（交通信息工程及控制专业论文）智能交通信息采集子系统研究.pdf

r e s e a r c ho ni n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ni n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n s u b s y s t e m b y j i a n g j i a b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g 1 n t r a f f i ci n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g & c o n t r o l l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl ih o n g a p r i l ，2 0 1 1 嗍7舢7 舯洲-4舢8舢8 胛1舢y 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：榴 竹 往 日期：3 o i l 年| 岁月二矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 l 、保密n ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：蒋彳主 日期：矽j j 年岁月2 9 日 导师签名：疹哆 日期驯年，月必日 摘要 智能交通系统i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 是未来交通系统的主要 发展方向，它综合了先进的信息采集和处理技术，计算机技术，通信与组网技术， 自动控制等，建立了一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、高效、准确的 综合交通管理规划系统。交通检测器的安装布设是整个i t s 的重要组成，实现车 辆的实时定位。车辆调度和导航、交通流量管理等。 文章主要致力于采集子系统交通检测器的优化布置和采集所得信息的误差 处理，主要内容包括： 第一，给出了交通检测器的一般布置原则，提出了交通检测器优化布置的方 法，交通检测器优化布置点的选择要获取最大的交通信息，就需要在路网中布设 一定的信息检测装置，通过o d 覆盖原则和独立性原则，可以获取高效，并具有 较大覆盖网络的检测器布设点优化。 第二，利用模糊综合评判法对检测器类型的选择做了分析，得出检测器优化 布置的初步方案；交通信息检测器的选择在布置点确定的条件下，选取何种信息 检测系统需要考虑路面和检测器本身等多方面因素，通过分析影响因素，确定评 判权重，建立模糊评判矩阵，来选择最适合的检测器类型 第三，对所检测器采集的交通数据的去噪工作，结合阀值检测和交通参数联 合检测对所得信息的误差处理，并采用直线插补的办法对处理有的信息进行数据 恢复。 最后，总结了论文的研究工作，指出文章的创新之处和进一步研究方向。 关键词：智能交通系统交通信息检测器优化布置模糊综合评判法误差处理 数据恢复 一 a bs t r a c t b a s e do nt h er e s e a r c h e sh o m ea n da b r o a d ，t h er e a l 。t i m ea n da c c u r a c yo f d y n a m i c t r a f f i c i n f o r m a t i o ni st h ek e yo fi t s h o w e v e r ，d u r i n gt h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ，t h e d e v e l o p m e n to fu r b a nd y n a m i ct r a f f i ci n f o r m a t i o nc o l l e c t i o ns y s t e mi sl a c ko f c o o r d i n a t i v ea n dt h e o r e t i c a lg u i d a n c e t h i sa r t i c l em a i n l yd e v o t e dt ot h eo p t i m i z a t i o no f a c q u i s i t i o ns u b s y s t e mt r a f f i c d e t e c t i o nd e c o r a t ea n dg a t h e r i n gt h ei n f o r m a t i o np r o v i d e d ，i ti n c l u d e ： f i r s t ，g i v e nt h eg e n e r a ll a y o u tp r i n c i p l et r a f f i c d e t e c t o r ，p u t sf o r w a r dt h e m e t h o do fo p t i m u ma r r a n g e m e n tt r a f f i cd e t e c t i o n ，t r a f f i cd e t e c t i o nt h ec h o i c eo ft h e p o i n t st oo p t i m u ma r r a n g e m e n tt og e tt h em o s tt r a f f i ci n f o r m a t i o n ，y o un e e di n n e t w o r k l a y o n t c e r t a i ni n f o r m a t i o nd e t e c t i o n d e v i c e ，c o v e r i n gp r i n c i p l e sa n d i n d e p e n d e n c eb yo dp r i n c i p l e ，g o tab i g g e ro v e r l a yn e t w o r kl a y o n tp o i n to fd e t e c t o r o p t i m i z a t i o n s e c o n d ，u s i n gf u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o df o rt h es e l e c t i o no ft h e t y p e so fd e t e c t o r sa n a l y z e d ，a n dc o n c l u d e dt h a tt h ep r e l i m i n a r ys c h e m eo p t i m u m a r r a n g e m e n td e t e c t o r ；t r a f n ci n f o r m a t i o nd e t e c t o rc h o i c ew h e nd e c o r a t i n gap o i n to f c o n d i t i o n s ，t od e t e r m i n ew h a ti n f o r m a t i o nd e t e c t i o n s y s t e ms e l e c t i o nn e e d t o c o n s i d e rt h ep a v e m e n ta n dd e t e c t o ri t s e l fa n do t h e r e l e m e n t s ，b ya n a l y z i n gt h e i n f l u e n t i a lf a c t o r st od e t e r m i n ee v a l u a t i o nw e i g h t s ，a n de s t a b l i s hf u z z yj u d g m e n t m a t r i x ，t os e l e c tt h em o s ts u i t a b l ed e t e c t o rt y p e t h i r d ，t h ea c q u i s i t i o no ft h et r a f f i cd a t ao fd e t e c t o r , c o m b i n e dw i t hd e n o i s i n g t h r e s h o l do fd e t e c t i o na n dt r a f f i cp a r a m e t e r so ni n c o m ei n f o r m a t i o n j o i n tt e s te r r o r c o r r e c t i o n ，a n db yu s i n gt h el i n e a ri n t e r p o l a t i o nw a yt od e a lw i t h s o m ei n f o r m a t i o n f o rd a t ar e c o v e r y f i n a l l y ，s u m m a r i z e dt h er e s e a r c hp a p e r s ，s p e n d i n gi nt h ei n n o v a t i o na n df u r t h e r r e s e a r c hd i r e c t i o n k e yw o r d s ：i t s ；t r a f f i ci n f o r m a t i o n d e t e c t o r ；o p t i m i z a t i o nl a y o u t ；f u z z y m a t h e m a t i c s c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ； e r r o r p r o c e s s i n g ；d a t a r e c o v e r y 目录 摘要：i a b s t r a c t 】 】 第一章绪论 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状3 1 3 文章的主要内容及结构安排3 第二章智能交通信息采集系统 2 1 智能交通信息采集系统框架5 2 2 智能交通信息检测器6 2 2 1 埋设式车辆检测器6 2 2 1 1 环形线圈检测系统6 2 2 1 2 压电检测器9 2 2 1 3 磁力检测器9 2 2 2 架设式车辆检测系统1 0 2 2 2 1 视频检测系统1 l 2 2 2 2 微波雷达检测系统1 2 2 2 2 3 超声波检测系统1 3 2 3 各种交通信息采集技术比较分析1 4 2 3 1 输出交通参数的比较分析。1 4 2 3 2 环境适用性分析1 5 2 3 3 费用成本分析1 6 2 4 本章小结1 6 第三章交通检测器优化布置研究 3 1 交通信息采集系统结构1 7 3 2 交通信息检测器布置原则17 3 3 交通检测器优化布置点研究1 9 3 3 1 布置规则1 9 3 3 2 检测点分布规则解析1 9 3 3 3 智能交通检测器的优化布点2 2 3 4 交通检测器选择方法2 4 3 4 1 交通检测器选择的影响因素2 4 3 4 2 模糊综合评判数学模型的建立2 5 3 4 3 交通检测器选择的模糊综合评判法2 6 3 5 检测器优化布点实验仿真2 9 3 5 本章小结3 l 第四章交通采集信息的噪声处理 4 1 交通采集数据中的错误数据3 2 4 2 实时交通数据的错误处理3 3 4 2 1 基于交通流理论的错误数据处理3 4 4 2 1 1 阀值检查法3 4 4 2 1 2 交通参数的联合检查3 6 4 2 2 基于分布图的错误数据检测3 8 4 3 数据恢复3 8 4 3 1 平均取值恢复3 9 4 3 2 历史数据恢复4 0 4 3 3 相邻车道恢复4 0 4 4 实验仿真4 l 4 4 1 处理流程4 1 4 3 2 结果分析4 2 4 5 本章小结4 3 总结与展望4 4 l 主要研究成果4 4 2 进一步研究方向4 5 参考文献4 6 致谢4 9 附录( 攻读硕士期间发表的学术论文) 5 0 第一章绪论 1 1 研究背景 i t s 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 是集合信息技术和道路 交通技术的新型交通系统【1 1 。i t s 是传统的交通运输系统在信息化、自动化基础 上发展的一个更高阶段，也是现代交通工程的发展方向，它被认为是解决目前城 市交通拥堵、交通违规监督实现交通优化的重要途径它在提高道路运输能力、交 通安全保证和道路沿线环境保护等各方面有明显的效益。成为全球公认的面向二 十一世纪的重大科技攻关项目。 交通信息检测器指：安装在交通道路上，对车流量、车速、车道占有率等交 通信息进行采集的设备。广义上的交通检测器指整个信息检测系统，包括检测传 感器、连接线路和后台处理部件；狭义仅指传感器部分。文中所指的交通信息检 测器代表前者，指单个的交通信息检测系统。 随着科技的进步，在对i t s 系统的研究中出现了很多的热点。在交通信息采 集方面，主要是研究结构简单有效的信息采集系统；在交通控制领域，主要是发 展先进的交通控制系统、结合g i s 的交通诱导系统、智能停车系统；在交通信息 网络领域，则是发展新型交通检测设备和信息采集通信系统，结合无线通信网络 和g p s 技术实现检测器与信息中心、检测器与车辆、检测之间的通信，先更结合 物联网技术，发展无线交通信息采集，和远程物流调控和跟踪技术。 目前，交通信息的获得大多依赖与安装于道路上的交通检测设备，但是这些 设备成本高、易磨损、难维护、受环境的影响较大，使得交通管理部门仅在城市 的关键路1 3 或者主要交叉口安装( 占总交叉口比例不到1 0 ) 【1 1 。这导致了检测器 所收集到的交通信息不能全面反映整个城市或某个区域的实际交通状况，无法对 城市交通做出准确的控制和诱导。如何有效的布置交通检测器，并对检测器采集 数据进行噪声处理，为交通信息需求者( 包括交通管理部门、出行者、城市公交 部门等) 提供准确的交通数据是城市交通管理、规划和诱导的关键。 本文针对上诉情况，在已有交通采集系统框架的基础上，对交通信息采集点 布设方法进行研究，通过对交通采集信息的采集和噪声处理，获得准确的交通数 据，为交通规划和诱导及交通流的预测和建模提供支持。 在如美国、日本、欧盟等发达国家已经 i t s 的研究和项目实施过程中，对于交 美国在此方面的研究走在各国的前面，在高速公路和城市道路已有广泛的应 用。一方面是采用先进的交通检测技术，丰富信息采集的手段及信息来源，提高 所采集信息的质量和精度；另一方面更加注重检测器采集信息网的建设，强调不 同信息来源间的融合及各个信息采集子系统的协同工作。此外，将数字信号处理、 图像处理、视频处理、语音处理、数据挖掘、人工智能等领域的前沿成果大量运 用于交通信息处理，充分实现信息的准确性和可靠性，为交通指挥、管理和服务 提供更高水平信息来源支持。 日本警察厅1 9 9 6 年开始全面实施u t m s ( u n i v e r s a lt r a f f i cm a n a g e m e n t s y s t e m ，新交通管理系统) 项目，目前已由试运行阶段进入实用阶段。据1 9 9 6 年 统计，已建成交通指挥中心1 6 5 个、交通信号机1 5 7 9 2 套、车辆感应器9 4 5 9 7 套、 交通流量监视摄像机1 8 3 6 架、交通信息板2 1 7 5 套、光信标器1 0 0 0 0 套。日本 的u t m s 在动态交通信息采集、处理、发布系统的特点是：整个系统从信息采 集到发布一建立起完整的城市交通管理系统，以地理信息系统为基础，交通信息 服务的渠道和对象广，基础设施完善、共享性强。 在交通检测器布设方面，有关的研究大量都集中在环型线圈的定位问题上。 l a m 和h o ( 1 9 9 0 ) ，y a n g 和z h o u ( 1 9 9 8 ) ，b i a n e o 等( 2 0 0 1 ) ，以及y a n g 和m i l l e r ( 2 0 0 2 ) 等在分别研究中采用了不同的定点标准。y a n g 和z h o u ( 19 9 8 ) 以网络最大化所覆 盖的车流量为目标函数，引入了4 条衡量标准( o d 覆盖准则，最大流比率准则，最 大流截取准则以及道路独立准则) 来选择道路布设传感器。而在其他研究中，“道 路边在o d 矩阵中使用的频率 【2 5 1 ，以及“o d 矩阵的估计误差 【5 j 等标准也被 用来作为布设点的选择标准。而对于传感器的覆盖范围，b i a n c o 等( 2 0 0 1 ) 将之定 义为个联合割集( c o m b i n e dc u t s e t ) 。y a n g 和m i l l e r h o o k s ( 2 0 0 2 ) 贝l j 认为一个传感 器可以覆盖它所在的边，以及所有与此边相邻接的边，并因此将传感器的布设定位 总结为一个边最大覆盖定位问题心7 1 ( d e p e n d e n t m a x i m u ma r c c o v e r i n gl o c a t i o n p r o b l e m ) 。 2 1 2 2 国内研究现状 我国在i t s 领域的研究起步较晚，9 0 年代初期才开始这方面的研究，且主 要在集中一线城市和东部沿海发达城市进行。为推动我国i t s 的开发与应用，各 研究机构和高校也先后开展在此方面的研究，我国正在进行i t s 总体发展框架的 研究和制定。 2 0 0 1 年9 月，上海市立项“地面道路机动车交通信息采集、处理、发布综 合系统 并建立实验区。借以通过此项目实现上海市主要地面道路的机动车交通 信息实时采集、处理，实现地面交通信息的多媒体实时发布，并在一个实验一个 实验小区内建成系统运行实体，以便完善巩固、推广应用n 1 。 “城市道路交通动态信息采集系统 是2 0 0 1 年广州市畅通工程的重要组成 部分。广州选择了1 5 个监测点，分布在“三横三纵的市区主干道上，采用超 声波监测器，对每一条车道进行交通信息监测。监测信息通过无线方式传输 ( c d p d ) ，可较全面地把握市中心区路网的交通流动态变化状况。该系统以初步 具备了交通动态信息的采集、处理和发布功能【2 】。为迎接2 0 1 0 年广州亚运会的 举行，广州市区进一步开通了快速公交系统b r t ( b u sr a p i dt r a n s i t ) ，极大地提 高了广州市区的公交运输能力。 为了迎接北京2 0 0 8 年奥运会，北京市道路交通数据采集有4 中方式，即： 环形线圈检测、微波检测、视频检测和拍照识别。市区内道路交通信息的采集 手主要由与2 4 0 个路段口信号控制系统相配套的1 4 0 0 对个环型感应线圈检测器。 微波检测器和视频检测器主要集中在二、三环路。在交通信息的处理和对内发布 方面，北京市公路交通管理局已初步建立了指挥中心动态交通态势信息监控系统 和综合动态交通态势信息发布系统。当前，北京市面临越来越严重的交通拥堵， 交通部门采取多种车辆限制方案，如车牌摇号，在某一时段限制外地车辆驶入高 架桥，核心区域限流等，强制减少交通需求。 总体而言，国内在信息采集、发布和应用方面与国外还有相当的差距，基本 上是借鉴国外的先进经验。国内目前正对整个交通网进行大范围的扩建和完善， 交通信息的采集面临国外不能比拟的严峻挑战，这都需要更健全的信息采集网和 传输通信网，大量的检测器的布置更需要在检测器的选择和优化布设方面有理论 指导性的研究。 1 3 文章的主要内容及结构安排 文章主要从交通信息检测器的布置和检测器采集信号的噪声处理对智能交 通信息采集子系统进行优化研究，着重从以下几个方面开展研究工作： ( 1 ) 主要交通信息检测器的比较分析 3 通信息的获得主要依靠布设在道路上的交通信息检测器，不同的检测装置 同的工作原理同时受相同工作环境的影响不同，在检测精度方面也有所差 主要应用的检测器，文章介绍了其工作原理，并进行了分类，比较分析了 能交通检测器的优缺点。结合准确性要求和环境，对检测类型的选择做出 析，检测器的优化布置提供支持。 ) 智能交通信息检测器优化布置研究 通检测器类型的选择和检测器布设点两个方面对检测器的优化布置作出 一方面，引入模糊综合评判法，把各种交通采集技术在采集，安装和维护 点最为评判的原始依据，结合交通采集需求，建立数学模型，得出较合理 器选择模型；另一方面，结合0 - d 对和采集器的一般布置原则，讨论道路 ，讨论检测点分布规则。在降低交通信息采集网建设费用的同时，提高采 效率，为交通采集子系统的上级管理系统提供高效，准确的动态交通信息。 ( 3 ) 交通采集信息的噪声处理 实时检测的交通数据作为交通信息系统和i t s 的主要信息来源，检测数据直 接影响了整个交通控制系统的工作准确性。文章结合了国内外相关领域的大量研 究，分析了实际检测数据中的各种测量误差，结合交通流理论和统计相关办法对 脚数据的质量控制进行了研究和探讨，为去除检测数据中的误差提供了一个可行 的解决思路。在误差检测的同时，文章对采集信息去除误差后的信号恢复做了 关工作，结合信息技术和数学统计理论，采用了均值插补和直线插补的方法。 ( 4 ) 仿真实验 结合论文研究，在检测器布设点的设置方面和噪声处理方面作了针对性的 证试验。讨论研究内容的可行性和实际应用效果。 文章的结构安排如下： 第一章是绪论部分，主要介绍了课题的研究背景、意义，以及该领域内国 外研究现状和发展动态。 第二章分类介绍了广泛应用于智能交通采集子系统的几种常见的交通信 检测器，对比分析了各种检测器的优缺点。结合论文研究对在不同交通环境和 测精度要求下，检测器的选择问题做了说明。 第三章阐述了交通检测器的基本布置原则，结合交通检测对象和受检测 围，对检测器的优化布置做了研究，结合检测器的类型，采用综合模糊评判法 出智能交通采集子系统的检测器优化布置方案。 第四章在介绍常见交通采集信息噪声及其对采集子系统影响的基础上，运 阀值法和交通参数联合检测的方发对采集信息的噪声去除做了研究，并结合信 技术和统计学理论对信息的恢复提出了可用办法。 第五章对全文的研究情况进行总结，同时展望该研究需要改善之处和未来 能的研究方向。 4 第二章智能交通信息采集系统 本章首先介绍了智能交通信息采集子系统的系统构架，了解系统组成。同时 在介绍目前主要应用交通信息检测装置的工作原理的基础上，对比分析了各种交 通信息检测器，为交通检测器的优化布置提供初步依据。 2 1 智能交通信息采集系统框架 智能交通信息采集系统主要由交通流( 交通行驶车辆) 、交通信息采集器、 数据处理单元和交通信息管理单元四个部分组成。智能交通信息采集系统的功能 单元如图2 1 所示： 图2 1 智能交通信息采集系统结构 当车辆在道路上通过时，检测器控制器控制检测器检测这些交通信息，将这 些交通信息进行快速处理后得到原始交通数据，数据采集器每隔一定的循检周 期，通过串行网络向检测器控制器采集这些原始交通数据，并进行实时预处理。由 此可见，选择合适的交通信息检测器并对其进行合理布设是交通信息采集系统的 基础，影响整个采集系统的工作效率。 5 常说的传感器。交通信息采集是指能够独立或联 过分析获取动态实时的车流量、车型识别、车道 备，通常有自动或非自动两种采集方式。非自动 的车流计数，车型分类或者视频交通信息采集后 ，且长时间工作引起的劳累和大意疏忽都会造成 动采集技术即结合职能交通信息检测器的采集， 通过交通检测控制器，检测器能自动感知道路通行车辆的通过或存在，且能在无 人条件下，全天候自动运行。 根据布置方式的不同，交通检测器主要分埋设布置和高架悬空式布置两种道 路布置方式哺3 。埋入式检测技术包括常见的线圈感应检测器、压电检测器、磁力 检测器和气压管车辆检测器，它们都嵌入在交通道路中，通过车辆通过引起的物 理量的变化来感知采集交通信息。悬挂式检测技术包括视频图象检测器、雷达检 测器、微波雷达检测器、红外线检测器、超声波检测器等，它们对道路的破坏小， 且安装维护不需要关闭道路，受到越来越多的青睐。 根据检测器的工作地点不同，交通信息采集技术还可分为固定型和移动型两 大类哺】。移动型采集技术主要是指安装于车辆上的交通信息发射器，结合g p s 和g i s ，对于车辆实时交通信息的采集和处理。 2 2 1 埋设式车辆检测器 埋设式检测器指直接安装在路面下的车辆检测装置。利用运动车辆通过检测 器覆盖区域时，车体对检测器本身某物理量的影响，引起该物理量上升。当上升 超过指定阈值时会触发记录仪，实现对车辆数及通过时间的检测。常见的环形感 应线圈检测器就是基于这种原理的，通过一个或多个线圈的电感量得变化大小和 时间持续长短，检测器车辆的类型、车速等交通参数。 埋设式检测器的性能稳定可靠，由于嵌入道路之中，不受雾天，下雨等气候 和光线能见度影响。但也存在一些致命的缺点：安装麻烦，通常需要破坏道路； 安装维护对交通的影响大，通常需要关闭道路；重型车辆容易造成检测器的损坏； 且有些检测器不能检测静止车辆。 2 2 1 1 环形线圈检测系统 环形感应线圈采集系统主要由埋于路面下的一个或多个环形线圈、接线盒、 输入电缆和控制盒( 信息处理单元) 组成心1 。检测车辆时，将一个或多个环形线 圈的电感量得变化经由传输电缆送入控制盒，控制盒通常包括了微处理器，直接 6 处理计算检测数据，得出各种交通参数，如图2 2 所示。 环形线圈检测器是基于电磁感应原理，当车辆通过检测区域时，车辆车体引 起通电线圈回路电感量的变化，改变在感应线圈中原有的电流量大小，通过对该 电流量大小的实时监测并于原有的电流量做对比可以得出是否有车辆通过以及 获得其他的交通参数。从而达到交通流信息采集的目的。在此，仅当线圈中的电 流量大小大于阀值时，系统才判定有车辆通过该检测区域。在实际的应用中，阀 值的设定是依靠经验来取值的。 道 路 中 心 线 图2 2 环形线圈检测系统 7 t i 图2 3 单线圈检测示意图 根据图2 3 可以看出，当车辆前沿进入线圈一边时，检测器被触发产生电感 量得变化，控制系统开始计时，而当车辆尾部离开线圈另一边时，信号强度逐渐 降低直至低于阈值，线圈电感恢复原值，输出信号归零。需要说明的是，线圈检 测器的输出信号是以方波的形式输出的，通过计算信号中方波的个数和通过时间 的长短，可以进行车流计数，计算出车速，更可以将信号进行深度识别，得出车 型，车重等参数。 环形线圈的优点是结构比较简便，对简单的交通参数( 如交通量、车辆存在 与否、占有率、车速等) 而言，不需要复杂的软件支持，作为目前最为成熟的交 通信息检测技术，应用广泛。如与视频牌照联合的红灯违规拍照系统，通过在红 绿灯口埋设线圈来检测并视频获取闯红灯的违规车辆。相对悬挂式检测器相言， 环形感应线圈检测器的成本相对较低，而且不受天气影响，布设方式多样化。此 外由于嵌入到路面中，不影响城市美观，因此该技术仍被广泛地用来监控交通流 量和交通信号灯的控制。 环形线圈检测器的缺点在于：安装麻烦，对于道路切割和大小尺寸都有严格 的要求，需要有经验的专业人员，且对道路的破坏大；日常维护时对交通的影响 大，需要关闭车道，维修费用高。路面状况不好或者安装不够规范的时候容易造 成检测故障。由于线圈埋设在路面下，重型车辆的通过和气温引起的道路热胀冷 缩也容易对埋设的线圈造成损坏。 8 2 2 1 2 压电检测器 压电检测器的工作主要基于压电效应。当晶体薄片受到压力时，晶体产生变 形，表面产生正电荷，电荷与所施加的力成反比，这种现象称为压电效应。若在 电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形，当去掉外加电场时， 电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应n 】。 基于这种特性，当行驶车辆的车轮经过检测区域时，车辆压力引起检测晶体 的阻抗变化，通过检测回路电流的变化可以感知车辆通过。电流变化的大小可以 用来检测车型、车重等车辆信息。压电检测器具有频响宽、动态范围好、输出电 压高、稳定性好、耐冲击、不易老化等特点，被广泛应用振动冲击、闯红灯拍照、 交通人流车流信息采集、车速监速、交通动态称重以及安全报警、拾音传声、计 数开关等。 在实际应用中，检测晶体的选择尤为重要，国内目前缺乏晶体技术，主要依 靠国外材料进口。在要求不严格的条件下，可以采取铁板代替，但长时间的工作， 容易造成铁板永久形变，需在工作一段时间后( 一般是一个月) ，对系统进行重 新设定，工作反复。 相对于环型线圈，压电检测器的安装费用只是稍高，但它所提供更多的交通 信息，尤其是在车辆称重和车型识别方面。但是，与环形感应线圈检测器一样， 压电检测器在安装和维修时会干扰交通，路面状况不好以及安装不规范的情况 下，容易引起检测失误。路面重新铺筑或修护的时候需要更换压电传感元件。另 外，压电检测器对路面温度和车辆速度也比较敏感。 2 2 1 3 磁力检测器 磁力检测器的检测部分有探头和可调放大器两部分。探头是一个套有多圈密 绕的漆包线圈的永久性磁棒。放大器与探头相连，增益探头的磁场变化，因为探 头磁场的不统一，放大器一般可调，适应不同类型的探头n 。 磁性检测器本身并不产生磁场，只是截取车辆通行时引起的磁性的扰动。当 车辆经过探头时，车辆切割磁场磁力线，在探头线圈中产生一个感应电动势，经 过放大器产生一个脉冲输出，由此来检测车辆存在的信息。图2 4 解释了车辆进 入、经过、离开检测区域过程对地磁场造成的扰动。图2 4 ( a ) 表示车辆即将进 入检测区域，检测区域的磁力线受挤压；( b ) 表示车辆进入检测区域，磁力线 沿中心幅合；( c ) 表示车辆通过检测区域，磁力线沿中心幅散。 9 图2 4 车辆进入、经过磁力检测器区域引起的地磁场变化 磁力检测器不像环形感应线圈检测器一样容易受到车辆压力的影响，可检测 小型车辆( 包括自行车) ，且适合不便安装线圈的场合( 如桥面) 采用。同样， 磁力检测器的安装需要破坏路面，而且无法检测到静止车辆，容易受相邻车道的 车辆的干扰，有些检测器的检测区域比较小。 2 2 2 架设式车辆检测系统 架设式车辆检测系统主要由架设在道路上方的信息采集和后台信息处理器 组成，一般可以分为视频检测技术和波频检测技术两种。视频检测技术是一种将 视频图象和电脑化模式识别技术相结合的新型采集技术。它通过视频摄像机获取 实时交通视频或图像，将连续的模拟图象转换成离散的数字图象后，经由电脑处 理软件对转化后的信息进行处理，影响其功效的主要是采集设备的性能，图像转 化过程和后台程序的优劣。波频检测技术基于信号分析，通过处理分析信号源和 反射信号在幅度、频率或相位上的变化来判别获取所需的交通信息。依据的波束 来源不同，有两种工作方式：一种由检测器发射并接收波束，另一种是由车辆发 出。 架设式检测器具有检测范围广、获取信息多、安装维护方便和可升级扩容等 优点。检测器的安装不妨碍正常的交通运行，基本上不破坏路面，人机互动性好， 1 0 可自动或手动的实现对突发交通事件的处理。其中视频图象检测器是目前国际上 交通信息采集技术的研究热点，具有广阔的应用前景。国内已有多家厂商开发出 了较为成熟的视频检测系统。 2 2 2 1 视频检测系统 视频检测系统起源于视频监控系统，一个典型的视频检测系统一般由一个或 多个视频监控系统，视频图像处理软件和通信系统构成。视频图象检测器可装在 道路的正面或侧面的高架上，用于采集单车道或多车道的交通信息。视频检测系 统的重点在于视频图形处理程序方面，通过模式识别技术和数字图像处理技术来 获取车辆通过信息。视频图象检测系统的构成及工作流程见图2 5 。处理器在获 取摄像机采集到的交通视频后，通过大量同一画面的图像的对比，经由模式识别， 获取路面背景特征数据，设定检测区域，将其作为鉴像分离的原始对比数据。采 集到的数据通过对比处理，可以得出当前检测区域内的车流、车速、车道占有率 等交通参数。同时可以对交叉十字路口的交通违规起到有效的监视和采集作用。 相对比而言，视频车辆检测系统具有以下突出优点： 提供多种交通数据信息：视频车辆检测器能检测较大的交通场景面积，减少 传感器的安装数目。一般情况下，单台摄像机可检测6 8 个车道，使得检测交通 动态行为( 如振动波) 和各种空间交通参数( 如密度、速度、排队长度) 成为可 能，而这是环型线圈所不能轻易做到的。可同时进行停车车辆检测、交通流参数 检测、车辆排队检测、自动事故检测。 在安装维护方面：视频车辆检测器的安装简便，无须破坏路面；设置虚拟检 测域时，不干扰正常交通；维护工作简单，只需定时清洗摄像机镜头；调整方便， 可随时调整检测域的设置，满足不同的交通应用和道路覆盖范围；最大的优点是 无须因道路维修而中断交通检测。 交通违规采证方面：视频车辆检测器以视频监控为基础，综合了交通监视功 能和车辆检测器处理功能。在事故易发地段设置视频车辆检测器，除可检测到交 通事故外，还可为交通管理提供可视图象做参考。 可检测静止车辆：相对于埋设式检测技术而言，只要车辆非长时间停靠在交 通路面，影响视频处理背景特征的提取，进入检测区域的慢车或短时间停留的车 辆都能被检测出来。 视频交通检测器 图2 5 视频检测系统 视频图象检测器的缺点是容易受天气影响，由灰尘、雨雪，甚至摄象机镜头 上的蜘蛛网引起的视觉模糊、视觉障碍都会影响到检测结果。昼夜交替引起的光 线变化，其他车辆或物体造成的阴影，路面反光，太阳折射等也会影响到检测结 果。因风吹或者车辆经过引起的振动也会使检测结果受到影响。另外，视频图象 检测器为了获得最佳的检测效果，一般需安装在5 0 6 0 英尺的高度，这也给检测 器的安装提供了一定的难度旧副。 2 2 2 2 微波雷达检测系统 微波雷达检测器依靠向行驶的车辆发射调频微波，监测被行驶的车辆阻挡而 发生反射的反射波，来检测车辆的通过【1 9 1 。它是一种工作在微波频段的雷达探测 器。根据多普勒效应反射波的频率发生偏移，通过这种频率的偏移可检测出由车 辆通过的通过情况，经由接收、处理、鉴频放大后输出一个检测信号，通过后台 处理，可以根据此检测信号获取所需的道路交通参数。 1 2 控 天线 数 据 传 输 线 创器 图2 6 微波雷达检测系统工作原理 相对于视频检测系统，微波雷达检测系统的传感器可安装在单车道道路的正 对面，也可安装在路旁以测量多条车道上车辆的交通参数，只需调节后台处理方 式即可。微波雷达检测系统的检测区域即雷达能量所能覆盖的区域，也是我们通 常所说的波束宽度，决定于雷达天线的尺寸和雷达孔径。当车辆通过雷达波覆盖 区域时，通过车辆反射后的反射波进入接受器，接受器处理后，经由计算处理， 得出交通流量、车速、及车长等交通数据。 微波雷达检测系统的优点是：受恶劣气候条件的影响下，不受雾天、夜晚等 空气能见度低环境的影响；可检测单车道或多车道的道路通行情况。但是，由于 其依靠长时间的向外发送和检测接受反射波束，耗能较大，在检测范围较广的情 况下，更需要大功率的波束发生器。安装维修简单，但费用高，且我国目前的自 主研发雷达还不具备稳定可靠的工作性能。 2 2 2 3 超声波检测系统 与其他架设式检测系统不同，超声波检测系统是一种向下的检测方式，如图 2 6 所示。超声波探头定点向下发送信号，并检测接受地面发射信号，比较发送 和反射后信号到达的时间差，可以得出信号在此过程中的固定传输时间，当有车 辆同探头下通过时，探头收到回波的时间就相应变短，对比此传输时间和固定传 输时间。可以得出有无车辆通过、车高、车速等交通数据。 超声波检测系统具有高架式检测系统的共性：安装维护简单，不会对交通道 路造成波坏，可检测单车道或多个车道。但由于超声波传播的媒介为空气，且这 1 3 h h h 口等位置，容易受到外来噪声的影响，气温、 测结果造成干扰。能检测静止车辆，但是在 主要是依靠车辆高度，识别分类效率较低。 卜 b 来自车辆的反射脉冲 蔓 来自地面的反射脉冲 ， 来自地丽的反射脉冲 启动脉冲 输出脉冲 b 图2 7 超声波检测系统工作原理 此外还有红外线检测系统、被动声学检测系统等高架式检测系统，在此就不 一一介绍。 在此介绍了各种常用的车辆检测系统，不管是架设式的还是埋设式的检测系 统，根据自身检测原理的不同，都有不同的检测特性和适用环境。在选择运用何 种检测系统时，要综合多方面因素：检测系统的检测稳定性和检测性能、采集数 据的需求、环境影响、后期维护情况、费用高低等。对于检测器类型的选择，第 三章将引入综合模糊评判原则，综合分析相对于不同检测环境和检测需要，按照 不同的权重，选择较适宜的检测系统。 2 3 各种交通信息采集技术比较分析 无论是埋设式检测系统还是架设式检测系统都可以采集提供通常的交通信 息如交通流量、车速、车道占有率等。但不同的采集技术在不同的路面环境、气 候条件、交通突发状况下，在交通信息的精度、人工、费用以及安装和后期维护 等方面存在较大的差异。 2 3 1 输出交通参数的比较分析 交通参数特性包括车辆计数、车辆出现、车速、占有率以及车辆分类的检测。 不同的检测器由于不同的检测原理，对各个参数有不同的检测性能。 1 4 垮；一一莲 1 、车辆计数 埋设式检测器在车辆计数方面表现优秀，环形线圈检测器、磁力检测器等检 测准确度能达到9 9 以上【l4 1 。一般情况下，埋设式检测器都能满足道路车辆计 数要求。 相对于埋设式检测系统而言，架设式检测系统的车辆计数主要依靠后台处理 程序，视频检测系统无论交通量大小都能满足检测要求，当车辆过于密集，车辆 间前后里过小时，超声波检测系统的计数性能降低，所以，超声波和声学检测系 统只能应用于交通量较小，对车辆计数值测量要求不高的情况下。 2 、车辆有无的检测 车辆有无的检测包括车辆通过的检测和静止车辆的检测。一般的检测器都能 检测出车辆的通过，由于一些检测器需要车辆的运动才能实现传感器的采集，如 环型线圈，这种检测系统就不适用于对静止车辆的检测。 3 、车速检测 环型线圈只能间接测得车速，且当车速超过或低于某个范围时，检测精度降 低。架设式检测系统在车速检测方面有突出的优点，视频检测系统、微波雷达检 测系统和超声波检测系统都能够通过测量车辆通过检测区域的时间直接获得车 速，无车速限制。其中，微波雷达检测系统嫩巩固根据接受到的反射波速的频率 变化直接计算车速，相对于其他检测系统而言，