基于检测器的交通监控系统研究.doc

基于检测器的交通监控系统研究 交通与物流工程 安全071 吕梦真 070517123基于检测器的交通监控系统研究吕梦真（山东交通学院 济南 安全071 070517123）摘要：基于检测器对交通信息快速、准确的采集以及有效的处理，以实现动态交通的控制。对各种交通检测器的功能、物理框架和逻辑框架进行了综述，重点分析了检测器对交通信息的采集及处理。研究表明：以车辆检测器和气象检测器为基础，可以实时、准确、全面、直观地采集、传输交通运行状况信息，能够实现快速地判定交通拥挤和交通事件的发生以及交通拥挤，能够对拥挤条件下的交通流实行有效地诱导。关键词：检测器；交通监控；车辆检测器；气象检测器1 概述道路监控系统的目的是使用现代化的检测和控制手段，调整其交通状态，达到安全、舒适、快捷的运输目的。现有的道路交通监控系统主要是基于车辆检测器、道路气象检测器以及视频摄像机等各种固定检测设备来实现交通信息的数据采集，基于光纤、电缆、双绞线、电话线和微波等传输手段实现数据传输，基于大屏幕、电视机等显示装置实现图、文和视频信息的显示，基于交通流拥挤特性的分析实现对交通事件和交通拥挤的监控，这在一定程度上提高了道路交通的运行管理水平，改善了道路运输过程中的“安全、快速、高效、舒适、环境”状况。然而，与交通管理的目标相比，目前的道路交通监控系统还存在着相当的差距，在一定程度上影响和制约着道路运行效率的发挥。其原因主要表现为：（1）只能运用所获得的地点交通参数来估计道路系统的交通运行状态，在交通信息的及时性、准确性和全面性方面不能满足交通管理的需要；（2）难以实现道路从宏观（全路网）到微观（道路上运行的每个车辆）的全面跟踪和监控；（3）不能为驾驶员提供更可靠的道路几何线形、路面状况、交通事故、交通阻塞、行程时间、交通管制等道路交通信息以及行驶路线导航信息等；（4）对于未造成道路交通拥挤的突发事件或事故缺乏有效的检测手段；（5）难以实时获取车辆的准确位置及事件相关信息并与电子地图匹配直观显示；（6）对交通拥挤只能在有限范围内进行调节，不能大幅度提高现有交通设施的运输效率。因此，要实现真正意义上的智能化交通监控还必须加大对现代化管理手段的研究以及对先进科学技术的综合运用，探索和构建智能化程度更高的道路交通监控系统。近些年，为了能够通过对有关道路交通运行状况、气象环境条件和自身设备工作状况等方面信息进行实时采集和有效处理，及时确定出相应的控制策略，从而对交通流进行调节、警告和诱导。交通检测器的研究仍是一个重点。2 系统功能与结构设计2.1 系统功能设计根据交通监控实时性和准确性的需要，道路交通监控系统的主要功能应该包括：（1）交通信息的采集。能够实时、准确获得全路网车辆的位置、速度、行程时间等交通信息以及能见度、雨雪雾等气象信息。（2）交通信息的传输。能够将采集到的交通信息或车载计算机处理后的交通异常信息实时、可靠地传送给交通监控中心或分中心，或将交通控制方案下传到控制设备。（3）交通状态的检测。根据采集到的气象、交通数据，分析各路段的交通状态，为制定科学合理的管理决策提供依据。（4）交通流状态显示和交通事件报警。实时分析和判定全路网各监测路段上所发生的交通事件和交通拥挤，及时报警提示并在电子地图上显示报警目标以及所采取的管制方案。（5）交通控制与诱导。根据检测到的道路交通拥挤状况，及时启动相应的控制方案和诱导策略，并通过信号灯、可变信息板、可变限速标志以及交通广播等交通控制装置和交通诱导设施执行控制方案或实时发布诱导信息。2.2 系统框架设计道路交通监控系统中的检测器主要有车辆检测器和气象检测器等组成。车辆检测器以车辆为检测目标，检测车辆的通过或存在状况，也检测道路上车流的各种参数，其作用是为控制系统提供足够的信息以便进行最优的控制。车辆检测器的种类很多，其工作原理可大致分为两类：检测能使开关触点闭合的机械力；检测因汽车的运动或存在引起的能量变化。压力检测器就是利用机械力检测的例子，而利用能量变化进行检测则有感应环形线圈检测器、超声波检测器等等。道路上的雨、雪、冰、雾对于行车安全也都有直接影响。对于交通控制系统来说，道路气象信息是制定合理控制方案的一个重要参考因素。目前国内外常用做路面气象情况检测的气象环境检测器，如冰冻检测器、路面积雪检测器和能见度测定仪器等。3 系统的关键技术分析3.1 车辆检测器检测器测量功能工作方式优点缺点计数存在速度占有率车队压力有无无无无汽车重量引起金属触点的闭合，从而接通电路检测域明确；结构坚固；可靠；比较便宜；能够检测所有运动的车辆并且与速度无关；维修量少，且容易修理。统计车轴数，车辆计数不够准确；不能测存在型车辆；设置检测器时，中断交通的时间较长；重修路面，将使之不能工作；易受到雪的损失；不容易改变位置。磁感应无方向性有无无无无车辆通过埋设在路面下的导线线圈时，干扰了通过线圈的地磁磁通线并在线圈里产生一个电压。这个电压被高增益放大器放大，使检测器的继电器工作。埋在路面下，安装较简便；安装时，不必关闭车道，更换位置比较容易。无方向性；检测域不明确；当靠近大的定向车道时易受干扰；不能测存在型车辆磁感应方向性（双线圈）有无无无无同上有方向性；不受附近定向车道的影响；检测域明确；维护量小；埋在路面下，不易损坏。安置时需要关闭车道；比无方向性检测器贵；不能测存在型车辆；不容易改变位置。磁强计有 有无有无工作方式与无方向的和有方向的检测器一样，使用埋在路面下的圈柱形感应头设置比较容易；可以计数也可以检测存在；可靠；不受附近车道的影响；埋在路面下，不易损坏；改变位置比较容易。设置时需要关闭车道；价格比无方向性的高；由于磁性材料的分布，可能对一辆车记双数；检测域不太明确。人工调谐的环形线圈有有有有有车辆时切割了由环形线圈产生的磁感线，使电感增大或减小，检测出这种变化并传送到放大电路根据环形线圈的尺寸，检测域的大小和形状容易确定；一种良好 存在型检测器；可以测量所有交通参数；设置比较容易；可以抛弃环形线圈，在新位置上使用原来的放大器比较便宜；能够检测小型车辆安装费用较高；安装时需短时间的关闭一条或几条车道；要求同时检测大小车辆时，调谐较困难。自调谐式的环形线圈有有有有有同上除了不需要初始的或定期的校准外，其他优点与人工调谐环形线圈一样除了几个屏蔽不太好放大器置于同一箱内可能互相干扰，并且反应时间比人工调谐环形线圈慢一些之外，其他缺点和人工调谐环形线圈一样雷达有无有无无车辆反射雷达微波（多普勒效应）返回天线，使检测器继电器工作避免了电磁场的干扰；设置时不用关闭车道购买和设置都比较昂贵，特别在没有可以利用的电线标杆时；需要有经验的人员来建立和维护；不能测存在的车辆超声波脉冲式有有有有有每秒发射声波约20次，车辆减小了波传播距离，在接收器打开时接收返回来的信号设置时不用关闭车道；可以用在每有铺路面的地方；可以通过车辆高度进行分类购买和设置都比较昂贵，特别在没有可以利用的电线标杆时；由于锥形检测域，并且车辆种类和高度变化，因而不太准确；无方向性；对环境条件很敏感；在拥挤条件下不太准确。超声波连续波有无有无无和雷达一样根据多普勒效应原理工作和超声波脉冲式检测器相同，并提高了速度测量的准确性购买和设置都比较昂贵，特别在没有可以利用的电线标杆时；对环境条件很敏感；在拥挤条件下不太准确。设置比较贵图像处理有有有有有摄像机摄取监测点附近区域的图像，有计算机程序对图像进行处理、识别，从而检测车辆可得出所有交通控制参数；可一次检测的交通状况；易于改变检测地点较贵；检测精度受天气、检测区域周围亮度影响电子标签有有无有无将车辆的车型，牌照灯资粮编码存入电子标签中，在检测处被触发，发射信号，信号被接收后解码准确性好；便于分类统计交通量；特别适于高速公路不停车收费。系统昂贵；社会制约因素多，推广使用难度大发射式光电式有有有有无车辆通过光发射器和光电池时阻断了光束，使检测器动作检测单车道内通过的车辆时准确的；最适用于照明条件一致 的地方车道超过1条时检测不准确红外线阻断光束有有有有无利用光谱中红外光部分，工作方式与光电式检测器相同和光电式相同和光电式相同红外线反射光束 有有有有无设在路面上方的发射接收机通过从车辆和路面反射回来的光时间差的变化，记录通过的车辆。最适合于照明条件一致的地方昂贵；对环境光线和路面颜色敏感；对气候条件很敏感；由于反射率的差别不太准确。高强度光有无无无无由安装在车上的设备发出高强度光，用光感应检测器接收指示有限车辆提供了一种识别选择车辆的方法昂贵3.11环形线圈检测器环形线圈检测器是一种基于电磁感应原理的车辆检测器，它的传感器是一个埋在路面下、通有一定工作电流的环形线圈。当车辆通过线圈或停在线圈上时，车辆引起线圈回路电感量的变化，检测器检测出该变化量就可检测出车辆的存在，从而达到检测目的。环形线圈检测器主要包括：（1）环形线圈；（2）线圈调谐回路；（3）检测电路。 （如图3-1）下图为信号检测与输出 （如图3-2）312超声波检测器超声波检测器使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。超声波检测器的探头具有发送与接收双重功能，被设置于道路的正上方或斜上方，向路面发射超声波，并接收来自车辆的发射波。超声波车辆检测器的工作原理可为两种：传播时间差法和多普勒法。 图3-4 超声波检测器组成原理31.3红外检测器基于光学原理的车辆检测器用得比较多的是红外检测器和激光检测器。红外检测器一般采用反射式或阻断式检查技术。 图3-5 红外检测器测绘图3.2 道路气象检测器（1-避雷针；2-风速传感器；3-风向传感器；4-支杆；5-散射式能见度检测仪；6-温湿传感器；7-小百叶箱；8-主控制箱；9-路面温度传感器；10-雨量传感器；11-路面状态传感器） 图3-6 气象站布置外观图3.21冰冻检测器冰冻检测器基于光学原理，主要由投光器、漫反射受光器、正反射受光器、投光量计测器和路面温度计组成。 图3-7 路面冰冻检测原理3.22积雪检测器利用超声波来测定路面积雪深度的路面积雪计，是一种非接触式检测器。它由超声波探头向路面发射超声波束，然后根据它由地面发射回来的时间来计算积雪深度。3. 23能见度检测仪器测定能见度的一起主要由透射型和散射型两大类，前者根据光的透射系数来确定能见距离，后者根据光的散射特性来确定能见距离。1. 透射型能见度测量（分两类）（1）光发射器和接收器在同一装置里，隔一定的距离（L测量基线）设置反射器，发射器发出的光分为两束，一束直接射入接收器作为参考光，另一束通过大气经反射器反射后进入接收器，比较两束光的照度，课确定在基线（L）距离上的大气透明系数。 （2）光发射器和接收器分别设置在基线两端，根据接收器接收通过大气后发射光的照度和发生器发光照度来计算大气透射系数。 2. 散射型能见度测量大气消光作用：由大气分子和气溶胶的散射和吸收引起的，对可见光来说，一般情况式吸收比散射小得多，可以忽略不计，因而通过测定散射系数就能确定能见度。散射型：认为主要是由气体分子、微滴和微粒等的散射作用造成的，因此可以通过测量相对于光发射器光轴的不同方向上的散射光强来计算能见度。 根据光发射器光轴同接收器光轴的角度关系，又可分做后向散射仪、前向散射仪和总散射仪几种。 图3-8 前向散射能见度仪工作原理3. 3其他检测仪器3. 3.1温度检测器大气温度测量常采用薄膜工艺制作的铂电阻，路面温度检测常用绕线工艺制作的铂电阻。 原理：铂电阻温度传感器的电阻值与温度间的关系。3. 3.1温湿检测器湿度传感器常用聚合物湿敏电容，其组成与结构如图所示。 图3-8 温湿传感器结构3. 3.2雨量检测器雨量计可连续测量和记录液体降水量的自记仪器。常用的有虹吸式和翻斗式两种。 虹吸式雨量计：当雨水经漏斗进入测量筒后 ，筒内的浮子随水位升高，当筒内贮满10（或20）毫米雨量时，在短时间内发生一次虹吸，将筒内的存水一次排出，使浮子重新从零位开始记录。浮筒上所带自记笔尖可在钟筒上画出降雨量随时间累积的过程。（如图3-9所示） 翻斗式雨量计：采用双翻斗式雨量传感器，每次只有其中的一个翻斗正对漏斗口。当翻斗盛满0.1(0.2)mm降水时，由于重心外移而翻倒，将盛水倒出，同时使第二个翻斗移到漏斗口下，根据翻斗交替次数和时间记录可得降水资料。每当计数翻斗翻转一次，翻斗上固定有一块永久磁铁，磁铁翻转使磁铁附近的干簧继电器闭合，闭合次数由计数电路测量并转换成降水量信号输出。翻斗式雨量计可用于自动气象站。（如图3-10所示） 图3-9 虹吸式雨量计示意图 图3-10 翻斗式雨量计4 展望本文基于交通检测器对道路交通监控系统中信息的采集以及处理做出综述，重点研究了基于车辆检测器和气象检测器的性能与原理以及交通信息采集技术、见他监控系统不仅具有良好的扩展性，而且能够获得对交通状态自动判别和交通诱导更为有用的行程时间、行程速度等路段交通参数数据，实现全路网的交通监控，因此对提高交通管理水平具有更重要的意义。基于检测器的交通监控系统具有广阔的应用前景，随着检测器的不断升级，交通监控效果会更加显著。参考文献1 姜桂艳，蔡志理，冮龙晖，唐金芝.基于3GS技术的道路交通监控系统研究J.2 陆化普智能运输系统M北京：人民交通出版社，2002：227-239 3 杨大凯，王剑，蔡柏根GPS和GIS在智能交通系统中的应用J交通科技，2002（2）：53-564 张国伍智能交通系统工程导论M北京：电子工业出版社，2003：168-1985 刘伟铭高速公路系统控制方法M北京：人民交通出版社，1998，77-119 6 姬舒平,朱江能.高速公路智能化监控系统中主线行车速度控制策略研究J.工业控制计算机，2002，15(7):50-617 王亮，马寿峰，李艳君对交通控制与诱导结合研究的评述J系统工程，2004，22（2）：56-628 张其善智能车辆定位导航系统及应用M北京：科学出版社，2002，101-1189 吕兰涛，李全，刘智勇人工神经网络在智能交通系统中的应用J交通科技，2002(6)：73-76 10 姜桂艳道路交通状态判别技术与应用M北京：人民交通出版社，2004，208-21011 赵祥模高速公路监控系统理论及应用M北京：电子工业出版社，2003，186-248 Detector-based traffic monitoring systemLv mengzhen(Jinan, Shandong Jiaotong University Anquan 071 070517123) Abstract: Based on the detection of traffic information is rapid, accu