基于智慧灯杆的路面沉降、积水监测系统及其方法

技术领域

本发明属于道路安全监测技术领域，特别涉及一种基于智慧灯杆的路面沉降、积水监测系统及其方法。

背景技术

道路的沉降和积水现象存在较大的安全隐患，路面沉降和路面积水容易导致恶性交通安全事故，因此需要对路面沉降和路面积水进行监测和预警。

现有路面沉降和路面积水监测，尤其是城市的路面沉降和路面积水监测，主要是采用预埋路面沉降监测传感器和液面传感器的方法，该方法的监测路段范围较小，监测区域呈散点分布，不能够对路面沉降和积水区域的位置、沉降深度及积水深度进行充分监测，不能及时将路面沉降灾害和路面严重积水等不利于道路安全的事件信息向外界发布，也不便于监测数据的存储备份，且使用维护成本较高。

为了克服上述现有技术所存在的监测路段范围较小，监测区域呈散点分布的缺陷，本领域技术人员提出了在热气球、飞艇等飞行设备上安装监控装置或者利用卫星遥感技术、探地雷达技术对路面沉降和路面积水状况进行监测的技术方案。然而，这些技术方案也存在一些缺陷：例如，在热气球、飞艇上安装监控装置的技术方案，不仅使用和维护成本高，而且难以确保不间断地检测；又如，卫星遥感技术所获得的监测结果相对较为宏观，仍需与其他监测技术结合起来，才能获得理想的技术效果；再如，在人流、车流较为密集的城市，探地雷达技术的使用具有较大的局限性。

发明内容

本发明的目的旨在以相对较低的使用和维护成本，有效解决上述现有技术所存在的监测路段范围较小，监测区域呈散点分布的缺陷。该发明目的是通过下述技术方案实现的：

一种基于智慧灯杆的路面沉降、积水监测系统，包括：摄像头、液位传感器、雨量传感器、卫星定位模块、信息广播显示模块、数据转换模块、时钟模块、数据库、智慧灯杆网关模块和中央处理器；摄像头、卫星定位模块、时钟模块、数据库分别与中央处理器通信连接，液位传感器、雨量传感器分别通过数据转换模块与中央处理器通信相连；中央处理器、智慧灯杆网关模块、信息广播显示模块两两之间通信连接。

在上述技术方案的基础上，本发明可采用下述技术手段对上述技术方案予以限定，以便更好地或者更有针对性地解决本发明所要解决的技术问题：

所述智慧灯杆网关模块还分别与无线通讯模块、有线互联网模块通信连接，所述数据库中的监测数据可通过智慧灯杆网关模块，经由无线通讯模块、有线互联网模块上传备份至云端服务器。

优选地，所述摄像头、液位传感器、雨量传感器、卫星定位模块、无线通讯模块、信息广播显示模块挂载安装在道路旁的智慧灯杆杆体上，所述时钟模块、数据转换模块、中央处理器、数据库、智慧灯杆网关模块、有线互联网模块集成安装在智慧灯杆杆体内部。

优选地，所述信息广播显示模块包括信息播报扬声器和信息发布显示屏，所述卫星定位模块为北斗定位模块，所述无线通讯模块为4G或5G无线通信模块。

优选地，所述摄像头为CCD或CMOS双目摄像头。

优选地，所述液位传感器为超声波液位传感器。

上述技术方案是本发明为适时监测路面沉降、积水状况而提供的硬件系统，与该硬件系统相配套，本发明还提供了一种路面沉降、积水监测方法，其工作步骤包括路面沉降、积水信息的采取、存储、处理和显示。

进一步地，所述路面沉降、积水信息的采取、存储、处理和显示是通过下述步骤实现的：

步骤1：在智慧灯杆安装完毕后，在摄像头所监测地面区域放置黑白棋盘格标定板，标定双目摄像头内、外参数，标定后撤走黑白棋盘格标定板，超声波液位传感器对无积水干燥路面的距离进行测量，标定超声波液位传感器的零液面高度输出电位。

步骤2：在所述中央处理器控制下，读取当前时钟模块输出时间数据，所述双目摄像头的左右摄像头采集初始地面图像，获得地面左右摄像头图像对，所述图像对按照三维匹配重建函数提交中央处理器求解计算，获得路面初始状态的三维坐标图，所述路面初始状态三维坐标图连同图像采集时间标签存储在所述数据库内。

步骤3-1：在所述中央处理器控制下，读取当前时钟模块输出时间数据，所述双目摄像头以固定帧率实时采集地面图像，获得地面实时左右摄像头图像对，所述图像对按照三维匹配重建函数提交中央处理器求解计算，获得路面实时状态的三维坐标图，所述路面实时状态三维坐标图连同图像采集时间标签存储在所述数据库内。

步骤3-2：在所述中央处理器控制下，计算对比路面实时状态三维坐标图与路面初始状态三维坐标图各像素点的坐标差值，记录各像素点的沉降深度，获得路面沉降位移场。

步骤3-3：将步骤3-2所述的沉降深度与预设的沉降阈值比较，以此判断每个像素点是否为沉降区域，标记沉降区域像素点，对沉降区域像素进行开运算和闭运算，得到连通的沉降区域，计算所述连通沉降区域的面积。

步骤3-4：将步骤3-2所述的沉降深度和步骤3-3所述的连通沉降区域面积与预设的三级路面沉降警报阈值比较，三级警报分别为轻微沉降、中度沉降和严重沉降，以此判断是否发出路面沉降警报和应该发出何种路面沉降警报：

(1)若路面沉降监测数据符合轻微沉降警报阈值条件，中央处理器将路面轻微沉降警报连同智慧灯杆所在北斗定位坐标和时间发送至智慧灯杆网关模块，智慧灯杆网关模块通过有线互联网模块，向城市交通路政管理部门发布路面轻微沉降警报信息和智慧灯杆路段位置；

(2)若路面沉降监测数据符合中度沉降警报阈值条件，中央处理器将路面中度沉降警报连同灯杆所在北斗定位坐标和时间发送至智慧灯杆网关模块，智慧灯杆网关模块通过有线互联网模块，向城市交通路政管理部门发布路面中度沉降警报信息和智慧灯杆路段位置，且中央处理器控制信息播报扬声器和信息发布显示屏发布路面中度沉降信息；

(3)若路面沉降监测数据符合严重沉降警报阈值条件，中央处理器将路面严重沉降警报连同灯杆所在北斗定位坐标和时间发送至智慧灯杆网关模块，智慧灯杆网关模块通过有线互联网模块，向城市交通路政管理部门发布路面严重沉降警报信息和智慧灯杆路段位置，并通过无线通讯模块，向通讯范围内的移动通讯端发布发生路面严重沉降灾害信息及智慧灯杆路段位置，且中央处理器控制信息播报扬声器和信息发布显示屏发布路面严重沉降信息；

否则，转到步骤3-1，重复步骤3-1到步骤3-4进行路面沉降监测。

步骤4-1：所述液位传感器和雨量传感器的输出电信号通过数据转换模块转换为数值数据，中央处理器从数据转换模块读取上述液位传感器和雨量传感器的数值读数，并控制信息发布显示屏显示路面积水深度和实时雨量，所述路面积水深度和实时雨量数据连同数据采集时间标签存储在所述数据库内。

步骤4-2：将步骤4-1所述液位传感器数值数据与预设的三级路面积水警报阈值进行比较，三级警报分别为轻微积水、中度积水和严重积水，以此判断是否发出路面积水警报和应该发出何种路面积水警报：

(1)若路面积水监测数据符合轻微积水警报阈值条件，中央处理器将路面轻微积水警报连同灯杆所在北斗定位坐标和时间发送至智慧灯杆网关模块，智慧灯杆网关模块通过有线互联网模块，向城市交通路政管理部门发布路面轻微积水警报信息和智慧灯杆路段位置，且中央处理器控制信息播报扬声器和信息发布显示屏发布路面轻微积水警报；

(2)若路面积水监测数据符合中度积水警报阈值条件，中央处理器将路面中度积水警报连同智慧灯杆所在北斗定位坐标和时间发送至智慧灯杆网关模块，智慧灯杆网关模块通过有线互联网模块，向城市交通路政管理部门发布路面中度积水警报信息和智慧灯杆路段位置，且中央处理器控制信息播报扬声器和信息发布显示屏发布路面中度积水警报；

(3)若路面积水监测数据符合严重积水警报阈值条件，中央处理器将路面严重积水警报连同灯杆所在北斗定位坐标和时间发送至智慧灯杆网关模块，智慧灯杆网关模块通过有线互联网模块，向城市交通路政管理部门发布路面严重积水警报信息和智慧灯杆路段位置，并通过无线通讯模块，向通讯范围内的移动通讯端发布发生路面严重积水信息及灯杆路段位置，且中央处理器控制信息播报扬声器和信息发布显示屏发出路面严重积水警报；

否则，转到步骤4-1，重复步骤4-1到步骤4-2进行路面积水监测。

优选地，在智慧灯杆进行路面沉降和路面积水监测时，所述步骤3-1和步骤4-1是同时进行的。

进一步地，所述中央处理器内预设三个路面沉降警报阈值条件，三个路面沉降警报阈值条件对应三个警报级别，三个警报级别分别对应三套警报方案。

进一步地，所述中央处理器内预设三个路面积水警报阈值条件，三个路面积水警报阈值条件对应三个警报级别，三个警报级别分别对应三套警报方案。

进一步地，所述云端服务器可通过调取智慧灯杆执行路面沉降监测任务以来任意两个时间点的路面实时三维状态坐标图，计算两个时间点内的路面沉降位移场及沉降速率。

本发明具有下述有益效果：

本发明充分利用广泛分布于道路两旁的智慧灯杆挂载用于监测路面沉降、积水的各种传感器及相关部件，不仅降低了成本，而且能够实现对大范围路面的沉降和积水现象进行监测。特别是，采用双目摄像头和超声波液位传感器等非接触式测量技术，结合智慧灯杆所挂载的卫星定位模块，本发明提供的监测系统能对路面沉降和积水区域的位置、沉降深度及积水深度进行高精度实时监测，且中央处理器能控制智慧灯杆搭载的信息播报扬声器、信息发布显示屏和4G或5G无线通讯模块向附近道路使用者发布路面沉降和路面积水警报信息，并通过有线互联网模块将路面沉降和路面积水警告信息发送至交通路政管理部门或平台，实现路面沉降和路面积水警报信息的快速发布，智慧灯杆数据库的监测数据可上传至云端服务器，便于监测数据的存储备份，有利于后续对路面沉降和路面积水监测数据的阅读研究，双目摄像头和超声波液位传感器为智慧灯杆的挂载设备，使用维护成本低。总之，本发明可有效监测路面沉降和路面积水，使用维护成本低，便于推广应用。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的系统结构示意图；

图2为本发明的一个实施例的外部结构示意图；

图3-1为控制本发明的一个实施例的工作过程的计算机程序的逻辑框图；

图3-2为图3-1所对应的计算机程序中的地面沉降警报子程序的逻辑框图；

图3-3为图3-1所对应的计算机程序中的地面积水警报子程序的逻辑框图。

图中：1—雨量传感器； 2—北斗定位模块；

3—4G或5G无线通讯模块； 4—摄像头；

5—信息播报扬声器； 6—智慧灯杆杆体；

7—信息发布显示屏； 8—液位传感器。

具体实施方式

以下结合附图，详细描述本发明的一个实施例所对应的技术方案及其工作方法。

如图1并结合图2所示，一种基于智慧灯杆的路面沉降、积水监测系统，包括：摄像头4、液位传感器8、雨量传感器1、北斗定位模块2、信息播报扬声器5、信息发布显示屏7、数据转换模块、时钟模块、数据库、智慧灯杆网关模块和中央处理器；摄像头、卫星定位模块、时钟模块、数据库、智慧灯杆网关模块分别与中央处理器通讯连接；液位传感器、雨量传感器分别通过数据转换模块与中央处理器通讯相连；信息播报扬声器5、信息发布显示屏7分别与中央处理器、智慧灯杆网关模块通讯连接；智慧灯杆网关模块分别与4G或5G无线通讯模块3、有线互联网模块通讯连接。

在本实施例中，所述摄像头4、液位传感器8、雨量传感器1、北斗定位模块2、4G或5G无线通讯模块3、信息显示装置挂载安装在道路旁的智慧灯杆杆体6上，所述时钟模块、数据转换模块、中央处理器、数据库、智慧灯杆网关模块、有线互联网模块集成安装在智慧灯杆杆体6内部。

优选地，摄像头4为CCD双目摄像头，摄像头4安装在智慧灯杆杆体6上部，安装方向对准监测路面。

优选地，液位传感器8为超声波液位传感器，液位传感器8安装在智慧灯杆杆体6外部，安装高度为距离监测路面的1.5米处，传感器超声波发出方向与监测路面垂直。

以上结合附图介绍了本发明的一个实施例的结构特征，以下进一步介绍其工作方法，包括下述步骤：

步骤1：在智慧灯杆安装完毕后，在摄像头4所监测地面区域放黑白棋盘格标定板，标定双目摄像头内、外参数，标定后撤走黑白棋盘格标定板，超声波液位传感器8对无积水干燥路面的距离进行测量，标定超声波液位传感器8的路面零积水高度的输出电位。

步骤2：在中央处理器控制下，读取当前时钟模块输出的时间数据，CCD双目摄像头4的左右摄像头同时采集初始地面图像，获得地面左右摄像头图像对，所述图像对按照三维匹配重建函数提交中央处理器求解计算，获得路面初始状态的三维坐标图，所述路面初始状态三维坐标图连同图像采集时间标签存储在所述数据库内。

步骤3-1：在中央处理器控制下，读取当前时钟模块输出的时间数据，CCD双目摄像头4以1帧/秒固定帧率实时采集地面图像，获得地面实时左右摄像头图像对，所述图像对按照三维匹配重建函数提交中央处理器求解计算，获得路面实时状态的三维坐标图，所述路面实时状态三维坐标图连同图像采集时间标签存储在所述数据库内。

步骤3-2：在中央处理器控制下，计算对比路面实时状态三维坐标图与路面初始状态三维坐标图各像素点的坐标差值，记录各像素点的沉降深度，获得路面沉降位移场。

步骤3-3：将步骤3-2所述的沉降深度与预设的沉降深度阈值5毫米比较，以此判断每个像素点是否为沉降区域，标记沉降区域像素点，对沉降区域像素进行开运算和闭运算，得到连通的沉降区域，计算连通沉降区域的面积。

步骤3-4：将步骤3-2所述的沉降深度和步骤3-3所述的连通沉降区域面积与预设的三级路面沉降警报阈值比较，三级警报分别为轻微沉降、中度沉降和严重沉降，以此判断是否发出路面沉降警报和应该发出何种路面沉降警报：

(1)若路面沉降监测数据符合轻微沉降警报阈值条件：沉降深度大于10毫米，且沉降区域面积大于2平方米，则中央处理器将路面轻微沉降警报连同灯杆所在北斗定位坐标和时间发送至智慧灯杆网关模块，智慧灯杆网关模块通过有线互联网模块，向城市交通路政管理部门发布路面轻微沉降警报信息和智慧灯杆路段位置；

(2)若路面沉降监测数据符合中度沉降警报阈值条件：沉降深度大于50毫米，且沉降区域面积大于1平方米，则中央处理器将路面中度沉降警报连同灯杆所在北斗定位坐标和时间发送至智慧灯杆网关模块，智慧灯杆网关模块通过有线互联网模块，向城市交通路政管理部门发布路面中度沉降警报信息和灯杆路段位置，且中央处理器控制信息播报扬声器5和信息发布显示屏7发布路面中度沉降警报信息，提醒过往车辆注意减慢车速；

(3)若路面沉降监测数据符合严重沉降警报阈值条件：沉降深度大于100毫米，且沉降区域面积大于0.5平方米，则中央处理器将路面严重沉降警报连同灯杆所在北斗定位坐标和时间发送至智慧灯杆网关模块，智慧灯杆网关模块通过有线互联网模块，向城市交通路政管理部门发布路面严重沉降警报信息和灯杆路段位置，并通过4G或5G无线通讯模块3，向通讯范围内的移动通讯端发布发生路面严重沉降灾害信息及灯杆路段位置，且中央处理器控制信息播报扬声器5和信息发布显示屏7发布路面严重沉降警报信息，提醒过往行人和车辆避免在该路段通行；

否则，转到步骤3-1，重复步骤3-1到步骤3-4进行路面沉降检测。

步骤4-1：所述液位传感器8和雨量传感器1的输出电信号通过数据转换模块转换为数值数据，中央处理器从数据转换模块读取上述液位传感器8和雨量传感器1的数值读数，并控制信息发布显示屏7显示路面积水深度和实时雨量，所述路面积水深度和实时雨量数据连同数据采集时间标签存储在所述数据库内。

步骤4-2：将步骤4-1所述液位传感器数值数据与预设的三级路面积水警报阈值进行比较，三级警报分别为轻微积水、中度积水和严重积水，以此判断是否发出路面积水警报和应该发出何种路面积水警报：

(1)若路面积水监测数据符合轻微积水警报阈值条件：积水深度大于30毫米，且小于50毫米，则中央处理器将路面轻微积水警报连同灯杆所在北斗定位坐标和时间发送至智慧灯杆网关模块，智慧灯杆网关模块通过有线互联网模块，向城市交通路政管理部门发布路面轻微积水警报信息和灯杆路段位置，且中央处理器控制信息播报扬声器5和信息发布显示屏7发布路面轻微积水警报；

(2)若路面积水监测数据符合中度积水警报阈值条件：积水深度大于50毫米，且小于100毫米，则中央处理器将路面中度积水警报连同灯杆所在北斗定位坐标和时间发送至智慧灯杆网关模块，智慧灯杆网关模块通过有线互联网模块，向城市交通路政管理部门发布路面中度积水警报信息和灯杆路段位置，且中央处理器控制信息播报扬声器5和信息发布显示屏7发布路面中度积水警报；

(3)若路面积水监测数据符合严重积水警报阈值条件：积水深度大于100毫米，则中央处理器将路面严重积水警报连同智慧灯杆所在北斗定位坐标和时间发送至智慧灯杆网关模块，智慧灯杆网关模块通过有线互联网模块，向城市交通路政管理部门发布路面严重积水警报信息和灯杆路段位置，并通过4G或5G无线通讯模块3，向通讯范围内的移动通讯端发布发生路面严重积水信息及智慧灯杆路段位置，且中央处理器控制信息播报扬声器5和信息发布显示屏7发布路面严重积水警报信息，提醒附近行人及车辆避免在此路段通过；

否则，转到步骤4-1，重复步骤4-1到步骤4-2进行路面积水监测。

在本实施例中，智慧灯杆对路面沉降和路面积水的监测是同时进行的。所述数据库中的数据可通过智慧灯杆网关模块，经由4G或5G无线通讯模块3和有线互联网模块实时将数据上传备份至云端服务器，以便后期查阅研究。云端服务器可通过调取智慧灯杆执行路面沉降监测任务以来任意两个时间点的路面实时三维状态坐标图，计算两个时间点内的路面沉降位移场及沉降速率。

如图3-1、图3-2、图3-3所示，上述工作步骤是在计算机程序的控制下完成的，其中，图3-1所显示的是该计算机程序的逻辑框图，图3-2所显示的是该计算机程序中的地面沉降警报子程序的逻辑框图，图3-3所示所显示的是该计算机程序中的地面积水警报子程序的逻辑框图。