高速公路微波车辆检测器的原理分析与应用.doc

高速公路微波车辆检测器的原理分析与应用摘 要：在高速公路管理由数字化进入智能化的关键时期，交通参数的采集具有重要作用。文中介绍了微波车辆检测器的工作原理，并结合高速公路运行管理的需要，对微波车辆检测器的参数设置和使用方法进行了介绍，同时分别从断面、道路及路网管理三个方面对采集获取的交通数据的应用进行了探讨。关键词：智能高速公路；微波车辆检测器；原理分析；应用abstract: highway management has come into the intelligentization era from the digitization. it is very important to collect traffic parameters. the paper describes the working principles of the road traffic microwave sensor (rtms). combined with the needs of highway operation and management, parameters setting for rtms and its usage are introduced. application of traffic data collection from road section, roads and traffic network management are discussed. it is very important to analyze the traffic data in the actual operation.keywords: intelligent highway; road traffic microwave sensor; principle analysis; application0 引 言随着我国经济的快速发展，高速公路的通车里程不断增加。截至2011年底，我国高速公路总里程达到8.5万公里。然而，随着路网规模的不断扩大，其通行能力却满足不了交通量增长的需求，因而直接影响经济的发展和人们的生活水平的提高。智能交通系统(its)是缓解日益恶化的交通状况的有效途径1。通过车辆检测器实现道路交通信息的采集和交通事故检测是its的重要内容。我国道路交通的管理，目前还处于由粗放式管理向精细化管理发展的初期，各方面管理未能完全到位，导致车辆检测器由于各种原因(如车辆的长期碾压致使线圈车辆检测器损坏；不能正常工作的车辆检测器未能得到及时维修等)而未能充分发挥其应有的作用。而准确、实时的交通数据(包括车流量、车速、车间距、车辆类型、占有率等)是实现交通控制的一个重要环节，只有在掌握大量的交通数据的前提下，才有可能实现真正意义上的智能交通。目前，高速公路常用的车辆检测器有线圈车辆检测器、视频车辆检测器和微波车辆检测器等。线圈检测是单车道设备，只能检测一条车道的交通信息，且安装或修理时需要中断交通，埋置线圈的切缝容易使路面受损，缩短路面及检测线圈的使用寿命2。视频车辆检测器容易受到光线变化的影响，其检测精度和效率都受到限制。微波车辆检测器以其安装维护方便、可检测多车道以及全天候工作的特点很好地满足了高速公路的应用要求3。为此，本文着重对微波车辆检测器的工作原理进行详细分析，然后介绍其功能及应用。最后阐述微波车辆检测器的重要参数设置方法。1 微波车辆检测器的工作原理微波(microwave)是指波长在1 mm1 m，频率在300 mhz300 ghz范围内的电磁波，是无线电波中分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。根据微波频率的不同，可将其分为多个波段，各个波段的性能差异较大，应用领域也有很大区别。其中，x波段(812.5 ghz)具有天气因素影响小、频率高、带宽大、易实现集成设计等特性，在目标检测领域具有重要的应用价值4。微波车检器对车辆的检测基于多普勒效应(doppler effect)。微波在传播过程中，碰到物体时会发生反射，反射波的频率会因物体运动状态的变化而发生变化。当物体固定不动时，反射波的频率保持不变；当物体向靠近波源的方向移动时，微波反射波被压缩，导致频率增高；当物体向远离波源的方向移动时，微波反射波被拉伸，导致频率降低。以上就是微波车检器实现交通参数检测的物理基础。多普勒效应中因相对运动所引起的接收频率与发射频率之间的频差为多普勒频率，用fd表示，表达式为：fd=2fovcos/c (1)其中， fo为微波车检器微波信号的发射频率； v为目标速度；c为微波的传播速度；为微波波束方向与物体运动方向的夹角。从多普勒频率的表达式即可看出，只要测得多普勒频率fd，就可通过计算获得物体的运动速度，这就是微波车检器的测速原理。微波在空间的传播可用变量为时间t的函数描述。设信号源为vs=ascos(t)，信号发生后经目标反射，由微波车检器接收。该过程变化复杂，文献5中给出了具体的推导过程，其回波信号的推导结果为：vr=arcosr(t)=k/d2ascos(t-td) (2)其中，ar为信号幅值；r(t)为信号相位；k为衰减系数；d为目标与信号源的距离；td为时间差。由公式(2)可见，目标与信号源之间的距离d和信号幅值ar存在一定非线性关系，故可通过信号幅值判断车辆距离，从而判断车辆处于哪一条车道，并由此可获取车道交通量数据。由于多普勒频率的持续时间是可以测量的，因此，在获取车辆速度的基础上，利用速度与时间的乘积，即可推算出车辆的长度，由此即可获取车辆分类信息(如长车、中车、短车)。车道占有率以及车头时距通过检测车辆进入和离开监测区域的时刻来计算，但设备安装位置不同，进入和离开检测区域时刻的准确性不同，因此，车道占有率与车头时距的计算结果仅能起到参考作用。由公式(1)可知，运动速度正比于多普勒频率fd，故提取fd是速度检测的关键环节。为取出多普勒频率(即收发信号的差频)，需要采用混频的方法取出参考信号与回波信号的差拍电压，隔除其中的直流分量，得到多普勒频率信号。图1所示是多普勒频率提取原理示意图。对于固定目标，基准电压与回波电压混合相减的合成电压幅度保持不变；对于运动目标，合成电压的相位差随时间会按多普勒频率变化。因此，通过混频方式可得到多普勒频率fd，从而测得目标的速度等参数。2 微波车辆检测器的主要功能微波车辆检测器的主要功能可分为三个层面：一是单点(即某一断面)交通信息的采集与处理；二是路段交通信息的采集与处理；三是路网交通信息的采集与处理。2.1 单点交通信息的采集与处理检测器通过发射调频微波，反射波发生偏移来判断车辆的有无，识别路上的车辆。主要采集的信息包括：首先是经过某一断面的车流量，需要体现自然车流量和折算车流量。通过采集这些数据，可以统计出在不同的时间段内经过某一断面的车流量，进而得到如图2所示的关于时间的流量变化曲线，然后通过分析得到在一天、一个月以及一个季度等时间段的高峰车流量，以便于交通管理部门的相关管理人员更好地掌握所辖高速公路的车流量规律。二是经过某一断面的平均速度。在单位时间内测得通过道路某断面各车辆的地点车速，这些地点速度的算术平均值即为该断面的平均车速，用vavg表示，表达式为：vavg=vi /n (3)其中，vavg为某一断面的平均速度；n为一段时间内经过某一断面的车辆数；vi为经过某一断面每辆车的瞬时速度；三是按照小型车、中型车和大型车进行车辆分类，并按照车辆类型来分别统计车流量和速度等信息，进而得到关于各类车型的统计报表和曲线图。图3所示一个时间段内的车流量的变化图。各类车型随时间的车流量变化曲线图如图4所示。这些数据可方便管理者更清楚地掌握所辖路段的车流量信息。通过以上三类信息，再根据数学模型折算又可以得到车道占有率、车头时距和车间距等信息。2.2 路段交通信息的采集与处理在路段上安装多个微波车辆检测器，通过这些检测器可以不断地获取大量连续的动态交通数据，这些数据可为研究高速公路交通状态的时空变化规律奠定重要基础。在某一路段发生交通事故时，对采集的交通数据进行特征提取，并对道路交通流状态进行分析研究，便可确定瓶颈位置并得到瓶颈处拥挤的开始时间、结束时间和拥挤的持续时间。及时准确地预测道路交通流的状态，进而掌握路段瓶颈处交通拥挤的规律。2.3 路网交通信息的采集与处理多个路段车辆检测器所采集的信息可以反映整个路网的交通状况。通过对采集得到的路网历史动态交通数据的统计和分析，可以得到高速路网交通状态的时空变化规律。通过分析历史交通事故，可对当时所采集的数据进行分析，以得到交通事故对交通状态的影响规律。通过建立符合本地区路网特点的交通变化预测模型和事故影响预测模型，就能根据高速路网历史数据的预测得到准确的交通状态变化趋势，并可估计实时交通事故的时空影响。3 微波车辆检测器的重要参数设置在微波车辆检测器开始工作前，往往需要进行一系列的参数设置，以保证车辆检测器的正常工作。其中，比较重要的参数设置有日志周期(即采样周期)和工作模式。3.1 日志周期的设置车辆检测器在检测交通情况的同时，可对一段时间间隔内的车辆数据进行统计运算(如平均速度、车流量等)；日志周期是进行统计运算的时间间隔。它的设置范围为160 min，通常采用5 min或10 min。根据加利福尼亚算法，日志周期比较长时，不利于事件的实时检测。日志周期较短时，可以及时检测到道路上发生的事件，以便高速公路管理部门立即采取相应措施，防止过多车辆因未及时收到诱导信息而造成大范围的拥堵。3.2 工作模式设置微波车辆检测器的工作模式有轮询访问模式和主动上传模式两种。车辆检测器处于轮询访问模式时，由上位机周期性地向车辆检测器发送指令，车辆检测器在接收到指令后，将其检测到的相关数据上传至上位机。较小的轮询间隔(比如5 min)可以得到较为细致的报表，但也可能会加重设备的负荷，尤其是在轮询大量接口的情况。如果被轮询的设备位于远程网络，还需要加大超时时间；处于主动上传模式时，车辆检测器将根据设定的日志周期，定时向上位机传送检测到的数据。4 结 语本文主要介绍了微波车辆检测器的原理，从断面、路段和路网三个方面阐述了微波车辆检测器的基本功能和应用。随着我国高速公路建设的飞速发展，高速公路智能交通系统得到不断完善。微波车辆检测器作为一种道路通行状况检测的手段，在高速公路交通参数采集方面具有较多的优势，是对传统的高速公路监控系统的升级与完善，旨在通过外场检测设备自动发现异常交通事件，使高速公路管理者真切并及时地感受到道路运行状况，从而进行交通事件检测和调度，以使高速公路监控设施的功能得以充分发挥。随着微波车辆检测器技术日趋成熟和完善，该技术将成为高速公路数据采集的主流技术。在高速公路由数字化进入智能化的重要时期，微波车辆检测器将继续发挥重要作用。参 考 文 献1 杨兆升.基础交通信息融合技术及其应用m.北京：中国铁道出版社，2002.2 geneidy a m, ahrned m, bertini r l. toward validation of freeway loop detector speed measurements using transit probe data c/ proceedings of 7th international ieee conference on intelligent transportation systems. washington, d c: i