng)、底層設備的運行狀態(tài)
和故障監(jiān)測系統(tǒng)相連接，數(shù)據(jù)庫的輸出信號與人機交互界面相連接。
長隧道運行的火災報警系統(tǒng)
由于隧道的距離比較長，加上車輛的行駛有時會明顯改變風速的 大小和風向，這樣極有可能會使失火點的火勢向順著車流的方向發(fā) 展，使得首先報警的失火點不是最先起火的位置，而且火災報警系統(tǒng) 釆用的是紅外溫度傳感器，溫度也很容易受到風速的影響，因此要合 理安排溫度感應傳感器的分布距離，采用最大線性無關法來合理地布 置用來測量溫度的溫度傳感器，再根據(jù)實測的溫度值使用數(shù)據(jù)融合方 法，即事先計算好的風速和風向與溫度值之間的相關性，也可以加上
神經(jīng)網(wǎng)絡方法來對它們之間的相關性大小自動進行不斷的修正，從而 保證提高響應結果的精確性和可靠性，避免誤報的發(fā)生。
一氧化碳濃度和能見度報警系統(tǒng)
在隧道中實時監(jiān)測CO和VI值，CO的大小在隧道內(nèi)受到風速和 車流量的影響，同時風速又受到車速的影響，VI的情況也是一樣， 只是它受到影響的程度比C0要小，因此在這里運用數(shù)里統(tǒng)計學知識 確定CO與風速和車速的相關性參數(shù)，確定VI與它們的相關性參數(shù)， 由于它們是以往理論數(shù)據(jù)的經(jīng)驗值，因此可以加上神經(jīng)網(wǎng)絡方法，根 據(jù)實測到的數(shù)據(jù)來對它們之間的相關性參數(shù)自動進行不斷的修正；CO 和VI的大小是決定風機啟停的最直接因素，尤其是CO在隧道內(nèi)會變 化的比較頻繁，因此設計它的界P艮報警系統(tǒng)會用到模糊數(shù)學的理論， 即當CO值在某一區(qū)間內(nèi)時，風機開啟的數(shù)量和位置也會有所不同， 其目的一是防止風機的抖動，二是在不影響效果的情況下，減少風機 的開啟數(shù)目，可以降低能耗，同時也可以延長風機的使用壽命。
風速和風向在一般情況下是不需要報警的，但是它們直接影響到 CO、 VI的大小，同時風速和風向又受到車速和車流量的影響，因此 在火災報警系統(tǒng)和CO、 VI報警系統(tǒng)中，它們是信息融合處理時必不
可少的重要因素，在此運用數(shù)理統(tǒng)計學知識和神經(jīng)網(wǎng)絡技術確定它們 與其他數(shù)據(jù)間的相關性大小，并在運行過程中由獲取的實測值對相關 性參數(shù)不斷的修正。
隧道入口處光強度差值報警
人眼對亮度光強的反應是非線性的，因此在亮度變化突然過大時
會產(chǎn)生眩光，眩光的種類直接眩光眼睛直視光源時感到的刺眼眩 光，如直視太陽或夜間對方來車車燈；反射眩光光源投射物件后物 件后面反射至眼睛的次驗光線， 一般常稱為反光，此種眩光對舒適影 響最大；對比眩光室內(nèi)主燈與其他光源的明暗比過大時，即會有對 比眩光。
本發(fā)明是使用照度儀采集入口處的內(nèi)外光強度值，然后計算它們 的差值，根絕我們國家防止眩光的標準，在數(shù)據(jù)庫中設計好差值的界 限范圍，根據(jù)實測的差值大小調整入口處的照明強度；因此在入口處 的照明控制電路是獨立與隧道內(nèi)普通照明電路的，而且設計入口處的 照明燈開關過程時光線是逐漸變化的，其光線也是選擇十分接近自然 的陽光。
平均車速和平均車流量的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)
由上所述已知它們是必不可少的參數(shù)，即可以影響風速的大小， 也是影響C0濃度的最直接的因素，此外，參考國內(nèi)外對車速和車流 量的研究結果，可以發(fā)現(xiàn)它們也能直接反映隧道內(nèi)的運行健康狀況， 不同的車速和車流量的組合值反映了隧道當前的運行是否順暢，或者 是有可能發(fā)生堵車，將這些組合值保存在數(shù)據(jù)庫中，借助于智能分析 工具，分析出數(shù)據(jù)的下一步走勢，然后將結果輸出到人機交互界面， 以此來幫助管理人員更好的監(jiān)控隧道。
隧道內(nèi)液位凈艮警系統(tǒng)
由于地下隧道處于十分低的地勢，因此4艮容易形成積水，因此在 隧道內(nèi)設計有液位儀專門實時監(jiān)測水位的高度，該實測值傳給數(shù)據(jù)
庫，在此連接著液位的界限報警系統(tǒng)；該報警系統(tǒng)運用了模糊控制理 論，先確定水位的上限值和下限值，當水位超過上限位時開啟水泵， 直到水位到達下限水位才開始關閉水泵，其中的才莫糊控制是將水位的 絕對值高度劃分不同的區(qū)域，當水位到達不同區(qū)域時，再比較當前水 位與上次水位比較是上升還是下降，并且將差值也劃分，將此二維模 糊控制表先保存在預警系統(tǒng)中，與實測值做比較實現(xiàn)對水泵的控制， 控制命令還要先發(fā)到均衡控制模塊，該模塊是實現(xiàn)水泵均衡運行；此 設計的目的是避免不必要的水泵運行，延長水泵的工作壽命。
本發(fā)明整個的工作原理是由傳感器系統(tǒng)獲取上述各種環(huán)境參 數(shù)的實測值，通過通訊傳輸接口將這些信息傳輸給數(shù)據(jù)庫。火災報警 系統(tǒng)、 一氧化碳濃度和能見度報警系統(tǒng)，以及光強自動調整系統(tǒng)和水 位高度控制系統(tǒng)，包括風速和風向評定計算沖莫塊，平均車速和平均車 流量計算模塊都各自從數(shù)據(jù)庫中獲取所需的信息，并據(jù)此進行預先設 計好的各個參數(shù)界限判斷并不斷用實測值來修正相關監(jiān)測信息的相 關系數(shù)，同時將結果信息送還數(shù)據(jù)庫，這些報警系統(tǒng)將從結果信息中 提取所需要的控制命令，判斷是否有報警信號。最終，數(shù)據(jù)庫將上述 監(jiān)測、診斷和評定的結果信息經(jīng)遠程服務器、Inter網(wǎng)、局域網(wǎng)，傳 輸?shù)接脩舻慕K端電腦上，通過人機交互界面?zhèn)鬏斀o用戶。
本發(fā)明每個系統(tǒng)均由中心處理單元MCU及外圍電路構成，每個系 統(tǒng)與采集通訊傳輸接口和數(shù)據(jù)庫之間均采用數(shù)據(jù)總線形式進行通訊， 傳感器系統(tǒng)與采集通訊傳輸接口同樣采用數(shù)據(jù)總線形式進行通訊；上 述數(shù)據(jù)總線形式采用CAN (控制局域網(wǎng))數(shù)據(jù)總線。
本發(fā)明每個系統(tǒng)的工作原理既可以通過每個系統(tǒng)才莫塊實施軟件
的方法實現(xiàn)，也可以用硬件裝置實現(xiàn)，兩種實現(xiàn)方式均屬于本發(fā)明所 要求保護的范疇。
本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領域專業(yè)技術人員 公知的現(xiàn)有技術。
權利要求
1、一種城市長隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的多傳感器融合方法，由傳感器系統(tǒng)、采集通訊傳輸接口及存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫構成，其中傳感器系統(tǒng)輸出與采集通訊傳輸接口相連，采集通訊傳輸接口的輸出與存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫相連接，存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫輸出信號與人機交互界面相連接，其特征在于采集通訊傳輸接口由PLC來完成，同時采集傳感器系統(tǒng)輸出的模擬量和數(shù)字量，這些數(shù)據(jù)有選擇性的由PLC來進行綜合處理，或者直接提交到上位機的數(shù)據(jù)庫，進行數(shù)據(jù)融合處理，以便獲得監(jiān)測的更加有效的數(shù)據(jù)；然后這些經(jīng)過綜合處理的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫輸出信號與人機交互界面相連接，同時也連接到交通環(huán)境監(jiān)測的智能報警系統(tǒng)，該智能報警系統(tǒng)包括火災報警，能見度報警，一氧化碳濃度報警，車流量和車速報警，以及在隧道入口處光強差值的報警。
2、 如權利要求1所述的城市長隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的多傳感器融合 方法，其特征在于智能報警系統(tǒng)依賴的是多傳感器采集的實時數(shù)據(jù)， 實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)分為兩部分， 一部分是隧道內(nèi)平均風速和風向，能見 度大小， 一氧化碳濃度，火災報警的溫度感應器信號，照度儀的光強 值，以及車檢器采集的平均3分鐘的車流量和車速值，液位儀采集的 液位高度值，另 一部分是被控制設備的運行狀態(tài)和它們的故障信號， 將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫。
3、 如權利要求1所述的城市長隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的多傳感器融合 方法，其特征在于火災報警系統(tǒng)是以獲取隧道內(nèi)各個點的溫度感應 儀的值，綜合一氧化碳濃度和能見度的大小，應用模糊控制理論，從已建立好的火突控制預案數(shù)據(jù)庫中選擇合適的處理方法，以此來完成 火災的報警。
4、 如權利要求1所述的城市長隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的多傳感器融合 方法，其特征在于 一氧化碳濃度和能見度是獲取C0/VI檢測儀的值， 實時的監(jiān)測CO是考慮到堵車發(fā)生時，它會上升很快，為避免駕駛人 員C0中毒，需要適時的啟動風機；實時的監(jiān)測能見度VI是在霧天時 或由于隧道內(nèi)水蒸汽的聚集。
5、 如權利要求1所述的城市長隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的多傳感器融合 方法，其特征在于風速平均值和風向是通過風速/風向儀獲取，對 它們實時監(jiān)測，利用信息融合方法，在處理CO濃度和VI時，以及在 發(fā)生火災時，綜合的考慮它們的大小和方向，更加優(yōu)化處理方案。
6、 如權利要求1所述的城市長隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的多傳感器融合 方法，其特征在于光強度差值由照度儀獲取，監(jiān)測入口處的光強的 差值大小，通過已設定的差值界限自動調整入口處的照明，避免由于 光線反差過大，造成眼睛一時無法適應看不清前面，而引起交通事故。
7、 如權利要求1所述的城市長隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的多傳感器融合 方法，其特征在于每個系統(tǒng)均由中心處理單元MCU及外圍電路構成， 每個系統(tǒng)與采集通訊傳輸接口和數(shù)據(jù)庫之間均采用數(shù)據(jù)總線形式進 行通訊，傳感器系統(tǒng)與采集通訊傳輸接口同樣采用數(shù)據(jù)總線形式進行 通訊；數(shù)據(jù)總線形式采用CAN數(shù)據(jù)總線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種城市長隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的多傳感器融合方法，由傳感器系統(tǒng)、采集通訊傳輸接口及存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫構成，其特點是采集通訊傳輸接口由PLC來完成，同時采集傳感器系統(tǒng)輸出的模擬量和數(shù)字量，直接提交到上位機的數(shù)據(jù)庫，進行數(shù)據(jù)融合處理，然后由數(shù)據(jù)庫輸出信號與人機交互界面相連接，同時也連接到交通環(huán)境監(jiān)測的智能報警系統(tǒng)，該智能報警系統(tǒng)包括火災報警，能見度報警，一氧化碳濃度報警，車流量和車速報警，以及在隧道入口處光強差值的報警。本發(fā)明的特點是通過對多傳感器采集的信息融合實現(xiàn)對城市地下長隧道的實時監(jiān)測，可實現(xiàn)對隧道內(nèi)健康狀態(tài)的自動報警，對設備故障的自動報警，以保證隧道長時間的健康運行。
文檔編號G05B19/418GK101105690SQ200710052839
公開日2008年1月16日 申請日期2007年7月26日 優(yōu)先權日2007年7月26日
發(fā)明者劉長江, 唐昌堯, 夏紅霞, 微 張, 鋒 李, 李超勝, 楊朝陽, 汪淑平, 坤 王, 田久暉, 袁景凌, 珞 鐘, 軍 陳, 霍天昭, 馬成前 申請人:武漢理工大學;武漢市市政工程機械化施工公司