УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЛИЧИЯ ШИПОВАННЫХ ШИН НА АВТОМОБИЛЕ
DEVICE FOR DETECTION OF VEHICLE SNOW TIRE AVAILABILITY

Изобретение относится к автоматизированным системам управления дорожным движением (АСУДД) и предназначено для ведения мониторинга количества автомобилей, а точнее осей автомобилей с шипованными шинами, а также для определения количества шипов на 1 погонный метр протектора шины.
Согласно имеющимся данным, использование шипованной резины приводит к ускоренному износу всех видов дорожных покрытий. В настоящее время нет технической возможности для обеспечения с надлежащей надежностью автоматического учета количества автомобилей или осей автомобилей с шипованной резиной. Это делает невозможным контроль использования шипованной резины в теплое время года, в условиях отсутствия снега, гололеда и гололедицы на автомобильных дорогах, а также фискальный контроль использования шипованной резины на платных дорогах. Также нет способов надежного автоматического измерения нормируемого показателя количества шипов на 1 погонный метр протектора шины. Эти факторы не позволяют вести автоматический учет сверхнормативной нагрузки на дорожное покрытие и осуществлять фискальные меры по снижению ненормативной нагрузки на дорожное покрытие от шипованных шин.
Известно устройство фиксации шипованной резины на транспортном средстве, заключающееся в установке пьезоэлектрических датчиков в элементы мостовых сооружений, фиксирующих колебания при проезде транспортных средств. Detection of Vehicles with Studded Tires Using Acoustic Emission Sensors Mounted to Highway Bridges / Thomas Schumacher; Christopher C. Higgins; and Steven C. Lovejoy // Journal of transportation engineering © ASCE - May 2010.
Указанное устройство обладает следующими недостатками:
- фиксируется только факт проезда транспортного средства с шипованной резиной, без возможности оценить параметры ошиповки;
- наличие ошиповки фиксируется только акустическим методом, без визуального подтверждения;
- не учитывается состояние покрытия - влажное/сухое.
Наиболее близким по своей технической сущности к описываемому изобретению является устройство для определения наличия шипованных шин на автомобиле, в котором с помощью комбинированной системы с применением как микрофонов для фиксации шума, так и видеокамер, для визуального подтверждения наличия ошиповки определяют наличие шипованных шин. Wuttiwat Kongrattanaprasert. Studies of the detection of road surface states using tire noise from passing vehicles / Dissertation for the degree of doctor of engineering - the University of Communications - September 2010.
Данное устройство обладает следующими недостатками:
- фиксируется только шум в слышимом диапазоне частот, в то время как шипованная резина способствует возникновению шума в ультразвуковом спектре;
- проезд транспортного средства фиксируется на обычную камеру, не позволяющую получить контрастное изображение шипов на автомобильной резине во время осадков.
Задачей изобретения является повышение достоверности данных о фактических воздействиях на дорожное покрытие от воздействия шипованных шин.
Технический результат, достигаемый при этом, заключается в том, что устройство позволяет получить косвенные данные не только о количестве шипов на погонный метр протектора шины, но и о массе шипа, а также о его разрушающей способности способом анализа спектра события удара шипа по измерительной плите с последующим вводом данных в платежные, и эксплуатационные АСУ и АСУДД.
Поставленная задача решается и технический результат достигается за счет того, что устройство для определения наличия шипованных шин на автомобиле содержит, по меньшей мере, один микрофон и камеру, при этом новым является то, что оно снабжено измерительной плитой из поликристаллического материала, ультразвуковым спектральным анализатором, устройством машинного распознавания удара шипа по измерительной плите в ультразвуковом диапазоне, представляющим собой компьютер, устройством машинного распознавания изображения шипа на протекторе шины, также представляющим собой компьютер, и представляющим собой компьютер устройством сопоставления данных, полученных устройствами машинного распознавания удара шипа и изображения шипа, датчиком скорости движения автомобиля по плите и датчиком влажности на поверхности измерительной плиты, при этом камера выполнена инфракрасной, а ультразвуковой микрофон жестко закреплен на измерительной плите или жестко заделан в измерительную плиту и соединен линией связи с ультразвуковым спектральным анализатором, который в свою очередь соединен линией связи с устройством машинного распознавания удара шипа, при этом оба устройства машинного распознавания подключены своими выходами к устройству сопоставления данных.
А также за счет того, что оно снабжено герметичным термостабилизированным боксом для установки камеры с системой обдува иллюминатора бокса для защиты от загрязнения и забрызгивания.
А также тем, что в качестве поликристаллического материала используют бетон или железобетон, или армированный серобетон, или полимербетон или металл.
А также тем, что измерительная плита установлена на шумовибропогощающем основании из битумной или резинобитумной мастики, или резины, или полиуретана.
А также тем, что измерительная плита может быть совмещена с плитой весов для взвешивания автомобилей без остановки движения.
На чертеже показана схема устройства для определения наличия шипованных шин на автомобиле.
Устройство для определения наличия шипованных шин на автомобиле содержит микрофон 1 или микрофоны ультразвукового диапазона, жестко закрепленные на измерительной плите 6 или жестко заделанные в измерительную плиту 6. Линию связи 2 между ультразвуковым микрофоном 1 и ультразвуковым спектральным анализатором 3. Линию связи 4 между спектральным анализатором 3 и устройством 5 машинного распознавания удара шипа 15 по измерительной плите 6 в ультразвуковом диапазоне, представляющим собой обыкновенный промышленный компьютер с промышленными версиями операционной системы Windows или иными операционными системами реального времени. Измерительная плита 6 выполнена из поликристаллического материала (бетонная, железобетонная, серобетонная, полимербетонная, стальная). Во всех случаях исполнения плита 6 устанавливается на шумовибропогощающем основании 14 из битумной, резинобитумной мастики, резины, полиуретана и т.д.). Плита 6 также включает систему подогрева плиты, исключающую образование льда и уменьшение пленки воды, блокирующей инфракрасное излучение, на плите 6. Возможно совмещение измерительной плиты 6 с плитой весов, последние также подключены к соответствующему компьютеру (на чертеже не показан) для предварительной сортировки транспортного потока по весу автомобилей без их остановки.
Устройство для определения наличия шипованных шин на автомобиле также содержит инфракрасную камеру 7, линию связи 8 между инфракрасной камерой 7 и устройством 9 машинного распознавания изображения шипа 15 на протекторе шины, также представляющим собой обыкновенный промышленный компьютер с промышленными версиями операционной системы Windows или иной операционной системы реального времени.
А также содержит представляющее собой обыкновенный промышленный компьютер с промышленными версиями оперативной системы Windows реального времени устройство 10 сопоставления данных устройства 5 машинного распознавания удара шипа 15 и устройства 9 машинного распознавания изображения шипа 15, выдающее сигнал о достоверности машинного распознавания ударов шипа 15, а также сопоставления количества ударов шипов 15 за время прохождения колеса 16 по измерительной плите 6 и количества шипов 15, распознанных инфракрасной камерой 7. Датчик 11 скорости движения автомобиля по плите 6. Датчик 12 влажности на поверхности измерительной плиты 6. Устройство также может быть снабжено герметичным термостабилизированным боксом 13 для установки камеры 7 с системой обдува иллюминатора бокса для защиты от загрязнения и забрызгивания.
Устройство для определения наличия шипованных шин на автомобиле работает следующим образом.
При прохождении колеса 16 по измерительной плите 6 происходит удар шипа 15 по измерительной плите 6, характеризующийся ярко выраженной ультразвуковой составляющей спектра шума. Каждый удар шипа по плите имеет четко выраженную сигнатуру амплитудно-частотной характеристики. Вид и форма этой сигнатуры зависит от скорости движения автомобиля, от материала и от влажности плиты. Плита 6 из поликристаллического или композитного поликристаллического материала проводит звук удара до ультразвукового микрофона 1. Ультразвуковой микрофон 1 по проводной или беспроводной линии связи 2, способной пропускать сигнал звукового и ультразвукового диапазона без потерь, передает сигнал микрофона 1 на спектральный анализатор 3. Спектральный анализатор 3 преобразует сигнал ультразвукового микрофона 1 в вид, пригодный для машинной идентификации события удара шипа 15 по измерительной плите 6. Сигнал ультразвукового микрофона 1 в виде, пригодном для машинной идентификации удара шипа 15, передается по линии связи 4 в устройство 5 машинного распознавания удара шипа 15, где идентифицируется или не идентифицируется. Одновременно с сигналом ультразвукового микрофона 1 в виде, пригодном для машинной идентификации, в устройство 5 машинного распознавания удара шипа 15 передаются данные датчика 11 скорости движения автомобиля (радиолокационного или ультразвукового) для повышения надежности идентификации удара шипа 15 по измерительной плите 6 с помощью учета скорости движения автомобиля и датчика 12 влажности плиты 6. Устройство 5 машинного распознавания удара шипа 15 по измерительной плите 6, то есть компьютер, выделяет событие сигнатуры (по критерию изменения амплитуды от уровня фоновых шумов); по данным скорости и влажности вызывает строку возможных сигнатур (их может быть несколько тысяч) для данной скорости и данной влажности; сравнивает выделенную сигнатуру со строкой табличных данных; при наличии сходства (по критерию не превышения нормированного отклонения измеренной сигнатуры от табличной) выдает сигнал о событии контакта шипа с плитой и о времени контакта шипа с плитой; по номеру сигнатуры в таблице выдает тип шипа.
Далее устройство 5 машинного распознавания удара шипа 15 по измерительной плите 6 передает сигнал по линии связи 17 о распознавании удара шины 15 на устройство сопоставления данных 10.
Одновременно с идентификацией спектра взаимодействия шипа 15 и измерительной плиты 6 ведется инфракрасная съемка камерой 7 протектора шины вблизи зоны контакта шины и измерительной плиты 6. Камера 7 устанавливается спереди-сбоку или сзади-сбоку от автомобиля таким образом, чтобы охватывать в поле зрения шину по всей ширине на высоту от точки контакта с измерительной плитой 6 до кузова автомобиля. Камера 7 находится на высоте не более 0,7 метра над поверхностью измерительной плиты 6 в герметичном термостабилизированном боксе 13. От загрязнения и забрызгивания иллюминатор бокса 13 защищен системой обдува. Сигнал с инфракрасной камеры 7 передается по проводной или беспроводной линии связи 8 на устройство 9 машинного распознавания изображения шипа 15 на протекторе шины. Ввод инфракрасного видеоизображения, выполнен по одному из общепринятых интерфейсов (LAN, Camera Line и др.). При этом используются библиотеки SDK: библиотека анализа движения IIT MD SDK; интегрированная среда обработки и анализа цифровых изображений PISOFT IMAGE FRAMEWORK 9.0. и другие.
Одновременно с сигналом инфракрасной камеры 7 в виде, пригодном для машинной идентификации, в устройство 9 машинного распознавания изображения шипа 15 на протекторе шины передаются данные датчика 11 скорости движения автомобиля (радиолокационного или ультразвукового) и датчика 12 влажности плиты 6.
Устройство 9 машинного распознавания изображения шипа 15 на протекторе шины, то есть компьютер, выделяет изображение шины; по данным скорости выделяет часть изображения шины для проведения измерений; по данным влажности определяет критерии контраста для выделения изображения шипов 15; по значению скорости (для учета "смазывания" изображения) и критерию контраста (зависит от влажности) компьютер подключает библиотеку классов изображений для распознавания при такой скорости и такой влажности; выделяет в выделенной части изображения шины изображение каждого шипа 15 и подает сигнал о наличии шипа 15 и о времени прохождения этого шипа 15 через выделенный створ; по классу шипа в библиотеке классов распознает тип шипа 15.
Устройство 9 машинного распознавания изображения шипа 15 на протекторе шины передает сигнал по линии связи 18 о событии распознавания шипа 15 на протекторе шины на устройство 10 сопоставления данных.
На вход устройства 10 сопоставления данных, то есть компьютер, по сети поступают данные: влажности плиты 6; скорости автомобиля; события удара шипа 15 по плите 6; время удара шипа 15 по плите 6, тип шипа 15 по удару; события выявления шипа 15 на инфракрасном изображении; время прохождения щипа 15 по створу; тип шипа 15 по библиотеке класса изображения.
Устройство сопоставления данных 10 получает сигналы от устройства машинного распознавания 5 и устройства машинного распознавания 9 по сеансам измерений. Один сеанс занимает время, необходимое для прохождения оси автомобиля по измерительной плите 6. Время сеанса определяется двумя способами. Первый способ - от начала до прекращения ударов шипов 15 или шума шины по измерительной плите 6. Второй способ времени сеанса - по времени прохождения колеса 16 по плите 6 по показаниям датчика 11 скорости. В начале сеанса происходит накопление распознанных данных с устройств 5 и 9. По окончании сеанса происходит сравнение количества событий (ударов шипов 15 или машинного распознавания изображения шипов 15) на этих устройствах и подсчет количества сигналов событий на устройствах. В случае отсутствия расхождения или расхождения количества сигналов на устройствах, не превышающих заданный критерий расходимости, выдается сигнал о надежном распознавании шипованной шины.
В случае превышения заданного критерия расходимости проверяется критерий достоверности определения шипованной резины. В случае если критерий достоверности определения шипованной резины превышен, устройство сопоставления данных 10 выдает сигнал об ошибке определения шипов. В этом случае видео- и звукозапись прохождения оси автомобиля сохраняется для анализа оператором.
Если критерий достоверности определения шипованной резины не превышен, в этом случае при показании датчика 12 влажности о наличии влаги на поверхности измерительной плиты 6 приоритет отдается данным устройства машинного распознавания 5, а в случае отсутствия влаги на поверхности измерительной плиты 6 приоритет отдается показанию устройства машинного распознавания 9.
При соблюдении критерия расхождения данных устройств 5 и 9 выдается команда на подсчет количества ударов шипов 15 по измерительной плите 6, и на этом основании вычисляется количество шипов на 1 погонный метр протектора шины. В случае работы по критерию достоверности определения шипованной резины, количество шипов 15 рассчитывается по количеству ударов шипов 15 приоритетного устройства машинного распознавания.