多车道机动车尾气遥测装置 【技术领域】
本发明涉及一种多车道机动车尾气遥测装置，属于环境技术领域。
背景技术
机动车尾气遥测系统可以在车辆正常运行状态下完成尾气排放检测，与怠速法和工况法的尾气排放检测方式相比，更能反映路面的实际排放情况。机动车尾气遥测装置需要将检测光束(IR或(和)UV)穿过排放的尾气气团，所以应该在道路两边分别放置光源发射器和接收器，或将发射器与接收器放在道路同一侧，光反射器在道路另一侧。该装置可以在单车道路面对通过检测光束的车辆进行尾气排放测量，并将测量结果与同步摄像记录的车牌照号相对应。机动车尾气遥测技术是筛选高排放车辆的有效方法。但是，在多车道(2车道或2车道以上)实现机动车尾气遥测存在路面设施安装的条件限制。目前国内外的尾气遥测系统都是在单条车道上进行工作的，例如在路面较宽、车辆较少的多车道中临时隔离出一个车道，或者在高速路收费口或立交桥单条匝道上进行。这种情况对于实验研究是可以接受的，但如果要在城市主要道路上进行真实路况下的尾气排放检测，对高排放车辆进行筛选，并且不影响路面正常行驶，就会非常困难，甚至无法实现。
现有的多车道尾气遥测专利提出的方法具有很大的应用局限，或者无法实际应用。例如，(1)在两条车道间的隔离墩内安装反射器或某类装置，而每条车道间具有隔离墩的道路是很少的，所以这种方法在绝大多数道路上是无法使用的；(2)按照现有方式在道路两侧设置尾气遥测设备，在两辆车同时通过光束时，利用某种算法来推算每量车的尾气排放量，这种设备有相当大的不确定性，难以实际应用。
【发明内容】
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种多车道机动车尾气遥测装置，对在单向或双向多车道上行驶的机动车尾气排放进行实时遥测与自动监测，识别出行驶车辆是否为污染排放车辆。
本发明的技术解决方案：多车道机动车尾气遥测装置，由车辆路况识别单元、车牌照记录单元、车辆速度和加速度测量单元、红外和紫外吸收光谱法污染气体监测单元、控制和数据分析处理单元组成，其中：
车辆路况识别单元由位于道路上方的路况摄像机、视频检测器和路况控制计算机组成；路况摄像机安装在道路上方，根据所选择的安装位置和角度，使路况摄像机可拍摄到2-4车道的路面图像，路况摄像机与视频检测器连接，将其所获取的图像送至视频检测器处理；
视频检测器接收来自路况摄像机的图像，将路况摄像机获取的多车道路面图片划分成三个与道路方向垂直的连续路段，然后在每个路段内设置虚拟线圈，模拟实际的车辆检测器，以此来判断每条车道的三个路段上是否有车辆行驶，同时将每条车道三个路段的路况信息传送给路况控制计算机；路况控制计算机与视频检测器、控制和数据分析处理单元进行通讯，将视频检测器送来的多条车道的三个路段的路况信息组合，形成是否满足在多车道上进行尾气遥测的编码，然后发送给控制和数据分析处理单元；
车牌照记录单元包括车牌摄像机、安装在车辆路况识别单元中路况控制计算机内的视频捕捉卡及牌照抓拍处理和识别模块；每条车道均设有车牌摄像机，安装在道路上方，完成对所在车道上行驶的被测车辆的车牌图像获取，车牌摄像机与路况控制计算机内的视频捕捉卡连接，传送车辆的车牌图像；安装在路况控制计算机中的牌照抓拍处理和识别模块对车牌摄像机拍摄的车辆图片进行处理，获取车辆的车牌信息，按照路况控制计算机的通信方式，将处理结果送至控制和数据分析处理单元；
车辆速度和加速度测量单元：该单元由位于道路两侧排列的三组光发射器与接收器、计时处理模块组成；车辆行驶通过测试区时三组光发射器发出三个光束先后被遮挡，计时处理模块根据遮挡时间计算出车辆行驶的速度和加速度，计时处理模块具有与控制和数据分析处理单元的通信功能，将检测到得车辆速度与加速度数据传送给控制和数据分析处理单元；车辆速度和加速度测量单元在获取测量信号之后给车牌照记录单元、红外和紫外吸收光谱法污染气体监测单元发送启动信号；
红外和紫外吸收光谱法污染气体监测单元：包括红外测量部分、紫外测量部分和信号处理装置；红外测量部分测量尾气中的CO和CO2的红外吸收光谱，根据红外标准吸收谱反演测量浓度；紫外部分测量尾气中NO和HC的紫外吸收光谱，根据紫外标准吸收谱反演测量浓度；信号处理装置接收来自红外测量部分和紫外测量部分的各种尾气的排放信息，进行计算处理，得到车辆各种尾气的排放值，信号处理装置具备与控制和数据分析处理单元的通信功能，将得到的车辆尾气排放数据传送给控制和数据分析处理单元；
控制和数据分析处理单元，接收来自车辆路况识别单元送来的多车道三条路段的路况编码信息，自动解码并分析解码后的路况信息，判断是否符合系统检测条件；当符合系统检测条件时，给车牌照记录单元、车辆速度和加速度测量单元、红外和紫外吸收光谱法污染气体监测单元发送准备工作信号，对车辆进行检测；控制和数据分析处理单元接收来自车牌照记录单元、车辆速度和加速度测量单元、红外和紫外吸收光谱法污染气体监测单元的各检测结果，进行数据分析、处理、匹配和存储，并通过通信接口将分析处理后的车辆信息发送给远端数据控制中心。
本发明与现有技术相比的有益效果是：可以获取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多种尾气浓度、速度、加速度和车牌号，还可完成多车道上同时有多辆车行驶时的尾气初步分析和车牌号获取。
【附图说明】
图1为本发明多车道机动车尾气遥测系统地单元示意图；
图2为本发明的多车道机动车尾气遥测系统的路况分析示意图；
图3为本发明的多车道机动车尾气遥测系统的速度和加速度单元功能示意图；
图4为本发明的多车道机动车尾气遥测系统的污染气体监测单元工作原理图；
图5本发明的多车道机动车尾气遥测系统的示意图。
【具体实施方式】
本发明提出了一种置于道路两侧和上方对在单向和双向多车道上行驶车辆的尾气进行实时遥测的监测系统。本发明采用视频路况识别对多车道车辆行驶位置识别，采用红外吸收光谱法、紫外差分吸收光谱法对车辆尾气中的污染物CO、CO2、NO、NO2、HC和烟尘进行自动监测。
如图1所示，本发明的多车道机动车尾气遥测装置由车辆路况识别单元、车牌照记录单元、车辆速度和加速度测量单元、红外和紫外吸收光谱法污染气体监测单元、控制和数据分析处理单元组成。
1.多车道车辆路况识别单元由位于道路上方的路况摄像机、视频检测器和路况控制计算机组成。
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，根据所选择的安装位置和角度，使路况摄像机可拍摄到2-4车道的路面图像。路况摄像机附带安装遮雨盖，系统若需要在夜间监测，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，可以一台工控机或其它处理器。视频检测器完成对路况摄像机获取的图像进行处理和与其它设备之间的通讯，如路况控制计算机。图像处理可采取如下的方法：接收来自路况摄像机的图像，将摄像机获取的多车道路面图片划分成三个与道路方向垂直的连续路段，然后在每个路段内设置虚拟线圈，模拟实际的车辆检测器(如地感线圈)，以此来判断每条车道的三个路段上是否有车辆行驶。视频检测器可以将每条车道三个路段的路况信息传送给路况控制计算机，通讯方式可采取有线或无线方式。
路况控制计算机包括一台处理设备，可以是一台工控机或其它处理器。路况控制计算机可与视频检测器和控制和数据分析处理单元进行通讯，通讯方式可采取有线或无线方式。路况控制计算机选将视频检测器送来的各条车道的三个路段的路况信息组合，形成是否满足在多车道上进行尾气遥测的编码，然后发送给控制和数据分析处理单元。
2.车牌照记录单元包括车牌摄像机和放置在路况控制计算机内的视频捕捉卡、牌照抓拍处理和识别模块。
每条车道有一套车牌摄像机，车牌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，车牌摄像机附带安装遮雨盖，系统若需要在夜间监测，还可安装补光灯。车牌摄像机完成对所在车道上行驶的被测车辆的车牌图像获取。车牌摄像机通过电缆或其它方式与路况控制计算机内的视频捕捉卡连接，传送车辆的车牌图像。
安装在路况控制计算机中的牌照抓拍处理和识别软件对车牌摄像机拍摄的车辆图片进行处理，获取车辆的车牌信息，如车牌颜色和车牌号。根据路况控制计算机的通信方式，还可以将处理结果送至控制和数据分析处理单元。
3.车辆速度和加速度测量单元：该单元可以是位于道路两侧排列的三组光发射器、反射器、接收器及计时处理模块。可采取激光光束或其它光束，发射器可以是发光二极管或其它发射装置，反射器可以是平面镜、角反射器或其它反射装置，接收器可选用光敏管或其它接收装置，计时处理模块可选用单片机系统或其它处理模块。车辆行驶通过测试区时先后遮挡三个光束，计时处理模块分别对遮挡时间进行计时，并根据光束之间的距离计算出车辆行驶的速度和加速度。计时处理模块具有与计算机控制和数据分析处理单元的通信功能，如通过单片机的串行口，将检测到得车辆速度和加速度数据传送给控制和数据分析处理单元。车辆速度和加速度测量单元在获取测量信号之后给车牌照记录单元、红外和紫外吸收光谱法污染气体监测单元发送启动信号，使得被测车辆的各测量数据能够对应起来。该单元可以将发射器和接收器安装在道路的一侧，反射器安装在道路的另一侧，发射器发射的光束通过反射器回到接收器；该单元也可以不放置反射器，而将发射器和接收器分别放置在道路的两侧。该单元也可采取其它合适的处理方法和检测方法。
红外和紫外吸收光谱法污染气体监测单元：包括红外测量部分、紫外测量部分和信号处理装置。红外测量部分通过调谐激光波长测量尾气中的CO和CO2的振转吸收线强度，根据红外标准吸收谱反演测量浓度。紫外部分测量尾气中NO和HC的紫外吸收光谱，根据紫外标准吸收谱反演测量浓度。
信号处理装置包括一台处理设备，可以是一台工控机或其它处理器。信号处理装置接收来自接收器的各种尾气的排放信息，进行计算处理，得到车辆各种尾气的排放值。信号处理装置具备与控制和数据分析处理单元的通信功能，通信方式可以是无线或有线方式。信号处理装置将得到的车辆尾气排放数据传送给控制和数据分析处理单元。
4.控制和数据分析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它处理器，并具有至少一个通信接口，通信方式可以是无线或有线方式。
控制和数据分析处理单元接收来自多车道车辆路况识别单元送来的多车道三条路段的路况编码信息，自动解码并分析解码后的路况信息，判断是否符合系统检测条件。当条件符合时，给车牌照记录单元、车辆速度加速度测量单元、红外和紫外吸收光谱法污染气体监测单元发送准备工作信号，对车辆进行检测。
同时控制和数据分析处理单元接收来自车牌照记录单元、车辆速度加速度测量单元、红外和紫外吸收光谱法污染气体监测单元的各检测结果，进行数据分析、处理、匹配和存储，并通过通信接口将分析处理后的车辆信息发送给远端数据控制中心。
如图1，本发明的工作过程如下，车辆路况识别单元检测出多车道路况信息，进行编码送至控制和数据分析处理单元解码，控制和数据分析处理单元判断是否满足尾气检测条件，若满足，则结合速度加速度单元、红外和紫外吸收光谱法污染气体监测单元、车牌照记录单元发送准备信号，当车辆经过速度和加速度单元检测时，速度和加速度单元给车牌照记录单元发送启动信号开始拍照，给红外和紫外吸收光谱法污染气体监测单元发送启动信号开始检测，保存数据，最后各检测单元将检测数据传给控制和数据处理单元，进行数据匹配、分析，做进一步处理、保存，发送给远端数据控制中心。
控制和数据处理单元为检测数据建立一个数据库，控制和数据处理单元向各单元发送准备信号之后，各单元进行检测并将检测数据发送回，控制和数据处理单元将所有数据进行格式转换，并作为数据库中的一个字段存储，每条数据作为字段中的一条记录。同时以检测数据为基础，产生可视化监视界面。
如图2，视频检测器将路况摄像机获取的每一帧图像中的车道分为3段，并且在每一段放置一个虚拟线圈21，比如在路面上画一道横线，来模拟实际的车辆检测器，如地感线圈，在相同背景下，通过分析图像灰度的变化来判断该路段有没有车辆，正常情况下，短时间内环境变化不明显，图像灰度变化也大，而当有车经过时，虚拟线圈位置的灰度发生明显变化，可以对图像灰度变化值设置一个阈值，作为判断是否有车通过的依据。为防止前后车辆尾气排放的干扰，A路段和C路段的距离约为一个车长(中小型车辆)，约4-5米。B段约为两个车长，约8-10米。路况控制计算机根据各车道路段的车辆状态信息进行编码，编码可以有多种方式，最后由通讯接口(无线或有线的方式)传送给控制和数据处理单元解码，判断是否满足检测条件。
下面给出路况信息编码的一个例子。如图2，每条车道分为A、B和C三个路段，若视频检测器检测到某路段上有车编码1，无车编码0。那么如果车道1的A路段无车，B路段无车，C路段有车，则车道1的编码为001。此时若车道2、车道3和车道4的编码分别为010、011和110，则该时刻路况的编码为001 010 011 100。
如图3，车辆速度和加速度测量单元的三组发射器和接收器34放置在道路一边，反射器35放置在道路的另一边。三组发射器发出的光束31、32、33穿过道路，经反射器35反射回来，由三组接收器接收。当车辆经过速度和加速度测量单元时，三组发射器发出的三束光线31、32、33依次被阻挡，启动内部计时处理模块进行计时，计时处理模块中计时电路分别得到汽车通过光线31与32、32与33的时间分别为T1和T2，光束之间的距离分别为L1和L2，则计时处理模块中的计算单元计算出汽车在该时间段内的速度加速度也可根据其它方法计算出速度与加速度。若此时系统处于检测状态，速度和加速度测量单元给车牌照记录单元、红外和紫外吸收光谱法污染气体监测单元发送启动信号，同时通过通讯接口将所测得的数据发送给控制和数据分析处理单元。
如图4，红外测量部分测量尾气中的CO和CO2的红外吸收光谱，根据红外标准吸收谱反演测量浓度。红外测量部分包括控制逻辑电路、电流控制单元、温度控制单元、红外发射器(可选用可调谐二极管激光器、红外半导体激光器或其它红外发射器)、反射器、红外接收器、信号处理电路和A/D转换。控制逻辑电路给出扫描信号和调制信号使得电流控制单元和温度控制单元正常工作，控制红外半导体激光器的工作温度和驱动电流，在驱动电路的作用下，红外半导体激光器发出特定波长的红外光线横穿道路，经车辆尾气吸收后的红外光由红外接收器接收，转换为电信号，经信号处理电路放大、滤波、A/D转换后，微弱模拟信号变为控制能够识别的数字信号，送至信号处理装置(可以为工控机)。
上述可以将红外发射器安装在道路的一侧，红外接收器安装在道路的另一侧，或者红外发射器和红外接收器安装在道路的同一侧，反射器安装在道路的另一侧。
如图4，紫外测量部分测量尾气中NO和HC的紫外吸收光谱，根据紫外标准吸收谱反演测量浓度。紫外测量部分包括紫外发射器驱动电路(本发明选用氘灯驱动电路)、紫外发射器(本发明选用氘灯)、反射器和紫外接收器(本发明选用光谱仪)。氘灯驱动电路为氘灯提供正常工作的驱动电流与电压，氘灯发出特定波长的紫外光线横穿道路，经车辆尾气吸收后的紫外光线由光谱仪接收，从而得到吸收光谱，最后将结果送至信号处理装置(可以为工控机)。
可将紫外发射器安装在道路的一侧，紫外接收器安装在道路的另一侧，或者紫外发射器和接收器安装在道路的同一侧，反射器安装在道路的另一侧。
当然红外测量装置和紫外测量装置也可以从市场上购买，只要能够测量CO和CO2的红外吸收光谱和NO和HC的紫外吸收光谱即可。
红外测量部分和紫外测量部分的原理基于Beer-Lambert定律：
I(λ)＝I0(λ)exp(-σ(λ)cL)
其中，I(λ)为透射光光谱强度，I0(λ)为激光的初始强度，σ(λ)为波长λ处的分子吸收系数，c为吸收物质的浓度，L为总的光程。根据红外接收器检测光强，从而计算CO和CO2的浓度；根据光谱仪检测值，从而计算NO和HC的浓度。
如图5所示，本发明的路况摄像机52、视频检测器53和路况控制计算机54安装在多车道路面上方，选择合适的路况摄像机放置位置和角度，一台路况摄像机可监视2-4条车道，每条车道上方安装一台车牌摄像机51。速度和加速度测量单元56a和56b与红外和紫外吸收光谱法污染气体监测单元55a和55b放在道路的两侧，控制和数据分析处理单元，即工控机57安装在路边或监测车内。
当短时间多车道只有一辆车时，路况摄像机52将获取的图像传送给视频检测器53分析，视频检测器53然后将分析结果送给路况控制计算机54编码，路况控制计算机54再把编码信息发送给工控机57。工控机57根据解码结果通知红外和紫外吸收光谱法污染气体监测单元55a和55b和相应车道的车牌摄像机52准备工作，当车辆通过车辆速度和加速度单元时，三对发射器56a发出的可见光陆续被阻挡，根据阻挡时间计算出车辆的速度与加速度，同时启动红外和紫外吸收光谱法污染气体监测单元55a和55b和车牌摄像机52。车辆经过红外和紫外吸收光谱法污染气体监测单元55a和55b时，通过红外光和紫外光分别被部分吸收检测出各污染气体的排放值。同时，车牌摄像机51拍摄到车辆的图片信息，送至路况控制计算机54进行处理和牌照识别，然后，所有检测数据送至工控机57进行处理和发送。
当短时间内有多辆车通过时，例如两辆车。路况识别系统分析该情况并编码至工控机57。工控机57解码后，判断是否满足检测条件(例如，如图2，每条车道的B路段有车，而A、C路段无车，视为满足检测条件，即编码等于010 010 010 010的时刻开始检测。满足后通知相应两车道的车牌摄像机51准备工作。检测结果应该小于等于两车排放之和，通过设置判别阈值(例如，当地CO的排放上限为M，阈值可设为a*M，a的范围由在该地进行的实验结果确定)，可以对是否存在高排放车辆(由于不同城市允许排放的浓度上限不同，只要超过当地设定的排放上限即视为高排放车辆)进行初步判断。对于可疑情况，可根据所获取的车牌信息进行再分析或人工审核。对于两辆车以上的情况可类似处理。