多车道机动车尾气PM2.5遥测装置

摘要

本发明提供了一种多车道机动车尾气PM2.5遥测装置，由路况检测单元、牌照检测单元、车辆速度加速度检测单元、风速风向检测单元、PM2.5检测单元、控制单元与数据处理单元等组成。本发明可以检测单向或双向多车道路面车辆行驶的实时状况，并能在多车道只有一辆车行驶时，在短时间内检测出车辆的车牌号、速度、加速度以及尾气中PM2.5的浓度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多车道机动车尾气PM2.5遥测装置，属于环境检测技术领 域以及光电检测技术领域。具体涉及光学、数学、光电检测技术，图像处理技 术、仪器仪表技术、多传感器数据融合技术，多点通信技术，计算机软件技术， 机械制造技术，传感器技术等。

背景技术

机动车尾气PM2.5遥测装置可以在车辆正常行驶状态下完成尾气PM2.5浓 度检测，是一种基于消光法的无需采样、非接触式、实时快速的PM2.5检测装 置。微量振荡天平法和β射线吸收法是目前主流的PM2.5监测方法，二者都需 要对环境空气进行采样和切割，将PM2.5沉积在滤膜上，再直接或间接的测量 PM2.5浓度，虽然测量准确，但测量周期长，并且设备庞大，难以应用于机动 车尾气PM2.5浓度的遥测。有相关产品将PM2.5吸入封闭区域，创造理想的缺 乏干扰的环境，测量数据较为准确，但是成本较高且测量周期长。相比以上方 法，本专利是基于消光法的PM2.5检测方法，适用于大量机动车辆快速实时的 PM2.5浓度的遥测，其原理简单、仪器成本低、测量范围宽、测量速度快，只 需要测量不同波长的光束透射被测空气前后光强的变化，经过数据分析即可得 到相对准确的PM2.5数量浓度，在一定的误差允许范围内，可再转换为PM2.5 质量浓度。本发明有两个难点，其一是车道流量较大时，在不影响车辆正常行 驶的情况下，快速检测并筛选出超标车辆；其二是在自然环境中进行检测，干 扰极多，如何将干扰全部加入数据分析，并获取相对准确的PM2.5浓度值，尤 为关键。

发明内容

本发明的目的在于解决机动车尾气PM2.5遥测的难题，筛选出车道上对环 境空气PM2.5浓度贡献较大的车辆。同类产品的测量手段有两点不足，一是对 环境要求较为严格，不能有太多干扰，一般做法是将含PM2.5的气体吸入一个 封闭体内，在一个较为理想的环境下测量；二是测量周期较长。本发明的最大 特点就是测量速度快，检测过程不对车辆的行驶造成影响，所以不可能将含有 PM2.5的气体吸入封闭体内进行检测。而且在车流量较大时，如果每次测量时 间间隔很短，较长的测量周期显然不能适应这种路况，所以本发明旨在解决如 上难题。

本发明所述的多车道机动车尾气PM2.5遥测装置要解决上述问题采用的技 术方案是这样实现的：

一种多车道机动车尾气PM2.5遥测装置，其特征在于，由路况检测单元、 牌照检测单元、车辆速度加速度检测单元、风速风向检测单元、PM2.5检测单 元、控制单元与数据处理单元组成，其中，

所述的路况检测单元由路况摄像机、视频检测器组成，路况摄像机安装在 道路上方，分为两组，分别对行驶方向拍摄车道双向的车辆行驶状况，视频检 测器接收来自路况摄像机的图像，判断是否满足在短时间内只有一辆车通过 PM2.5检测点的条件，并将结果传给控制单元与数据处理单元；

所述的牌照检测单元由牌照摄像机、视频捕捉卡、牌照识别模块组成，牌 照摄像机分为两组，安装在车道两侧，拍摄通过PM2.5检测点的双向车辆的牌 照，视频捕捉卡对牌照摄像机的拍摄图像进行抓拍处理，牌照识别模块从抓拍 的多帧图像中筛选出包含车牌完整图像信息的一个帧，进行牌照识别，将获取 的牌照信息传给控制单元与数据处理单元；

所述的车辆速度加速度检测单元主要由三组激光发生器、接收器、以及以 接收器信号为触发源的计时器组成，三组激光发生器以一定距离间隔置于车道 一侧，发射激光水平穿射车道，位于车道另一侧的三个接收器中任意一个接受 到光强下降沿信号，即会触发计时器进行清零与时间数据存储操作，控制单元 与数据处理单元将得到车辆速度加速度检测单元获取的三个时刻，依此计算出 车辆速度和加速度；

所述的风速风向检测单元主要由风速传感器和风向传感器组成，两个传感 器安装在PM2.5检测单元附近，获取监测车道上的风速和风向数据，并传给控 制单元和数据处理单元；

所述的PM2.5检测单元主要由多波长激光发射器、接收器和数据采集单元 组成，紫光、绿光、红光以及近红外光的激光光源在光强闭环控制下保持恒定 的光强，发出的光束经汇聚和平行化处理，水平透射车道，车道另一侧对透射 光进行汇聚后，接收器检测出各波段光强，数据采集单元对接收器的数据进行 采集、分析、优化、存储，并传给控制单元与数据处理单元；

所述的控制单元，根据接收到的路况检测单元对路况的检测结果，进行整 个系统工作状态的选取，并根据当前系统工作状态发出相应控制信号给各个检 测单元，数据处理单元处理各个检测单元传来的数据，完成车辆速度加速度的 计算、PM2.5浓度的计算、修正与优化。

进一步的，实现了对多车道机动车快速、实时的PM2.5浓度的遥测，并通 过检测车辆的行驶状态和风速风向对PM2.5浓度检测值进行修正与优化，同时 筛选出对环境PM2.5贡献较大的车辆。

本发明的原理在于：

多车道机动车尾气PM2.5遥测装置，由路况检测单元、牌照检测单元、车 辆速度加速度检测单元、风速风向检测单元、PM2.5检测单元、控制单元与数 据处理单元组成。

路况检测单元获取当前路况信息，并将数据传给控制单元与数据处理单元， 通过分析当前路况以决定整个系统的工作状态。若路况满足短时间内可能只有 一辆车通过PM2.5检测点的条件，则控制单元对各单元发出控制指令，使整个 系统处于“工作”状态；若短时间内可能没有车辆或有多辆车同时通过监测点， 则控制单元对各单元发出控制指令，使整个系统保持“准备”状态。

牌照检测单元在“工作”状态下，对经过PM2.5检测点车辆的牌照进行抓 拍，在牌照识别后，将车辆牌照信息和车辆经过监测点的时刻传给控制单元与 数据处理单元；在“准备”状态下，牌照检测单元将停止工作。

车辆速度加速度检测单元的激光发射器和接收器保持工作，在“工作”状 态下，计时器记录车辆通过时，三个接收器分别接收到光强下降沿信号的时刻， 将这三个时刻传给控制单元和数据处理单元；在“准备”状态下，计时器停止 对接收器信号的监测。

风速风向检测单元中的风速传感器和风向传感器保持工作，仅当在“工作” 状态下，将监测数据传给控制单元与数据处理单元。

PM2.5检测单元中多波长激光发射器和接收器保持工作，仅当在“工作” 状态下，数据采集单元开始连续监测各波长激光光强的变化，并将一段时间内 的采样值实时地传给控制单元与数据处理单元。

控制单元与数据处理单元接收路况检测单元传来的路况信息，将工作状态 的控制信号传给系统中其他单元；接收车辆速度加速度检测单元传来的三个时 刻，结合已知的各组激光发射器、接收器间距，计算出车辆速度和加速度，并 判定车辆的运行状态，同时与车辆牌照进行关联；接收PM2.5检测单元传来的 数据，初步计算出PM2.5数量浓度，再利用风速风向检测单元传来的数据与车 辆速度加速度检测单元传来的数据进行修正，之后利用牌照检测单元传来的车 辆牌照信息和车辆经过PM2.5检测点的时刻，完成PM2.5检测结果与车辆牌照 间的关联。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）、本发明可以监测单向或双向多车道路面车辆行驶的实时状况，准确 获取短时间内多车道上只有一辆车行驶时的尾气中PM2.5数量浓度、速度、加 速度和车牌号；

（2）、本发明所使用的“消光法”利用透射光能的减弱来反演出PM2.5的 真实浓度，是一种非接触式的测量方法，不同于传统的重量法和目前流行的 beta射线法、微量振荡天平法，测量过程中不需要通过切割器进行气体采样。 消光法可以在不干扰车辆正常行驶的情况下，通过透射车辆排放的尾气，完成 PM2.5遥感测量；

（3）、为了配合长时间无人值守工作需要，通过添加标准气体吸收池和支 持远程控制的位移平台方法实现标准样气校准自动化。另外，为系统设计添加 网络传输接口，并完成支持网络传输的系统框架搭建，使系统具有支持插入式 有线或无线遥测数据传输组建的功能；

（4）、采用分层软件系统构架方案，根据实际系统需要完成的功能和硬件 连接结构将整个软件系统分为：硬件连接层、后台处理层和前台界面层。其中 硬件连接层用于封装与主机连接的各种外设，包括设备的连接方式、数据通信 方法、具体的通信指令和数据采集等；后台处理负责数据的处理和各种功能的 实现，后台本身是完整的系统，能够与各种设备一起独立运行；前台界面层主 要提供人机交互界面和各种数据的显示，前台本身不完成具体的功能，需要时 通过与后台接口交互完成；

（5）、为完成遥测设备的有线/无线网络接入，在遥测设备软件架构中，增 加数据通道注册管理模块，支持插件式组件装载，实现数据发送、数据显示、 远程控制等功能的定制输出。同时，为不同网络接入方式设计不同的数据传输 模块，以与数据传输平台集成。在工作时，遥测设备根据自身配置自动装载不 同的算法模块，从而实现设备网络系统集成的自适应。

附图说明

图1为本发明多车道机动车尾气PM2.5遥测装置的单元示意图；其中，1 为路况检测单元，2为风速风向检测单元，3为车辆速度加速度检测单元，4为 牌照检测单元，5为PM2.5检测单元板；

图2为本发明多车道机动车尾气PM2.5遥测装置的路况检测示意图；

图3为本发明多车道机动车尾气PM2.5遥测装置的车辆速度、加速度检测 单元示意图；

图4为本发明多车道机动车尾气PM2.5遥测装置的PM2.5检测单元示意图；

图5为激光器电路控制框图；

图6为激光器电路图；

图7为机动车经过PM2.5检测点前后各谱线强度变化示意图；

图8为本发明多车道机动车尾气PM2.5遥测装置的示意图。

具体实施方式

下面就本发明多车道机动车尾气PM2.5遥测装置采取的技术方案做进一步 说明：

如图1所示，本发明所述多车道机动车尾气PM2.5遥测装置，由路况检测 单元、牌照检测单元、车辆速度加速度检测单元、风速风向检测单元、PM2.5 检测单元、控制单元与数据处理单元等组成。

1.路况检测单元由路况摄像机、视频检测器组成。

路况摄像机可以是一台视频摄像机或数码相机，安装在道路上方，分为两 组，分别对车辆行驶方向拍摄车道双向的车辆行驶状况，选择合适的安装位置、 角度或增加摄像机数量，使各个车道的路面图像都能被拍摄到，且保证两个车 辆行驶方向上拍摄区域与PM2.5检测点的距离相同。路况摄像机安装遮雨盖， 若需要在夜间监测，还可安装补光灯。路况摄像机与视频检测器连接，可将其 所获取的图像送至视频检测器处理。

视频检测器包括一台处理设备，可以是一台工控机或其它处理器。视频检 测器接收来自路况摄像机的图像，进行处理，并实现同控单元制与数据处理单 元的通讯。

如图2所示，视频检测器将路况摄像机的每帧图像中各个车道划分为A、B、 C三段，每段长度为一个车长（中小型车辆），约4-5米。取无车辆经过时路面 图像作为灰度比较的背景，当有车辆经过检测区域时会改变该区域在拍摄图像 上的灰度值。通过检测各个车道上A、B、C区域内灰度的变化，确定各区域内 是否有车辆。在两个方向上视频摄像机拍摄区域与PM2.5检测点距离一致且较 近的情况下，仅当只有一个方向上的一个车道的A区域有车，而任意方向任意 车道的B、C区域无车时，则满足短时间内将只有一辆车经过PM2.5检测点的条 件。

视频检测器将路况判定结果通过无线的方式传给控制单元与数据处理单 元。

2.牌照检测单元由牌照摄像机、视频捕捉卡、牌照识别模块组成。

牌照摄像机可以是视频摄像机或数码相机，安装于车道一侧的云台上。两 台牌照摄像机在两个方向上车辆通过PM2.5检测点是拍摄车辆的牌照，牌照摄 像机与视频捕捉卡连接。视频捕捉卡位于一台处理设备内，可以是一台工控机 或其它处理器。在“工作”状态下，视频捕捉卡对牌照摄像机传来的图像进行 抓拍，获取牌照图片。牌照图片经处理设备内的牌照识别软件，转化成车牌号， 同牌照拍摄时间一起由无线方式传给控制单元与数据处理单元。在“准备”状 态下，视频捕捉卡和牌照识别软件暂时停止工作。

3.车辆速度、加速度检测单元由三组激光发生器、接收器、以接收器信号 为触发源的计时器等组成。

采用红外激光发射管和相应的红外激光接收器组成三组平行车道的测量装 置，如图3所示。31、32、33为红外激光发射管，34、35、36为红外激光接收 器，三组光路以间隔L1、L2严格平行且垂直车辆行驶方向。

计时器由单片机实现。在“工作”状态时，计时器持续监测三个接收器的 下降沿信号。记录接收器36、35、34下降沿出现的时刻为T1、T2、T3。通过 有线或无线方式传给控制单元与数据处理单元，完成车辆速度和加速度的计算。 其中：

选取T3作为测量时间，用于与车牌信息的关联。

4.风速风向检测单元中的风速传感器和风向传感器直接和控制单元与数据 处理单元所在的处理设备相连，所检测的风速和风向（以与PM2.5检测光路的 夹角形式）数据直接由数据处理单元用于PM2.5检测数据的修正。

5.PM2.5检测单元由多波长光束发射端、接收端和数据采集单元等组成， 如图4所示。

多波长激光发射器由多个不同波长的激光器组成，市面上常见的成品激光 器无法调节亮度，而且没有反馈，无法稳定亮度，所以本发明只采用市面上的 激光二极管和聚光元件，而控制电路由自己制作完成。由于市面上能购买到的 激光二极管品种有限，考虑到本发明需求，故采用近红外激光、红色激光、绿 色激光、蓝色激光。由于没有绿色激光二极管，需要用近红外光调制。多个激 光器的光路并列平行地穿过车道，对应每个激光器，有一个以光电池为光电转 换元件的接收端。

由于光电池的线性区较窄，而仪器设备放置好后需要保证激光发射器的光 强适中，防止在检测时进入光电池的饱和区。而光强的选择在仪器放置好后由 终端控制自动完成。为了保证光强的稳定性，只采用电流负反馈明显不行，必 须加入光强负反馈，以实现压控光强与光强的稳定。本发明并不使用过于复杂 的控制方式，仅仅采用电流环-光强环双闭环深度负反馈即可达到效果。其控制 框图如图5所示。其中A₁、A₂为放大倍数，趋向于无限大，F₁、F₂为反馈系数， K为电流-光强系数。由于采用了深度负反馈，所以每个环的输入输出关系仅由 反馈系数决定，只要反馈系数稳定，就能实现良好的控制效果。输入电压和光 强的关系为1/F₁。

在电路实现时，由于运算放大器的开环增益很大，所以电流环可用压控电 流源实现，光强环可由压控电压源实现。电路图如图6所示。

6.控制和数据处理单元包含一台放置在路边的处理设备，可以是一台配置 较高的工控机或其他处理器，具有多个通信接口，通信方式可以为无线或有线 方式。

控制和数据处理单元接收路况监测单元对路况的检测结果，判定当前系统 的工作状态，并将此以控制信号方式发送给系统其他单元。

控制和数据处理单元接收PM2.5检测单元传来的4组不同波长谱线的入射 光强、透射光强数据，利用消光法测量原理和最优化方法，得出尾气中颗粒粒 径分布函数和单位体积内颗粒总数，再积分求和得出PM2.5数量浓度。由消光 法原理可知：

$\ln (I/I_0)=-\frac{\pi }{4}\mathrm{LN}{\int }_a^{b}N\left(D\right)D^2{k}_{\mathrm{ext}}(\lambda ,D,m)\mathrm{dD}---\left(1\right)$

其中，I为透射光强度，I₀为入射光强度，N为单位体积内颗粒总数，L为 光程，a、b为颗粒尺寸下限和上限，N(D)为引入的颗粒数计的尺寸分布函数 （可改写为双参数函数），D为颗粒直径，k_ext(λ,D,m)为消光系数（λ为 透射光波长，m为颗粒物折射率，k_ext由合适的近似公式求取）。

利用最优化方法实现函数中双参数的求取：

$\min =\underset{l=1}{\overset{m}{\Sigma }}{[\frac{\ln {(I/I_0)}_i}{\ln {(I/I_0)}_j}-\frac{{\int }_a^{b}N(D,\bar{D},k){\mathrm{Dk}}_{\mathrm{ext},i}\mathrm{dD}}{{\int }_a^{b}N(D,\bar{D},k){\mathrm{Dk}}_{\mathrm{ext},j}\mathrm{dD}}]}^{2}i\ne j,a<\bar{D}<b,k>0---\left(2\right)$

通过求解最优化问题式（2），得到由式（1）得到单位体积内颗 粒总数N，积分求和得PM2.5数量浓度为若误差允许，可求PM2.5 质量浓度为其中ρ为颗粒物密度，但存在较大误差。谱线强 度变化如图7所示。

控制单元与数据处理单元将计算出的PM2.5数量浓度经风速风向数据修 正，得出最终PM2.5浓度检测结果。对光谱测量时刻与牌照拍摄时刻进行比较， 将PM2.5检测结果关联到对应车辆的车牌号。同时完成车辆速度和加速度检测 结果与对应车牌好的关联。最终根据车辆的运行状态和尾气PM2.5浓度检测值， 筛选出对环境空气PM2.5贡献较大的车辆。

本发明多车道机动车尾气PM2.5遥测装置中各单元相对位置如图8。61a、 61b为路况摄像机，检测双向道路上车辆行驶状况。62a、62b为牌照摄像机， 拍摄经过PM2.5检测点车辆的牌照。63a、63b、63c分别为三组红外激光发生 器、接收器和实现计时功能的单片机。64为风速和风向检测装置。65a为多波 长光束发射端，65b为对应的多波长光束的接收端，二者构成PM2.5检测主体。 66为实现控制和数据处理单元及其他部分单元数据采集、处理单元的处理设 备。