智能車輛檢測系統(tǒng)規(guī)劃和設計研究——以無錫市為例

陸嘉成，吳仁良，孫 琦

(1.無錫市政設計研究院有限公司，江蘇無錫 214072；2.無錫市公安局交通巡邏警察支隊，江蘇無錫 214121)

0 引言

隨著我國城市化進程的加快和機動化水平的提高，城市交通問題也越來越顯現(xiàn)和突出。針對城市交通問題，以往的解決思路不過是簡單的修路架橋，通過增加交通供給的方式來滿足需求。然而機動車的保有量不斷上升，但城市建設需要一定的時間周期，且城市規(guī)模也不可能無限制擴大，大力發(fā)展智能交通，合理分配和調(diào)節(jié)路網(wǎng)流量就成了必然選擇。

在智能交通系統(tǒng)中，車輛檢測系統(tǒng)是最基礎的，也是最重要的子系統(tǒng)之一。目前，車輛檢測系統(tǒng)的可采用的技術(shù)較多，本文擬在參考國內(nèi)外相關(guān)研究和實踐的基礎上，就車輛檢測系統(tǒng)的多種技術(shù)進行分析和比選，提出一種較為合理的工程解決方案。在車輛檢測系統(tǒng)的規(guī)劃和設計上，本文結(jié)合無錫市的城市發(fā)展和路網(wǎng)實際，分別確定了交叉口和路段的車輛檢測系統(tǒng)設置原則和具體要求，為相關(guān)工程提供參考和借鑒。

1 車輛檢測系統(tǒng)的功能與應用

車輛檢測系統(tǒng)，又稱交通信息采集系統(tǒng)，是指利用電磁傳感技術(shù)、超聲傳感技術(shù)、雷達探測技術(shù)、視頻檢測技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)等高新科學技術(shù)，對車輛的流量、速度、車道占有率、時間占有率和長度等交通參數(shù)進行統(tǒng)計和分析，并上傳給中央控制系統(tǒng)，以滿足交通控制系統(tǒng)的需要。

1.1 與其他智能交通子系統(tǒng)的關(guān)系

智能交通系統(tǒng)(IntelligentTransportationSystem，簡稱ITS)可分為交通信息服務系統(tǒng)（ATIS）和交通管理系統(tǒng)（ATMS），其中交通管理系統(tǒng)又包含了交通信號控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、違法抓拍系統(tǒng)、車輛檢測系統(tǒng)、公共交通優(yōu)先系統(tǒng)和交通誘導系統(tǒng)等。

其中，車輛檢測系統(tǒng)是ITS的關(guān)鍵子系統(tǒng)，是發(fā)展ITS的基礎，成為交通智能化的前提，無論是交通控制還是交通管理系統(tǒng)，都涉及交通動態(tài)信息的采集，交通動態(tài)信息采集也就成為交通智能化的首要任務。

1.2 交通規(guī)劃支持功能

在進行交通系統(tǒng)規(guī)劃過程中的每個階段，都需要有和該階段相對應的各種各樣的基礎數(shù)據(jù)。在制定交通規(guī)劃時，為分析交通現(xiàn)狀和存在的問題，建立交通需求預測模型并預測交通需求，分析交通的供求平衡以及交通供求關(guān)系的發(fā)展趨勢，通常要進行大規(guī)模的交通調(diào)查，這一部分工作在制定交通規(guī)劃的過程中占有相當大的比重。對規(guī)劃對象區(qū)域的交通需求特性、交通系統(tǒng)及其關(guān)聯(lián)設施以及道路交通流特性進行調(diào)查，為交通規(guī)劃提供可靠的依據(jù)，是制定科學合理的交通規(guī)劃的基本前提和極其重要的環(huán)節(jié)。因此，進行合理而有效的交通調(diào)查，是交通規(guī)劃中的重要課題之一，也是規(guī)劃成敗的關(guān)鍵。

以前常用的交通調(diào)查方法都是以人工統(tǒng)計為主。由于人工統(tǒng)計需要大量的樣本數(shù)據(jù)，不僅耗費大量的人力物力，同時統(tǒng)計結(jié)果的精確性也無法得到保障。車輛檢測系統(tǒng)可以通過記錄車輛的行駛軌跡，因此可以得到出行的OD信息，這些信息數(shù)量巨大，同時也比較準確。系統(tǒng)建成后可以隨時向交通規(guī)劃者提供有關(guān)路網(wǎng)交通流和交通需求的數(shù)據(jù)（當前的和歷史的），并提供實現(xiàn)路網(wǎng)交通規(guī)劃計算、評估以及仿真的有效手段，從而得到路網(wǎng)交通流分配的優(yōu)化策略，為交通規(guī)劃和基礎設施布設提供很好的數(shù)據(jù)支撐。

1.3 交通控制的功能

交通信號控制方式可以分為定時式信號控制和感應式信號控制兩種。定時式信號控制設置簡便，通過設置一系列固定不變的參數(shù)來進行信號控制。然而，道路上的交通需求隨時間而變化，同一條道路高峰時段和平峰時段的交通量差別都可能會相當巨大，甚至會在短時間內(nèi)發(fā)生劇烈的波動。感應式信號控制方式則很好的解決了這一問題，它可以根據(jù)當前交通需求的實時信息隨不同周期內(nèi)交通需求的變化而決定綠燈分配時間[1]。

車輛檢測系統(tǒng)可以探測并計算出某兩個紅綠燈區(qū)間的車輛數(shù)目，從而智能地計算路口的交通信號配時。同時，由于車輛檢測系統(tǒng)具有識別特定車輛的功能，故可以對公交車輛進行識別，從而可以實現(xiàn)公交優(yōu)先的交通信號控制。

1.4 交通信息發(fā)布與誘導功能

交通誘導系統(tǒng)指在城市主要道路交通節(jié)點之前，通過布設交通誘導屏發(fā)布誘導信息，為出行者指示下游道路的交通狀況，讓出行者選擇合適的行駛道路，既為出行者提供了出行誘導服務，同時調(diào)節(jié)了交通流的分配，改善交通狀況，見圖1。

圖1 交通誘導屏

根據(jù)從車輛檢測器獲得的整個路網(wǎng)的交通流參數(shù)，交通誘導系統(tǒng)可以對整個路網(wǎng)的交通運行狀態(tài)進行分析和評估，提前判斷出可能出現(xiàn)交通擁堵的區(qū)域，然后采取一定的控制措施或者進行交通誘導，消除可能出現(xiàn)的擁堵情況。先進的交通誘導系統(tǒng)不僅能夠減少出行者出行時間和延誤、降低事故發(fā)生率和死亡率、減少尾氣排放，還能夠避免交通擁擠、減少延誤，并最終達到提高交通系統(tǒng)整體運行效率的目的。

1.5 交通法規(guī)執(zhí)行管理功能

目前，對于違章行駛行為，采用的是人工糾察的方式，具有不可靠性和隨機性。而于交通違法抓拍系統(tǒng)通過在平交道路主路上各進口道設置車輛檢測器，利用地感信號和“時空差分”等技術(shù)對逆行、超速、路口變道等違章行為實現(xiàn)準確的檢測與判定，信息化、數(shù)字化地實現(xiàn)了對交通違規(guī)、違章行為的處罰，見圖2。

圖2 交通違法抓拍系統(tǒng)

2 車輛檢測系統(tǒng)技術(shù)分析和比選

2.1 車輛檢測系統(tǒng)的發(fā)展

車輛檢測系統(tǒng)的研究已經(jīng)開展多年。最先開始發(fā)展的是接觸式的車輛檢測系統(tǒng)，其主要代表技術(shù)是壓電、壓力管探測、環(huán)行線圈探測和磁力式探測。經(jīng)過多年發(fā)展，路面接觸式的車輛檢測系統(tǒng)已經(jīng)很成熟，其測量精度高，易于掌握，一直在交通信息采集領域中占有主要地位。但是這種路面接觸式的車輛檢測系統(tǒng)有著安裝維護復雜、使用壽命短和使用成本大等一系列缺點。為克服這些缺點，波頻探測和視頻探測兩大類車輛檢測系統(tǒng)就應運而生了。波頻探測又可分為微波、超聲波和紅外三種，其中除了超聲波探測只能進行單車道交通信息采集外，其余都可同時進行多車道交通信息采集。

然而當前波頻探測和視頻探測類車輛檢測系統(tǒng)還沒有達到十分完善的程度，都或多或少的存在這樣或者那樣的問題。尤其是基于視頻圖像處理技術(shù)的交通信息采集技術(shù)還有待進一步改進和完善；車輛檢測算法的速度以及識別的準確性等問題也都還有待進一步的提高。因此目前基于線圈技術(shù)的車輛檢測器占據(jù)90%以上的市場，而視頻手段的檢測器也正在蓬勃發(fā)展中。

2.2 基于線圈技術(shù)的車輛檢測系統(tǒng)

環(huán)形線圈檢測器是一種基于電磁感應原理的車輛檢測器,它的傳感器是一個埋設在路面下、通有一定交變電流的環(huán)形線圈。當車輛通過線圈或停在線圈上時,車輛引起線圈回路電感量的變化,檢測器檢測出該變化就可以檢測出車輛的存在[2]。該檢測技術(shù)可測得車速、車型、車流量、占有率等基本交通信息參數(shù)，但是不能多車道同時探測。

環(huán)形線圈檢測器是目前最簡單也最成熟的技術(shù)之一，具有首次投資相對較少、精確度高、應用范圍廣和與其他智能交通子系統(tǒng)兼容性好等優(yōu)點。但是其安裝與維修需要中斷交通、破壞路面，加上車輛重壓等因素導致壽命不長，因而維護成本很高。

2.3 基于視頻技術(shù)的車輛檢測系統(tǒng)

視頻車輛檢測技術(shù)是指使用計算機視頻技術(shù)檢測交通信息，通過視頻攝象頭和計算機模仿人眼的功能，在視頻范圍內(nèi)劃定虛擬線圈，車輛進入檢測區(qū)域使背景灰度發(fā)生變化，從而感知車輛的存在，并以此檢測車輛的流量和速度[3]，見圖3。該技術(shù)可測得車速、車流量、占有率等基本交通信息參數(shù)。與傳統(tǒng)的線圈檢測技術(shù)相比，視頻檢測的優(yōu)點是維護成本很低，缺點是首次投資相對線圈要高，難以實現(xiàn)多車道同時探測，而且受天氣和光照等外界條件影響較大。

圖3 視頻車輛檢測系統(tǒng)

視頻技術(shù)是最近隨著科學技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，目前有很多難關(guān)還沒有很好的克服，因而還不是很成熟，技術(shù)的成熟和被市場的認可都需要一定的時間。

2.4 基于微波雷達技術(shù)的車輛檢測系統(tǒng)

微波雷達車輛檢測技術(shù)是指利用雷達天線發(fā)射出電磁波，根據(jù)多普勒效應，當有車輛經(jīng)過時，則會將波反射回來，再由雷達檢測器接收并計算處理，采用FMCW和Doppler雙波束體制，不同車道由于其目標反射距離不同而導致回波信號不同，從而能同時檢測多車道的交通信息，見圖4。該探測技術(shù)可測得車速、車流量、占有率等基本交通信息參數(shù)。

圖4 微波雷達車輛檢測器

目前基于微波的交通信息采集技術(shù)要比基于視頻的成熟得多。

2.5 基于浮動車技術(shù)的車輛檢測系統(tǒng)

浮動車交通信息采集系統(tǒng)（簡稱浮動車系統(tǒng)，F(xiàn)CD）是伴隨著ITS新技術(shù)應用而在近幾年發(fā)展起來的動態(tài)實時交通流信息采集技術(shù)。所謂浮動車就是指安裝有定位和無線通信裝置的普通車輛，這種車輛能夠與交通數(shù)據(jù)中心進行信息交換。目前，浮動車主要由安裝了具有交互功能的車載導航設備的出租車、公交車以及其他公共勤務或警務車輛來擔當。而浮動車系統(tǒng)是指通過交通流中一定比例的浮動車輛與交通數(shù)據(jù)中心實時交換數(shù)據(jù)的一種新型交通信息采集系統(tǒng)，見圖5。

浮動車系統(tǒng)之所以得到重視，主要原因在于浮動車系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)固定檢測方法的突出特點：（1）覆蓋面廣，采集范圍不再僅僅是點、線，而是面；（2）投資省，浮動車系統(tǒng)通常結(jié)合調(diào)度和誘導系統(tǒng)建設，大大節(jié)省了投資；（3）采集數(shù)據(jù)多樣、準確。浮動車系統(tǒng)采集的路段平均車速、旅行時間對于了解道路運行狀況、分析擁堵原因、提供交通誘導服務等都是非常關(guān)鍵的參數(shù)。

浮動車采集技術(shù)是固定點采集技術(shù)的重要和有益的補充，它實現(xiàn)了路網(wǎng)全流程的信息采集（縱剖面信息采集），結(jié)合固定點式采集（斷面信息采集），可以為路網(wǎng)數(shù)學模型的建立提供更全面豐富的數(shù)據(jù)，為路網(wǎng)狀態(tài)仿真提供更精準的依據(jù)。

2.6 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的車輛檢測系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)是指利用無所不在的無線或有線網(wǎng)絡通信技術(shù)建立廣泛連接，可以將任何物品連接至互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)實時、準確的數(shù)據(jù)信息通信，從而實現(xiàn)智能化識別、定位和監(jiān)控[4]。

圖5 浮動車技術(shù)

無線地磁車輛檢測器是一種通過數(shù)字式磁敏傳感器探測車輛對地磁的影響，以此來判斷車道上車輛經(jīng)過情況的無線傳感器網(wǎng)絡裝置，見圖6。通過這種裝置可實時準確感應車道上經(jīng)過的車輛，并將采集到的信息通過無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)送至與之配套使用的接收主機。從而實現(xiàn)對布設區(qū)域內(nèi)車輛檢測的一種新興技術(shù)。與傳統(tǒng)檢測技術(shù)相比，無線地磁車輛檢測器具有安裝簡便、無線傳輸、對路面破壞力小、檢測精度高和環(huán)境適應性強等特點。

圖6 無線地磁車輛檢測器

2.7 幾種技術(shù)的比選

綜上所述，目前市場上比較成熟的應用解決方案主要為線圈檢測技術(shù)、視頻檢測技術(shù)和微波檢測技術(shù)。三種技術(shù)各有優(yōu)缺點和適用范圍，見表1。以往無錫市內(nèi)道路主要采用的是線圈檢測技術(shù)，今后可根據(jù)實際情況，逐步采用更為先進和成熟的技術(shù)。

3 車輛檢測系統(tǒng)的規(guī)劃與設置

車輛檢測系統(tǒng)的應用需要與其他智能交通子系統(tǒng)進行信息共享才能夠最終發(fā)揮其作用，如車輛檢測系統(tǒng)與交通信號控制系統(tǒng)結(jié)合，可發(fā)展成智能交通信號控制；與交通信息誘導系統(tǒng)結(jié)合，可發(fā)展成智能交通調(diào)度。而這些功能的實現(xiàn)，必須首先在路網(wǎng)范圍內(nèi)布置大量交通信息采集點并將各信息采集點聯(lián)網(wǎng)后，檢測數(shù)據(jù)經(jīng)匯總、分析和處理，可輔助全市范圍內(nèi)的的交通管理和控制工作。因此，合理規(guī)劃、科學設置車輛檢測器的位置就顯得尤為重要。

表1 三種檢測技術(shù)性能比較

3.1 系統(tǒng)分級

根據(jù)無錫市的城市格局和路網(wǎng)形態(tài)，為實現(xiàn)車輛檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采樣密度，同時又要兼顧經(jīng)濟效益，可將車輛檢測系統(tǒng)的布置分為三級網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，即快速路車輛檢測系統(tǒng)、交叉口車輛檢測系統(tǒng)和重點路段車輛檢測系統(tǒng)?？焖俾奋囕v檢測系統(tǒng)為基礎，交叉口車輛檢測系統(tǒng)為骨干，重點路段車輛檢測系統(tǒng)為補充，三者有機結(jié)合，共同組成了無錫市智能車輛檢測系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)的規(guī)劃設置原則

城市快速路為城市路網(wǎng)的骨架，其特點是封閉、快速、交通量大，常用于承擔長距離的過境交通。城市快速路車輛檢測系統(tǒng)可分為匝道檢測和路段檢測兩種方式。匝道檢測設備可與OD系統(tǒng)相結(jié)合，采用視頻檢測的方式。通過在上下匝道和轉(zhuǎn)向匝道前適當位置設置攝像機，對進出快速路的車輛進行車牌記錄，收集交通流量流向基礎信息。路段檢測設備采用線圈檢測技術(shù)，在快速路主線500 m左右間距設置檢測斷面，獲取道路交通信息。路段車輛檢測系統(tǒng)可與交通監(jiān)視攝像機互為聯(lián)動，通過交通數(shù)據(jù)采集和分析，達到自動預測或及時告知交通擁擠的結(jié)果，自動獲取報警信號和切換監(jiān)控圖像并錄像。

目前無錫市域范圍內(nèi)建成的快速路主要有鳳翔路、金城路、江海路、通江大道、太湖大道、蠡湖大道、金城東路、高浪路、新華路和機場路，見圖7。

圖7 無錫市快速路車輛檢測系統(tǒng)規(guī)劃圖

車輛檢測系統(tǒng)的二級網(wǎng)絡為交叉口車輛檢測系統(tǒng)。城市道路交叉口是不同道路之間交通轉(zhuǎn)換的節(jié)點，也是交通管理的重點和難點。交叉口車輛檢測系統(tǒng)采用環(huán)形線圈檢測技術(shù)，通過在信號燈控制的平交路口各進口道設置檢測線圈，接入信號控制機內(nèi)的車輛檢測模塊，檢測交通量，并為信號控制提供依據(jù)。對于兩條次干路以上級別道路相交的路口，須設置信號控制系統(tǒng)和車輛檢測系統(tǒng)。對于支路和主、次干路相交形成的路口，可以根據(jù)需求設置信號控制系統(tǒng)和車輛檢測系統(tǒng)。

通過前兩級車輛檢測系統(tǒng)的設置，已經(jīng)可以覆蓋市區(qū)范圍內(nèi)大部分道路和交叉口。對于重點區(qū)域來說，設置路段車輛檢測系統(tǒng)就成了對上兩級系統(tǒng)的有益補充。重點路段車輛檢測系統(tǒng)可采用視頻檢測技術(shù)，主要設置于連接城市主要片區(qū)的交通走廊路段或者有學校、醫(yī)院、大型體育場館開口的路段。這樣既可以對重點路段進行視頻監(jiān)控，又能夠加密車輛檢測系統(tǒng)的采集密度，充分提高了系統(tǒng)的利用率。

受無錫市特殊的地理環(huán)境和歷史因素影響，一條京杭大運河由北向南將無錫市劃成了東西兩大部分，而橫跨運河之上的橋梁就成了連接東西城區(qū)的紐帶。目前溝通運河兩側(cè)的橋梁主要有蓉湖大橋、錫山大橋、梁溪大橋、開源大橋、紅星大橋、盛新大橋、金匱大橋、金城橋、華清大橋和高浪大橋等，見圖8。

圖8 無錫市重點路段車輛檢測系統(tǒng)規(guī)劃圖

3.3 系統(tǒng)的具體設置要求

視頻技術(shù)的車輛檢測系統(tǒng)設置比較簡單，只需要在合適位置設置攝像機即可。線圈技術(shù)的車輛檢測技術(shù)需要在路面開槽并埋設檢測線圈，因此必須注意以下事宜：

（1）車輛檢測線圈應設置在車道中央，一個車道設置一個檢測線圈；

（3）車輛檢測線圈應避免設置在車輛交織較多的路段；

（4）車輛檢測線圈應避免設置在因信號控制導致車輛排隊的區(qū)間；

（5）車輛檢測線圈應避免設置在公交站臺和行人過街橫道附近；

（6）車輛檢測線圈應避免設置在兩塊水泥板交接的路面上或瀝青與水泥板交接的路面上；

（7）車輛檢測線圈應避免設置在鋼箱梁結(jié)構(gòu)的路段，設置檢測線圈的500 mm范圍內(nèi)不應有金屬物體；

（8）車輛檢測線圈應避免設置在凹凸不平的路面上。

本文僅對無錫市智能車輛檢測系統(tǒng)的整體規(guī)劃和設置要求進行討論，具體數(shù)量和位置應根據(jù)深化設計方案確定。

4 結(jié)語

在我國，城市建設長期以來一直流行著“重建設、輕管理”的理念。由于各國的國情不同，城市建設不能照搬其他國家的經(jīng)驗，我國需要自主強探索和研究，建立適合國情的智能交通系統(tǒng)，促使我國城市道路建設和交通管理水平的共同提高，推動和諧社會的建設與發(fā)展。

[1]徐建閩,陳峻,徐良杰,等.交通管理與控制[M].北京:人民交通出版社,2012.

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[4]周舸,陳智勇.基于物聯(lián)網(wǎng)的交通流量監(jiān)測系統(tǒng)設計研究[J].計算機仿真,2011(8):367-371.