智能运输系统检测技术概述PPT课件

智能运输系统检测技术 任课教师 王卓Tel箱 zhwang1 办公地点 运输学院土建327 1 课程教学目标及学生应达到的能力 交通信息的采集 分析和处理 已经日益成为交通研究和日常交通管理活动的重要组成部分 作为智能运输技术体系中的基础性和关键性技术 智能运输检测技术在智能运输领域中具有举足轻重的地位 本课程在先修课程的基础上 通过理论与实践相结合的教学方法 使学生掌握检测技术在智能运输中扮演的角色 掌握智能运输系统中常见的检测技术 检测手段 检测设备的原理 2 先修课程 信号与系统 数字信号处理 微机原理与接口技术 数据传输与计算机网络 电路与电子技术 交通运输设备 传感器网络 嵌入式系统设计 3 课程简介 学分 学时及安排 学分 3 06学时 周共48学时课堂理论教学 40学时实践实验环节 8学时 4 课程简介 考核方式 采用平时成绩和期末考试综合考核方式成绩评定 平时作业成绩占40 期末考试成绩占60 期末考核方式为笔试 闭卷考试 5 课程大纲 第一部分智能运输检测技术概述1 1智能运输系统概念1 2检测技术基本概念1 3智能运输系统发展背景1 4智能运输系统发展现状与差距1 5智能运输检测技术发展现状及案例 6 第二部分智能运输系统主要内容 2 1先进的交通管理系统 ATMS 2 2先进的旅行者信息系统 ATIS 2 3先进的公共运输系统 APTS 2 4商用车辆运营 CVO 系统2 5先进的车辆控制系统 AVCS 2 6自动公路系统 AHS 2 7先进的乡村运输系统 ARTS 7 第三部分检测技术基础知识 3 1测量误差分析与数据处理3 1 1测量误差的基本概念3 1 2测量误差的表示方法3 1 3测量误差的分类3 1 4测量误差的分析与处理3 1 5测量数据处理的基本方法3 2检测信号分析基础3 2 1检测信号的分类3 2 2检测信号的时域分析3 2 3检测信号的频域分析 8 3 3检测系统的基本特征3 3 1检测系统的数学模型3 3 2检测系统的静态特性3 3 3检测系统的动态特性3 4检测系统的可靠性技术3 4 1检测系统的现场防护3 4 2检测系统的抗干扰3 4 3传感器的寿命 损坏原因分析 9 第四部分传感器技术基础 4 1传感器的作用及分类4 1 1传感器的作用4 1 2传感器的定义与组成4 1 3传感器的分类4 1 4传感检测技术的应用及发展方向4 2结构型传感器4 2 1电阻式传感器4 2 2电容式传感器4 2 3电感式传感器4 2 4磁电式传感器 10 4 3物性传感器4 3 1压电式传感器4 3 2半导体敏感元件4 3 3光电传感器4 3 4霍尔传感器4 4传感器的选用原则4 4 1传感器的选用指标4 4 2传感器的选择与应用 11 第五部分无损检测技术 5 1超声检测技术5 2射线检测技术5 3磁粉检测技术5 4红外检测与红外诊断技术5 5无损检测技术在道路工程中的应用 12 第六部分智能运输检测技术 6 1环行感应线圈6 2视频检测6 3微波雷达检测6 4超声波交通流检测6 5红外线交通流检测6 6GPS车辆定位检测6 7IC卡客流检测 13 第七部分智能运输检测系统应用案例 7 1道路交通检测系统7 2青藏铁路安全检测系统 14 参考教材 陈旭梅 智能运输系统 北京 中国铁道出版社 2008杨兆升 智能运输系统概论 M 北京 人民交通出版社 2003陆化普编著 智能运输系统 北京 人民交通出版社 2002樊尚春主编 传感器技术及应用 北京 北京航空航天大学出版社 2010韩九强主编 现代测控技术与系统 北京 清华大学出版社 2007 周杏鹏主编 现代检测技术 第二版 北京 高等教育出版社 2010周杏鹏主编 传感器与检测技术 北京 清华大学出版社 2014 15 第一章主要内容 1 1智能运输系统概念1 2检测技术基本概念1 3智能运输系统发展背景1 4智能运输系统发展现状与差距1 5智能运输检测技术发展现状及案例 16 一 智能运输系统 ITS 基本概念 智能运输系统 简称ITS IntelligentTransportationSystem 是指将先进的信息技术 传感器技术 网络技术 自动控制技术以及计算机技术等高新技术有效地运用于整个交通管理体系 使人 车 路 环境和谐统一 从而提高运输效率 减少交通事故 降低环境污染 建立起的一种在大范围内 全方位发挥作用的实时 准确 高效的交通综合运输体系 17 ITS特点 1 信息化数字化智能化2 系统化集成化一体化 18 智能的含义 智能运输系统是 智能系统 和 运输系统 的结合 智能系统 是智能运输系统区别于传统的运输系统的最重要的特征 智能的 是 有推理能力的 有理解力的 意思 具体地说 智能 具有以下特征 1 从人工智能学的角度来说 其原理上应是基于知识的系统 2 智能运输系统其最终目的是要通过模拟出人的智能 使运输系统变得更加有效率 更有人性 即它要模拟出人的一些重要能力如记忆与思维能力 感知能力 自适应能力和表达与决策能力等 所以其功能上应具有感知能力 判断 推理和学习能力 19 3 结构上应具有如下图示的智能核 其中输入为来自于过程的各种有用信息 输出即为提供给决策 评价等的知识 20 智能运输系统就是使交通运输系统整体模拟人类智能 具有上述各种能力 能思维 能感知 会学习 会推理判断和自行解决问题 能感觉出周围环境的变化和自身状态的变化 能针对这些变化主动采取相应对策 在智能运输系统中 车辆靠自身的智能在道路上安全 自由地行驶 道路靠自身的智能将交通流调整至最佳状态 驾驶员靠系统的智能对道路交通情况了如指掌 交通运输管理人员靠系统的智能对道路上的车辆行驶和交通状态一清二楚 使传统的被动式交通管理转变为主动的交通管理 21 22 智能运输系统层次结构 23 24 智能运输涉及的范围智能交通涉及公路 水路 铁路 民航以及城市交通等领域 主要应用系统包括智能化交通控制与管理 智能化交通安全保障 综合交通信息服务 智能化公共交通运营与服务 先进的货运组织管理 交通电子支付等系统 二 检测技术基本概念 1 检测与测量的概念检测主要包括检验和测量两方面的含义 检验是分辨出被测参数量值所归属的某一范围带 以此来判别被测参数是否合格或现象是否存在 测量是把被测未知量与同性质的标准量进行比较 确定被测量对标准量的倍数 并用数字表示这个倍数的过程 25 26 测量有两种方式 即直接测量和间接测量 直接测量是在对被测量进行测量时 对仪表读数不经任何运算 直接得出被测量的数值 间接测量是测量几个与被测量有关的物理量 通过函数关系式计算出被测量的数值 如功率 P与电压 和电流I有关 即P I V 通过测量的电压和电流 计算出功率 2 传感器与敏感器的概念 传感器是将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置 它本质上是非电量系统与电量系统之间的接口 传感器是必不可少的转换器件 从能量的角度出发 可将传感器划分为两种类型 一类是能量控制型传感器 也称有源传感器 一类是能量转换型传感器 也称无源传感器 27 28 在很多情况下 所要测量的非电量并不是我们所持有的传感器所能转换的那种非电量 这就需要在传感器前面增加一个能把被测非电量转换为该传感器能够接收和转换的非电量 即可用非电量 的装置或器件 这种把被测非电量转换为可用非电量的器件或装置称为敏感器 29 检测系统结构 30 检测系统由传感器 信号调理 信号传输 信号处理 显示记录等环节组成 所谓检测系统 是指为完成某项测量所使用的一系列仪器 即指由相关的器件 仪器和测量装置有机组合而成的具有获取某种信息之功能的整体 典型组成见图1 1 31 传感器是可将被测量转换成某种电信号的器件 信号调理环节把传感器的输出信号转换成适合于进一步传输和处理的形式 信号处理环节对来自信号调理环节的信号进行各种运算 滤波和分析 反馈 控制环节主要用于闭环控制系统中的测试系统 模数 A D 转换和数模 D A 转换环节 三 智能运输系统发展背景及现状 3 1汽车发展社会化工业化国家在市场经济指导下 大都经历了经济的发展促使汽车的发展 而汽车产业的发展又刺激经济发展的过程 从而这些国家尽早进入了汽车化时代 汽车发展社会化 汽车化社会带来的诸如交通阻塞 事故增多 能源浪费和环境污染等社会问题日趋恶化 据统计 美国39个城市因交通堵塞而造成的经济损失约410亿美元 道路总长度630万km的美国和道路密度超过3km km2的日本 可谓道路设施十分发达 也已从以往只靠供给来满足需求的思维模式转向采取供 需两方面共同管理的技术和方法来改善日益尖锐的交通问题 2020 4 24 33 美国汽车发展情况 机动化已成为社会发展的必然趋势 北京机动车保有量的快速增长与道路的缓慢增长产生矛盾 北京机动车昨日新增9000辆 总量达480万辆 2010 12 24人民网 拥挤的交通 2010年9月17日 北京 传统的交通管理模式下 机动车的快速增长直接导致了出行速度的急剧降低 发达国家交通死亡人数曲线 事故死亡人数时间曲线 2020 4 24 40 宁波交通管理部门统计 大量的交通事故产生于交通信息的严重缺乏 3 2人类环境可持续化 工业化国家在工业化 城市化发展进程中面临着日益严重的资源短缺与环境恶化问题 这一问题同样在发展中国家存在 发达国家都经历了为满足车辆发展的需求 而大力开发建设交通基础设施 在大量土地 燃油等资源占用和消耗的同时 不但交通需求没有完全满足 而且还造成汽车尾气排放量剧增 由于道路拥挤 不仅造成巨大的经济损失 而且给环境带来恶劣影响 大量的能源由于交通拥堵而浪费 机动车导致日益加剧的环境污染 3 3信息技术智能化 20世纪80年代后期以来 信息高速公路 的飞速发展 尤其是国际信息网络Internet的建立 将人类带入了 地球村 并加快全球经济一体化的进程 1994年开始 世界经济逐渐进入信息革命阶段 ITS是以信息技术为先导 融其他相关技术应用到交通运输智能管理上有其广大市场 工业化国家和民营企业纷纷投入到这一新兴产业 信息和通讯业的飞速发展为智能交通系统的发展提供了有力的技术支撑 48 随着经济的发展 汽车呈现快速增长态势 交通拥堵 交通事故和环境污染等问题正越来越影响着人们的生活和经济社会的发展 火车站人山人海 在这种情况下 将智能技术运用到运输中的智能运输系统 IntelligentTransportationSystem 简称ITS 成为了解决矛盾的有效途径 求解 ITS 49 四 智能运输系统发展现状与差距 一 没有真正的ITS就没有人车路真正的一体化没有信息化就没有ITS ITS是信息化发展的高级阶段 信息化是ITS的基础与核心 没有ITS就没有人车路的真正的一体化 因此 以先进的交通理念为指导 以人为本为根据的信息化是人车路一体化的最重要的桥梁与纽带 在我国的道路交通系统中 ITS已发展近二十年 近二十年来我国ITS技术已发展到世界先进水平 有的甚至达到了领先水平 但大都表现在信息技术上 即IT技术 InformationTechnology 上 而不完全是真正意义上的ITS 智能交通技术 这是一个很值得深思 很值得研究的问题 从国内外ITS发展之差距分析 来看我国道路与城市交通ITS今后发展的方向 50 交通物体 交通理念 机动车 自行车 行人 现代交通系统的构成框图 交通基础设施 道路 轨道交通等 交通信息 信息化与ITS 以人为本 以人为本 以人为本 理念 路 人 车 在理念上 是以 以人为本 把人车路一体化起来 在组织结构上 是以ITS把人车路一体化起来 51 速度是交通流的最根本特征 人车路的智能一体化应象蚂蚁搬家一样 其一速度要一致 其二速度要因地因时变化 实时地步调一致 在交通上只有汽车驾驶人都按照因地因时变化的速度限制行驶才能象蚂蚁搬家一样从不发生拥堵 近二十年来 国外许多道路交通拥堵有很大的缓解与蚂蚁搬家理论有很大的关系 二 缓堵与速度要因地因时变化 52 由于只有固定的限速标志 没有随交通量变化的限速电子诱导屏 驾驶员们不可能用同一个适应交通量变化的速度运行 也就是说人 车 路就不能真正的一体化 在这里 交通密度这么大 怎么可能按静态标志所规定的速度行驶呢 北五环 2012年 在北五环上 53 荷兰 阿姆斯特丹A2 2011年 荷兰 阿姆斯特丹A1 2011年 但在国外 近二十年来 在交通拥堵路段用得最多的是可变速度显示屏 有的高速道路在接近城市路段或其他交通拥堵路段每200 300m就有一个 遗憾的是 在我国对此仍未引起重视 在接近阿姆斯特丹的A2 A1高速路上 54 英国 格拉斯哥 2006年 交通密度增加 速度减小 这叫实时变化 英国 格拉斯哥 2006年 在接近格拉斯哥的M8高速路上 55 悉尼 澳大利亚 2012年 交通密度增大 速度减少 这叫实时变化 悉尼 澳大利亚 2012年 在接近悉尼市的4号高速路上 56 智能交通最根本的原则就是以人为本 方便百姓 就要给出旅行时间 哪怕是大约的也行 否则 人 车 路就不能真正的一体化 在交通诱导系统中 旅行时间是人们选择路径 路线 的最最重要的依据 也是人们在出行中最需要的最最重要的信息 为使人车路一体化 旅行时间是必不可少的 然而 在我国 ITS发展近二十年来 其他方面是大发展 如监测 但在这方面仍停留在红 黄 绿三色的模糊信息上 这在国外是上个世纪九十年代的水平 三 以人为本 方便百姓 最好是给出旅行时间 使老百姓心中有数 哪怕是 大约的时间 也行 57 北京 2012年 上海 2010年 西安 2011年 杭州 2007年 全国各大中城市几乎全部都是红 黄 绿 58 到新宿约40分钟 东京 1997年 过去只能显示阻滞距离 由于事故 拥堵2Km 即使在上个世纪九十年代 日本也尽量给出数字 哪怕是 大约 也行 59 由A10 A8经西环路8分钟 A86 A35分钟 A86 A439分钟 到西Anterpen5分钟到北Anterpen7分钟 估计到Wahroonga出口10分钟 目前 世界各发达国家都采用旅行时间 60 我们的公交车站硬件不错 连座位都是不锈钢结构件 就是信息太少 特别是动态信息更少 或者没有 即使有到站信息 也只显示999米 让乘客去猜想 在我国 除BRT外 公交车站无公交车抵达时间 61 简易的公交车站 但乘客十分方便 有各种公交信息 大量的静态信息 也有作为ITS的动态信息 东京 2003年 德国法兰克福公交车站的实时信息 2006年 在发达国家的公交车站大都有公交车抵达时间 62 四 交通信号控制必须与交通组织 交通工程一体化 以缓解交通拥堵为主要目的 交通信号控制以人为本 就必须眼睛向下 以人为本 信号控制必须与交通组织一体化相结合 以减少车辆 行人在路口的停留时间为根本目的 我国多相位控制源自1996年对西四路口由西向北左转弯专用信号的研究 后来 发展为多相位控制 但是相位不是越多越好 多相位控制如处理不好 将导致交通堵塞 63 特大城市的多相位控制 南北直行163秒 最大180秒 由西向北35秒 可以想象该路口的周期有几分钟 左转弯35秒又能放行几辆车 等灯这么长 不堵才怪呢 64 既便是极短的行人绿灯 还有左右转弯车辆的干扰 相位多了 周期长了 不但交通拥堵增加了 行人等灯的时间也长了 这么长的等灯时间 行人有这样的耐心吗 行人等灯99秒 有耐心吗 65 交通拥堵或主要交叉路口信号控制 禁左 禁右 禁掉头 左转 右转和掉头可在周围交通量小的路口或路段解决 将信号控制与交通组织一体化结合来解决 减少相位以减少周期时间 伦敦 2006年 在国外 信号控制必须与交通组织一体化 加拿大的多伦多市把左转弯不在路口进行来减少相位 相位少了 拥堵就会自然缓解了 66 五 要以人为本 眼睛向下 ITS首先要服务于行人 自行车和公共交通 要尽量考虑公交优先的需求 67 十分明显的 实时的行人优先信号 巴黎 法国 ITS服务于行人优先 68 带检测器的自行车 行人实时交通信号控制 以绝对保证自行车与行人的交通安全 如自行车或行人不离开道路上的人行横道 则车辆红灯信号不会变换 ITS服务于自行车优先 69 在路面上采用公交车感应式实时电子控制 荷兰提尔堡 1996 剑桥市公交优先闸门 但出租车和自行车可以通行 英国 2006年 ITS服务于公交优先 70 六 ITS的各种设施 设备 必须整合才能使人车路真正一体化 柔性化 静态交通标志 动态交通标志 红黄绿交通显示板 旅行时间显示板 交通诱导屏 导航仪和手机等必须整合 各有其用 71 机场出口处交通诱导屏 日本 2001年 交通诱导屏与静态标志板组合使用 日本 2001年 交通诱导屏一般与静态标志一起设置 也可以单独设置 但都是静态标志的补充 不过后者是与前后静态标志相呼应 这就叫 各定其位 各有其位 各能所为 系统整合 使人车路一体化 动态信息与静态信息一体化 1995年的有明交叉口有交通诱导屏 日本 1995年 2010年的有明交叉口无交通诱导屏 日本 2010年 1995年 2010年 日本东京有明交叉口十五年来的变化 1995 2010年 72 动静态信息要与驾驶员行为改变一体化 73 2010年 将交通诱导屏设在离交叉口400m处 以使驾驶员在到达交叉口前还有时间决定是左转还是直行 这叫做 用信息的空间延伸为驾驶员赢得决策并改变自己驾驶行为的时间 到一元桥16分钟 到神田桥20分钟 用信息的空间延伸赢得改变驾驶行为的时间 74 远 近 邻 三颜色 各有其色 瑞典 2007年 我想就近休息一下 离出口较远处就可认读 就可及时决定并改变自己的行驶车道 这就叫用信息认读的时间的缩短来使驾驶员赢得改变自己驾驶行为的空间 信息量过载 认读时间过长 驾驶员要改变行为已经来不及了 容易造成交通事故 2007 用信息的认读时间缩短赢得驾驶人行为改变的空间 75 东京4号新宿线代代木服务区前事故多发点的消除 导航仪 此地拥堵 注意追尾 这时导航仪会发出 比 比 的声音 检测器 DSRC技术 可变信息板也离不开车辆导航仪的帮忙 导航仪能发出声音 76 电子信息屏能标明前方某地 不能选择具体路径 日本 2010年 导航仪可以选择具体路径 日本 2010年 导航仪是交通诱导屏的最好补充 从三宅坂到一元桥阻滞3Km 从竹桥到江户桥阻滞2Km 77 过去的手机不能导航 现在在日本 手机可以帮助导航 流山 2010年11月28日晚上 在千叶县流山市吃完晚饭要回城里 怎么走 当时没有其他信息可以参考 唯独只有从手机导航上得出结论 还是坐轨道交通为宜 78 导航仪告诉你到宫野木要40分钟 用交通诱导板 地图显示板与VICS导航仪相结合 ITS将人车路一体化 按照VICS导航仪指出的路线走 到宫野木走东关东道或京叶道都只要60分钟 79 七 ITS在交通安全系统中应用实例 2006年10月16日 在英国M6号高速公路上发生一起重大交通事故 当场死亡2人 在处理这起重大交通事故时对交通通行没有产生重大影响 其中ITS起了极大的作用 它真正起了使人 车 路整合成大面积的一体化系统的作用 在M5号高速路的电子显示板亮了 就可知道M6发生了车祸 M6J18 J19封闭 9 08M54出口 M6上交通秩序井然 两条高速路分流处交通不堵 8 30M5 9 08M54 80 81 11 08分18秒 救援工作正在有序 有效进行 82 离事故发生地很近时还能保持安全车距 2002年5月3日京津塘高速公路发生恶性交通事故 6人死亡 堵车十多公里 共堵车15小时之久 83 在我国智能交通诱导系统还不够健全 路网仍处于刚性化状态 交通拥堵常有发生 要使路网柔性化 ITS还有很长的路要走 真正的ITS能使人车路一体化 真正柔性化的人车路一体化系统就是安全 便捷 可持续发展的道路交通系统 理念一通 海阔天空 只要我们不断努力 我们的理想一定会实现 84 五 智能运输系统体系框架 1 智能运输系统体系框架作用和特点智能运输系统体系框架定义系统如何构成 确定了功能模块以及模块之间的通信协议和接口 它的设计必须包含实现用户服务功能的全部子系