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车辆检测器构造及原理 车辆检测器是信息采集系统的重要外设 也是目前道路交通信息采集的主要手段之一 基本功能可采集各车道通行状态 车流速度和密度 车型判断 行驶速度与装载高度违章等信息 车辆检测器信息采集通常采用非接触式 按工作原理分为不同种类 如 感应式 反射接受式 对射接受式 模拟或数字信号 现场处理 控制中心 车辆检测器的构成 车辆检测器主要由三部分组成 检测部件直接安装于道路沿线用于信号采集的各类装置 如 地感线圈 安装于地下 红外 或超声波 接收装置 安装于两侧立面 感应式检测器 信号接收放大和输送部件 包括各类信号放大器 馈线电缆等 首先将采集单元获得的感应信号进行过滤 放大 并以一定的形式输送到处理器 信号处理部件接受来自放大单元的各类电 磁信号 并将其转换成数字信号 便于长距离输送 检测器通过车辆经过埋在路面下的环行线圈所引起的电感变化 检测车辆的存在 常用感应式车辆检测器 环形线圈感应利用车辆经过造成磁感效应造成电动势输出的微量变化 用以体现车辆的通过和存在 电磁感应装置中调协电子系统产生一定频率的高频电流 通过线圈绕组时获得恒定的电感信号 永磁元件感应采用永磁元件和一定匝数的线圈 车辆经过时造成磁场变化在线圈内产生感应电动势而获得交通信号 注意 永磁探头对静止车辆无效 环形线圈车辆检测器安装 利用感应线圈来检测车辆速度是目前世界上技术较为成熟的车辆检测方法 作用 获得路面交通流量 占有率 速度等数据 判断道路阻塞情况 利用外场信息发布系统发出警告 3米 2米 2米 2米 2米 行车方向 基本原理 在同一车道的道路路基段埋设一组 2个 感应线圈 每组感应线圈与多通道车辆检测器相连 车辆先后经过两个线圈时 由于线圈电感量的变化 车辆的通过状态将被检测到 并将其传输给车辆检测器进行采集 放大 计算 存储 上传 通过状态信号 车辆存在与否 前后时间间距 特征量 车轴距 轮宽 质量等 安装 环形线圈安装是埋设于车道路面或车道地下 根据检测器工作原理不同 检测部件可置于车道的地下 地面 两侧 上空等位置 如 反射式 对射式检测装置由于反应距离较大 一般都设置于车道各个立面 由于感应式车辆检测器产生感应效应的有效距离较小 通常不超过1米 因此车道上安装是理想的选择 相关处理 防水 防腐处理车道地下或路面的环境较为恶劣 因此感应线圈 包括各种探头 设计 施工等过程都应考虑放水 防腐保护层 技术处理安装调试注意采取防干扰措施 检测器安装的四周若存在天然磁场 大型感应固定设施 环境噪声 内磁场等都会造成设备功能下降 应采取一定隔离措施 附 各类车辆检测系统工作原理示意图 感应式检测装置 对射式红外车辆 超高 检测系统 反射射式微波车辆检测系统 行驶方向 地感线圈 使用特点与现状 检测精确 设备工作稳定 适应各种恶劣的自然气候条件 相关设计 制造技术成熟 产品具有较高性能价格 利于大批量使用 安装 维护工艺复杂在车道上开槽埋设线圈由于软基问题 路面维护问题等 容易造成线圈损坏率 维护工作量和费用相对较大 电 磁信号不直观 电 磁信号非音 视频 现场信号直观 因此在交通异常告警容易造成消息滞后 监控人员常担心数据错误而难于立刻决策 因此需要一些可视的辅助手段 适合高等级公路 不适合城市道路 中国正在大力建设高速公路 环形线圈将在密集的高速公路网上发挥其越来越重要的作用 12 高速公路主线是相对于高速公路匝道及周边集散道路而言的概念 它既包括立交与立交之间的普通路段 也包括大桥 隧道等特殊路段 保证主线交通畅通是高速公路监控系统的基本任务 因此 主线监控系统是整个高速公路监控系统的基础 第五节主线控制 13 合理 有效地对交通干线监控 是局域公路 或公路网 畅通的基础保证 主线控制是道路监控最基本的一种 其具体实施取决于道路的交通特性 区域管理体制 管理体制 方式的差异 地理环境 平纵曲线 交叉 分合流量 环境气象 尘 湿 雾 冰 交通量差异 随机性与必然性 概率 一 主线控制的构成与功能 1 系统的一般构成采集子系统 提供子系统 控制中心三大部分 车辆检测器 环境气象检测 电话电视 其他设施 采集系统 交通流状态 计数 测速 各类违章 道路环境能见度路面湿度 冰冻隧道照明 co检测 紧急信息的音 像传输 各类局部的特殊需求 采集系统外场设备配置依据见p151表5 2 系统的配置规模根据道路交通特性和系统功能强弱而定 提供系统构成 电子公示板 活动交通标志 车道控制装置根据控制路段性质不同 相关提供系统构成 设置方位不同 一般公路 关键路段 道口 立交口等高速公路 进出口及服务区不同位置 按不同间距多次显示 封闭 高速 大桥 隧道 大于1km 根据当前交通状况对过往车辆进行不同的限速及环境检测等 专用设备关键位置 设施设计 选型注意的问题 规定的工作寿命 安装 使用的安全性 工作的可靠性 外场设施多处于自然环境之中 选用时必须考虑产品的全天候适应能力 并充分考虑设备安装后维护 维修的方便性 目前外部设备设计水平都比较成熟 应重点考察的是质量问题 监控中心 根据具体需求 监控中心常有两种控制方式 集中控制较单一的控制 用于里程较短 沿途桥 隧少 所有交通信息便于迅速 准确的协调处理 多级控制公路里程长 含有重要桥梁 隧道 多路汇交中心 沿途地质气候复杂等 针对各关键点具体情况 通常要设立专门控制中心 可以独立运行 子控制中心与多级控制 由于道路沿线各类重要构筑都直接影响交通干线的畅通状况 因此子控制中心一般也视为主线控制的一部分 例如 多路汇交处控制中心重要桥梁控制中心 隧道控制中心 2 主线控制系统功能 控制目标保持所控制道路交通的畅通 主线控制系统硬软件设置 应针对道路使用过程可能出现的问题进行设计和安装 例如 事故多发路段 各种感应 视频等 多路汇交处 匝道控制 隧道 照明检测 大气防毒检测 主线交通状态 实际交通量远小于设计交通量偶发交通事件一般不会造成交通阻塞 对总体交通无直接影响 但影响正常交通 实际交通量接近设计交通量偶发事件一般会造成交通阻塞 实际交通量接近或达到饱和道路上无意外也会随机造成交通阻塞 主线控制系统功能等级 依据上述交通状态不同 道路控制系统功能可分针对性为三个等级 一级控制 初级阶段 用于交通量小的干线 仅对重要路段进行信息采集 二级控制 中级阶段 设置沿线信息采集 检测 判断重要路段交通状况 并以此为依据进行主线控制 三级控制 高级阶段 用于交通量大且接近饱和 加强主线控制及其他控制 22 注意 1 高速公路监控系统就是高速公路管理系统的基本控制单元 无论哪一等级 对于偶发性交通异常事件和交通阻塞 及时组织救助和疏散都是监控系统应有的基本功能 2 在高速公路监控系统建设初期 必须考虑未来交通量增长对监控系统的要求 即监控系统功能的技术先进性和功能可扩展性 主线控制现状 在过去的30余年内 我国高速公路从无到有 并以极快的速度迅速增长 由于人 财 物 技术等因素的限制 目前绝大部分公路干线的主线控制系统是不完善甚至是溃缺 在交通流量较大和趋于饱和的地域 急需道路监控系统的建设和完善 已实施主线控制的干线能达到一定的自动化功能 一旦出现意外 相关管理部门都将以最会快的反映 通过各种渠道进行处理和救助 二 主线控制策略 方式与要点 高速公路是区域交通关键通道 我国主线控制目前多用于交通量大的主要干线 正常情况下高速公路营运更倾向管理 交通参与者按需行驶以便于充分发挥道路的效率 但交通出现异常 事故 饱和拥堵 时必须加以严格限制 维持自然状态 严格限制与管理 适时控制 矛盾 引导建议提示 警告诱导限制 1 警告 诱导 限速 警告 诱导 限速是主线控制体系最基本的控制手段 在出现交通异常时将发挥以下作用 及时发现交通异常 事故 饱和 气候 处理并反馈控制指令 救援 清理 疏通 防止交通事故和二次事故实现有效控制的前提 适时 自动 准确采集主线交通信息 及时处理并正确判断 交通信息采集 主要设备 沿线分布的各类车辆检测器采集的信息 交通量 车速 车流密度等检测点分布 按需要密布 常规距离300 800米具体间距取决于控制中心对数据的处理方法和道路单方向交通量大小 流量小间距小 高速公路 封闭性连续性 经济性实用性 在重点路段设置检测点 交通信息处理方法 加里福利亚算法 p152式5 1基本思想 比较同一时段相邻检测器数据比较同一检测器相邻时段数据 双指数平滑算法 p152式5 2基本思想 对车道单向断面检测数据作序列分析建立以检测参数为变量的平滑函数观测自变量变化对平滑函数值的影响 系统控制质量评价指标 感知时间从接受信息进行处理到获得结论所耗费的时间 原则上越快越好 判断准确率具体算法测出异常事件的百分率 判断失误率具体算法误测出异常事件的百分率 控制效果综述 准确的信息采集密布车辆检测器 在重要路段获取数字信息 合理的算法及相应的检测点分布实践表明 要保证上述三项指标 车辆检测器按300 800米间距分布为宜 视频检测为辅助手段自动控制中视频的数字化转换十分复杂 外部设备性能要求高 目前世界上大部分控制难以做到视频检测 30 事件的检测判断是在监控中心进行的 判断的结果如发现异常 则通过设置在重点路段前的可变情报板和可变限速标志进行告警 路径诱导和车速限制 以便缓解阻塞 防止二次事故的发生 2 主线车速诱导 基本原理在道路交通量接近饱和时 用限制行车速度来稳定主线上交通流量 通行能力 交通量 速度关系曲线交通量接近饱和时要通过提高行车速度来解决 关键数据 车速诱导的重要依据是安全车头间距 有关计算 见p153式5 3 其影响因素包括人 车 路 速度几方面 道路上实际车头间距可由检测系统采集的交通量信息经处理获得 交通量车速车流密度 安全车头间距 实际车头间距 实际测量 当时最佳行车速度 实施车速诱导 对比 设施设置 为获得相关交通参数 在控制路段应密布车辆检测器 每个车道上设置信息发布装置 并在有条件的路段安装闭路电视 车辆检测器间距 500 800m 信息发布装置间距 1000 1500m 闭路电视 特殊地点 3 特殊路段控制 道路特殊情况主要针对环境和气候 道路设计的特殊性 桥 隧等特殊构筑 地形 路面 道路设计参数等对行车的不利造成事故多发 设置固定限速标志 雷达测速装置等 根据道路的控制等级 配备必要的设施 一级 信息采集 及时了解交通状况 二级 信息采集 及时反馈处理 对非常事件要求立刻判断 决策 并监督实施 三级 加强交通信息采集 反馈 处理 监督 实施的方法和手段 桥 隧等控制点 完整 统一的控制体系应单独设立控制子控制中心进行管理 但目前由于我国技术 经济的发展状况 必要时可列为主线控制的范围 气候状况的特殊性大雾路段 冰冻路段 可能污染路段等 目前高速公路对气候状况的检测和控制尚无很好的办法 条件允许的情况下通常是增加特殊路段可变交通标志的安装密度 4 变向车道控制 城市道路 高速公路 城市高架路等的结合部 由于交通流量随时间发生规律性的方向变化所实施的一种交通控制 道路变向控制条件 两地主要的 最近的通道 两端存在相联通的快速通道 且其通行能力大于单向 变向车道通行能力之和 两地具有足够的交通及交通工程设施 两向流量比达到三七开的比例 瓶颈路段变道实例 高速公路 快速路 高架路等与城市干线连接的路段 由于统一的作息时间 导致单向交通高峰 3 7以上 甲地 乙地 变向车道 快速车道 交通设施 交通设施 快速车道 瓶颈路段 正常六车道 各向三车道 早高峰 向东四车道 向西二车道 晚高峰 向东二车道 向西四车道 38 变向车道控制系统构成 车道控制需在变向车道上方设置双面 双向红色及绿色箭头车道控制标志 在预定时间开启相应信号标志 39 可变车道导向标志两端点应设置可变车道导向标志 使变向车道上行驶的车辆逐步向不变向车道上行驶 此种标志的设置位置要离变向车道入口点足够远 且标志的设置足够多 足够明显 使变向车道上的车辆有足够时间 以适应速度变化 逐步汇入非变向车道 40 在a b两端还应设置疏导信号设施 使高峰时期的大量车辆可迅速驶离瓶颈路段 考虑到变向车道控制路段的重要性及一定的危险性 应设置闭路电视监视此路段交通 尤其应重点监视a b两端点的交通汇合 分流状况 第六节匝道控制 通过对高速公路入口匝道的控制 用以辅助主线控制的有效实施 当道路交通量趋于饱和时 主道上将随机出现不同程度的交通阻塞 此时只有通过控制各匝道入口车辆数进行调节和控制 必要时关闭匝道入口 此时主线控制本身已无法解决 就独立高速公路而言 匝道控制主要是对高速入口匝道控制 42 一 入口匝道控制概念 车辆从入口匝道驶入快速路的过程分解为两个阶段 第一阶段车辆从匝道进入加速车道第二阶段车辆从加速车道汇入主线匝道控制即根据主线交通具体条件 对两个阶段阶段实施有效控制 匝道入口 行车方向 43 二 入口匝道控制的作用 当道路交通量趋于饱和时 主道上将受各种偶然因素影响出现不同程度的交通阻塞 此时依靠主线控制本身已无法解决 根据具体交通条件 入口匝道控制方法一般只选用上述多种方法中的一种 目前国内 国际尚无相关的标准 匝道控制趋势 灵活转换控制方式 综合各种方式的优点 达到预期控制目的 44 1 控制干线流量 消除或减少干道阻塞 尽量缩短主干线系统内所有车辆的行程时间 2 控制干线交通流突变引导汇入车流量的平滑过渡 必要时将干线外车辆延误 分散到周边各次干线 3 避免或减轻汇流干扰提高匝道交通流汇入干线的速度和安全性 4 调节车流状态通过车型 行程控制 改善车流状态 减轻饱和状态下干线交通的环境干扰 匝道控制原理示意图 三 匝道控制原理及条件1 原理及策略 主线上造成的延误转移到匝道入口 延迟策略 过量的交通需求转移到其他道路 分散策略 上游交通量实际需求 下游交通能力判断 隔离带 车道 匝道 匝道交通量需求 汇流处 2 匝道控制一般思路 进行匝道控制不论采用分散或延误策略 都应全面考虑道路 匝道结构 车型分布 公众舆论等实际因素 一般有下列方式 维持固有交通模式匝道入口车数量等于出口车数量对没有出口的匝道入口理论上不允许车辆进入 但实际操作的时候可以根据前后出口的状况限制进入车辆数 本控制方式适合主线超流量运行的场合 是分散策略和延误策略的综合 入口控制维持干线潜能发挥 当干线处于局部饱和的情况 可能导致局部拥挤带来的全线通行能力下降 此时控制匝道出入 可均衡入高速的流量 提高 维持 干线交通能力 车辆 车型平衡当干线内因车辆行程 车型存在局部的不平衡时 也容易造成拥挤 全面控制进入高速的不同车型 不同行程 使之仍呈自然分布状态 考虑公众影响的控制方案原则上是从大局出发 有时要牺牲个体利益 此时必须做好解释工作 3 匝道控制的条件 匝道现有条件决定了匝道控制的具体方式及达到预期的控制效果 有其他具有通行能力的通道供选择其他平行高速或一般道路 下游出口有可利用的通行能力等 系统存在余量 匝道控制空间条件采取延误策略 匝道控制范围必须存在足够的车辆存储空间 综合考虑现有控制条件 方能获得有效的控制 使入口匝道控制达到应有的控制效能 4 匝道控制的调节率 限流率 调节率的概念干线下游通行能力与上游交通需求之差 综合考虑上游交通需求和下游交通能力来确定本匝道车辆允许汇入干道的数量和密度参数 即准入的时间或间隔 目的和原理目的 通过控制需求量大于通行能力的概率 从而减轻或消除干线阻塞 原理 依据最大汇流条件 阻止下游的无序汇流 确保干线饱和或大流量运行时的匝道汇流安全 调节率的计算 基本思想 调节率 下游通行能力 上游需求量具体计算应还考虑匝道的通行能力 线型 视距 加速车道长度 汇入车辆的类型 干道汇流有效间距等 四 匝道控制的具体方式 1 关闭匝道一种分散策略 最简单有效的控制方式 其灵活性小 限制性大 使用不当会增加替代路线的负担 使用条件 匝道存储量不足 干线交通量饱和 替代路线有足够的通行能力 这是一种临时 简单 有效的应急措施 一般情况不可经常或长时间使用 53 2 定时控制 fixtimecontrol 根据匝道当前交通量的实际需要和以往需求的容量关系确定匝道调节率 关键问题 合理选择定时信号的周期 类似城市道路平交路口信号灯相位设计 优点 实施的控制符合本匝道统计规律 工作稳定可靠 适合大多数时段的控制 驾驶人便于适应 缺点 不能适应干线交通状况的变化 出现意外时应临时改变控制策略 3 交通感应匝道控制 利用干线信息 综合考虑匝道前方干线实