赵风财 肖广兵 张 涌

(南京林业大学 汽车与交通工程学院，南京 210037)

引言

隧道内车辆尾气混合空气中的水雾易覆盖在路表形成油腻性膜层，导致路面抗滑性能差，容易发生交通事故[1]，由于隧道的空间和视野限制，更增加了发生连环碰撞事故的几率。因此，隧道地面积累的油污需要及时清理，使其保证在安全标准以下。然而绝大多数隧道没有油污清理机制，少数采取固定时间清理，这很大程度上增加了隧道事故风险和资源的浪费。墙昌延[2]在路面湿滑处置时采取微表处技术，具有环保、易施工的特点，但是积水和高温都会影响效果。邱天勇等[3-4]在解决湿滑问题，改善抗滑性能时采取复做防滑构造法，防滑效果好，但是由于工程量大造成成本较高。

由汽车产生的油污积累造成的路面湿滑是导致路面抗滑性能不足主要原因之一，王星泽[5]釆用高光谱成像装置获取图像像素点在每个波段处的反射率值制作像素点光谱矢量与预存储的路面光谱矢量进行比对，从而实现地面油污、积水积累量的监测，对隧道油污的监测预警提供了技术支持，目前路面油污监测缺少合理可行的设计方案，因此需要一种有效的监测系统为油污监测预警的发展奠定基础。本文针对隧道油污积累的随机性，设计隧道油污监测系统，通过高光谱成像监测油污的积累量，数据由单片机发送给上位机进行分析、决策，实现油污超标自动预警同时向相关部门下达清理指令，使隧道中油污积累超标地点得到精准清理。相对传统的隧道湿滑处理[6-7]，实现油污的精准监测和清理，能够快速发现油污超标，消除隐患，降低人力物力的消耗，解决了油污监测难和大规模清理阻碍交通的问题，具有省时省力、简单高效等优点。

1 系统总体设计

隧道油污监测系统由油污监测系统、上位机控制模块、数据处理模块、油污清理模块构成。

系统的核心在于高光谱成像装置对油污积累量进行实时监测。高光谱成像装置将成像技术与光谱技术相结合，基于复合窄波段的影像数据，探测目标的二维几何空间及一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。分布在隧道里的高光谱成像装置会实时记录路面监测点的光谱信息并进行数据处理，将路面异常油污积累点的光谱信息与预储存的路面不同程度油污积累时对应的光谱矢量进行比较，从而识别出路面各点的油污积累量。

油污监测系统对隧道地面油污进行实时监控，并通过无线传感网络把数据发送到数据处理模块，单片机处理数据，把地面油污积累量传送至上位机终端。一旦油污积累量超过安全标准[8]，触发预警系统并把清理指令发送到相关部门，PC终端可以与相关部门取得双向联系，查看清理进度，指导油污清理。隧道油污监测系统如图1。

图1 系统结构

2 硬件电路设计

介绍下电路的组成，主要包括电源模块、MSP430控制模块和无线通信模块等。

2.1 电源模块设计

电源模块需要同时为控制模块和路面监测设备供电，MSP430单片机正常工作一般使用1.8-3.6V的直流电，而路面检测设备用电要求为220V交流电，因此电源供电需要分别按照不同的电压要求分为两路供电。按照图2电路，由集成稳压块LM7812通过匹配电阻R1和R2转化成5V直流，为控制模块供电。通过改变两端电容C2和C3的大小，可以发挥稳定电流的作用，在断电时候，电容C1的能量可以被R3和R4所吸收。该模块能够形成恒流稳压电路并完善地保护元器件，具有输出稳定性好、输出过流、过热自动保护等特点。

图2 电源模块电路

2.2 MSP430控制模块

MSP430单片机是一种16位的混合信号处理器，它具有功能强、超低功耗、片内资源丰富、开发环境方便高效等特点。MSP430系列采用精简指令集结构，能在25MHz晶体的驱动下实现125ns的指令周期，寻址方式丰富，具有灵活的运行时钟，另外，MSP430系列能够较好的降低芯片的电源电压[9]。

MSP430单片机实现对检测系统的数据的分析、处理和存储，同时把工作状态控制线和单向串行传输数据线提供给芯片nRF401[10]。路面数据信号经过AD转换器转换为数据信号，然后串行发送给RXD接口，单片机通过无线传感网络向上位机和清理部门传输数据，完成油污的检测。MSP430的电路设计如图3。

图3 MSP430处理器电路

2.3 无线通信模块

图4 无线通信电路

本文使用NORDIC公司研发的nRF401芯片，多信道双串口，FSK调制，采用PLL频率合成技术，灵敏度高达-105dBm，最大发射功率达+10dBm[11]。具有功耗小、传输距离远和低误码率的特点，较其他类别射频收发芯片有明显的优势。

各传感器节点之间的通信由无线通讯模块负责，使用时，通过单片机根据需要进行收发转换控制和状态转换。电路中，芯片的PWR_UP引脚是模式控制引脚； CS引脚控制发送接收频率； 数据输入和输出引脚用DIN和DOUT表示； LNA的输入由ANT1和ANT2接收[12]。电路设计如图4。

3 系统软件设计

系统软件设计采用Visual Basic6.0软件开发设计，主要包括油污监测预警程序设计、历史记录和设备检测程序设计[13]。

图5 系统主页面

如图5所示，系统主界面由油污监测、设备检测、历史记录、天气和设置五个部分组成，各自的的功能分别是查看隧道油污积累图； 控制设备开关及检测路面硬件设备工作情况； 查看历史隧道地面的积累和清理记录； 实时监测外界的天气情况； 软件界面调整。右上角是退出登录按钮。

图6 油污监测界面

图6是油污监测页面，由隧道选择、隧道各监测点油污积累量折线图、添加隧道、语音联系、安全标准等组成。收集到的数据经过单片机处理绘制出隧道各监测点油污积累量折线图，正常情况下数据点为绿色显示，油污超标状态下为红色。单片机处理各监测点的油污积累量数据，根据设置的油污积累安全标准，一旦路面油污积累量超标，系统会自动向相关部门报警并发送相关数据，并在收到相关部门的反馈信息后，显示已通知。油污超标时管理人员可通过语音联系功能主动寻找距离最近人员进行清理，也可以联系清理部门，查看清理进度，指导油污清理。同时管理人员可以通过添加隧道功能新增安装油污监测系统的隧道，并在隧道选择中显示。

图7 系统流程图

如图7所示，用户登录成功后进入功能区，系统的功能主要分为五部分，首先是油污监测，路面油污积累量超标时通知相关部门清理，经过清理，油污积累量达到安全标准，警报解除。设备检测界面可以进行设备检测、查看设备参数、控制设备开关，当数据缺少或不准确时可以通过设备检测排除故障，保障设备正常运行； 历史数据功能帮助用户查看各路段各监测点历史油污积累数据； 天气页面提供当天和未来五天的天气数据。

登陆该系统软件的核心是隧道油污监测，即得到隧道地面的油污积累量，从而实现自动报警和精准清理。外界信息除了高光谱成像装置获取的地面油污积累量，还包含天气数据及设备的工作状态。管理人员通过天气信息对清理人员进行合理安排，根据设备检测结果与维修人员联系，保证设备处在最佳状态[14]。

图8 历史记录页面

图8中展示的是隧道油污积累数据，数据查询分为隧道查询和路段查询，满足用户的各种查询需求。用户通过选择时间和隧道，查看各路段各隧道的油污积累量，并通过排序，比较得出该路段或隧道在整体中的易积累程度。该数据对总结油污积累规律和改进隧道建设[15]有重要作用，掌握隧道油污分布规律能够方便管理部门合理安排相关人员和设备资源，减少对人力物力的消耗。

图9 天气界面

考虑到天气情况对隧道油污积累以及高光谱成像装置的检测影响明显，为防止数据失准做好应对准备，系统提供当天及未来五天如图9中的天气数据，实时更新，用户可以提高管理部门决策的快捷性和准确性。

4 结论

本文利用高光谱成像技术实现隧道油污的实时监测，把自动预警技术运用到隧道油污监测中实现对油污的精准清理，减少了人工管理的繁琐和大规模处理的资源浪费。该系统结构简单，功能全面，能够满足一般隧道日常的管理。目前提供天气数据为管理提供辅助，但路面油污数据仍受其他因素影响，所以提高数据的准确度是进一步研究的主要目标。