公路網(wǎng)傳感設(shè)備故障分類研究

鄒鵬飛，高 利

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

近10年來，我國(guó)的高速公路得到突破性的發(fā)展，與公路運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施的飛速發(fā)展形成鮮明對(duì)比的是，我國(guó)公路運(yùn)輸?shù)墓芾硭竭€遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上交通基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展水平.隨著智能交通系統(tǒng)(intelligent transportation systems，ITS)的興起與發(fā)展，通過建立并逐漸完善智能交通系統(tǒng)已成為解決高速公路上述問題的主要手段.

智能交通技術(shù)是指將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等應(yīng)用于交通運(yùn)輸行業(yè)從而形成的一種信息化、智能化、社會(huì)化的新型運(yùn)輸系統(tǒng)，通過對(duì)交通信息的實(shí)時(shí)采集、傳輸和處理，借助各種科技手段和設(shè)備，對(duì)各種交通情況進(jìn)行協(xié)調(diào)和處理，建立起一種實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合運(yùn)輸管理體系，從而使交通設(shè)施得以充分利用，提高交通效率和安全，最終使交通運(yùn)輸服務(wù)和管理智能化，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸?shù)募s式發(fā)展［1］.

公路網(wǎng)傳感設(shè)備就是智能交通系統(tǒng)感知節(jié)點(diǎn)中的各種傳感器，是構(gòu)成智能交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件.當(dāng)傳感設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)將不能真實(shí)反應(yīng)道路上的交通情況，不僅不能保證對(duì)道路管理措施的正確實(shí)施，還有可能因?yàn)閿?shù)據(jù)的失真而采取的錯(cuò)誤管理措施使實(shí)際道路上的交通狀況變壞.只有保證公路網(wǎng)傳感設(shè)備采集到的各類信息的準(zhǔn)確性，才能使智能交通系統(tǒng)正常的運(yùn)行并服務(wù)于管理部門，并最終為道路使用者服務(wù).

1 公路網(wǎng)傳感設(shè)備的分類

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行公路網(wǎng)傳感設(shè)備的分布及監(jiān)測(cè)對(duì)象，可將現(xiàn)存的公路網(wǎng)傳感設(shè)備大致分為以下三大類:

1)基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)傳感設(shè)備 路基路面、橋涵、隧道、交通工程及沿線設(shè)施等運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備，其主要傳感器包括應(yīng)變計(jì)、應(yīng)力計(jì)、光柵傳感器、光纖傳感器等.

2)交通運(yùn)行狀態(tài)傳感設(shè)備 交通流、交通信息采集、交通監(jiān)控、車輛管理等傳感設(shè)備，主要包括微波車輛檢測(cè)器、視頻車輛檢測(cè)器、環(huán)形線圈檢測(cè)器、超聲波檢測(cè)器、雷達(dá)測(cè)速檢測(cè)器、交通事件檢測(cè)器等.

3)交通環(huán)境狀態(tài)傳感設(shè)備 雨、雪、霧等天氣狀況和冰凍等交通氣象環(huán)境傳感設(shè)備和路面狀況傳感設(shè)備，主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、能見度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、路面狀態(tài)傳感器等.

1.1 基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)傳感設(shè)備

對(duì)公路網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備的監(jiān)測(cè)主要包括對(duì)橋涵、隧道、交通工程及沿線設(shè)施等運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，其中應(yīng)用最多的傳感設(shè)備是橋梁應(yīng)力應(yīng)變計(jì)和光纖光柵傳感器.

1.1.1 應(yīng)力應(yīng)變計(jì)

現(xiàn)有的應(yīng)力應(yīng)變?cè)O(shè)備有線應(yīng)變儀、箔應(yīng)變儀、半導(dǎo)體應(yīng)變儀等.隨著變形會(huì)發(fā)生電阻值變化的應(yīng)變片按規(guī)定方向貼在試件表面，由于試件表面應(yīng)變?cè)斐蓱?yīng)變片的電阻值變化.人們用高靈敏度檢流計(jì)測(cè)出電阻值的變化，并用此推得應(yīng)變值的變化.應(yīng)變儀廣泛應(yīng)用于材料的力學(xué)性能檢測(cè)中.

振弦式應(yīng)變計(jì)適用于長(zhǎng)期埋設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)的梁、柱、樁基、支撐、擋土墻、水工建筑物、襯砌、墩與底腳、橋梁、隧道襯砌及其基巖中監(jiān)測(cè)其應(yīng)力與應(yīng)變，加裝配套附件可測(cè)量表面應(yīng)變量，通過多個(gè)傳感設(shè)備對(duì)測(cè)量表面應(yīng)變量的變化實(shí)行對(duì)大壩、橋梁等的監(jiān)測(cè).

1.1.2 光纖光柵傳感器

光纖光柵傳感器(fiber grating sensor)屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過程是通過外界物理參量對(duì)光纖布拉格(Bragg)波長(zhǎng)的調(diào)制來獲取傳感信息，是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器.

光纖光柵傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)變等物理量的直接測(cè)量.由于光纖光柵波長(zhǎng)對(duì)溫度與應(yīng)變同時(shí)敏感，即溫度與應(yīng)變同時(shí)引起光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)，使得通過測(cè)量光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)無法對(duì)溫度與應(yīng)變加以區(qū)分.因此，解決交叉敏感問題，實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力的區(qū)分測(cè)量是傳感器實(shí)用化的前提.通過一定的技術(shù)來測(cè)定應(yīng)力和溫度變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)力區(qū)分測(cè)量.這些技術(shù)的基本原理都是利用2根或者2段具有不同溫度和應(yīng)變響應(yīng)靈敏度的光纖光柵構(gòu)成雙光柵溫度與應(yīng)變傳感器，通過確定2個(gè)光纖光柵的溫度與應(yīng)變響應(yīng)靈敏度系數(shù)，利用2個(gè)二元一次方程解出溫度與應(yīng)變.

1.2 交通運(yùn)行狀態(tài)傳感設(shè)備

對(duì)公路網(wǎng)交通運(yùn)行監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括對(duì)公路網(wǎng)上車輛的監(jiān)測(cè)、對(duì)交通時(shí)間的監(jiān)測(cè).因此可將交通運(yùn)行狀態(tài)傳感設(shè)備進(jìn)一步劃分為車輛監(jiān)測(cè)設(shè)備和交通事件監(jiān)測(cè)設(shè)備.

1.2.1 車輛監(jiān)測(cè)設(shè)備

在當(dāng)前交通運(yùn)行狀態(tài)信息的檢測(cè)設(shè)備中，最廣泛應(yīng)用的是感知交通流量、車速、道路占有率、車間距、車輛類型等運(yùn)行狀態(tài)信息的車輛檢測(cè)器.目前國(guó)內(nèi)外車輛檢測(cè)器產(chǎn)品的種類很多，技術(shù)原理和實(shí)現(xiàn)方式各不相同，主要包括線圈檢測(cè)器、視頻檢測(cè)器、微波檢測(cè)器、激光檢測(cè)器、聲波檢測(cè)器、超聲波檢測(cè)器、磁力檢測(cè)器和紅外線檢測(cè)器等.我國(guó)幅員遼闊、路網(wǎng)規(guī)模大、交通狀況比較復(fù)雜，各地交通管理部門對(duì)于車輛檢測(cè)方式的要求具有多樣性，從性能指標(biāo)、產(chǎn)品成本、安裝方式、天氣路況、管理政策等方面都有諸多不同.表1列出了目前國(guó)內(nèi)外常用的車輛檢測(cè)技術(shù)的工作原理、環(huán)境適應(yīng)性及優(yōu)缺點(diǎn).

如微波車輛檢測(cè)器采用雷達(dá)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和定位指定區(qū)域內(nèi)的車輛及各種交通數(shù)據(jù)，通過發(fā)射調(diào)制的微波信號(hào)，處理回波信號(hào)，可檢測(cè)出8個(gè)車道的車流量、車道占有率、車長(zhǎng)流量、平均車速等交通流信息.同時(shí)可對(duì)采集到的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到實(shí)時(shí)有效的道路交通基本信息及交通流參數(shù)，如車流量、車型、車速等，還可將這些信息傳輸?shù)街悄芙煌刂破脚_(tái)，等待進(jìn)一步的信息發(fā)布等處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)道路交通的更好的控制.

檢測(cè)器由微波發(fā)射器、接收探頭及其控制器、調(diào)制解調(diào)器及電源三大模塊組成.微波發(fā)射器可安裝于路燈桿上或?qū)Ｓ玫闹由?，安裝高度應(yīng)大于5 m，微波波束俯仰角應(yīng)為40°～50°，作用距離3～60 m，為仰視安裝.也可安裝于車道上方龍門架上，為前視安裝.安裝于同一柱子上的調(diào)制解調(diào)器通過接線盒與接收探頭相連，將處理過的信號(hào)調(diào)制后傳輸給接收單元.

微波車輛檢測(cè)器用于車速檢測(cè)時(shí)，需要在車道上車輛行駛方向上安裝幾個(gè)檢測(cè)器，并記下檢測(cè)器間的距離，車輛通過不同檢測(cè)器間的計(jì)時(shí)即可計(jì)算出車速信息.微波車輛檢測(cè)器可用于高速公路的檢測(cè)、城市交通的檢測(cè)，城市交通信號(hào)控制和區(qū)域交通時(shí)間報(bào)警等不同應(yīng)用情況.檢測(cè)器沿車道橫向布置時(shí)成為監(jiān)視檢測(cè)，可同時(shí)得出多個(gè)車道的交通流實(shí)時(shí)信息.在城市道路的十字交叉口可采用多個(gè)檢測(cè)器對(duì)4個(gè)道口的車輛進(jìn)行檢測(cè)，效果良好［2］.

表1 車輛檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

1.2.2 交通事件監(jiān)測(cè)設(shè)備

目前交通事件檢測(cè)主要是通過對(duì)公路外場(chǎng)布設(shè)的視頻監(jiān)控設(shè)備(攝像機(jī))采集的視頻圖像的分析及處理，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)行過程中車輛停駛、交通擁堵、車輛減速、車輛超速、車輛低速、車輛逆行、車輛排隊(duì)長(zhǎng)度超過閾值、行人、遺撒遺棄物、煙霧和火災(zāi)等交通事件的自動(dòng)辨識(shí)和檢測(cè)，亦可及時(shí)檢測(cè)監(jiān)控區(qū)域發(fā)生的交通事件、采集交通數(shù)據(jù)、輔助進(jìn)行交通控制等.

實(shí)際使用的視頻傳感系統(tǒng)包括硬件和軟件系統(tǒng).硬件系統(tǒng)主要包括路邊圖像傳感器及數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)的硬件模塊;圖像傳感器是視頻傳感系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它的任務(wù)是完成視頻圖像的獲取.對(duì)于不同的使用目的，圖像傳感器應(yīng)滿足不同的要求.對(duì)用于車輛捕獲的視頻傳感系統(tǒng)，圖像傳感器的高分辨率、高圖像質(zhì)量及高對(duì)比度是最重要的，同時(shí)要求較高的幀率，以滿足對(duì)單個(gè)車輛的特征識(shí)別和高速行駛車輛的捕捉，較高的低照度響應(yīng)和靈敏度及適合的鏡頭場(chǎng)景也是需要滿足的條件

目前固體圖像傳感器(charge coupled device，CCD)是使用較為普遍的圖像傳感器，CMOS圖像傳感器的應(yīng)用也逐漸得到重視.CCD按光譜響應(yīng)范圍可分為可見光 CCD、紅外 CCD、紫外 CCD、微光CCD、X射線CCD;按顏色可分為黑白CCD和彩色CCD.CCD的工作過程可分為光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲(chǔ)及電荷轉(zhuǎn)移3個(gè)步驟，它的輸出信號(hào)的產(chǎn)生不需要外加掃描電子束，通過自掃描半導(dǎo)體諸像素獲得，特點(diǎn)為:失真度小、抗電磁干擾能力強(qiáng)，圖形無扭折、耗電低等［3］.

1.3 交通環(huán)境狀態(tài)傳感設(shè)備

交通環(huán)境狀態(tài)傳感設(shè)備主要包括雨、雪、霧等天氣狀況和冰凍等傳感設(shè)備，主要傳感設(shè)備包括:溫度傳感器、濕度傳感器、能見度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、路面狀態(tài)傳感器等，其中集成溫度、濕度、能見度、風(fēng)速風(fēng)向和路面狀態(tài)傳感器的交通氣象檢測(cè)器是其中最為重要的“感知”設(shè)備.目前公路監(jiān)控系統(tǒng)用氣象檢測(cè)器通常由能見度檢測(cè)器、路面狀況檢測(cè)器、溫濕度檢測(cè)器、風(fēng)力風(fēng)向檢測(cè)器和雨量檢測(cè)器等組成.下面介紹幾種比較常見的公路網(wǎng)用環(huán)境狀態(tài)傳感設(shè)備.

1.3.1 能見度檢測(cè)器

目前在世界上普遍使用的能見度觀測(cè)儀包括透射式和散射式2種.散射儀根據(jù)散射角度的不同又可分為3種:前向散射儀、后向散射儀及總散射儀.前向散射儀憑借其體積小、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，目前高速公路上使用的大部分均為前向散射儀型能見度檢測(cè)設(shè)備.透射儀因占地范圍大，需要基線，不適用于海岸臺(tái)站、燈塔自動(dòng)氣象站及船舶上，但其具有自檢能力，低能見度下性能好等優(yōu)點(diǎn)而適用于民航系統(tǒng);散射儀以其體積小和低廉的價(jià)格而廣泛應(yīng)用于碼頭、航空、高速公路等系統(tǒng).透射儀是一種通過測(cè)量大氣透明度來計(jì)算能見度的儀器，芬蘭Vaisala公司的MITRAS透射儀是國(guó)際上機(jī)場(chǎng)氣象自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)中用得較多的一種能見度儀器.透射儀測(cè)量的是衰減系數(shù)，而散射儀則直接測(cè)量來自1個(gè)小的采樣容積的散射光強(qiáng)［4］.

依據(jù)JT/T 714—2008《道路交通氣象環(huán)境 能見度檢測(cè)器》，道路能見度檢測(cè)器由基本部件和擴(kuò)展部件組成.其中能見度檢測(cè)器的基本部件主要包括發(fā)射器、接收器、電源部件、控制處理器和機(jī)架;擴(kuò)展部件主要用于提升能見度檢測(cè)器的性能或功能，包括校準(zhǔn)裝置、信道適配控制器、加熱器和恒溫器，這些擴(kuò)展部件可根據(jù)要求有選擇性地增加其中的一種或幾種.

1.3.2 風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)器

風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)器即是進(jìn)行道路沿線風(fēng)速、風(fēng)向參數(shù)檢測(cè)的設(shè)備.目前常用的風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)器可分為:三杯式風(fēng)檢測(cè)器、螺旋槳式聯(lián)合風(fēng)向風(fēng)速檢測(cè)器、超聲波風(fēng)檢測(cè)器3類.

其中超聲波風(fēng)檢測(cè)器的工作原理是，當(dāng)在平靜的空氣中，聲波的傳播速度被在風(fēng)方向上的空氣流動(dòng)所改變.如果風(fēng)向和聲波的傳播方向相同，就會(huì)提高聲波的傳播速度，反之則會(huì)減小聲波的速度.在一個(gè)固定的測(cè)量路徑中，在不同的風(fēng)速和風(fēng)向上疊加而成的聲波傳播速度會(huì)導(dǎo)致不同的聲波傳播時(shí)間.二維超聲波風(fēng)傳感器由4個(gè)超聲波收發(fā)器組成，分為彼此垂直的2對(duì).當(dāng)開始測(cè)量時(shí)，在測(cè)量路徑的4個(gè)方向上進(jìn)行8組單獨(dú)的測(cè)量，就可在形成的矩形區(qū)域中獲得風(fēng)速的矢量值和風(fēng)向的角度.

1.3.3 CO/VI檢測(cè)設(shè)備

CO/VI檢測(cè)設(shè)備主要用于隧道的監(jiān)控，用于檢測(cè)隧道中的CO濃度以及能見度，部分功能與前述的能見度檢測(cè)設(shè)備相似.由于隧道是一種特殊的管狀構(gòu)造物.洞內(nèi)的煙/粉/灰塵及汽車尾氣的排放，如不及時(shí)合理的排放出去，將直接影響到能見度，使駕駛帶來危險(xiǎn).汽車尾氣中的一氧化碳達(dá)到一定濃度后也將帶來危險(xiǎn).

CO/VI測(cè)量?jī)x中的CO濃度檢測(cè)依據(jù)的原理是:CO能吸收紅外線能量，其吸收光譜集中在波長(zhǎng)4.7 μm.但是由于空氣中的其他氣體也會(huì)吸收紅外線能量，簡(jiǎn)單的測(cè)出發(fā)射光強(qiáng)和接收光強(qiáng)來計(jì)算CO濃度必然會(huì)因?yàn)槠渌麣怏w成分的變化使得CO測(cè)值發(fā)生偏移，因此必需將氣體相關(guān)濾波技術(shù)應(yīng)用到測(cè)量?jī)x中來解決這個(gè)問題.而能見度VI的檢測(cè)原理則是:空氣中懸浮的微小顆粒使穿過空氣的光線發(fā)生散射，從而使其亮度減弱.測(cè)量用的可見光線從一個(gè)脈沖LED上產(chǎn)生，經(jīng)鏡頭投射到反射端的反光鏡上.發(fā)射接收端有2個(gè)傳感器，一個(gè)在可見光發(fā)射器內(nèi)，測(cè)量發(fā)射光脈沖的亮度，另一個(gè)在可見光探測(cè)器內(nèi)，測(cè)量反射回的光脈沖的亮度.來自2個(gè)傳感器的信號(hào)的比率就是測(cè)量的透射率.內(nèi)部微處理器隨后經(jīng)過計(jì)算即可得出能見度系數(shù)［5］.

1.3.4 超速檢測(cè)設(shè)備

超速檢測(cè)設(shè)備主要針對(duì)高速公路上車輛超速行駛進(jìn)行檢測(cè)的，超速抓拍系統(tǒng)是針對(duì)高速公路上車輛超速行駛進(jìn)行監(jiān)控的設(shè)備.一整套的違章超速抓拍系統(tǒng)包括了前端圖像抓拍識(shí)別子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、收費(fèi)站卡口執(zhí)法處理子系統(tǒng)、路段警務(wù)信息中心子系統(tǒng)4部分組成.其中的前段圖像抓拍識(shí)別子系統(tǒng)就屬于超速檢測(cè)設(shè)備中的一類.前端抓拍識(shí)別子系統(tǒng)完成車輛車速檢測(cè)、抓拍、識(shí)別、存儲(chǔ)、傳輸?shù)裙δ?，是整個(gè)超速抓拍系統(tǒng)的基礎(chǔ).主要設(shè)備包括車輛檢測(cè)和測(cè)速裝置、采集控制設(shè)備、智能補(bǔ)光設(shè)備以及前端識(shí)別管理設(shè)備［6］.

系統(tǒng)通過對(duì)待定地點(diǎn)路面的速度與圖像監(jiān)控，利用多普勒頻率變化技術(shù)來測(cè)量移動(dòng)車輛的速度，當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)超過先塑膠值時(shí)，系統(tǒng)接收到雷達(dá)檢測(cè)觸發(fā)信號(hào)，通過攝像機(jī)對(duì)超速車輛進(jìn)行近、遠(yuǎn)景圖片拍攝，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將圖像送到工控機(jī)進(jìn)行圖像信號(hào)處理，從而得到違法目標(biāo)的清晰圖像，同時(shí)可生成違法圖像和速度信息數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)實(shí)際要求生成違法處罰通知單，提供交管部份作為執(zhí)法依據(jù).

2 公路網(wǎng)傳感設(shè)備的故障分類

通過對(duì)某市某高速公路的公路網(wǎng)傳感設(shè)備情況進(jìn)行實(shí)地考察，并結(jié)合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員的問卷調(diào)查，對(duì)現(xiàn)存公路網(wǎng)傳感設(shè)備常見故障進(jìn)行匯總，具體的故障類型如表2所示.

通過對(duì)上述城市高速公路路段技術(shù)員針對(duì)公路網(wǎng)傳感設(shè)備的常見故障綜合調(diào)查表的反饋情況，利用決策理論的模型方法，進(jìn)行深入分析，得出公路網(wǎng)傳感設(shè)備的主要的故障類別及其特征如圖1所示.

從圖1可大致看出，故障率出現(xiàn)較高的是傳感器組件故障，主板內(nèi)部線路故障，網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤等主要故障和主板元件故障，電源故障，采集軟件錯(cuò)誤，傳輸線路故障等其他一些故障.這些故障類型及其特征將為以后對(duì)公路網(wǎng)傳感設(shè)備故障診斷提供極大的支持.

表2 公路網(wǎng)傳感設(shè)備的常見故障

圖1 公路網(wǎng)傳感設(shè)備常見故障綜合調(diào)查

3 傳感設(shè)備故障的診斷方法

經(jīng)過多年的發(fā)展，故障診斷技術(shù)的研究與應(yīng)用取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步.實(shí)際系統(tǒng)可能發(fā)生的故障是各種各樣的，研究故障診斷問題需要對(duì)故障做適當(dāng)分類，并且這種分類可從多個(gè)不同的方面進(jìn)行.根據(jù)現(xiàn)存應(yīng)用的傳感設(shè)備診斷技術(shù)，可將傳感設(shè)備故障診斷方法分為硬件冗余診斷法、基于數(shù)學(xué)模型的診斷法和基于信號(hào)處理的診斷法.

3.1 硬件冗余診斷法

硬件冗余診斷法對(duì)容易失效的傳感器進(jìn)行冗余備份，一般采用2個(gè)、3個(gè)或者4個(gè)相同傳感器來測(cè)量同一個(gè)被測(cè)量，通過冗余傳感器的輸出量進(jìn)行相互比較以驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)輸出的一致性［7］.一般情況下，該方法采用2個(gè)冗余傳感器可診斷有無傳感器故障，采用3個(gè)或者3個(gè)以上冗余傳感器可以分離發(fā)生故障的傳感器.其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示.

具體而言，若4只同類型傳感器的輸出信息分別為 t1、t2、t3、t4，而 ci為各傳感器自身的轉(zhuǎn)換系數(shù)，x為同一被測(cè)對(duì)象，則4只傳感器的信息輸出為

圖2 硬件冗余診斷法結(jié)構(gòu)

由以上描述可發(fā)現(xiàn)硬件冗余法具有原理簡(jiǎn)單、不依賴系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但由于需要3只以上的同類型傳感器測(cè)量同一測(cè)點(diǎn)，其所需設(shè)備多，使得成本和維護(hù)費(fèi)用高.

3.2 基于數(shù)學(xué)模型的診斷法

基于數(shù)學(xué)模型的診斷法要建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型來表征測(cè)量系統(tǒng)的特性，通過比較模型輸出與實(shí)際輸出之間的差異來判斷是否有傳感器故障［8］.主要是參數(shù)估計(jì)診斷法:故障致使模型參數(shù)發(fā)生變化，通過估計(jì)系統(tǒng)的狀態(tài)，并結(jié)合數(shù)學(xué)模型進(jìn)行故障診斷，通過參數(shù)的估計(jì)值與正常值之間的偏差情況來判斷傳感器是否發(fā)生故障.

該方法的特點(diǎn)是解析關(guān)系可用軟件實(shí)現(xiàn)，非常方便.但各種冗余分析法的一個(gè)共同特點(diǎn)是都需要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，它對(duì)模型的可靠性和精度有很高的要求，而這在復(fù)雜系統(tǒng)中并不總能得到.

3.3 基于信號(hào)處理的診斷法

當(dāng)難以建立診斷對(duì)象的解析數(shù)學(xué)模型時(shí)，基于信號(hào)處理的方法是非常有用的，因?yàn)檫@種方法回避了抽取對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的難點(diǎn)，而直接利用信號(hào)模型，如相關(guān)函數(shù)、高階統(tǒng)計(jì)量、頻譜和自回歸滑動(dòng)平均過程，以及現(xiàn)在熱門的小波分析技術(shù).這類方法是根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)進(jìn)行故障的診斷.常用的方法包括直接信號(hào)比較法、基于小波變換的方法及輸出信號(hào)處理法.

其中直接信號(hào)比較法，在正常情況下，傳感器測(cè)量值在一定范圍內(nèi)變動(dòng):

如果連續(xù)3、4次超過這個(gè)范圍，則表明該傳感器發(fā)生故障或?qū)⒁l(fā)生故障.故又稱這種故障檢測(cè)的方法為限制值檢驗(yàn)法.另外，還可結(jié)合測(cè)量值的速率變化是否滿足來判別故障發(fā)生與否.此方法對(duì)于閾值選擇不當(dāng)時(shí)，也會(huì)造成該方法的誤報(bào)或者漏報(bào).

4 結(jié)論

1)根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行公路網(wǎng)傳感設(shè)備的分布及監(jiān)測(cè)對(duì)象，將公路網(wǎng)傳感設(shè)備分為基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)傳感設(shè)備、交通運(yùn)行狀態(tài)傳感設(shè)備和交通環(huán)境狀態(tài)傳感設(shè)備三大類.

2)通過對(duì)某市某高速公路的公路網(wǎng)傳感設(shè)備情況進(jìn)行實(shí)地考察，并結(jié)合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員的問卷調(diào)查，從系統(tǒng)的角度得出公路網(wǎng)傳感設(shè)備常見故障類型，故障率出現(xiàn)較高的是傳感器組件故障、主板內(nèi)部線路故障、網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤、主板元件故障、電源故障、采集軟件錯(cuò)誤、傳輸線路故障等.

3)依據(jù)上述公路網(wǎng)傳感設(shè)備分類和常見故障，可用于公路網(wǎng)傳感設(shè)備故障診斷的方法有硬件冗余診斷法、基于數(shù)學(xué)模型的診斷法和基于信號(hào)處理的診斷法等.

［1］劉麗英，潘景山，史永，等.智能交通系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r研究［J］.信息技術(shù)與信息化，2006(6):17-18.

［2］楊常華.高速公路微波車輛檢測(cè)器的應(yīng)用解決方案［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009，19(15):211-212.

［3］程開富.固體圖像傳感器在交通工程中的應(yīng)用［J］.電子科學(xué)技術(shù)評(píng)論，2005(4):004.

［4］曾書兒，王改利.能見度的觀測(cè)及其儀器［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，1999，10(2):207-212.

［5］馮光永.隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的傳感技術(shù)與應(yīng)用［C］∥第八屆中國(guó)高速公路信息化管理及技術(shù)研討會(huì)論文集.中國(guó)公路學(xué)會(huì)，2006:447-454.

［6］王宏遠(yuǎn)，冀常鵬，包劍，等.高速公路車輛超速監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.信息技術(shù)，2004，28(2):54-55.

［7］張婭玲，陳偉民，章鵬，等.傳感器故障診斷技術(shù)概述［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009:28(1):4-6.

［8］何福君，劉小磊.傳感器的故障診斷技術(shù)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010(26):6481-6487.