基礎(chǔ)交通信息采集技術(shù)的研究

蘇 潔

SU Jie

（天津城市建設(shè)學(xué)院，天津 300384）

1 基礎(chǔ)交通信息采集技術(shù)研究

基礎(chǔ)交通信息是通過各種手段直接采集到的交通信息，是ATMS各子系統(tǒng)的原始輸入數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行進(jìn)一步加工，從而得到符合不同需要的更有價(jià)值的信息。基礎(chǔ)交通信息按照其變化的頻率不同可以分成靜態(tài)交通信息和動態(tài)交通信息兩大類。由于兩類信息的特點(diǎn)不同，靜態(tài)和動態(tài)信息的采集方式也不同。

1.1 靜態(tài)交通信息采集方案研究

靜態(tài)交通信息主要包括：城市道路網(wǎng)基礎(chǔ)信息（如道路技術(shù)等級、長度、收費(fèi)、立交連接方式等）、城市基礎(chǔ)地理信息（如路網(wǎng)分布、功能小區(qū)的劃分、交叉口的布局、城市基礎(chǔ)交通設(shè)施信息等）、車輛保有量信息（包括分區(qū)域、時(shí)間、不同車種車輛保有量信息等）及交通管理信息（如單向行駛、禁止左轉(zhuǎn)、限制進(jìn)入等）。

因此，靜態(tài)交通信息通常采用人工調(diào)查或儀器測量的方式來獲取。比如：城市基礎(chǔ)地理信息、城市道路網(wǎng)基礎(chǔ)信息等主要通過這些方式采集。為了減少不必要的重復(fù)性工作，并且減少數(shù)據(jù)不一致的可能性，還可以通過與其它系統(tǒng)對接的方式，從其它相關(guān)系統(tǒng)得到有關(guān)基礎(chǔ)信息。

靜態(tài)信息是相對穩(wěn)定的，變化的頻率很小，并且變化沒有規(guī)律。因此，靜態(tài)交通信息不需要實(shí)時(shí)采集，一般一次性輸入，直到數(shù)據(jù)發(fā)生變化的時(shí)候才需要修改。

1.2 動態(tài)基礎(chǔ)交通信息采集方案研究

動態(tài)交通信息主要包括：在途車輛及駕駛員的實(shí)時(shí)信息、交通流狀態(tài)特征信息、交通緊急事件信息、環(huán)境狀況信息及交通動態(tài)控制管理信息等。

交通信息采集系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)的“感覺器官”，依賴于自動的信息采集與處理就是所謂的智能交通管理，為管理者提供可靠的系統(tǒng)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的，而可靠的原始數(shù)據(jù)對于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

動態(tài)交通[3]信息種類繁多，不同種類的動態(tài)交通信息都具有各自不同的特點(diǎn)。動態(tài)交通信息與靜態(tài)交通信息顯著的不同，主要表現(xiàn)在它的實(shí)時(shí)性，因此，動態(tài)交通信息的采集必需是準(zhǔn)確的、及時(shí)的。那么這些時(shí)時(shí)變動的交通信息全部采用人工的方式采集是不可能的，一方面，采集速度跟不上，另一方面，人力也不可能全天候地進(jìn)行采集。所以，選擇什么樣的檢測器進(jìn)行動態(tài)交通信息的采集是一個(gè)很重要的問題。

2 動態(tài)交通信息檢測器性能分析[1]

交通檢測器按照安裝的特性不同可以分成地埋式檢測器和非地埋式檢測器。

2.1 地埋式交通檢測器

2.1.1 磁力傳感器

用于交通參數(shù)采集的磁力傳感器分兩種類型：

一種是兩軸式磁通門磁力計(jì)，探測由車輛通過地磁場所造成的豎直方向和水平方向上的磁場強(qiáng)度變化。兩軸式磁通門磁力計(jì)中含有一個(gè)初級線圈和兩個(gè)次級“傳感”線圈。它們都安裝在以高導(dǎo)磁性軟磁材料為磁芯的線圈架上。磁力傳感器的電子線路測量次級線圈兩端的電壓可檢測地磁場的磁場強(qiáng)度異常（即獲得車輛經(jīng)過的信號）。車輛檢測的依據(jù)是：看測得的電壓值是否高十預(yù)設(shè)的閩值。在車輛出現(xiàn)檢測模式下，車輛出現(xiàn)造成的電壓值被一直保持，直到車輛離開探測區(qū)域?yàn)橹埂?/p>

另一種是磁力探測器。當(dāng)車輛（須含有鐵質(zhì)材料）通過其探測區(qū)域時(shí)，磁力探測器通過檢測地磁場的磁力線扭曲情況而感知車輛的通過。磁力探測器中，由導(dǎo)磁性材料做成的磁芯上只纏有一個(gè)線圈。與磁通門磁力計(jì)類似，磁力探測器也將地磁場強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過測量電壓信號來檢測車輛。大多數(shù)磁力探測器不能探測靜止的車輛，因?yàn)樗鼈冃枰囕v移動，即被測物體所產(chǎn)生的信號隨時(shí)間變化。但是，將某些型號的磁力探測器聯(lián)合使用，并輔以專門的信號處理軟件，可測得車輛出現(xiàn)信息。

2.1.2 感應(yīng)線圈檢測器

感應(yīng)線圈檢測器（ILD）堅(jiān)固耐用，是全球公認(rèn)的、可全天候精確監(jiān)控車輛通過與存在狀態(tài)的可靠的方法，是目前國內(nèi)外使用最為廣泛的車輛檢測裝置。這種檢測器由埋在路面下的線圈和能夠測量該線圈電感變化的電子設(shè)備組成，對通過線圈或存在于線圈上的車輛引起的電磁感應(yīng)變化進(jìn)行處理而達(dá)到檢測目的。感應(yīng)線圈檢測器可用來檢測車輛計(jì)數(shù)、車輛出現(xiàn)、車速、占有率等檢測信息。

ILD具有成熟的技術(shù)。隨著封裝技術(shù)和安裝技術(shù)的進(jìn)步，ILD的可靠性已有顯著的提高。但I(xiàn)LD系統(tǒng)的應(yīng)用仍受低可靠性如拉緊盒中接線不良；纏繞導(dǎo)線不當(dāng)造成的干擾及線圈的不規(guī)范封裝等的影響。如果線圈安裝在路況不好或經(jīng)常被開挖路面的公路上，上述因素的影響會更顯著。

2.1.3 道路管檢測器[2]

道路管檢測器與交通流方向垂直安裝，通常作為短期的交通量計(jì)數(shù)、通過車軸數(shù)和車軸距離進(jìn)行的車輛分類、交通規(guī)劃及交通研究的數(shù)據(jù)采集裝置。某些型號還能為車輛間隙、交叉口停車延誤、停車標(biāo)志延誤、飽和流率、點(diǎn)速度及行程時(shí)間（當(dāng)計(jì)數(shù)器和車輛信號發(fā)射傳感器聯(lián)用時(shí)）的計(jì)算提供數(shù)據(jù)。

道路管檢測器將橡皮管放置在路面上，當(dāng)車輛駛過橡皮管時(shí)，橡皮管發(fā)出氣壓脈沖信號。這個(gè)氣壓脈沖信號使壓力起動開關(guān)閉合，向計(jì)數(shù)器或分析軟件發(fā)出一個(gè)電信號。道路管檢測器是便攜式的檢測器，使用鉛酸電池等可充電電池作為能源。

2.1.4 壓電傳感器

壓電材料在受機(jī)械沖擊或振動時(shí)產(chǎn)生電荷。主要應(yīng)用于計(jì)軸數(shù)、測軸距、車輛分類統(tǒng)計(jì)、車速檢測、泊車區(qū)域監(jiān)控、闖紅燈拍照、動態(tài)稱重（WIM）、交通信息采集和統(tǒng)計(jì)、收費(fèi)站地磅。

壓電材料是一種經(jīng)特殊加工后能將動能轉(zhuǎn)化為電能的材料。一些聚合體材料，例如共聚物P（VDF－TrFE）使這一特性有了很大提高。壓電傳感器由金屬編織芯線，壓電材料和金屬外殼制成同軸結(jié)構(gòu)。在制造過程中，將壓電材料置于一個(gè)強(qiáng)電場中極化，數(shù)量級為每一毫米厚的壓電材料大約為105V。無護(hù)套電纜的電暈場也采用這種電場。極化場使非結(jié)晶聚合體變成半晶體的形式。同時(shí)又保留了許多聚合體的柔韌特性。

2.2 非地埋式交通檢測器

2.2.1 超聲波檢測器

超聲波傳感器發(fā)射超出人的聽覺范圍的頻率為25—50kHz的聲壓波。大多數(shù)超聲波傳感器發(fā)射脈沖波，可提供車輛計(jì)數(shù)、出現(xiàn)及道路占有率等交通信息。超聲波傳感器的探測區(qū)域由超聲波發(fā)射器的波幅決定，通過測量由路面或車輛表面反射的脈沖超聲波的波形，可確定由傳感器到路面或車輛表面的距離。傳感器接收的聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，由信號處理單元進(jìn)行分析處理。

恒定頻率超聲波傳感器利用多普勒效應(yīng)測量車速，但其造價(jià)要高于脈沖超聲波傳感器。恒定頻率超聲波傳感器采用高架安裝，以45°角正對駛來的車流。它有兩個(gè)轉(zhuǎn)換器：一個(gè)用于發(fā)射超聲波，另一個(gè)用于接收超聲波，檢測接收超聲波的頻率變化以確定車輛是否通過。恒定頻率超聲波傳感器內(nèi)的電子系統(tǒng)可產(chǎn)生脈沖寬度（脈沖持續(xù)時(shí)間）與被測車輛速度成正比的內(nèi)部脈沖信號，經(jīng)一系列計(jì)算可確定車速。

由超聲波傳感器反射的脈沖能量波以已知且較小的角度被分為兩束，測量車輛通過這兩束波的時(shí)間即可確定車速。這種測距式，脈沖超聲波傳感器的最佳安裝位置是高架安裝俯視車流或路旁安裝側(cè)視車流。

實(shí)施自動脈沖重復(fù)周期控制可減少多重反射脈沖波的影響并能提高探測高速車輛的能力。在接收到路面反射的脈沖波后立刻反射下一個(gè)脈沖波，使脈沖重復(fù)周期盡可能地短。較長的脈沖重復(fù)周期會降低高速公路上高速車輛占有率測量的效果，因?yàn)榇藭r(shí)由傳感器反射和接收的脈沖數(shù)相對車輛數(shù)太少。傳感器還設(shè)有保持時(shí)間（hold time），Th（不同的廠家從115毫秒到10秒不等）以提高車輛出現(xiàn)的監(jiān)測效果。溫度變化及強(qiáng)烈的氣流擾動會影響超聲波傳感器的性能。因此，許多型號內(nèi)設(shè)有溫度補(bǔ)償裝置。

2.2.2 微波雷達(dá)檢測器

微波雷達(dá)檢測器工作原理：當(dāng)車輛從雷達(dá)波覆蓋區(qū)域穿過時(shí)，雷達(dá)波束由車輛反射回雷達(dá)天線，然后進(jìn)入接收器，通過接收器完成車輛監(jiān)測并計(jì)算出流量、速度及車身長度等交通數(shù)據(jù)。

微波雷達(dá)傳感器可安裝在單車道道路的正對路中央的半空中以測量駛來或離去車流的交通參數(shù)；還可在多車道道路的路邊安裝以測量多條車道上車輛的交通參數(shù)。

2.2.3 視頻圖像檢測器

基于視頻圖像處理的交通檢測技術(shù)比其它檢測技術(shù)能收集更多和更全面的交通數(shù)據(jù)。視頻檢測處理技術(shù)通過閉路電視和數(shù)字化技術(shù)分析交通數(shù)據(jù)。其基本原理是在很短的時(shí)間間隔內(nèi)，由半導(dǎo)體電荷耦合器件（CCD）攝像機(jī)連續(xù)攝得兩幅圖像，而這種圖像本身就是數(shù)字圖像，很容易對兩幅圖像的全部或部分區(qū)域進(jìn)行比較，若差異超過一定的閾值則說明有運(yùn)動車輛。

視頻檢測技術(shù)能夠采集的數(shù)據(jù)很廣，一個(gè)攝像機(jī)能夠采集幾個(gè)車道的交通數(shù)據(jù)，使得檢測交通動態(tài)行為和各種空間交通數(shù)據(jù)成為可能，包括交通流量、車型分類、占有率、車速、排隊(duì)長度等，還可獲得車輛的外形三維數(shù)據(jù)及車輛的軸數(shù)、軸距和車輛組成等交通參數(shù)，這是以前傳統(tǒng)的車輛檢測器所不能做到的。除此之外，視頻檢測能提供輔助信息，如路肩交通、停車交通、車輛換道、速度差異和其它方向的交通擁堵。

2.2.4 噪聲檢測器

噪聲檢測器探測來自車輛內(nèi)部和車輛輪胎與地面接觸的聲音，可測量車輛通過、車輛出現(xiàn)及車速等交通參數(shù)。當(dāng)車輛通過探測區(qū)域時(shí)，信號處理算法感知到聲音能量的提高，并產(chǎn)生車輛出現(xiàn)信號。當(dāng)車輛駛離探測區(qū)域時(shí)，聲音能量減少，低于檢測器的檢測閾值時(shí)，車輛出現(xiàn)信號消失。

3 結(jié)論

基礎(chǔ)交通信息采集系統(tǒng)是ATMS的信息輸入部分，如何確?；A(chǔ)交通信息能夠及時(shí)、準(zhǔn)確并且經(jīng)濟(jì)地采集并輸入，對于ATMS實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能是至關(guān)重要的。本章主要研究了信息采集的幾個(gè)相關(guān)問題，對傳統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)交通信息采集方式進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為ATMS信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供了有價(jià)值的參考。

[1]Lawrence A.Klein.Sensor Technology and Data Requirements for ITS.Boston-London：Artech House，2001.

[2]Luz Elena Y.Mimbela ＆Lawrence A.Klein，Summary of Vehicle Detection and Surveillance Technologies Used in Intelligent Transportation Systems，F(xiàn)ederal Highway Administration’s Intelligent Transportation Systems Joint Program Office，November 30，2000 4-1—4-2，4-7—4-11.

[3]張曉東.動態(tài)交通流信息采集系統(tǒng)若干問題研究.長春：吉林大學(xué)，2004.