CN111024185B - 一种城市道路积水监测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了城市道路领域的一种城市道路积水监测装置和方法，包括雷视一体机，雷视一体机通过电源接口与外部电源模块连接，电源模块提供24V直流电源，雷视一体机内部设有毫米波雷达模块、视频模块、控制模块，控制模块通过CAN总线驱动，实现与毫米波雷达模块的通信，并将积水深度数据和积水状态信息同步叠加在视频模块上，视频模块通过图像接口与控制模块连接，输出道路积水点实时视频，雷视一体机通过以太网接口和网络传输模块通信，实现与远程监控中心后台信息交互，实时显示积水现场视频和积水深度数据；其他检测方式，检测传感器与监控视频分别对立，系统复杂且容错低，非接触式监测道路积水深度，克服了其他传感器安装位置受限的缺点。

Description

一种城市道路积水监测装置和方法

技术领域

本发明涉及城市道路技术领域，具体为一种城市道路积水监测装置和方法。

背景技术

强降雨经常会造成下凹式立交桥、下穿隧道等城市道路低洼处出现大量积水的现象，给居民正常出行带来了极大的不便和安全隐患，甚至引发财产损失和人员伤亡事故。

现有城市道路积水监测方法主要采用超声波水位计、电子尺或地埋式液位探测器等作为传感器检测装置，现场安装监控摄像机，LED显示屏现场显示水位预警信息，同时利用光纤或GPRS无线网络将水位信息传输至监控中心的服务器工作站中，进行处理分析和显示，如图2所示。

传统的城市道路积水监测方式存在如下的缺陷：

(1)监测系统的前端设备包含供电系统、视频监控、传感器、控制箱等设备，设备多，容错低，系统发生故障概率高。

(2)道路积水检测传感器和视频监控相互独立，没有联动。

(3)道路积水检测传感器主要采用超声波水位计、电子尺或是液位计等设备，这一类传感器安装时，需要预留积水点和传感器位置，检测存在盲区，安装位置受限。

基于此，本发明设计了一种城市道路积水监测装置和方法，以解决上述提到的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种城市道路积水监测装置和方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种城市道路积水监测装置，包括雷视一体机和用于安装雷视一体机的支撑杆，所述支撑杆安装于道路路侧，所述雷视一体机通过电源接口与外部电源模块连接，电源模块提供24V直流电源，所述雷视一体机内部设有毫米波雷达模块、视频模块、控制模块，控制模块通过CAN总线驱动，实现与毫米波雷达模块的通信，根据积水深度计算模型，完成数据分析，获得道路积水点的积水深度数据和积水状态信息，并将积水深度数据和积水状态信息同步叠加在视频模块上，视频模块通过图像接口与控制模块连接，输出道路积水点实时视频，所述雷视一体机通过以太网接口和网络传输模块通信，实现与远程监控中心后台信息交互，所述监控中心后台将预警信息通过可变情报板、短信、微信公众号、移动客户端媒介发布；

利用所述城市道路积水监测装置进行城市道路积水监测方法，具体包括以下步骤：

S1：选取道路积水监测点：

选取下凹式立交桥、下穿隧道等城市道路低洼路段和历史道路积水点作为监测点；

S2：安装雷视一体机：

在距监测点3～40米范围内，选择路侧适宜处安装高度6米的支撑杆，并将雷视一体机安装于支撑杆悬臂上，使得雷视一体机雷达发射角度正对道路积水监测点方向，雷视一体机采用市电或是太阳能板供电，采用4G无线传输模块或是光纤进行网络数据传输；

S3：构建道路积水深度计算模型，计算道路积水深度值h；

S4：传输和发布道路积水信息：

将采集到的积水深度数据和现场视频通过4G无线传输模块或光纤实时传输到远程监测中心，积水深度信息发布至积水点来车方向安装的可变情报板上；可变情报板预设为三种状态，分为：“前方道路没有积水，道路畅通”、“前方道路积水深度X米，请车辆减速行驶”“前方道路积水深度X米，禁止通行”；同时，根据道路积水报警信息，市政工作人员实时通过短信、微信公众号、移动客户端等媒介，向市民发布道路积水警报。

优选的，所述道路积水深度计算步骤如下：

S3.1：标定地面初始位置：

毫米波雷达不断向积水监测点地面发射电磁波信号，并接收反射回来的电磁波信号，处理和计算的过程如下：

根据77GHz毫米波雷达的工作原理，雷达发射线性调频连续波，发射信号碰到目标物体后被反射回来，产生回波信号，发射信号和回波信号的进行相干混频，当目标物体是相对静止时，回波信号与发射信号的延迟时间为τ：

式(1)中：R–雷达与目标物体的距离；C–光速；

根据等比关系，可以得到发射信号与回波信号的频率差即为混频输出的中频信号频率f：

式(2)中：T–调频连续波周期；ΔF–调频带宽。

由式(1)和式(2)，得到：

雷视一体机标定地面初始位置，雷达天线发射仿圆锥形波束形态照射到地面的平均距离为

其计算公式为：

式(4)中，n为雷达天线发射仿圆锥形波束形态照射范围内地面的目标数，fi为地面第i个目标的中频信号频率，i＝1，2，...，n，

S3.2：判断道路积水深度计算值h：

路面积水的高度h为：

式(5)中：θ–雷视一体机安装的俯仰角，

为雷达天线发射仿圆锥形波束形态照射到地面的平均距离，

为雷达天线发射仿圆锥形波束形态照射到积水面的平均距离，

由式(4)和式(5)，得到路面积水的高度h：

式(6)中，f₁i为在路面积水情况下，地面第i个目标的中频信号频率，i＝1，2，...，n，m为雷达天线发射仿圆锥形波束形态照射范围内积水面的目标数，f₂j为积水面第j个目标的中频信号频率，j＝1，2，...，m，

S3.3：排除干扰目标：

当有运动物体进入监测区域时(例如车辆行驶至监测区域)，毫米波雷达可以检测到运动目标，并同步输出平均距离值为

和速度值v，计算可得运动物体高度h′，

毫米波雷达检测到运动目标的发射信号和回波信号，上升沿和下降沿的中频信号的频率分别为：

f_b+＝f₀-f_d， (7)

f_b-＝f₀+f_d， (8)

式中，f₀表示静止目标回波信号频率最低时发射信号的频率，f_d为静止目标回波信号和运动目标回波信号的差值，

由式(3)和多普勒频移公式可得：

当运动目标进入监测区域后长时间处于静止状态，此时，毫米波雷达输出平均距离值波形将产生突变，计算模型设定1s后h′值由突然增加5cm或5cm以上，即检测到干扰目标；

当监测到运动目标时，速度值v＞0，过滤对应输出的产生的平均距离

当检测到毫米波雷达输出平均距离值波形突然发生变化时，判定有运动目标停止在监测区域，过滤对应输出的产生的平均距离

S3.4：输出积水深度数据和实时视频叠加：

排除干扰目标后，如果前一时刻发射的电磁波与后一时刻发射回的电磁波信号的中频信号频率f不存在变化，则说明原始位置一直没有变化，路面积水的高度h为0，表示地面没有积水；如果前一时刻发射的电磁波与后一时刻发射回的电磁波信号的中频信号频率有变化，则表示地面有积水，积水的高度即为h，当道路积水状态超过一定的阈值，积水深度超过15cm，发出报警，并将状态标红，视频模块同时输出道路积水点实时视频，积水数据及状态信息同步叠加在视频上。

优选的，所述支撑杆的高为6米，所述雷视一体机安装于支撑杆上的悬臂上，所述悬臂长1米，所述支撑杆的顶端安装有太阳能板，所述支撑杆上悬挂有控制箱，所述控制箱内设有供电和网络传输设备。

优选的，所述雷视一体机采用77GHz毫米波雷达作为检测核心，内置200万像素高清摄像头，摄像头可扩展至500万、800万和1300万像素。

优选的，所述毫米波雷达模块利用调频连续波和多普勒技术原理，通过调频发射机向目标发送线性变换的调频连续波，电磁波到达目标后返回，目标回波和发射机加到接收机混频器里，得到中频信号。

优选的，所述网络传输模块为4G无线或光纤。

优选的，所述雷视一体机安装的位置在距离监测点3～40米范围内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)毫米波雷达和视频一体化，实时显示积水现场视频和积水深度数据；其他检测方式，检测传感器与监控视频分别对立，系统复杂且容错低；

(2)非接触式监测道路积水深度；

(3)克服了其他传感器安装位置受限的缺点，其他传感器需要预留积水点和传感器安装位置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明结构示意图；

图2为传统城市道路积水监测结构示意图；

图3为本发明雷视一体机结构示意图；

图4为本发明城市道路积水监测流程图；

图5为本发明毫米波雷达的发射信号和回波信号示意图；

图6为本发明毫米波雷达波束示意图；

图7为本发明道路积水深度计算示意图；

图8为本发明运动目标行驶至监测区域示意图；

图9为本发明运动目标回波信号示意图；

图10为本发明检测到运动目标前后雷达输出平均距离值变化波形图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、雷视一体机；11、毫米波雷达模块；12、控制模块；13、电源接口；14、电源模块；15、视频模块；16、摄像头；17、以太网接口；18、网络传输模块；19、中心后台；2、支撑杆；3、控制箱；4、太阳能板；5、悬臂。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图3～10，本发明提供一种技术方案：一种城市道路积水监测装置，包括雷视一体机1和用于安装雷视一体机1的支撑杆2，支撑杆2安装于道路上，雷视一体机1采用77GHz毫米波雷达作为检测核心，内置200万像素高清摄像头16，摄像头16可扩展至500万、800万和1300万像素。

雷视一体机1通过电源接口13与外部电源模块14连接，电源模块14提供24V直流电源，雷视一体机1内部设有毫米波雷达模块11、视频模块15、控制模块12，毫米波雷达模块11利用调频连续波和多普勒技术原理，通过调频发射机向目标发送线性变换的调频连续波，电磁波到达目标后返回，目标回波和发射机加到接收机混频器里，得到中频信号。

控制模块12通过CAN总线驱动，实现与毫米波雷达模块11的通信，根据积水深度计算模型，完成数据分析，获得道路积水点的积水深度数据和积水状态信息，并将积水深度数据和积水状态信息同步叠加在视频模块15上，视频模块15通过图像接口与控制模块12连接，输出道路积水点实时视频，雷视一体机1通过以太网接口17和网络传输模块18通信，网络传输模块18为4G无线或光纤，实现与远程监控中心后台19信息交互，监控中心后台19将预警信息通过可变情报板、短信、微信公众号、移动客户端媒介发布。

其中，所述支撑杆2的高为6米，所述雷视一体机1安装于支撑杆2上的悬臂5上，所述悬臂5长1米，所述支撑杆2的顶端安装有太阳能板4，所述支撑杆2上悬挂有控制箱3，所述控制箱3内设有供电和网络传输设备。

一种城市道路积水监测方法，具体包括以下步骤：

S1：选取道路积水监测点：

一般选取下凹式立交桥、下穿隧道等城市道路低洼路段和历史道路积水点作为监测点；

S2：安装雷视一体机1：

在距监测点3～40米范围内，选择路侧适宜处安装高度6米的支撑杆2，并将雷视一体机1安装于支撑杆2悬臂5上，使得雷视一体机1雷达发射角度正对道路积水监测点方向，雷视一体机1采用市电或是太阳能板4供电，采用4G无线传输模块或是光纤进行网络数据传输；

S3：构建道路积水深度计算模型，计算道路积水深度值h；

道路积水深度计算步骤如下：

S3.1：标定地面初始位置：

毫米波雷达不断向积水监测点地面发射电磁波信号，并接收反射回来的电磁波信号，处理和计算的过程如下：

根据77GHz毫米波雷达的工作原理，雷达发射线性调频连续波，发射信号碰到目标物体后被反射回来，产生回波信号，发射信号和回波信号的进行相干混频，如图5所示。当目标物体是相对静止时，回波信号与发射信号的延迟时间为τ：

式(1)中：R–雷达与目标物体的距离；C–光速；

根据等比关系，可以得到发射信号与回波信号的频率差即为混频输出的中频信号频率f：

式(2)中：T–调频连续波周期；ΔF–调频带宽。

由式(1)和式(2)，得到：

如图6所示，雷视一体机1标定地面初始位置，雷达天线发射仿圆锥形波束形态照射到地面的平均距离为

其计算公式为：

式(4)中，n为雷达天线发射仿圆锥形波束形态照射范围内地面的目标数，fi为地面第i个目标的中频信号频率，i＝1，2，...，n，

S3.2：判断道路积水深度计算值h：

如图7所示，路面积水的高度h为：

式(5)中：θ–雷视一体机1安装的俯仰角，

为雷达天线发射仿圆锥形波束形态照射到地面的平均距离，

为雷达天线发射仿圆锥形波束形态照射到积水面的平均距离。

由式(4)和式(5)，得到路面积水的高度h：

式(6)中，f₁i为在路面积水情况下，地面第i个目标的中频信号频率，i＝1，2，...，n，m为雷达天线发射仿圆锥形波束形态照射范围内积水面的目标数，f₂j为积水面第j个目标的中频信号频率，j＝1，2，...，m，

S3.3：排除干扰目标：

当有运动物体进入监测区域时(例如车辆行驶至监测区域)，毫米波雷达可以检测到运动目标，并同步输出平均距离值为

和速度值v，计算可得运动物体高度h′，如图8所示。

毫米波雷达检测到运动目标的发射信号和回波信号，如图9所示，上升沿和下降沿的中频信号的频率分别为：

f_b+＝f₀-f_d， (7)

f_b-＝f₀+f_d， (8)

式中，f₀表示静止目标回波信号频率最低时发射信号的频率，f_d为静止目标回波信号和运动目标回波信号的差值，

由式(3)和多普勒频移公式可得：

当运动目标进入监测区域后长时间处于静止状态(例如车辆在监测区域内发生故障)，此时，毫米波雷达输出平均距离值波形将产生突变，如图10所示，图中y轴为毫米波雷达的回波强度，回波强度的峰值对应的x轴的值为输出的平均距离，(a)图和(b)图分别为检测到运动物体前后毫米波雷达输出的平均距离值。气象上规定24小时降水量为5cm或以上的强降雨称为暴雨。计算模型设定1s后h′值由突然增加5cm或5cm以上，即检测到干扰目标；

当监测到运动目标时，速度值v＞0，过滤对应输出的产生的平均距离

当检测到毫米波雷达输出平均距离值波形突然发生变化时，判定有运动目标停止在监测区域，过滤对应输出的产生的平均距离

S3.4：输出积水深度数据和实时视频叠加：

排除干扰目标后，如果前一时刻发射的电磁波与后一时刻发射回的电磁波信号的中频信号频率f不存在变化，则说明原始位置一直没有变化，路面积水的高度h为0，表示地面没有积水；如果前一时刻发射的电磁波与后一时刻发射回的电磁波信号的中频信号频率有变化，则表示地面有积水，积水的高度即为h，当道路积水状态超过一定的阈值，积水深度超过15cm，发出报警，并将状态标红，视频模块15同时输出道路积水点实时视频，积水数据及状态信息同步叠加在视频上。

S4：传输和发布道路积水信息：

将采集到的积水深度数据和现场视频通过4G无线传输模块或光纤实时传输到远程监测中心，积水深度信息发布至积水点来车方向安装的可变情报板上；可变情报板预设为三种状态，分为：“前方道路没有积水，道路畅通”、“前方道路积水深度X米，请车辆减速行驶”“前方道路积水深度X米，禁止通行”；同时，根据道路积水报警信息，市政工作人员实时通过短信、微信公众号、移动客户端等媒介，向市民发布道路积水警报。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.一种城市道路积水监测装置，其特征在于：包括雷视一体机和用于安装雷视一体机的支撑杆，所述支撑杆安装于道路路侧，所述雷视一体机通过电源接口与外部电源模块连接，电源模块提供24V直流电源，所述雷视一体机内部设有毫米波雷达模块、视频模块、控制模块，控制模块通过CAN总线驱动，实现与毫米波雷达模块的通信，根据积水深度计算模型，完成数据分析，获得道路积水点的积水深度数据和积水状态信息，并将积水深度数据和积水状态信息同步叠加在视频模块上，视频模块通过图像接口与控制模块连接，输出道路积水点实时视频，所述雷视一体机通过以太网接口和网络传输模块通信，实现与远程监控中心后台信息交互，所述监控中心后台将预警信息通过可变情报板、短信、微信公众号、移动客户端媒介发布；

利用所述城市道路积水监测装置进行城市道路积水监测方法，具体包括以下步骤：

S1：选取道路积水监测点：

选取下凹式立交桥、下穿隧道城市道路低洼路段和历史道路积水点作为监测点；

S2：安装雷视一体机：

在距监测点3～40米范围内，选择路侧适宜处安装高度6米的支撑杆，并将雷视一体机安装于支撑杆悬臂上，使得雷视一体机雷达发射角度正对道路积水监测点方向，雷视一体机采用市电或是太阳能板供电，采用4G无线传输模块或是光纤进行网络数据传输；

S3：构建道路积水深度计算模型，计算道路积水深度值h；

S4：传输和发布道路积水信息：

将采集到的积水深度数据和现场视频通过4G无线传输模块或光纤实时传输到远程监测中心，积水深度信息发布至积水点来车方向安装的可变情报板上；可变情报板预设为三种状态，分为：“前方道路没有积水，道路畅通”、“前方道路积水深度X米，请车辆减速行驶”“前方道路积水深度X米，禁止通行”；同时，根据道路积水报警信息，市政工作人员实时通过短信、微信公众号、移动客户端媒介，向市民发布道路积水警报；

所述道路积水深度计算步骤如下：

S3.1：标定地面初始位置：

毫米波雷达不断向积水监测点地面发射电磁波信号，并接收反射回来的电磁波信号，处理和计算的过程如下：

根据77GHz毫米波雷达的工作原理，雷达发射线性调频连续波，发射信号碰到目标物体后被反射回来，产生回波信号，发射信号和回波信号的进行相干混频，当目标物体是相对静止时，回波信号与发射信号的延迟时间为τ：

式(1)中：R–雷达与目标物体的距离；C–光速；

根据等比关系，可以得到发射信号与回波信号的频率差即为混频输出的中频信号频率f：

式(2)中：T–调频连续波周期；ΔF–调频带宽；

由式(1)和式(2)，得到：

雷视一体机标定地面初始位置，雷达天线发射仿圆锥形波束形态照射到地面的平均距离为

其计算公式为：

式(4)中，n为雷达天线发射仿圆锥形波束形态照射范围内地面的目标数，fi为地面第i个目标的中频信号频率，i＝1，2，...，n，

S3.2：判断道路积水深度计算值h：

路面积水的高度h为：

式(5)中：θ–雷视一体机安装的俯仰角，

为雷达天线发射仿圆锥形波束形态照射到地面的平均距离，

为雷达天线发射仿圆锥形波束形态照射到积水面的平均距离；

由式(4)和式(5)，得到路面积水的高度h：

式(6)中，f₁i为在路面积水情况下，地面第i个目标的中频信号频率，i＝1，2，...，n，m为雷达天线发射仿圆锥形波束形态照射范围内积水面的目标数，f₂j为积水面第j个目标的中频信号频率，j＝1，2，...，m，

S3.3：排除干扰目标：

当有运动物体进入监测区域时，毫米波雷达可以检测到运动目标，并同步输出平均距离值为

和速度值v，计算可得运动物体高度h′，

毫米波雷达检测到运动目标的发射信号和回波信号，上升沿和下降沿的中频信号的频率分别为：

f_b+＝f₀-f_d， (7)

f_b-＝f₀+f_d， (8)

式中，f₀表示静止目标回波信号频率最低时发射信号的频率，f_d为静止目标回波信号和运动目标回波信号的差值，

由式(3)和多普勒频移公式可得：

当运动目标进入监测区域后长时间处于静止状态，此时，毫米波雷达输出平均距离值波形将产生突变，计算模型设定1s后h′值由突然增加5cm或5cm以上，即检测到干扰目标；

当监测到运动目标时，速度值v＞0，过滤对应输出的产生的平均距离

当检测到毫米波雷达输出平均距离值波形突然发生变化时，判定有运动目标停止在监测区域，过滤对应输出的产生的平均距离

S3.4：输出积水深度数据和实时视频叠加：

排除干扰目标后，如果前一时刻发射的电磁波与后一时刻发射回的电磁波信号的中频信号频率f不存在变化，则说明原始位置一直没有变化，路面积水的高度h为0，表示地面没有积水；如果前一时刻发射的电磁波与后一时刻发射回的电磁波信号的中频信号频率有变化，则表示地面有积水，积水的高度即为h，当道路积水状态超过一定的阈值，积水深度超过15cm，发出报警，并将状态标红，视频模块同时输出道路积水点实时视频，积水数据及状态信息同步叠加在视频上。

2.根据权利要求1所述的一种城市道路积水监测装置，其特征在于：所述悬臂长1米，所述支撑杆的顶端安装有太阳能板，所述支撑杆上悬挂有控制箱，所述控制箱内设有供电和网络传输模块。

3.根据权利要求1所述的一种城市道路积水监测装置，其特征在于：所述雷视一体机内置200万像素高清摄像头，摄像头可扩展至500万、800万和1300万像素。

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