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硕士论文 基于起声畿高速公路交通漉参数获取研究 摘要 随着全球交通问题的日益突出，智能交通系统o t s ) 成为目前研究的热点。i t s 是 一个很大的领域，包含了很多予系统，本文主要对位于i t s 底层的交通流参数获取领 域进行了研究。在分析了目前国内外常用的多种交通流检测方案后，本文设计了一种 基于超声的交通流参数获取方案。该方案以超声测距所获得的数据作为分析交通流的 基础。 本文对基于超声数据的交通流参数获取进行了研究，实现了一系列相关算法。包 括一种对噪声不敏感的车辆波形提取算法和一种基于时序的车辆波形匹配算法，并给 出了车高、车长、车速、流量、密度这些交通流参数的获取算法。针对基于超声的数 据波形的特点，本文所实现的车辆波形提取算法可以在有系统噪声干扰的情况下准确 提取出车辆的波形，而本文所实现的车辆波形匹配算法则对车辆提取过程中误提取的 噪声的干扰具有定的鲁棒性，且发生匹配错误后不会使错误积累，不影响下一辆车 的波形匹配。 另外，本文对交通流参数获取所需的车型分类进行了重点研究。设计了一种较为 通用的车型分类方案，并针对该分类方案的特点将贝叶斯决策理论和傅立叶描述子模 型引入到车型分类算法中。本分类算法采用了多级分类的方式，即首先通过贝叶斯决 策模型对车型进行初步分类，而后在初步分类的基础上通过傅立叶描述子模型对车型 进行二次分类。在初步分类时使用了非参数估计的p a r z e n 窗法来获得分布未知的类 条件概率密度，在研究傅立叶描述子模型时，本文还对一辆车的采样点的个数与傅立 叶描述子描述能力的关系进行了详细分析。 基于超声的交通流参数获取原型系统已经在p c 机上实现，并在现场实验中取得 了比较理想的结果。 关键词：智能交通系统，超声测距，波形匹配，贝叶斯决策，p a m e l a 窗法，傅立叶描述子 顿士论文摹于超声的甍建公路交通漉参数获取研究 a b s t r a c t a st h et r a 街ci s s u es t a n d so u ta sag l o b a lp r o b l e m , 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 ( i t s ) b e c o m e sah e a t e dt o p i ci nc u r r e n ts t u d i e s i t sh a saw i d ee x t e n s i o n , a n di n c l u d e sa l o to fs u b s y s t e m s t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h ef i e l do ft h et r a l 五cp a r a m e t e r sa c q u i r e m e n t w h i c hl i e so nt h eb o r o mo ft h ei t s a f t e rc o m p a r i n ga n da n a l y z a n gl o t so fc o n v e n t i o n a l t r a f f i cd e t e e t n gs c h e m e s ，t h i sp a p e rd e s i g n sad e t e c t i n gs c h e m eb a s e do nu l t r a s o n i c t h i s s c h e m ei sb a s e do nt h ed i s t a n c ed a mo b t a i n e db yu l t r a s o n i ct e l e m e t e r t h i sp a p e rd o e sal o to f w o r k so nt h er e s e a r c ho f t h ea c q u i r e m e n to f t r a f f i cp a r a m e t e r s ， a n dh a sr e a l i z e das e r i e so f a l g o r i t h m s ，w h i c hi n c l u d eak i n do f v e h i c l es e g m e n ta l g o r i t h m w h i c hi si n s e n s i t i v et ot h en o i s e ，ak i n do fw a v em a t c h i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h et i m e s e q u e n c ea n dt h ea l g o r i t h m st oc o m p u t et h ev e h i c l eh e i g h t ，v e h i c l el e n g t h ，v e h i c l es p e e d , t r a f f i c1 0 a da n dd e n s i t y a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so ft h eu l t r a s o n i cw a v e s t h ev e h i c l e s e g m e n ta l g o r i t h mp r o g r a m m e di n t h i sp a p e r c a l le x t r a c tt h ev e h i c l ew a v e se x a c t l yu n d e r t h ed i s t u r b a n c eo ft h es y s t e mn o i s e ，a n dt h ew a v em a t c h i n ga l g o r i t h mp r o g r a m m e di nt h i s p a p e ri sr o b u s ta g a i n s tt h es y s t e mn o i s ew h i c hc o m e sf r o mt h ev e h i c l es e g m e n ta l g o r i t h m w h e nm a t c h i n ge r r o ro c c u r s ，t h ee r r o rw i l ln o tb ea c c u m u l a t e dt oi n f l u e n c et h em a t c h i n g p r o c e s so f t h en e x tv e h i c l e i na d d i t i o n ，t h i sp a p e re m p h a s i z e st h er e s e a r c ho fv e h i c l et y p ec l a s s i f i c a t i o n , a n d p r e s e n t s au n i v e r s a lv e h i c l et y p ec l a s s i f i c a t i o ns c h e m e , a n di n t r o d u c e sb a y e s d e c i s i o n m a k i n gt h e o r ya n df o u r i e rd e s c r i p t o rm o d e li n t ot h ec l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h m t h e c l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h mi m p l e m e n t e di nt h i sp a p e ri sam u l t i l e v e lc l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h m , w h i c hu s e sb a y e sd e c i s i o n - m a k i n gt h e o r yt oc l a s s i f yt h ev e h i c l ei n t os o m em a i nc l a s s e s 砒 丘r s lt h e nu s e sf o u r i e rd e s c r i p t o rm o d e lt os o r ti nd e e p e rl e v e l t h i sp a p e ru s e s p a r z e n - w i n d o wm e t h o dt oa c q u i r et h ec o n d i t i o np r o b a b i l i t yd e n s i t y , a n dd o e sp a r t i c u l a r r e s e a r c ho nt h er e l a t i o n s h i po ft h es a m p l i n gn u m b e ra n dt h ed e s c r i b i n ga b i l i t yo ff o u r i e r d e s c r i p t o r t h et r a f f i cp a r a m e t e r sa c q u i r e m e n tp r o t o t y p es y s t e mh a sa l r e a d yi m p l e m e n t e do np c ， a n da c h i e v e si d e a lr e s u l ti ne x p e r i m e n t 。 k e yw o r d 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 ，u l t r a s o n i c ，w a v em a t c h i n g ， b a y e sd e c i s i o n - m a k i n g ，p a r z e n - w i n d o w , f o u r i e rd e s c r i p t o r 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：堑i 叁。年6 月l7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：兰：l 墨 弦占年月 日 硕士论文基于起声的高速公路交通沈参教获取研究 1 绪论 1 1i t s 的研究背景 随着全球现代化进程的发展，汽车在社会生活中扮演着越来越重要的角色。汽车 数量的逐年增加在给人类日常生活带来巨大便利的同时，也带来了交通拥堵，交通事 故频发，环境污染加剧等诸多困扰。为了解决这些交通问题，越来越多的公路被修建 起来，而这些道路的管理与监控势必消耗大量的人力物力资源，在这种背景下，运用 各种高新技术系统地解决道路交通问题的理论和技术就应运而生了，这就是智能交通 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 ，简称i t s ) 【”。i t s 是将先进的信息技术、数据 通讯传输技术、电子控制技术及计算机处理技术等综合运用于整个交通运输管理体 系，建立起一种实时、准确、高效的综合运输管理体系，最终使交通运输服务和管理 智能化唧。 智能交通系统自2 0 世纪8 0 年代中后期提出以来，经过多年的研究与发展，在其 分类和研究领域等问题上已基本达成了共识，即通常根据具体的功能和应用目标将 i t s 划分为以下几个组成模块i l o j ： ( 1 ) 先进交通管理系统a t m s ( a d v a n c e dt r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ) ，用于 检测、控制、调度、优化和管理公路交通，在道路、车辆和驾驶员之间提供通讯联系 的桥梁，其目标是尽可能地提高道路综合运输效率； ( 2 ) 先进驾驶员信息系统a d i s ( a d v a n c e dd f i v e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，是为驾驶员 个体服务的交通信息系统，主要应用于车载系统； ( 3 ) 先进汽车控制系统a v c s ( a d v a n c e dv e h i c l ec o n t r o ls y s t e m ) ，包括辅助驾驶员 完成车辆驾驶和控制任务的各种系统； ( 4 ) 营运车辆调度管理系统c v o m ( c o m m e r c i a l v e l - f i c l e o p e r a t i o n f l e e t m a n a g e m e n t ) ，从事跨地区营运的辅助调度系统； ( 5 ) 先进公共交通系统a p t s ( a d v a n e e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) ，一般指城市 公共交通公司用来进行车辆辅助调度的系统。 图1 1 1i t s 的组成模块及它们间的关系 从图1 1 1 中各个模块之间的构成关系可以看出，a p t s 、c v o m 、a v c s 、a d i s 硕士论文摹于超声的高速公路交通流参数获取研究 均建立在a t m s 的基础之上，并为a t m s 所支配，它们之间的各种信息交换也基本 上通过a r m s 进行。因此，a t m s 实际上是整个交通大系统的核心所在【l o l ，对其进 行改进与优化往往可以带来整个交通系统的运行效率的提升，因此，它必然是i t s 的 重点研究与发展的部分。而本文所研究的交通流检钡4 系统，正是a t m s 的一个核心 予系统。图1 1 2 为交通流参数获取系统的系统模型。 图1 1 2 交通流参数获取系统模型 1 2 交通流的几个重要参数 交通流理论是运用物理和数学的定律来描述交通特性的- - t 7 边缘学科。研究它的 目的是更好地解析交通现象及其本质，使道路发挥最大功效t g ! 。作为交通工程学的基 础理论，多年来交通流理论广泛应用于交通运输工程的许多研究领域，如交通规划、 交通控制、道路与交通工程设施设计等方面。髓着经济发展及城市之间社会交往与经 济贸易日渐频繁，交通流理论的重要性正日益加重。 。 速度、流量和密度是交通流的三个主要参数，也是建立交通流仿真模型的基础。 对交通流参数的研究可以使城市交通系统的规划设计、管理和控制建立在科学分析的 基础之上。下边本文就对这三个参数进行一下简要地介绍。 速度这个参数既涉及到具体的每一辆车，也涉及到某一时间段或某一路段的所有 车，它的具体分类如下fj ： ( 1 ) 地点速度，即车辆通过某个地点时的瞬间速度。 ( 2 ) 运行速度，如丁表示车辆在某一个区间运行所需要的时间( 不包括停车的时 间) ，l 表示这个区间的距离，则吖r 称为车辆运行速度。 ( 3 ) 区间速度，如r 表示车辆在某一个区间旅行所需要的时间( 包括停车的时间) ， 表示这个区间的距离，则工r 称为车辆区间速度。 ( 4 ) 驾驶速变，驾驶人员根据道路的交通量和气候及周围的环境条件所能保持的车 辆速度称为驾驶速度。 ( 5 1 i 临界速度，又称最佳速度，就是当交通容量最大时的速度。 ( 6 ) 设计速度，设计速度是指道路设计时根据道路条件所规定的最高速度。 2 硕士论文摹于超声的惠速公路文通流参数护取研究 ( 7 ) 时间平均速度，时间平均速度就是地点速度的平均值。是指在道路上的一个特 定地点，在一个特定的时间间隔内所通过的所有车辆的平均速度。 ( 8 ) 空间平均速度，空间平均速度是指某一个特定时刻，在道路的某一区间运行的 车辆的平均速度。 流量指的是给定的单位时间内，通过道路指定地点或断面的车辆数1 7j 。根据单位 时间长度的不同，交通流量可分为年交通量，日交通量和小时交通量。在交通工程实 践中，通常以小时交通量为依据，而小时交通量又可分为高峰小时交通量、第3 0 d , 时 交通量、设计小时交通量。其中第3 0 d , 时交通量指的是一年当中8 7 6 0 个小时交通量按 大小次序排列，从大n d , 序号第3 0 个的那个小时的交通量。之所以单独计算第3 0 个小 时的交通量，是因为第3 0 d , 时是一个比较特殊的时间段，如图1 2 1 所示，经统计发现， 从第1 到第3 0 位左右的小时交通量减少比较显著，曲线斜率较大，而从第3 0 位以下， 小时交通量的减少速率就变得缓慢，曲线也变得平缓。 图1 2 1 年高峰小时交通量排序曲线 密度足指在单位长度的车道上，某一瞬间所存在的车辆数川。假如用足表示交通 密度，表示所测瞬问在长度为的车道上的车辆数，则密度的计算公式如下： 置= 兰( 辆 ( 1 1 ) 在实际应用中，往往采用车辆的道路占有率来间接表示交通流密度，车辆道路占 有率越高，车流密度就越大。 1 3 交通流参数获取系统的研究现状 目前国内外常用的交通流参数获取方案所采用的基本原理都是根据检测器获得 的信息进行后续处理来得到交通流参数，因此各种方案的差别主要体现在检测器上， 通过对文献【1 1 1 9 的分析发现：目前国内外较常用的检测器般分为接触式和非接触 式两大类。接触式一般指磁感应检测器，非接触式则包括波频车辆检测器、视频检测 lc)蕾末牡暑疆磐似嚣牛特电越孵似譬车譬幢 硕士论文摹于超审的高速公路交通流参数获取研究 器等。下边就分别对这些不同的检测方案作一下介绍。 ( 一) 磁感应检测器 磁感应检测器多为埋设式检测系统，分线圈传感器和磁阻传感器两种。 磁感应线圈检测器是传统的交通流检测器，是目前世界上用量最大的一种检测设 各。车辆通过埋设在路面下的环形线圈，引起线圈磁场的变化，检测器据此计算出车 辆的流量、速度、时间占有率和长度等交通参数，并上传给中央控制系统，以满足交 通监控系统的需要。此种方法的技术成熟、易于掌握，并有成本较低的优点，但其缺 点同样明显：一是线圈在安装或维护时必须直接埋入车道，这样会使交通暂时受到阻 碍；二是埋置线圈的切缝软化了路面，容易使路面受损，尤其是在有信号控制的十字 路口，由于车辆启动和制动时对路面的压力较大，路面损坏程度将更加严重：三是感 应线圈易受到冰冻、路基下沉、盐碱等自然环境的影响，因此感应线圈寿命一般不超 过两年，某些地区甚至少于一年；四是感应线圈由于自身的测量原理所限制，当车流 拥堵，车间距较小时，其检测精度会大幅降低，甚至无法正常检测。因此，近年来磁 感i 立线圈怆测器有被其他检 9 1 4 器逐步取代的趋势。 磁阻传感器的原理是：在铁磁材料中会发生磁阻的非均质现象( a m r ) ，当沿着一 条长而溥的铁磁合金带的长度方向旌加一个电流，在垂直于电流的方向旌加一个磁 场，合金带自身的阻值将会发生变化。利用a m r 磁阻效应生产的a m r 磁阻传感器 成功地将三维方向( x ，y ，z ) 的单个传感器件集成在同一个芯片上，而且将传感器与调 节、补偿电路集成一体化，可以很好地感测地磁范围内低于l 高斯的磁场，可以根据 一些铁磁物体对逸磁的扰动，来检测车辆的存在，也可以根据不同车辆对地磁产生的 扰动不同来识别车辆类型。磁阻传感器的优点有：安装，维修方便，不必封闭车道、 破坏路面，只需在需要检测的检测点吊架或路面装置即可；维修时只需换下a m r 磁 阻传感器即可；检测点不易遭到破坏，不受路面移动影响；因为a m r 磁阻传感器是 利用地球磁场在铁磁物体通过时的变化来检测，所以它不受气候的影响；非车辆的铁 磁性物体通过时通过对数据库的查询可以避免误检：容易集成化。磁阻传感器的缺点 也非常明显：对于纵向过于靠近的车辆的干扰排除能力较差，即当车流速度较低，前 后车辆之间的距离较小时对测量精童影响较大。 ( 二) 波频车辆检测器 波频车辆检测器多为悬挂式检测系统，它是以微波、红外线等对车辆发射电磁波 产生感应的检测器。 远程交通微波传感器( r t m s ) 是一种价格低、性能优越的交通流检测器，可广泛 应用于城市道路和高速公路的交通信息检测。其工作原理如图1 3 1 所示。一台r t m s 侧挂可同时检测8 个车道的车流量、道路占用率、平均车速和长车流量。r t m s 的输 出与环型线圈的输出兼容，可直接通过无极性接触器接入现有的交通控制器，也可通 4 硕士论文基于越声的高速公路交通斑参数获取研究 过r s 2 3 2 接口与其它系统相联。r t m s 侧挂还有安装简便，无需中断交通等优点。 r t m s 侧挂工作在微波波段，在扇形区域内发射连续的低功率调制微波，并在路面上 留下一条长长的投影。r t m s 以2 米为一“层”，将投影分割为3 2 层。用户可将检测 区域定义为一层或多层。r t m s 根据被检测目标返回的回波，测算出目标的交通信息， 每隔一段时间通过r s 2 3 2 向控制中心发送。这种车流量的检测精度在车流稳定，车 速分布均匀的道路上比较准确，但是在车流拥堵以及大型车较多的路段，由于遮挡， 测量精度会受到比较大的影响。它的车速检测原理是：根据特定区域的所有车型假定 一个固定的车长，然后通过记录车辆的从进入到离开投影区域所经历的时间来计算车 速。这种测量方式在车型单一的区域准确度较高，但是在车型分布不均匀的道路上有 比较大的误差。另外侧挂微波检测器要求距离最近的车道有3 米的空间，因此在桥梁、 立交、高架路的安装会受到限制。微波检测器可以正挂也可侧挂，侧挂一套设备可同 时检测双向8 车道，但如道路中间有隔离带，则需安装两套设备进行检测。检测器正 挂对于流量检测以及车速检测部有很高的精度，而且能够较好的分辨出大、中、小型 车。缺点是正挂一套设备只能检测一条车道，且安装困难，因此价格昂贵，每车道的 成本达到了上万元。 l 圣i1 , 3 1r t m s 工作原理圈 红外检测器是顶嚣式或路侧式的交通流检测器。该检测器一般采用反射式检测技 术。反射式检测器探头由一个红外发光管和一个红外接收管组成，其工作原理是由调 制脉冲发生器产生调制脉冲，经红外探头向道路上辐射，当有车辆通过时，红外线脉 冲从车体反射回来被探头的接收管接收，经红外解调器解调，再通过选通、放大、整 流和滤波后触发驱动器输出一个检测信号。这种检测器具有快速准确、轮廓清晰的检 测能力。其缺点是工作现场的灰尘、冰雾会影响系统的正常工作。 ( 三) 视频检测器 交通视频检测技术是指使用计算机视频技术检测交通流信息，通过视频摄像机和 计算机模仿人眼的功能。它的原理是：在视频范围内划定虚拟线圈，车辆进入检测区 硕士论文摹于超声蛇高建公路变通斑参数获取研究 域使背景灰度发生变化，从而感知车辆的存在，并以此检测车辆的流量和速度。与传 统的交通信息采集技术相比，交通视频检测技术有着直观可靠、灵活性较高、检测范 围广等优点。交通视频检测技术的缺点也十分明显：首先，视频检测器由于是靠视觉 原理进行数据采集的，所以视角的选择十分关键，安装高度不够会导致视角变小，车 辆之日j 的视觉阻碍将会影响检测，而安装高度过商会使支架的摆动幅度交大，在有风 的天气或者桥梁振动的情况下检测准确性将受到较大影响；其次，视频检测系统受能 见度以及采光度的影响较大，在图像处理系统中，背景处理是一个复杂的问题，图像 处理程序必须考虑对多种干扰因素的补偿。据文献【3 7 】记载，破晓及黄昏时间段的检 测误差非常明显，另外，雨天、雾天、积水、有阴影的区域会对检测产生更大的影响。 最后，本文通过两个表格对文献f 1 1 - 1 9 所介绍的各种交通流检测方案进行了归纳 汇总。表i 3 1 和表1 3 2 分别列出了各种常用的检测器技术在交通管理中的应用情况 和这些方案在性能上的对比分析。 应用场所设想条件常用技术 真实现场微波雷达 检删停止车辆 被动红外检测器 交叉路口信号控制激光雷达 般天气条件 超声波 视频埝测 检测停止车辆 真实现场微波雷达 交叉路口信号控制超声波 恶劣气象条件 长波、红外视舫柃洲 真实现场微波雷达 不需要检殒f 停止车辆多谱勒微波雷达 交叉路口信号控制 恶劣气象条件超声波 长波、红外视频检测 模拟检测6 6 英尺感应线盈探测视频检溅器 实时白动信号控制区域真实现场微波雷达 可伊西安装被动红外 真实现场微波雷达 多谱勒微波雷达 城市道路或高速公路车检测并计数，车速在2 3 英里， 激光雷达 辆计数小时 超声波 视频检测 6 鹱 论定 摹子毽声藏燕建套黯变蠢巍磐赣羲簸磷究 龚受瑗罄徽淀霍选 按测并计数车速槎2 3 楚里 多谱勒微玻鬻达 擎速蹬弱 激光霉选 夺簿 稿声波 携颧捡铡 税颁检测 攀辅援剥按车辆授攫 擞兜雷达 囊实现场徽渡雷达 激光霍达 攀鞲谖爨 按车形 精声波 表t 3 。1 交递管理煮羽捡溅器技术应用情况 技术优点缺点 捡融箨盘车辆 检测精度高，全天候m 作，能识 辇尊浚捻嚣黧雾爨车，w 检薨葬斑翁车辆， 必须联置，安装条鹊受划一定的 车间距檄小的车辆 隈翩 榷积枣，易于安装 在惩劣气较f 性能出笆 不能梭测静止或低速行驶的辛辆 擞袭雾港鞍硷熬 鞋岛翁方式瓣窀彝天线毁踪摹节 蠢接硷溅速度 道 盎器劣气禳下健藿出色 可检测静止的车辆 侧向方式速腱检测不够准确。椭 微波真实现场捻测 哥驮熟彝方式捡裁多攀道堵射流爹硷测不够准确 育接砼测逸噫 哥建事薮营避提爨可撬凄像 可摊供大量变通管瑗信息 太裂擎羲琵遮鹑疆荐瓣参藿车辆 可见光规频检测 阴影、积水威射或昼戎转换可避 攀台摄像瓿鞫处理嚣霹捡瓤多攀 遵 残梭嚣谖差 娶寝趣采赐弼算法蕊馨决蒜寝 霹锐鼹要缀好的红， 线焦乎嚣捻 红外线榄频捡颡转授的问题 测器，也就怒要甩提商功率，降 可提供大晕交道营理售崽 羝可牾 生来爨理毫灵敏宣 根据特定车辆的声学特征识别该为谈剐车辆需将接收信号进行太 声学检测 节_ 灏 晕昀辕去背景静啜声魄处理 彳 硕十论文基于超声的高建公路交通境参数获取研究 可检测小型车辆，包括自行车 磁力计检测很难分辨纵向过于靠近的车辆 适合在不便安装线圈场合采用 安装过程对可靠性和使用寿命影 线圈电子放大器已标准化 响很大 感应线圈检测技术成熟、易于掌握修理或安装需中断交通 计数非常精确影响路面寿命 易被重型车辆、路面碜理等损坏 表1 3 2 交通管理常用检测器技术性能比较 1 4 基于超声的交通流参数获取方案 本课题所研究的交通流获取系统采用的是超声探测器方案，之所以选择超声方 案，是因为同其他检测手段相比，超声方案有以下突出优点【2 1 】： ( 1 ) 超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、 有毒等恶劣环境中，具有全天候工作能力； ( 2 ) 超声波方案属于非接触式检测方案，超声传感器使用寿命长，而且安装时不破 坏路面： ( 3 ) 超声波传感器结构简单，体积小，费用低，技术难度小，信息处理简单可靠， 易于小型化和集成化。 超声波检测器是根据声波的传播和反射原理，通过对发射波和反射波的时差测量 实现位移测量的设备。声波在空气中的传播速度为3 4 0 米秒，由此可根据反射波和 发射波的时差计算出反射物距探头的距离。超声波检测器的工作原理是：由超声波发 生器( 探头) 发射一束超声波，再接收从车辆或地面的反射波，根据反射波返回时间 的差别来判断有无车辆通过。由于探头与地面的距离是一定的，所以探头发出超声波 并接收反射波的时间也是固定的。当有车辆通过时，由于车辆本身的高度使探头接收 到反射波的时间缩短，就表明有车辆通过或存在，其原理图如图1 4 1 所示。 图1 4 1 超声检溅基本原理图 8 硕士论文 摹于遥声的亳速公路交恿虎参数获取研究 若超声波探头距地面高度为日，车辆高度为h ，波速为v ，发自探头的超声波脉 冲的反射波从路面和车辆返回的时间分别为f 和f ，则： f ：丝 ( 1 2 ) v 、 ，：2 ( h - h ) n 3 ) v 可见时间f 与车辆高度h 相对应。根据这个特点，超声波检测器即可以检测车辆 的存在和通过。 由于超声波传感器顶置于车道上方，因此不存在检测时受遮挡的问题，而且当相 邻两车的车间距非常小时也能对流量进行准确计数，解决了车辆拥堵时准确检测的问 题。车速的检测足根据车辆先后到达已知距离的两个传感器的时间差计算所得，因此 也有较高的检测精度。在车型识别方面，基于超声波的检测方案能够精确的分析车辆 的高度、长度以及外观轮廓。由此区分各种车型，更是目前其他检测器方案难以做到 的。这个优点对于交通流数据采集来说是至关重要的，因为车型不同，在交通流数据 中所占的比例也不同。交通流数据是以p c u ( 标准车流) 为单位，而各种类型的客车、 货车折算为标准车流的折算率是不同的，因此区分车型是交通流量统计中的一个重要 环节。另外，在交通管制方面，许多城市都有货车禁行的路段和时段，也有公交专用 车道，为加强对违章行驶的货车和违章进入公交专用车道车辆的监控，就可以采用超 声波检测器作为视频抓拍的魅发装置。 超声波传愍器能全天候工作，是一种性能高，价格低的检测设备。此种检测设备 的缺点足必须顶置安装，安装条件受到一定的限制，安装时需封闭车道，但目前很多 公路和城市道路上都有许多天桥、立交桥和龙门架，这就为设备的顶冒安装提供了较 为便利的条件。 从上文中各个检测手段的分析及对超声检测方案的研究可以看出现今的交通流 检测设备已经逐步由原来的埋没型转向了非埋设型，而超声方案由于其自身具有全天 候工作、检测精度高、可区分车型、成本较低等优点，在非埋设方案中具有很大的优 势，可以很好的完成交通流参数获取的任务，因此本文选取超声方案作为所开发的交 通流参数获取系统的架设基础。 1 5 选题意义及论文研究方案 随着我国经济建设的迅速发展，汽车在人们日常生活中的重要性日益增加，我国 的汽车数量也在逐年增长，汽车数量的增加给人们出行带来极大的便利的同时也给各 类道路的管理和维护带来了极大的负担，交通拥堵成为交通需要面对的一大难题，要 解决这个问题，一般有两个方法：一是扩建道路，增大道路容量：二是在现有道路的 基础上进行科学管理。显然后者的成本更低，而且更具有可行性。而i t s 正是基于用 9 硕士论文基于超审的高速公路交通滤参数获取研究 各种先进的技术科学的管理交通这个基本思想。交通流参数获取系统是构建一个完整 的i t s 系统的基础，对交通流参数获取系统的研究具有很强的现实意义。通过前文对 各种检测方案的分析，可以看出基于超声的检测方案有其独到的优越性，在交通流检 测领域是一种很有前途的方法。 本课题的任务就是构建一个包括超声传感器和交通流参数分析计算软件的交通 流参数获取系统。硬件方面的目标就是获得一个能达到所需精度的超声测距系统，该 超声测距系统需要具备全天候工作的能力，且数据采样频率须达到一定的要求。软件 系统的目标则是根据硬件系统传入的原始距离数据识别车辆，计算各种交通流参数， 并且将车辆进行车型分类。在对超声测距所获得的数据进行处理的过程中，车辆波形 提取和波形匹配是数据预处理的主要步骤，也是本系统后续操作能否顺利迸行的关键 所在，因此本文将在研究现有的滤波和波形匹配算法的基础之上，提出适用于本系统 的车辆波形提取和波形匹配算法，根据系统需求这些算法还需具备较强的实时性。对 于车型分类的研究，本文将首先根据现有的多个车型分类标准制订一个具有一定通用 性的分类方案，然后在模式识别理论的指导下建立适合本系统的车型分类数学模型， 并根据玖漠型实现分类算法。最后需要构建一个可用于现场实验的原型系统，来检验 上述的各种算法的性能和效果。 图1 5 1 为本论文的研究方案图。 圈1 5 1 研究方案图 1 0 硕士论文 基于超声的高速公路交虚漉参数获取酽究 2 基于超声的交通流参数获取系统的分析与设计 2 1 高速公路实地考察情况分析 为了提出满足实际应用要求的系统构建方案，我们对沪宁高速公路进行了实地考 察，同时也对该高速公路的交通流进行了分析。沪宁高速公路具有全封闭、立体交叉 的特点。公路在来向和去向车道之间有矮树和栏杆相隔，并有几条车速不同的车道， 同一速度的汽车顺次行驶。与别的道路交叉处，有立体交叉桥横跨。路面平整、坚固， 坡度和缓，没有急弯，没有红灯信号。 通过对高速公路的通行能力的研究发现：一般情况下，随着车速的提高，道路的 通行能力也会增加。随着车速的持续增加，道路通行能力会达到一个峰值，此后若车 速继续增加，道路通行能力反而会减小，这是因为当车速过高时，车流己很难保持在 一种稳定的车头时距行驶。当高速行驶的车流能保持较小的车头时距稳定行驶时，就 可以提高道路的通行能力，同时又可以获得较高的运输效率。车速与道路通行能力关 系理论对进行高速公路上车辆之间的行驶距离研究也有很大的指导作用。根据上述理 论，同向行驶的车辆之间如果保持一定的车头间距，以相对稳定的速度连续不断的行 驶，就构成了一种稳定的交通流，如果车辆间日】距过小，则极易发生追尾事故，而如 果车辆间间距过大，又会影响道路的通行能力。根据高速公路交通管理办法的觇 定：一般情况下时速1 0 0 公里的两辆车之阿行车间距需要保持在1 0 0 米以上：时速 7 0 公里的两辆车车间距应至少保持在7 0 米以上。当遇有大风、雨、雾等恶劣天气， 应以更低的速度行驶，以保证行驶安全。 经实地考察发现：沪宁高速公路的交通疯是比较正常的交通流，各车辆能够在一 定的速受范围内保持车头时距安全行驶，而且系统不用考虑行人、自行车等交通工具 的出现造成的检测干扰，个可以覆盖单车道的超声传感器不会因车辆没有进入检测 区域而漏捡车辆。 。 2 2 系统架设方案设计 根据本章2 1 小节对沪宁高速公路实际情况的分析，同时结合第一章所介绍的超 声独有的特点，本文采用了一种基于双超声波传感器的交通流检测方案，下边以一个 车道的交通流检测为例来详细说明本方案：本方案需要超声波传感器一组两个，分为 前置传感器和后置传感器，分别悬挂于车辆正上方相距l 处，两个传感器的声波发射 方向均与路面垂直，而且它们之间的连接线在路面的投影应与路面中线重合，两个传 感器距路面的高度相等且均为h ，且它们的时钟同步计数。图2 2 1 为本方案的架设 方案示意图。 硬 睡室摹手趣捃黪毫透鼗撼蹙惩藏参教蓑壤簪竞 翻2 2 1 架设方案圈 下逮避论一黎零蘩设方案嚣墼考意秘缀摹嚣嚣。 ( 1 ) 越声传感器悬挂地点的选择 踅声簿譬嚣爨楚逮蠢鹃逵箨爨筵声餐溅方褰癸矮霎瓣浃蘸一令游莛，黎鐾器彩矮 饿撑的要求也是影响其使用普及性的主要缺点，佩是根据窳地考撩，在本漾题中不存 奁逮夸瓣越，嚣受裹速釜熬主枣嚣多天辩、童交褥鼗蔻羹懿，这蕊舔是逶会鏊蕊越声 传感器白勺地点，如图2 2 2 所示： 甏2 z 2 搽黎嚣黎挂凌煮示意鬻 ( 2 ) 穰声传感潞探测帮向角的被置 一黎麓声簧慧器囊奏鲶嚣一令车遘鹣交逶瀵，黪了爨谨誉嚣捷拳霉遴懿车襞，翼 时也不余将其它翠道的苹辆误检为本车墩的车辆，超声传感器的检测范阐必须覆旅整 硕士论文基于超宙的高速公路交通漉参数获取研究 个车道，而且不会受到相邻其他车道的影响，因此对传感器的探测方向角必须有所约 束。下边以覆盖单车道的实验系统为例来说明检测方向角要满足的条件，设超声传感 器距地面的距离为，单车道的宽度为，传感器探测方向角为口，则 曰玎a r c t a n ( 去) ( 2 1 ) 可见传感器探测方向角口和传感器距地面高度日以及车道宽度有关。实际架设 时，为了使一个传感器的检测区域覆盖整条车道，要根据传感器架设的高度和单车道 的宽度调整传感器探测方向角以适应不同的架设要求。 ( 3 ) 超声传感器采样频率的要求 为了满足交通流参数获取的精度需要，对传感器的采样频率也有一定的要求。为 了计算车流量，每辆车至少需要被采到3 个点才行，否则该车辆波形将会与噪声无法 区分，从而无法准确对流量进行计数。而若要进行较为精确的车型分类，则每辆车的 采样点个数需大于或等于5 个点才行( 具体分析见本文第四章4 3 3 2 小节) 。下边就 根据这个要求来具体分析一下传感器必须达到的采样频率。 设采样频率为f ，车长为幻，车速为矿，车道宽为厶，车辆经过传感器覆盖区 域所需时j 丑j 为t ，车辆在两次采样间隔内行驶的距离为i n t e r v a l s p a n ，所需采样点个数 为，如图2 2 3 所示： n + 一$ a s o r 。v 秘e h i c l e d d e t z e c - ni 淼。 i c 一叫 医匿 1 e 一h 叫 o ( a )( b ) 图2 2 3 采样频率分析 ( a ) 车辆经过探测区域示意( b ) 采样点个数与车速关系图 根据采样的原理得其关系式为 知阳r v a l s p a n = 7 v 生丝 n i n t e r v a l s p a n 由式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) 可得采样频率，的取值范围为： 矿 ， 一 。 三r + 三c v ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 1 3 硕士论文 基于趣育的高速公路交邂流参数获取酽究 以我们此前考察的高速公路的车道宽度为例，车道宽大约为4 米左右，根据中 华人民共和国道路交通安全法实施条例第七十八条规定，高速公路应当标明车道的 行驶速度，最高车速不得超过每小时1 2 0 公里，最低车速不得低于每小时6 0 公里。 现以一辆长度约为5 米的车以最高限制时速1 2 0 公里进入探测区域为例，将以上数据 代入式( 2 4 ) - i 得，为了得到5 个采样点，采样频率必须大于等于3 0 次，这样才有利 于后续步骤地顺利进行。 2 3 基于超声方案的交通流参数获取原理分析 2 3 1 车高获取 车高可直接由超声测距传感器获取。如图1 4 1 所示，超声波从传感器发出，经 空气传播到车子的顶部，并经车子的顶部反射后又传到传感器，则车辆的高度为： d = 片一f c t ) 2 ，其中c 为空气中的声速，r 为传感器自发射脉冲道接收脉冲的时 间，c 为声波在空气中的传播速变。 2 3 2 车速获取 车速的获取需要两个传感器的同步配合。如图2 2 1 所示，设有一辆车以速度矿驶 来，当其经过静置传感器时记下其传感器数据中的同步时钟数，记为c l k l ，然后当其 经过后置传感器时再记录下其传感器数据中的同步时钟数，记为c l k 2 ，由于两传感器 的架设距离一股不超过2 0 米，故可认为一辆车在两传感器间的速度近似保持不变， 利用超声传感器的脉冲频率厂、两传感器的距离、车辆经过两传感器的同步时钟数 之差、同步时钟周期等参数即可计算出车辆在两传感器间行驶的平均速度。公式如下： 矿= 墨： c l k 2 一c l k l 2 3 3 车长获取 ( 2 5 ) 车长的获取与车速是密切相关的，利用式( 2 5 ) 求得的车速v ，结合车辆通过一个 传感器检测区域的时间，即可求出车长三。公式为： 工= 半 ( 2 6 ) 其中厂为超声传感器的脉冲频率，c l k l 、e l k 2 分别为一辆车经过一个传感器时所 采的第一个点与最后一个点的同步时钟周期数。 2 3 4 车型分类 车型分类就是在摸式识别理论的指导下通过已经获取的交通流参数将该车辆分 入特定类别，这里的交通流参数指的是车高、车长、车速以及超声传感器获取的车辆 波形曲线，需要对这些特征进行恰当的提取。具体分类方法在本文第四章中将会详细 1 4 顽十论文基于超青的高速公路交通流参数获取研究 介绍。本文将所采集的车辆分为吉普类、轿车类、小型客车类、中型客车类、大型客 车类、小型货车类、大型货车类、中型货车类八类车型，各类车型的具体划分方案详 见本文第四章4 1 3 小节。 2 3 5 其他交通流参数的获取原理分析 本节主要分析流量和密度这两个交通流参数的获取原理。车流量的统计与车流密 度的计算是建立在车高、车速、车长这些交通流参数的基础之上的。 其中车流量的统计较为直观，就是根据超声传感器的波形变化判断是否有车辆经 过，如有车辆经过则进行计数。从超声传感器传来的波形中提取车辆的方法在本文第 三章将有详细介绍。常用的交通流量按时间分类有：日交通流量、高峰小时交通流量、 年交通流量等；按检测断面分类有双向交通流量、单向交通流量、路段交通流量、车 道交通流量等。本文得到的流量均为检测点处的单向交通流量，日交通流量、月交通 流量、年交通流量、高峰小时交通流量分别为日、月、年、高峰小时时间段内采集到 的车辆数。而且在进行车型分类后还可以统计各个车型的车流量。 车流密度计算的原理足依据本文在第一章1 2 小节介绍的车流密度的定义和计算 公式，在本文的超声方案下要保证车流密度计算的准确性，还需要满足一个条件：在 计算密度所需的长度为上的车道上车辆均保持匀速。而在高速公路交通旒稳定的情况 下，这个条件是可以满足的。在此需要缓存求密度的时刻之前通过的车辆在探测点的 时间和其速度。通常缓冲区的大小要视车道长度的大小而定，越大其所需的缓冲 也越大。首先根据式( 2 7 ) 判断缓冲中的车辆是否仍在区域工内，然后根据式( 2 8 ) 统计 区域内的车辆总数，最后根据式( 2 9 ) ，即可得到探溅点在当前时刻的车流密度。式 ( 2 7 ) 中，“表示缓存中第f 辆车的车速，和兀分别衷示当前时刻和第f 辆车经过探 测点时的时刻，式( 2 8 ) 中的表示缓存中的车辆总数。 缸加州口( v e h i c l e , 1 ；1 阼( 一z )