（车辆工程专业论文）智能交通系统传感器技术的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着中国经济的发展，机动车辆数目不断地增多，现有道路等硬件设施的增长已经 满足不了日益膨胀的交通问题，智能交通系统f i r s ) 越来越受重视，i t s ( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 通过现代化的方式，管理监督交通。随着新的道路交通法的颁布， 如何更好更有效地监测交通状况，采集交通信息成为智能交通发展的重点之一。i t s ( 智 能运输系统) 是有效地解决地面交通问题的最佳途径和发展方向。 i t s 系统能否有效的运行，关键取决与获得全面、准确和实时的动态交通信息。本 文主要研究传感器的选择及空间分布优化问题，目的是解决动态交通信息采集的实时 性、有效性和经济性。本文重点研究传感器类型的选择及其空间分布优化问题的方法及 步骤。首先系统和全面的研究了各种传感器基本组成及技术性能，它是本论文的一个基 础部分，为后面的研究( 如传感器的选择) 提供了依据：接着应用经验法和模糊多级评 判的方法进行传感器类型的选择；最后依据路网中交通流量的相关性的特点，提出的传 感器优化布点方法是通过对城市路网中所有最小路段的历史交通流量进行相似性分析， 确定出最小路段流量之间的相关矩阵，并以此矩阵作为约束条件，利用线性规划的方法建 立起检测器最优布点的数学模型。对于该模型的求解就会得到最优布点的规模和布点的 点位。本文采用了v i s s i m 3 6 0 版仿真软件进行优化布点法的仿真分析，进一步证明自 己的论点。 关键词：智能运输系统；传感器；优化分布；模糊多级评判；线性规划 智能交通系统传感器技术的研究 r e s e a r c ho fi 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 s a n dt r a m cd e t e c t o r s a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n ae c o n o m y ，t h en u m b e ro fv e h i c l e si n c r e a s i n g ， g r o w t ho fh a r d w a r ec a n n o ts a t i s f yt r a f i cp r o b l e m s ，t h ee m p h a s i so ni n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ( i t s ) i si n c r e a s i n g i t sp l a y s a l lu n e x a m p l e dr o l e i nt h es u p e r v i s i o no ft r a f i c m a n a g e m e n tt h r o u g hm o r d e nw a y i t sh a sb e e nt h eb e s tw a ya n d b e s td e v e l o p i n gd i r e c t i o nt o s o l v et h et r a f i cp r o b l e m se f f e c t i v e l y t h ee f f e c t i v e n e s so ft h es y s t e m so p e r a t i o nd e p e n d sc r i t i c a l l yo nh o wt o o b t a i n a c c u r a t ef u l l s c a l ea n dr e a l t i m et r a n s p o r t a t i o ni n f o r m a t i o n t h ea u t h o rp u t sf o r w a r dh i so w n s u g g e s t i o nf o rs e n s o rs e l e c t i o na n do p t i m i z a t i o no fd i r e c t i o n a ld i s t r i b u t i o n , t h eo b j e c t i v ei st o s o l v et h er e a l - t i m ee f f e c t i v e n e s sa n de c o n o m i c a le f f i c i e n c yo fm u l t it r a f f i cf l o wd a t a c o l l e c t i o n s y s t e m s t h i sp a p e rl a y se m p h a s i so i lt h er e s e a r c h o fs e n s o rs e l e c t i o na n d o p t i m i z a t i o no fd i r e c t i o n a ld i s t r i b u t i o n i nt h eb e g i n n i n gt h ea u t h o rm a k e sat h o r o u g ha n a l y s i s o ft h eb a s i cc o m p o s i t i o na n dt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i co fv a r i o u ss e n s o r s ，w h i c hi sa ne s s e n t i a l p a r to ft h i sp a p e ra n dp r o v i d e st h ef o u n d a t i o no ff o l l o w - u ps t u d y s e c o n d l y , m e t h o d so f e x p e r i e n c ea n dt h em u l t i l e v e lf u z z yi n t e g r a t e d e v a l u a t i o na l ep r e s e n t e df o rs e n s o r s e l e c t i o n b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fr e l e v a n c eo ft r a f f i cf l o w , f i n a l l yi t p u t sf o r w a r dt h e s i m i l a r i t ya n a l y s i st o a l lt r a f f i cf l o wa n df i n do u tt h ec o r r e l a t i o nm a t r i xb e t w e e nr o a d s e c t i o n , a n du p b u i l dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fo p t i m i z a t i o no fd i r e c t i o n a ld i s t r i b u t i o nw i t h c o n s t r a i n to f t h i sm a t r i x ，t h es o l u t i o no fs u c hm o d e lc a nl e a dt ot h es c a l eo fo p t i m i z a t i o no f s e n s o rd i s t r i b u t i o na n dp o i n tl o c a t i o n s i m u l a t i o ns o f t w a r ev i s s i m 3 6 0i su s e dt ot o s i m u l a t i o na n a l y s i s ，t os u p p o r tt h i si d e a 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 s ，s e n s o r ，o p t i m i z a t i o no fs e n s o r d i s t r i b u t i o n ，m u l t i l e v e lf u z z yi n t e g r a t e de v a l u a t i o n ， 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：丛鳘氲垒垫秘荭型曼装鲑丛缉应趁 作者签名：坷丑皿趟红日期：4 年丝吐日 智能交通系统传感器技术的研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目：g 堑锰遴奉选盥群丛叠蕴盘 作者签名：圈塑墼芏丕l 丑继一日期! 吐年一l 蔓月土王日 导师签名：# 冯算廷墨_ 一日期：卫芝旱一年掣l 月上孓日 大连理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文研究的背景 交通问题是世界各国面临的共同问题。伴随着经济高速发展的负产物之一，即是交 通状况的不断恶化。尤其是近十年多来，随着社会经济的发展，城市化、汽车化速度的 加快，交通拥挤造成了巨大的时间浪费，加大了环境的污染。无论是发达国家还是发展中 国家，都毫无例外的承受着不断加剧的交通问题的困扰。面临日益严重的交通问题，人 们曾经采用了多种手段试图解决。而很多国家的公路网早已建成，不可能再靠多修路来 解决问题，同时考虑到保护环境、节约能源、谋求社会可持续发展等方面因素，在摸索 的过程中，随着计算机技术、通信技术、信息技术的飞速发展，将人、车、路综合起来， 用系统的观点进行考虑，并把先进的计算机、通信、控制技术运用于交通运输系统的i t s 就很自然的诞生了。 随着智能交通技术的不断发展，目前已形成欧洲、美国和日本三大体系。其中欧洲 智能交通系统最早开始发展，其主要特点是强调国际( 主要是洲际) 合作和标准化、强 调综合运输系统智能化。主要的项目有：一是由欧盟组织的为完善道路设施、提高运输 服务水平的d r i v e 计划和t - t a p 计划；二是由民间企业主导的为提高欧洲汽车、竞争力 的p r o m e h e u s 计划和改善欧洲运输机动性的p r o m o t e 计划。 而美国i t s 发展历程的主要特点则是：由国家统一规划、投入充足、发展迅速。美 国从最早的i v h s 开发战略计划到1 9 9 4 年的i t s 计划的实施，都是由国家统一规划， 已在7 5 个城市中实施，并得出如下结论： ( 1 ) 可使都市地区的交通阻塞降低2 5 - 4 0 。 ( 2 ) 到1 0 1 0 年，估计每年可以减少交通事故死亡1 1 5 0 0 人及交通事故2 2 0 亿次；到 2 0 2 0 年，可以减少交通事故6 5 0 亿次。 ( 3 ) 可带来减少能源消耗、降低大气污染、提高城市运输生产力的效益。 ( 4 ) 各相关产品的国内国际市场效益，估计到2 0 0 0 年可达每年2 8 0 亿美元。 日本i t s 的发展几乎与欧洲同时起步。从2 0 世纪8 0 年代中期开始，由运输省等政 府部门组织上百家企业，会同大学和研究机构进行大规模的联合开发，形成了官、民、 学的协调机制，这对日本的i t s 发展起到了很大的推动作用。现如今，日本对i t s 的效 益从多方面作过概略的分析。具体为： ( 1 ) 交通效益：道路交通方面得到缓解( 表1 1 ) ； ( 2 ) i t s 的收益投资比( 表1 2 ) ； 智能交通系统传感器技术的研究 表1 1日本i t s 的效益分析表 t a b 1 1p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fi t si nj a p a n 表1 2日本i t s 的投资收益分析 t a b 1 2i n v e s t m e n ta n dp r o f i ta n a l y z i n go f i t si nj a p a n ( 3 ) 创造新产业：到2 0 1 5 年产值超过6 0 兆日元( 1 9 9 6 年约5 兆日元) ； ( 4 ) 成为高度信息化社会的先锋； ( 5 ) v i g s 的投资效益预算。 智能交通技术在我国的发展现状： 中国是一个发展中国家，交通运输基础设施短缺，需要加快建设，另一方面也存在 交通设施利用率低、管理技术落后、交通安全形式严峻等问题。鉴于我国道路在未来2 0 年内仍然处于建设期( 根据“五纵七横”公路主骨架的布局框架，建设1 2 条约3 5 0 0 0 公里以高等级公路组成的国道主干线) ，而这一期间正是智能交通技术在全世界进入全 面实施阶段，中国也需要根据中国公路运输的实际需求探讨在中国公路运输网中应用智 能交通技术来提高运输效率、保障安全和保护环境的可能性。2 0 0 0 年，国家交通部、建 设部、公安部联合全国各大科研院所和多家高校制定了符合我国国情的国家i t s 体系 框架规定我国i t s 发展主要集中在不停车收费、出行者信息服务、城市交通管理、公 共交通系统、智能公路系统等9 个方面【2 】。 我国i t s 研究可以追朔于8 0 年代的公路收费系统研制，那时国家科技攻关项目“津 塘疏港公路交通工程研究 于首次在高等级公路上把计算机技术、通信技术和电子技术 用于监控和管理系统；进入9 0 年代，我国开始关注国际上i t s 的发展。1 9 9 5 年，交通 部i t s 工程研究中心进行了g p s ( 卫星定位系统) 与导驾系统研究、基于g p s 的路政 车辆管理系统等一系列项目研究，交通部还与各省厅开展了“网络环境下不停车收费系 大连理工大学硕士学位论文 统”的联合攻关。1 9 9 9 年，由交通部、科技部、建设部等十多个相关部门组成了国家智 能交通系统工程技术研究中心，将i t s 。未来交通建设和发展的优先领域予以重点支持。 由于世界各国把不停车收费系统作为i t s 领域最先投入应用的系统开发，以此来扩大道 路建设资金来源，缓解收费站交通堵塞，减少环境污染，所以我国也把联网收费、不停 车收费系统的开发和应用列为国家i t s 领域首先启动的项目。 从1 9 9 8 年初开始，交通部就组织开展了网络环境下的不停车收费系统研究 ，并在 4 个省市进行了示范工程。1 9 9 9 年1 月1 日，广州市“一卡通”不停车收费系统投入运 行，到目前已开通不停车收费车道4 0 余条。同时，围绕交通监控、汽车智能导航等系 统，以及一大批科研成果及技术产品得到实际应用，对提高社会和公交出租车辆通行效 率，改善城市整体交通状况都起到了极大的推动作用。 目前，我国已经建立或者正在研究开发的智能交通系统主要包括以下方面： ( 1 ) 交通信号控制与指挥系统。 ( 2 ) 交通监视与监测系统。 ( 3 ) 交通管理信息系统。 ( 4 ) 交通信息动态显示系统。 ( 5 ) 交通诱导系统。 ( 6 ) 交通运输安全报警系统。 ( 7 ) 交通违法监测系统。 ( 8 ) 驾驶员考试系统。 ( 9 ) 交通事故快速勘查系统。 ( 1 0 ) 电子收费系统。 ( 11 ) 公共交通运营指挥调度系统。 1 2 论文的研究目的和意义 交通信息是城市交通规划和交通管理的重要基础信息，通过全面、丰富、实时的交 通信息不但可以把握城市道路交通的发展现状，而且可以对未来发展进行预测。因此， 交通信息采集与处理技术无论对城市的规划、路网建设、交通管理，还是对未来智能交 通系统功能的实现都非常重要。而交通信息分为静态交通信息与动态交通信息两种： 静态交通信息是指交通系统中一段时间内稳定不变的信息，主要包括道路网信息、 交通管理设施信息等交通基础设施信息，也包括机动车保有量、道路交通量的统计信息 以及交通参与者出行规律在时间和空间上相对稳定的信息。 动态交通信息是指实时道路交通流信息、交通控制状态信息以及实时交通环境信息 智能交通系统传感器技术的研究 等在时间和空间上相对变化着的信息。而本文主要讨论实时动态交通信息的采集与处理 技术。 1 3 论文的思路 论文的主要结构以及各章内容如下： 第一章：绪论。首先介绍论文的研究背景，研究的必要性和意义。然后介绍i t s 智 能交通系统国内外的发展情况，研究内容和方向，分析城市交通现状，找出问题提出解 决的办法。最后叙述论文的写作思路，为后续章节打好基础，确定方向。 第二章：交通信息传感器及性能。本章重点从基本原理、基本构成、通信收据格式 以及技术性能等方面系统地介绍现有交通系统信息传感器如：红外线传感器、视频传感 器、环形线圈传感器、声学传感器、超声波传感器、压电传感器、磁力传感器等多种传 感器的特点及性能，它是论文的一个基础，为后续的传感器的合理选择提供依据。 第三章：交通信息传感器的选择。首先介绍选择传感器的影响因素，如所需的数据 类型、数据取值范围及数据精度；交通信息传感器的监测区域、可监测的车道数及安装 调试要求；道路几何线形和结构、道路材料、建筑物、树木及气象条件对信号获取和传 输的干扰；数据传输的需要；交通信息检测器寿命周期的花费，包括购买费用、安装和 维修保养费用。然后对各类交通检测器的输出数据类型进行比较的基础上，给出了定性 的选择检测技术的方法。通过对多级模糊评判方法的介绍和研究，本章希望用多级模糊 评判的方法解决传感器选择问题。 第四章：信息传感器的空间位置优化。本章通过对城市路网中所有基本路段的历史 交通流量进行相似性分析，确定出基本路段流量之间的相关矩阵，并以此矩阵作为约束条 件，利用线性规划的方法建立起传感器最优布点的数学模型。对于该模型的求解就会得到 最优布点的规模和布点的点位。然后本文采用v i s s i m 3 6 0 版仿真软件进行优化布点综 合法的仿真分析来证明自己的论点。 第五章：全文总结。总体分析论文研究过程中的成果和不足，以及将来研究中需要 解决的问题等。 本文希望从交通运输系统的需求出发，通过对i t s 系统的信息检测部分的深入研究， 解决城市交通的一些问题，并且能为智能交通系统及时、准确地提供动态的交通信息， 为城市交通的发展出一份力。 大连理工大学硕士学位论文 1 。4 本章小结 本章主要介绍了论文的研究背景，通过介绍智能交通系统的发展现状，提出解决当 今交通的一些问题。最后，说明了论文的研究内容和方向。 大连理工大学硕士学位论文 第二章i t s 信息传感器及其性能 交通信息是城市交通规划和交通管理的重要基础信息，通过全面、丰富、实时的交 通信息不但可以把握城市道路交通的发展现状，而且可以对未来发展进行预测。因此， 交通信息采集与处理技术无论对城市的规划、路网建设、交通管理，还是对未来智能交 通系统功能的实现都非常重要。 动态交通信息采集系统的目标是全面、自动、连续的从路网上获得不同地点和路段 上的交通流信息。而要实现这一目标，就离不开信息传感器。所以本章首先要来全面、 系统地介绍目前国内外智能交通系统中使用的各种信息传感器，有一些常用的传感器例 如环形线圈，微波传感器，红外线传感器等，本文将一一对各类传感器的综合性能，技 术指标进行归纳总结，为下一章论文内容作好铺垫工作。 2 1 红外线传感器 2 1 1基本原理 红外传感器是波束检测装置的一种，有主动和被动两种型式。二者都可用于交通管 理。主动式红外光是太阳光谱红光外侧的不可见电磁波，波长范围为o 8 1 6 p a n , 分为遮 断式和反射式两种。其发射器和接收器分别为半导体激光器和光电二极管，将两者对中， 水平安装在车到旁边。无车通过时，接收器接收细束线状红外光，有信号输出；车辆通 过时，遮断光束，接收器无输出，通断转换是对车辆的检测信号。新型主动反射式红外 检测的原理为：在相同的红外光辐射下，反射物的大小、材料和结构不同，反射能量就 不一样。 被动式红外检测没有发射器，只有接收器，接收器感受路面和车辆以红外波长为主 的辐射能量。路面和车体的材料温度和表面光洁度都不一样，它们的辐射能量也必然不 相等。现代红外测温的分辨率己达到0 1 ，因此区分道路和车辆已不存在困难。 2 1 2 红外传感器的类型 1 主动式红外检测器 主动式红外线激光传感器具有两套光学系统：发射光学系统和接收光学系统。发射 光学系统将由脉冲激光二极管发出的红外线以一定角度分成两束。接收光学系统有较大 的接收区域，能更好地接收由车辆散射的红外线。主动式红外线激光传感器记录车辆通 过两光束的时间，又两光束的距离已知，则速度可得出。 智能交通系统传感器技术的研究 浓雾、大学和大雨等严重影响能见度的因素会降低红外检测效果。实验证明，在能 见度为3 - 5 m 的浓雾下，不宜用红外检测器检测车辆；而能见度好的天气，红外检测距 离可达到4 0 m 。 2 被动式红外检测器 任何物体温度高于绝对零度既辐射红外光。在低照度和黑夜环境，红外光都能使热 敏和光电元件产生反应，因此广泛应用与检测工作。被动式红外检测，是在路面相隔一 定距离的地方，以特种涂料划出一个明显的区域，使它们在给定的环境温度下，辐射出 比较稳定的能量。在车到上方的龙门架上，安装红外接收器，分别对准这个区域。无车 时，接收器分别感受特定区域的辐射能量；有车通过时，又先后感受车辆的辐射能量。 能量的差异不仅使接收器分辨出车辆的存在和通过，也能检测车速和占有率。红外成像 技术还能够提供获得车辆长度和图像的可能性。 图2 1 被动式红外线传感器 f i g 2 1 p a s s i v ei n f r a r e ds e l l s o r 2 2 环形线圈 目前，高速公路检测交通流状态用最多的传感器件是环形圈线，它可以检测交通量， 车速，占有率，车头时距，车长，长车比和车辆存在等多个项目。 2 2 1 工作原理 大连理工大学硕士学位论文 环形线圈检测原理如图5 1 2 所示。线圈由专用电缆绕几匝( 一般为4 匝) 及其馈线 构成，它通过一个变压器接到被恒流源支持的调谐回路，有源环形线圈构成l c 调谐回 路的电感部分，并在线圈周围的空间产生电磁场。当含有铁金属的车体进入线圈磁场范 围，车辆铁构件内产生自成闭回路的感应电涡流；此涡流又产生与原有磁场方向相反的 新磁场，导致线圈的总电感变小，引起调谐频率偏离原有数值，从而发出车辆通过或存 在的信号。 图2 2 环形线圈检测工作原理 f i g 2 2o p e r a t i n gp r i n c i p l eo fd o u g l m u tc o i l 盏 拟 字 埋在路面下的有源环形线圈产生的电磁场有一定的作用范围，路面上部有效高度称 为检测场高。场高决定于线圈的几何尺寸和匝数，约等于方形线圈边长的一半；车辆地 盘高度大于场高，将无法获得车辆整体通过的有效输出，小尺寸环形线圈只能得到与单 个轮轴相对应的输出信号。因此，线圈的几何尺寸应由被检车辆底盘高度决定。 相位比较器由专用芯片组成，比较器发出的信号控制压控振荡器，使振荡器频率跟 踪线圈谐振频率的变化，从而使输出为一脉冲信号。其宽度由锁相电路的充放电时间常 数决定。 输出放大器将相位比较器输出的脉冲信号放大，并可以数字，模拟和频率三种形式 输出；其中数字信号是将脉冲与一个基准电压相比较而得到的。频率输出可用来测速， 数字信号便于车辆计数，模拟量还可用于计算车长和识别车型。 2 2 2 结构和安装 环形线圈由多芯低阻抗软铜线的电缆绕成，单芯铜线直径约为0 5 r a m ，导电总截面 智能交通系统传感器技术的研究 积约为1 5 删 1 1 2 ( 如7 芯铜线) ，外包聚丙烯或交键聚乙烯( x hh w ) 作为绝缘层，绝缘层 的平均厚度为o 8 1 0 m m ；电缆外径不大于4 m m ，介电常数不超过2 3 ，其性能指标应 满足超低压( 3 2 v a 以下) 电缆的要求。一般将电缆绕四匝成为线圈，线圈的边长和形 状( 正方，长方或其他) 根据需要而定，主车道的线圈大度为2 m * 2 m 的正方形；线圈 加馈线后的电感量为2 0 - 2 5 0 0 u h ( 随频率而定) ，用5 0 h z 电源检测，线圈本身为 1 0 0 1 5 0 u h ，加馈线后卫2 0 0 , - - 2 5 0 u h ；馈线长度应 5 0 0 m ，最好控制在1 5 0 m 以内，线 圈与馈线串联电阻应小于1 0q 。在收费车道和人口匝道，线圈采用菱形，长方形能和其 他特种形状。 线圈埋设点应避开铁磁体。安装时，在路面切一深4 0 5 0 m m ，宽6 - 8 r a m 的矩形槽， 槽底平直无金属屑，槽内干燥清洁。当线圈置于钢筋混泥土上时，线圈距钢筋至少为 5 0 m m 。放入线圈后，将馈线穿过承重管，一道路肩外侧检控机箱内与检测单元相接。 槽口用胶化沥青或环氧树脂料密封，防止雨水渗入。馈线最好与线圈采用同规格电缆， 成对拧在一起，每米缠绕1 6 圈以上，并应进行屏蔽。埋设后的环形线圈加馈线的对地 绝缘电阻) 1 0 mq ( d c 5 0 0 v ) 。为精确测量车速，沿车道主轴，连续布设两个线圈，线 圈间距为2 , - - 4 m ，相邻车道的环形线圈，距离应大于l m 。 环形线圈作为传感器需和图2 1 2 所示部件及检测和通信单元等其它器件组和成检 测器，才能对车辆检测。线圈外的其它器件均组装在检测和通信模块上，安装在路侧的 现场检控机箱内。检测单元由微处理器和存贮器等组成，能按不同采样周期对所采集的 数据作预处理，并具备将处理结果存储3 7 d 的容量，最后由通信单元将检测数据传输 给检控计算机。 2 2 3技术要求 ( 1 ) 境温度：4 0 + 8 0 摄氏度。 ( 2 ) 电源：2 2 0 va c 2 0 ，5 0 h z 4 ；功率消耗 5 w ( 3 ) 调谐范围：线圈电感在2 0 - 2 5 0 0 u h 自动调谐，并在此范围内连续自动作漂移补 偿；灵敏度从0 0 2 1 3 0 可调；检测器应具备防冲突功能。 ( 4 ) 检测精度：两轮以上机动车技术精度) 9 8 ；占有率检测误差的4 ；测速 范围为0 - 2 5 0 k m h ，误差为4 - - 6 ；排队长度检测误差为4 乇。 ( 5 ) 平均无故障时间：1 5 0 0 0 h 。 ( 6 ) 寿命：) 1 0 年。 2 2 4 使用和调试 环形线圈检测器的频率，灵敏度和信号存在时间应根据使用需要进行调整。相邻线 大连理工大学硕士学位论文 圈的工作频率应该不同，以防止相互干扰；检测器上的频率可调挡级一般有倘级，可 保证相邻线圈具有不同的工作频率。车辆大小不同，检测要求的灵敏度不一样，如自行 车和摩托车要求检测灵敏度高。检测器一般有和7 挡灵敏度可供选用，应该注意的是过 高的灵敏度使邻近线圈相互干扰的可能性也加大。当环形线圈用来控制收费车道的开闭 时，需对继电器的开闭时间( 存在时间) 进行调整。 2 3 超声波传感器 超声波传感器是一种在高速公路上应用较多的检测器，它利用车辆形状对超声波波 前的影响来实现检测。超声波车辆检测器的探头具有发射和接受双重功能，被设置于道 路的正上方或斜上方，向路面发射超声波，并接受来自车辆的反射波。 2 3 1 工作原理 超声波车辆检测器的工作原理可分为两种：传播时间差法和多普勒法。传播时间差 法这是一种将超声波分割成脉冲射向路面然后接受其反射波的方法。当有车辆时；超声 波回经车辆反射提前返回，检测出超前于地面的反射波，就表明车辆存在或通过。 如图5 1 3 ( a ) 所示，若超声波探头距地面高度为h ，车辆高度h ，波速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t 和t ，如图5 1 3 ( b ) 所示，则：可 见时间t 与车辆高度h 相对应。这个特点即用来判别车辆存在，也可用来估测车高。从 图5 1 3 ( b ) 还可以看出，调整启动脉冲的启动时间和宽度，能够限制输出信号发生的时间 t 的范围，由图5 1 3 就可以得出能被检测出来的车辆对应的车高范围。一般超声波检测 其能检测出车高出于0 7 5 1 6 m 的车辆。 智能交通系统传感器技术的研究 毗l l i呲吡山 。洲 , 4 - - 闭ll1 i 一 碲1 1 1mmm 掣嵝 叫 涉叫 | 0 来自翱 来苣蛐 j l 7 7 li 同 图2 3 超声波传播检测 f i g 2 3 u l t r a s o n i cs c l l s o t 多普勒法。超声波探头向空间发射超声波同时接收信号，如果有移动物体，那么接 收到的反射波信号就会呈现多普勒效应。利用此方法可检测正在驶近或在远离的车辆， 而不能检测处于检测范围内的静止车辆。 2 3 2 超生检测器的主要技术指标 发射频率：2 6 k h z ；检测出速：0 1 6 0 k i n h ；检测区域：探头下方路面圆形区，圆直径 为2 4 3 2 m ；环境温度：3 5 + 7 0 摄氏度。 2 3 3 超声检测器使用中的优缺点 优点：价格便宜，安装方便，维修容易，主要表现为不破坏路面，不封闭车道，不 受路面施工和变形影响。使用寿命长，可以移动，更换检测地点。 缺点：检测精度不高。检测域为锤形，无法适应车型和车辆高度的变化，对小型车 辆的分辨较差；严重拥挤时，误报率也较大。抗干扰能力不强；6 级以上大风使检测声 束产生漂移，无法正常检测。 从架设方便，使用寿命长等方面来说，路面埋设式检测器都不如超声波检测器，所 以超声波检测器成为目前使用量仅次于环形线圈的一种检测器。 大连理工大学硕士学位论文 2 4 微波交通检测器 前面介绍的超声，红外和光学检测器有一共同的严重缺点是穿透云雾，雨滴和雪花 的能力很弱，无法在这些气候条件下进行检测。而波长3 c m 左右的电磁波对云，雨的透 射率达7 0 9 0 。为此，人们利用成熟的雷达测距，测速和成像技术开发出微波交通 检测器。 2 4 1 工作原理 。微波检测气象检测区发射小功率以不同中心频率连续调制微波，中心频率大于 1 0 g h z ( 波长越3 c m ) ，宽度4 5 m h z ，进行分区扫描，获得被测物的反射回波。扫描区 域的数量和大小可由软件控制，做多可分为8 个区，每区长度2 - 1 0 m ( 可调) ，宽度为2 m ( 覆 盖一个车道1 ；每区还可进一步细分为2 4 个小区，供测速使用。检测器最多可检测8 个车道的交通量，平均车速，占有率，按长度划分的车型和排队长度等参数。 检测器由三部分组成：微波发射，接受探头及其控制器，调制解调器和专用电源。 发射器可安装在路侧灯杆或专用立柱上，安装高度大于5 m ，微波波束俯仰角4 0 , - 5 0 度， 水平方位角1 5 度，作用距离3 - , 6 0 m ，称为侧视安装。它可向超声检测一样安装在车道上 方龙门架上，称为前视安装。调制解调器安装在同一个根立柱上，通过连接盒与探头连 接，将处理过的检测信号调制后发射给接受单元。 检测器面对高速公路车道行驶方向布设，称为前视检测。通常将一条车道划分为一 个检测区，配置一台检测器。检测车速时，需要在检测区内沿行驶方向细分成几个窄区， 并设定窄区间的距离长度；对通过窄区的车辆计时，就可测出车速及其他交通参数。前 视可延长纵向区( 车道) 监测长度，以提供更精确的数据。检测区及窄区的划分均由软 件设定，修改软件可重新设定。因此，可应用于高速公路监测，城市交通检测，城市交 通信号控制和区域交通事件报警等不同场合。检测器沿车道横向布置，称为监视检测， 可同时得出个车道的交通流状态变量的实时数据。在城市道路十字路口，可以采用多个 探头对四个道口的车辆检测和处理，对监视和控制路口交通效果良好。 2 4 2 微波交通检测器的使用特点 ( 1 ) 多车道检n - 一台检测器可完成多条车道交通流的同时监测。 ( 2 ) 全天候工作：抗干扰能力强，能穿透雨滴，浓雾和大雪而不受影响；测速为非 多普勒模式，安装杆的弯曲和振动不影响检测质量，因此大风下能正常检测。 ( 3 ) 使用方便：安装维修不封闭车道，不破坏路面；运行模式由软件决定，便于扩 展升级。 ( 4 ) 检测精度：前视一车辆计数和占有率：误差2 ；平均车速：误差5 ；侧视一 智能交通系统传感器技术的研究 车辆计数和占有率：误差5 ；平均车速：误差1 0 ； ( 5 ) 漏检率低：超声和红外检测时，存在车辆相互遮挡问题。特别是小车紧傍着大 车行驶，往往出现漏检。厘米波接触大型车车顶边缘时，边缘成为一个副天线，使微波 再次发射形成绕射现象，仍可测出紧靠在大车旁的小车。据统计，使用一般车辆检测设 备，被遮挡而未能测出的车辆约占被测总数的2 ，使用微波可使漏检数减少一半。 2 5 视频车辆检测器 视频车辆检测器是运用视频图像处理和计算机图形识别技术于近年开发出来的新产 品，它可以取代环形线圈，进行高效益的广域视频监视并现场实时采集各种交通参数。 2 5 1 工作原理 在需要重点监测的路段，安装一台或多台( 如4 台) 数字式摄像机，将一定范围的 交通图像，经过一个图像处理硬件，输入计算机显示器；通过互动控制软件，用鼠标操 作在屏幕交通图像上，设定和叠加检测区，其尺寸，数量可随时调校。操作设定一旦建 立，车辆经过检测区，就会产生检测信号，经过分析和处理( 软件) ，可得到交通量， 平均车速，占有率，车头间距随和排队长度等各种参数。在软件支持下，还可对不同检 测区的信号进行逻辑处理( 与，或，非等) ，对交通情况作出正确判断。在具有交通事 件门限值和算法软件的配合下，客队交通事件的发生作出判别，发出预警信号。与其他 交通控制软件结合，还可对城市交叉路口的交通信号控制，作出决策。由于检测元件是 在屏幕上画出来的，在布置上有很大的灵活性，检测项目也可视需要而增设，功能存在 巨大开发潜力。 视频车辆检测器由摄像机，联接箱，计算机( 附外设) 和专用软件等组成。其中联 接箱用来接收个摄像机拍摄的交通图像，传输给计算机或加以存储。视频车辆检测器可 以在3 4 - - , + 7 4 摄氏度和9 5 相对湿度下工作。 2 j5 2 特点 ( 1 ) 功能强大，图像直观，软件控制，便于升级，易于增添检测项目。 ( 2 ) 多道检测：一台摄像机可覆盖6 条车道，监视长度通常为1 5 5 0 m ；课监视交叉 路口各个方向的交通；可多台摄像机同时监测1 0 0 个以上的区域，适用于城市交叉路口 的交通控制。 ( 3 ) 使用方便：安装维修不破坏路面，不封闭车道；随时可重新设定，以满足不同 要求。 ( 4 ) 受环境干扰：受恶劣气候( 雨，雪，雾) 的影响大，夜间要求为路面提供足够 大连理工大学硕士学位论文 的亮度。 2 6 压电传感器 压电传感器可检测轴数，轴载和车速，其主要特点是体积小，使用方便。压电传感 器的工作原理为压电效应，有套管形压电聚合体p ，其内外均镀以金属层1 和0 ，形成 一条可弯曲变形的压电电缆。当沿径向施加外力时，在两金属表面产生符号相反的电荷， 电荷量与外力成正比。压电传感器的输出能量非常微弱，为了减小检测量误差，一般先 将信号送到具有高输入阻抗的前置放大器( 电压或电荷放大器) ，然后再进行一般的放 大，检波等处理，最终输出指示信号。 市场供应管形压电检测器，压电电缆被凝结在挤压成性的工程塑料壳体内，壳体连 同壳座一并埋设在车道路面下。当车轮滚过时，检测时，检测器承受载荷而输出信号， 每通过一根车轴，就会出现一个脉冲，故常用来监测车辆的轴数。脉冲的峰值越高，轴 载也越大。因此，也可检测轴载和车载。隔一定距离埋设两根压电检测器，测出时间和 已知距离，车速也就被测出。 检测参数： 主要适用于动态称重、车辆分类统计、车速检测、计轴数、测轴距、闯红灯拍照、 泊车区域监控、收费站地磅、交通信息采集和统计。 2 7 本章小结 本章重点从其基本原理、主要构成、通讯与数据格式及主要技术性能等方面介绍了 红外线传感器、线圈传感器、超声波传感器、微波传感器、视频传感器、压电传感器等 检测技术的特点，并对它们的优缺点进行了一定的比较，它是本论文的一个基础，为后 续的检测技术的合理选择提供了依据。 大连理工大学硕士学位论文 第三章动态信息传感器的选择 3 1传感器选择的影响因素 交通传感器的选择受多种因素的影响，如传感器是否适合测量所需求的数据，传感 器的信号传输是否适合，环境因素，及经济因素等。 1 传感器是否适合测量所需求的数据：以流量检测为例，在交通量较小的情况下， 感应线圈检测器、磁力传感器、视频图象检测器和微波雷达适用于车辆计数值的检测； 在交通量较大的情况下，感应线圈检测器、视频图象检测器和微波雷达适用于车辆计数 值的检测。在对车辆计数值的测量要求不高的情况下，红外线检测器、超声波检测器及 噪声检测器也可使用。 2 传感器的信号传输是否适合：例如，有的传感器支持c d p d 无线网络通讯方式、 有的传感器支持光纤通信等方式，另外不同的传感器所采用的串口也不同，如有的 r s 2 3 2 串口、r s 4 8 5 串口等。这就要求选择的检测器的类型必须与此地已有的传输方式 相匹配。3 环境因素：如，微波雷达检测器对恶劣天气不敏感，可全天候工作；而其它 的检测器，如主动式红外线检测器会受能见度的影响；被动式红外线检测器会受大雨、 大雪或浓雾天气的影响；超声波检测器受温度变化、强烈的气流紊乱等天气因素的影响； 噪声检测器会受低温的影响。要根据当地具体的环境情况进行选择。视频图象检测器对 恶劣天气敏感，且要保持摄像机镜头的清洁。为取得最佳的检测效果，( 在路旁安装摄 像机的情况下) 需将摄像机装于1 5 至1 8 米的高度；而且，安装支架要稳固，以避免大 风引起的摄像机振动。 3 经济因素：主要评价各种交通检测器寿命周期的花费，包括购买费用、安装和维 修保养费用。 3 2 传感器类型选择的经验方法 由于交通检测器类型的增多，及i t s 实时监控对交通数据数量和质量的特殊要求， 交通检测器特性，如交通检测器所测交通数据的类型、精度、取样周期，交通检测器的 安装要求等，在交通检测器的选择中显得日益重要。 为确保交通检测器能满足应用的需要，以下几个方面要考虑到： 1 所需的数据类型、数据取值范围及数据精度； 2 交通检测器的监测区域、可监测的车道数及安装调试要求； 3 道路几何线形和结构、道路材料、建筑物、树木及气象条件对信号获取和传输的 干扰； 智能交通系统传感器技术的研究 4 数据传输的需要； 5 交通检测器寿命周期的花费，包括购买费用、安装和维修保养费用； 6 检测器安装的位置： 3 2 1动态交通信息传感器的输出数据特性研究 一、车辆计数值的检测 感应线圈检测器、磁力传感器等地埋型检测器对车辆计数值的检测准确度达9 9 以 上，但当车流缓慢、车辆密集，且车辆处于怠速一行驶循环状态时，如果前后相邻的两 辆车同在检测区域上，则当前车离开检测区域时，其引起的高电平来不及消退则后车又 会引起高电平，则可能将两辆车漏检为一辆车。某些型号的视频图象检测器会受其图象 处理算法的影响，使其不能从黑暗背景下分辨出颜色较暗的车辆，所以，视频图象检测 器在夜晚的车辆计数检测可能会很不准确。微波雷达检测器提供的车辆计数值一般会比 实际值低，但在发生交通拥挤时，由于雷达波的多重反射，可能会出现一辆车被多次检 测的情况。 某些型号的红外线检测器在设计时并没有对单个车辆计数的功能，而是每隔1 秒钟 输出一个车辆存在信号，如果车流密度较大，1 秒钟内在检测区域内经过两辆车或更多 辆车，则会出现漏检的情况。 总之，在交通量较小的情况下，感应线圈检测器、磁力传感器、视频图象检测器和 微波雷达适用于车辆计数值的检测；在交通量较大的情况下，感应线圈检测器、视频图 象检测器和微波雷达适用于车辆计数值的检测。在对车辆计数值的测量要求不高的情况 下，红外线检测器、超声波检测器及噪声检测器也可使用。 二、车辆出现的检测 车辆出现的检测与车辆计数值的检测类似，都是交通检测器“感知 其检测区域上 存在的车辆，并产生相应的信号。由于车辆出现的检测强调对静止车辆的检测，则在检 测原理中需要车辆运动才能实现车辆检测的交通检测器，如磁力检测器( 感应式或探测 线圈式磁力计) 和多普勒微波雷达不能实现车辆出现检测。 三、对车速的检测 感应线圈检测器、磁力传感器、压电传感器等地埋型检测器不能直接测得车速，一 般在沿车道给定距离上安装两个检测器，通过测量车辆通过这两个检测器的时间来计算 车速；或使用一个检测器，预设平均车辆长度，测量车辆通过检测区域的时间以确定车 速。 大连理工大学硕士学位论文 调频连续波( f m c w ) 雷达、红外线检测器及噪声检测器则是通过将检测区域按一定 长度分区，测量车辆通过各检测区域的时间以计算车速。某些型号的视频图像检测器( 如 a u t o s c o p e 2 0 0 4 ) ，在摄像机的检测区域内定义一定数目的矩形检测区域。通过检测车辆 通过这些检测区域的时间来确定车速( 误差范围：7 ) 。另有一些类型的视频图象检 测器被称为车辆跟踪式视频图象检测器( 如v i d e o t r a k - - 9 1 0 ) ，可在较大的道路区域内 检测车辆并连续跟踪车辆，大大提高了车速的检测精度( 误差范围：4 一8