本發(fā)明屬于交通安全及智能交通領域，尤其是基于紅外光譜技術的公路結冰檢測與預警系統(tǒng)及其方法。

背景技術：

每年高速公路因路面結冰引起的重大交通事故屢見報端，給國民經濟帶來了巨大損失。高速公路網是支撐國家經濟發(fā)展、服務群眾生活、保障應急疏散的生命線及保障國家安全的重要戰(zhàn)略資源設施，具有車速快、車流密集、封閉等特點。高速公路上的橋梁、隧道、高架、樞紐等重點路段，低溫時路面極易覆蓋冰雪層，導致交通環(huán)境復雜，存在引發(fā)重特大交通事故的隱患，極易造成區(qū)域性交通擁堵，影響社會經濟的發(fā)展。要盡量減少冰雪路面導致的重特大交通事故頻率，降低事故的嚴重程度，就必須對高速公路潛在安全隱患作預判斷，并發(fā)出警報，同時及時采取防范措施。

目前，我國在惡劣天氣條件下路面狀況預警的相關研究較少，本發(fā)明基于紅外光譜技術能精準的分析道路及橋梁的路面狀況，準確預測路面積水的結冰趨勢，并及時預警。

技術實現要素：

為了解決現有技術存在的問題，提供一種基于紅外光譜技術的公路結冰檢測與預警系統(tǒng)及其方法，以實現對惡劣天氣條件下路面狀況的檢測及結冰趨勢時的預警。

具體地，本發(fā)明提出的方案為：一種基于紅外光譜技術的公路結冰檢測與預警系統(tǒng)，包括：

信息發(fā)布模塊，設置在預警中心或區(qū)域控制中心，用于顯示路面狀況信息和發(fā)送短消息；

光發(fā)送模塊，用于發(fā)出不同波長的紅外光脈沖；

光接收模塊，設置在待檢測的道路和橋梁上，用于采集光反射信號；

控制模塊，通過光端機或無線通訊方式與光發(fā)送模塊和光接收模塊相連，用于將光接收模塊采集的信息轉換后傳遞給數據分析與控制系統(tǒng)；

數據分析與控制系統(tǒng)，與光發(fā)送模塊、控制模塊和信息發(fā)布模塊相連，通過分析數字控制模塊傳遞來的數據，對當前路段的路面狀況進行評價，并通過所述的信息發(fā)布模塊進行實時顯示和報警。

優(yōu)選的，所述光發(fā)送模塊可發(fā)送至少兩種波長的紅外光脈沖。所述的上位機還包括時間模塊，所述的時間模塊與數據控制模塊相連，并控制信息發(fā)送模塊發(fā)射紅外線脈沖的間隔時間。控制模塊將光接收模塊的紅外光脈沖信號處理后發(fā)送到數據分析與控制系統(tǒng)；所述數據分析與控制系統(tǒng)計算不同波長紅外光的反射率，并計算反射率的比值，根據上述反射率和反射率的比值，判斷路面的狀況。所述紅外光脈沖的波長為2900nm和3050nm；所述數據分析與控制系統(tǒng)用于計算波長為2800nm紅外線的反射率和波長為3050nm紅外線的反射率，計算兩者的比值，根據該比值判斷路面狀況。

進一步的，本發(fā)明還提供了一種基于紅外光譜技術的公路結冰檢測與預警方法，包括以下步驟：

步驟1、通過光發(fā)送模塊分別發(fā)出第一波長范圍的紅外光脈沖和第二波長范圍的紅外光脈沖；

步驟2、利用光接收模塊接收反射的第一波長范圍的紅外光脈沖和第二波長范圍的紅外光脈沖，計算反射的第一波長范圍的紅外光脈沖的強度；同時，利用不同角度的反射透鏡將第二波長范圍內的第一預定波長的紅外光脈沖和第二預定波長的紅外光脈沖分離，計算反射的第一預定波長的紅外光脈沖和第二預定波長的紅外光脈沖的強度；

步驟3、控制模塊接收反射的第一波長范圍的紅外光脈沖的強度數據、反射的第一預定波長的紅外光脈沖和第二預定波長的紅外光脈沖的強度；計算第一預定波長的紅外光脈沖和第二預定波長的紅外光脈沖的反射率，并發(fā)送到數據分析與控制系統(tǒng)；

步驟4、數據分析與控制系統(tǒng)分析接反射的第一波長范圍的紅外光脈沖的強度數據、第一預定波長的紅外光脈沖和第二預定波長的紅外光脈沖的反射率；計算第一預定波長的紅外光脈沖的反射率與第二預定波長的紅外光脈沖的反射率的比值；

步驟5、根據反射的第一波長范圍的紅外光脈沖的強度數據，以及第一預定波長的紅外光脈沖的反射率與第二預定波長的紅外光脈沖的反射率的比值，判斷路面是否有結冰危險；若判斷該路面不存在結冰危險，則在信息發(fā)布模塊上發(fā)布路面情況，返回步驟1；若判斷該路面存在結冰危險，則在信息發(fā)布模塊上發(fā)布結冰報警信息，并以短信形式發(fā)送到相關人員的終端設備。

優(yōu)選的，所述第一波長范圍為1.4-2.4微米，所述第二波長范圍為2.4-3.2微米；所述第一預定波長的紅外光脈沖的反射率與第二預定波長分別為2900nm和3050nm。

進一步的，提供一種基于紅外光譜技術的公路結冰檢測與預警方法，包括如下步驟：

步驟1：光發(fā)送模塊在上位機系統(tǒng)與數字控制模塊的控制下，分別發(fā)出1.4~2.4微米和3.2微米波長的紅外光脈沖照射在待檢測的路面和橋面上；

步驟2：光接收模塊利用光學反射原理，利用不同角度的反射透鏡，將2900nm和3050nm的兩個光波分開，利用不同位置的光強檢測器，同時測量2900nm和3050nm波長的光反射信號，并將光反射強度數據通過光端機或無線通訊方式傳遞到數字控制模塊；

步驟3：所述數字控制模塊將光反射強度數據轉換成光的反射率，并傳遞給上位機系統(tǒng)；

步驟4：所述的上位機系統(tǒng)對傳遞來的數值進行分析處理，并得出當前所傳遞的數據對應的路面狀況信息；

步驟5：所述的上位機系統(tǒng)根據所述的路面狀況信息進行實時評價，判斷路面是否有結冰危險；若判斷該路面不存在結冰危險，則在信息發(fā)布模塊上發(fā)布路面情況，返回步驟1；若判斷該路面存在結冰危險，則在信息發(fā)布模塊上發(fā)布結冰報警信息，并以短信形式通知負責道路養(yǎng)護和道路交通安全的人員，返回步驟1；

所述步驟1進一步包括如下步驟：

步驟11：分別用不同波長的紅外光照射不同介質，觀察不同介質在不同波長紅外光照射下反射光強的差異，進而獲得區(qū)分不同介質的紅外光的波長，得出照射波長為1.4~2.4微米，以區(qū)分干燥路面、有水路面或有雪路面；

步驟12：用波長為2900nm和3050nm的反射率的比值作為區(qū)分干燥、潮濕和冰路面狀況的指標；

步驟5中判斷路面是否存在結冰危險的方法包括以下步驟：

步驟51：通過光接收模塊所接收的反射率數據，獲得當前道路對不同波長光信號的反射強度。

步驟52：計算接收模塊接收的3050nm波長和2090nm波長的反射率比值Fi/Fj，Fi是波長為3050nm時的反射率，Fj是波長為2900nm的反射率；若Fi/Fj的比值小于1.5時，則判定該檢測路面為干燥路面，不存在結冰危險；若Fi/Fj的比值為1.5-3時，則判定該檢測路面為不同水膜厚度的潮濕路面；若3<Fi/Fj<5，則判定該檢測路面具有結冰或積雪危險；若Fi/Fj>5時，則判定該檢測路面為不同冰層厚度的結冰路面。

更近一步的，提供一種基于紅外光譜技術的公路結冰檢測與預警方法，包括如下步驟：發(fā)射第一波長和第二波長的紅外線脈沖至待測位置；分別接收第一波長和第二波長的紅外線脈沖的反射光，分別計算其反射率以及反射率的比值；根據該比值判斷路面的狀況。

優(yōu)選的，所述第一波長為2900nm，第二波長為3050nm；反射率比值為Fi/Fj，其中，Fi是波長為3050nm時的反射率，Fj是波長為2900nm的反射率；

若Fi/Fj的比值小于1.5時，則判定該檢測路面為干燥路面，不存在結冰危險；若Fi/Fj的比值為1.5-3時，則判定該檢測路面為不同水膜厚度的潮濕路面；若3<Fi/Fj<5，則判定該檢測路面具有結冰或積雪危險；若Fi/Fj>5時，則判定該檢測路面為不同冰層厚度的結冰路面。

與現有技術相比，本發(fā)明采用紅外光譜技術，通過光接收模塊接收波長不同的紅外光被在不同介質反射后光譜強度，來判斷道路路面狀況，實現對路面狀況的實時監(jiān)測，并提前向道路養(yǎng)護者發(fā)送路面情況信息。當有結冰危險發(fā)生時，將在電子屏上顯示結冰危險信息，并以短信的形式通知道路養(yǎng)護及交通安全人員。這一發(fā)明的使用將有效的降低由于道路結冰引起的交通事故，極大程度上提高了冬季惡劣天氣條件下道路的交通安全。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的流程圖。

圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。

具體實施方式

如圖1和圖2所示，本發(fā)明的基于紅外光譜技術的公路結冰檢測與預警系統(tǒng)主要包括以下模塊：

信息發(fā)布模塊，設置在預警中心或區(qū)域控制中心，與上位機系統(tǒng)（數據分析與控制系統(tǒng)）相連，具有顯示路面狀況信息和發(fā)送短信的功能。

光發(fā)送模塊，又稱光源驅動模塊，受上位機系統(tǒng)與數字模塊的控制，可發(fā)出不同波長的紅外光脈沖。

光接收模塊，設置在待檢測的道路和橋梁上，采用光學接收鏡頭，用以采集光反射信號。

數字控制模塊，通過光端機或無線通訊方式與上位機系統(tǒng)、光發(fā)送模塊和光接收模塊相連，負責將光接收模塊采集的信息轉換后傳遞給上位機系統(tǒng)。

上位機系統(tǒng)（數據分析與控制系統(tǒng)），分別與數字控制模塊和信息發(fā)布模塊相連，通過分析數字控制模塊傳遞來的數據，對當前路段的路面狀況進行評價，并通過所述的信息發(fā)布模塊進行實時顯示和報警。

本發(fā)明的主要工作過程是：發(fā)射第一波長和第二波長的紅外線脈沖至待測位置；分別接收第一波長和第二波長的紅外線脈沖的反射光，分別計算其反射率以及反射率的比值；根據該比值判斷路面的狀況。

具體地，第一波長和第二波長優(yōu)選為2900和3050nm的紅外線；在實際應用中，工程上允許存在一定的偏差，例如2900±50nm，和3050±20nm。同時，第一波長和第二波長是人為定義的，可以交換順序或者采用其他描述方式。

為了獲得該方案，申請人對現有技術進行了深入的研究?，F有的檢測方法有多種，包括熱學法、電學法、機械法、波導法和光學法，其中光學法主要有近紅外檢測法和紅外吸收光譜法。近紅外檢測法主要利用反射光的強度值對路面情況進行判斷，反射光的性質主要取決了路面的材料（瀝青、水、冰和雪等對紅外光的吸收不同）和路面的粗糙度（影響光的散射）。當結冰時，路面變得光滑，散射光會向反射光轉變。同時，冰層越厚，反射光越少，通過該原理，可以對冰層進行測厚。但是該方法存在明顯的問題，由于其接收和計算的是反射光的強度，無法對反射光的來源進行分析，在積水路面、結冰路面和光滑的雪地上時，是無法對其進行詳細分析的，為此，有技術人員采用多個波長進行分別檢測和判斷，不同的波長對應檢測不同的介質，以確定不同的路況。同時當路面由于各種原因造成較為粗糙時，反射光的值變小，超出檢測范圍，影響檢測的效果。另外，這種方法的檢測范圍較小，車轍與車轍之間的不同路面狀況也會存在誤報的情況。紅外吸收光譜是通過透射光強對冰層進行分析，根據朗伯比爾定律判斷冰層厚度，其存在的問題是，冰層要位于光路上，當冰層中還有雜質時，會嚴重影響測量精度，同時，由于信號強度本身就很小，在發(fā)生散射或者其他情況時，信號失真嚴重，精度較差，無法在戶外長期穩(wěn)定運行。因此，如何對不同介質進行識別，提高識別的準確性和系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性是亟需解決的問題。

為了解決這一問題，申請人對不同介質的反光特性進行了分析和研究。

首先，分別用不同波長的紅外光照射不同介質（冰、水、雪、空氣），觀察不同介質在不同波長紅外光照射下反射光強的差異，進而獲得區(qū)分不同介質的紅外光的波長，得出照射波長為1.4~2.4微米；

上一步驟可有效區(qū)分干燥路面、有水路面或有雪路面。但由于冰凍路面和有水路面的反射光強基本相同，無法區(qū)分路面是有水還是冰凍路面。繼續(xù)觀察波長從2.4到3.2微米范圍內的反射光譜。經過實驗和詳細的數據分析，申請人發(fā)現：

當紅外線波長在2900nm時的反射率與在3050nm的反射率存在一定關系，而且關系非常穩(wěn)定，利用波長為2900nm和3050nm的反射率的比值作為區(qū)分干燥，潮濕，冰路面狀況的指標。也就是說，不同介質對紅外線反射光強的影響不僅在于反射強度，而且不同波長的紅外線反射率的比例是存在某種特定關系的。這說明不同介質對不同波長的紅外線影響是不同的。通過分析這種不同的影響，可以反推是何種介質。即使有外界因素影響信號時，也能夠更加精確的判斷介質的性質。

根據這一思路和創(chuàng)造性的發(fā)現，申請人經過大量實驗和數據分析，得到如下結論：

設反射率比值為Fi/Fj，其中，Fi是波長為3050nm時的反射率，Fj是波長為2900nm的反射率；若Fi/Fj的比值小于1.5時，則判定該檢測路面為干燥路面，不存在結冰危險；若Fi/Fj的比值為1.5-3時，則判定該檢測路面為不同水膜厚度的潮濕路面；若3<Fi/Fj<5，則判定該檢測路面具有結冰或積雪危險；若Fi/Fj>5時，則判定該檢測路面為不同冰層厚度的結冰路面。

同時，結合現有技術以及申請人對1.4-2.4微米的紅外線反射光強的分析，可以通過反射率以及反射率的比例綜合判斷路面狀況，從而獲得更加準確的結果。

總結一下，本發(fā)明的方法主要過程如下：

步驟1：光發(fā)送模塊在上位機系統(tǒng)與數字控制模塊的控制下，分別發(fā)出1.4~2.4微米和3.2微米波長的紅外光脈沖照射在待檢測的路面和橋面上；

該步驟進一步包括：步驟11：分別用不同波長的紅外光照射不同介質（冰、水、雪、空氣），觀察不同介質在不同波長紅外光照射下反射光強的差異，進而獲得區(qū)分不同介質的紅外光的波長，得出照射波長為1.4~2.4微米；

步驟12：步驟11可有效區(qū)分干燥路面、有水路面或有雪路面。但由于冰凍路面和有水路面的反射光強基本相同，無法區(qū)分路面是有水還是冰凍路面。繼續(xù)觀察波長從2.4到3.2微米范圍內的反射光譜，實驗發(fā)現，當紅外線波長在2900nm時的反射率與在3050nm的反射率存在一定關系，而且關系非常穩(wěn)定，利用波長為2900nm和3050nm的反射率的比值作為區(qū)分干燥，潮濕，冰路面狀況的指標。

步驟2：光接收模塊利用光學反射原理，利用不同角度的反射透鏡，將2900nm和3050nm的兩個光波分開，利用不同位置的光強檢測器，同時測量2900nm和3050nm波長的光反射信號，并將光反射強度數據通過光端機或無線通訊方式傳遞到數字控制模塊；

步驟3：所述數字控制模塊將光反射強度數據轉換成光的反射率，并傳遞給上位機系統(tǒng)；

步驟4：所述的上位機系統(tǒng)對傳遞來的數值進行分析處理，并得出當前所傳遞的數據對應的路面狀況信息；

步驟5：所述的上位機系統(tǒng)根據所述的路面狀況信息進行實時評價，判斷路面是否有結冰危險；若判斷該路面不存在結冰危險，則在信息發(fā)布模塊上發(fā)布路面情況，返回步驟1；若判斷該路面存在結冰危險，則在信息發(fā)布模塊上發(fā)布結冰報警信息，并以短信形式通知負責道路養(yǎng)護和道路交通安全的人員，返回步驟1。

判斷路面是否存在結冰危險的方法包括以下步驟：

步驟51：通過光接收模塊所接收的反射率數據，獲得當前道路對不同波長光信號的反射強度。

步驟52：波長3050nm時的反射率為Fi，波長2900nm的反射率為Fj，計算接收模塊接收的3050nm波長和2900nm波長的反射率比值Fi/Fj，若Fi/Fj的比值約等于1時，則判定該檢測路面為干燥路面，不存在結冰危險；若Fi/Fj的比值約為2時，則判定該檢測路面為不同水膜厚度的潮濕路面；若3<Fi/Fj<5，則判定該檢測路面具有結冰或積雪危險；若Fi/Fj>5時，則判定該檢測路面為不同冰層厚度的結冰路面。

步驟52中，當3<Fi/Fj<5時，進一步判斷水中是否出現冰晶，當Fi/Fj達到閾值k（3<k<5）時，判定路面上的水膜將在t分鐘后結成冰，上位機系統(tǒng)對路面結冰進行預警。

為了實現上述方法，提供一種預警系統(tǒng)，其主要包括信息發(fā)布模塊、光發(fā)送模塊、光接收模塊、數字控制模塊和上位機系統(tǒng)。

光接收模塊是利用光學反射原理，利用不同角度的反射透鏡，將2900nm和3050nm的兩個光波分開，利用不同位置的光強檢測器，可同時測量2900nm和3050nm波長的光反射信號，該模塊設置在待檢測的道路和橋梁上。

信息發(fā)布模塊，設置在預警中心或區(qū)域控制中心，與上位機系統(tǒng)相連，具有顯示路面狀況信息和發(fā)送短信的功能。

光發(fā)送模塊，又稱光源驅動模塊，受上位機系統(tǒng)與數字模塊的控制，可發(fā)出不同波長的紅外光脈沖。

光接收模塊，采用光學接收鏡頭，用以采集光反射信號。

數字控制模塊，通過光端機或無線通訊方式與上位機系統(tǒng)、光發(fā)送模塊和光接收模塊相連，負責將光接收模塊采集的信息轉換后傳遞給上位機系統(tǒng)。

上位機系統(tǒng)，分別與數字控制模塊和信息發(fā)布模塊相連，通過分析數字控制模塊傳遞來的數據，對當前路段的路面狀況進行評價，并通過所述的信息發(fā)布模塊進行實時顯示和報警。

其中，所述的光發(fā)送模塊發(fā)出波長為2900nm和3050nm的紅外線，利用接收設備區(qū)分不同的波長反射光強。光接收模塊是利用光學反射原理，利用不同角度的反射透鏡，將2900nm和3050nm的兩個光波分開，利用不同位置的光強檢測器，可同時測量2900nm和3050nm波長的光反射信號。所述的上位機系統(tǒng)還包括時間模塊，所述的時間模塊與數據控制模塊相連，并控制光發(fā)送模塊發(fā)射信號的間隔時間，間隔時間一般以分鐘為單位，常用間隔時間可為5分鐘，也可設置為其他值，例如0.5分鐘，2分鐘，3分鐘，10分鐘等，這里僅作示例。

總之，與現有技術相比，本發(fā)明提供的基于紅外光譜技術的公路結冰檢測與預警方法更為準確、智能。本發(fā)明采用紅外光譜技術，通過光接收模塊接收波長不同的紅外光被在不同介質反射后光譜強度，判斷道路路面狀況，實現對路面狀況的實時監(jiān)測。當有結冰危險發(fā)生時，將在電子屏上顯示結冰危險信息，并以短信的形式通知道路養(yǎng)護及交通安全人員。這一發(fā)明的使用將有效的降低由于道路結冰引起的交通事故，極大程度上提高了冬季惡劣天氣條件下道路的交通安全。

以上詳細描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征，但是本發(fā)明并不限于上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的基本原理,在本發(fā)明的技術構思范圍內，可以對本發(fā)明的技術方案進行多種等同變換和改進，這些等同變換和改進均屬于本發(fā)明的保護范圍。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。