ETC欄桿后置布局中車道內(nèi)車數(shù)檢測方法探討

陸　璐，黃春華，何增鎮(zhèn)

(廣西交通科學(xué)研究院智能交通所，廣西　南寧　530007)

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ETC欄桿后置布局中車道內(nèi)車數(shù)檢測方法探討

陸璐，黃春華，何增鎮(zhèn)

(廣西交通科學(xué)研究院智能交通所，廣西南寧530007)

陸璐(1987—)，碩士，從事交通領(lǐng)域軟件開發(fā)工作；

黃春華(1976—)，高級(jí)工程師，從事軟件開發(fā)和智能交通新技術(shù)應(yīng)用研究；

何增鎮(zhèn)(1974—)，博士，高級(jí)工程師，研究方向：智能交通系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用研究。

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：桂科攻1240001)

摘要：電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)(ETC)是智能交通中一項(xiàng)重要的技術(shù)，它為緩解高速公路收費(fèi)站擁堵、節(jié)能環(huán)保提供了有效的方案。ETC車道布局的后置欄桿布局中存在線圈和通過線圈的距離很大，造成了車道內(nèi)的車輛數(shù)量難以判斷。文章針對(duì)這一問題，提出了一種車輛數(shù)量的模糊檢測方法，利用線圈的狀態(tài)判斷后置欄桿車道中的車輛數(shù)量，為車輛交易判別提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：智能交通系統(tǒng)；電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)(ETC)；車道控制系統(tǒng)；車輛數(shù)量；線圈；檢測方法

0引言

隨著智能交通的發(fā)展，全國各地對(duì)電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)(ETC)的應(yīng)用和推廣大幅度提高了高速公路收費(fèi)站的通行能力，減少了高速公路業(yè)主管理的開支，貫徹節(jié)能環(huán)保的原則；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了貨幣電子化，提高了智能化管理的程度[1]。由于各地發(fā)展的具體情況不同，在ETC的建設(shè)中也會(huì)有各自不同的需求。例如，ETC有兩種車道布局模式：欄桿前置布局和欄桿后置布局。有的收費(fèi)站是完全新建的車道，車道的布局模式可以選擇任一種；有的車道是由MTC車道改造而成的，有可能站頭無法延長只能采用欄桿后置的布局模式。在欄桿后置布局的情況下，檢測車道內(nèi)車輛數(shù)是ETC系統(tǒng)中的一個(gè)難點(diǎn)，同時(shí)也是整個(gè)系統(tǒng)不可或缺的部分。本文介紹一種車輛數(shù)量的模糊檢測方法，利用線圈的狀態(tài)判斷在后置欄桿布局中車道內(nèi)的車輛數(shù)，為車輛交易判別提供依據(jù)，提高ETC系統(tǒng)運(yùn)行的效率和保障。

1檢測方法的難點(diǎn)

在ETC系統(tǒng)中，與車輛進(jìn)行交易是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。在欄桿后置的情況下(如圖1所示)，車輛進(jìn)入車道首先進(jìn)入抓拍線圈，天線開始檢測并判斷車輛是否能夠進(jìn)行交易，如果允許交易且交易成功，那么電動(dòng)欄桿抬起，車輛通行后欄桿放下。為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，準(zhǔn)確判斷車輛能否進(jìn)行交易尤為重要[2]。例如，有一輛沒有OBU的車進(jìn)入了車道，天線由于沒有檢測到OBU而無法進(jìn)行交易。此時(shí)，后面來了一輛有OBU的車，天線在不知道車道里有未交易車輛的情況下，允許車輛交易并放行了前一輛沒有OBU的車，導(dǎo)致后一輛已交易的車被攔下。這樣造成的錯(cuò)誤使系統(tǒng)的正確率降低，也給高速公路運(yùn)營管理帶來了麻煩。為了給交易判斷提供依據(jù)，車道程序有必要檢測車道內(nèi)的車輛數(shù)目。然而欄桿后置布局方式中存在線圈和通過線圈之間的距離很大，增加檢測的難度。

圖1　ETC欄桿后置布局圖

2檢測方法的約束條件

一輛車依次通過抓拍線圈、檢測線圈、存在線圈，且未穿過通過線圈時(shí)，認(rèn)為該車輛存在車道中。要檢測車道中的車輛數(shù)，應(yīng)遵循實(shí)際車道中的實(shí)際布局和車輛運(yùn)行狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)在欄桿后置布局中，最長的線圈只有1.5 m，而車輛通過ETC車道的速度可在10~40 km/h之間，基于安全行駛的原則，兩輛車之間的距離小于線圈的情況比較少。多數(shù)情況下，一個(gè)線圈最多只被一輛車壓住。(2)市面上的車絕大多數(shù)都是在3 m以上的，而相鄰兩個(gè)線圈之間的距離是2.5 m，所以一輛車是可以同時(shí)壓住兩個(gè)線圈的。個(gè)別車輛<2.5 m的情況在本文不予考慮。

由現(xiàn)有的車道運(yùn)行狀況可知，算法在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)把以下兩種情況作為約束條件：(1)一個(gè)線圈任意時(shí)刻最多被一輛車壓??；(2)一輛車的長度至少大于相鄰兩個(gè)線圈之間的距離。只有遵循這兩個(gè)條件，才能在實(shí)際工程中有效應(yīng)用該檢測方法。

3檢測方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1　設(shè)計(jì)原則

限制于現(xiàn)有的硬件條件，本文介紹的方法僅利用車道的抓拍線圈、檢測線圈和存在線圈這三個(gè)線圈的打開關(guān)閉狀態(tài)來進(jìn)行檢測，同時(shí)算法應(yīng)滿足以下要求：

(1)實(shí)時(shí)性：應(yīng)滿足實(shí)時(shí)性要求，響應(yīng)時(shí)間足夠短，可在車輛進(jìn)入車道后、進(jìn)行交易前檢測出車道內(nèi)的車輛數(shù)，為過車交易提供判斷依據(jù)。

(2)穩(wěn)定性：應(yīng)滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，即使采用模糊算法，也應(yīng)保證數(shù)據(jù)和算法結(jié)果的一致性，從而為系統(tǒng)安全運(yùn)行提供有力支持。

(3)準(zhǔn)確性：應(yīng)滿足準(zhǔn)確性要求，最大程度上保證系統(tǒng)運(yùn)行的流暢性。

3.2　設(shè)計(jì)方案

根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則和約束條件，檢測方法主要分為三個(gè)部分：(1)在車輛通過抓拍線圈、檢測線圈和存在線圈時(shí)按順序保存各個(gè)線圈的狀態(tài)；(2)通過對(duì)線圈記錄的分析可判斷車道中已有的車輛數(shù)；(3)在車輛離開車道后清除對(duì)應(yīng)的線圈記錄。

記錄線圈狀態(tài)的關(guān)鍵在于區(qū)分出不同車輛的記錄。在ETC車道中，由于車輛隊(duì)列是流動(dòng)的，并不需要車輛停下等待前面的車輛完全離開車道，所以幾個(gè)線圈會(huì)被不同的車輛壓住。圖2所示的是第一輛車依次通過抓拍線圈和檢測線圈，壓住存在線圈時(shí)，第二輛車進(jìn)入車道壓住了抓拍線圈。兩輛車的通過次序分別用兩個(gè)記錄隊(duì)列保存。

對(duì)線圈記錄分析的目的是判斷是否有車輛已經(jīng)通過三個(gè)線圈進(jìn)入車道，或者是否有車輛通過三個(gè)線圈倒退離開車道。進(jìn)入車道的判斷方法是掃描記錄中的線圈序列是否包含子序列(抓拍線圈，檢測線圈，存在線圈)。如果包含了該子序列，那么有車輛進(jìn)入車道。退出車道的判斷依據(jù)是線圈序列中是否包含子序列(存在線圈，檢測線圈，抓拍線圈)。

為了保持記錄隊(duì)列的平衡，一旦有車道內(nèi)車輛數(shù)目的變化，則清除相應(yīng)的記錄，從而保證后續(xù)分析的準(zhǔn)確性。

圖2　記錄車輛通行中線圈打開的順序示意圖

3.3　實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，保存車輛通行中線圈打開的順序并區(qū)分出不同車輛的記錄，需要用兩個(gè)隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)，分別記為主隊(duì)列和次隊(duì)列。當(dāng)線圈打開，如果該線圈與主隊(duì)列最后一個(gè)記錄的線圈相鄰，那么主隊(duì)列將保存當(dāng)前線圈到隊(duì)尾。否則，當(dāng)前線圈保存到次隊(duì)列的隊(duì)尾。例如，當(dāng)抓拍線圈打開，如果主隊(duì)列是空的或者最后一個(gè)記錄是檢測線圈，那么抓拍線圈添加到主隊(duì)列隊(duì)尾。如果隊(duì)列的最后一個(gè)記錄是存在線圈，那么次隊(duì)列隊(duì)尾添加抓拍線圈。因?yàn)槿绻囕v從存在線圈退回到抓拍線圈必須經(jīng)過檢測線圈，所以這種情況是有另一輛車壓住了抓拍線圈。另外，為了記錄大致的行車方向，每次存在線圈打開的時(shí)候，如果沒有車壓住檢測線圈，那么車輛應(yīng)該是后退的。

當(dāng)存在線圈關(guān)閉時(shí)對(duì)主隊(duì)列搜索分析列表中是否包含子序列(抓拍線圈，檢測線圈，存在線圈)，如果包含了這樣的子序列且車輛的行車方向是前進(jìn)的，那么車道內(nèi)車輛數(shù)增加。當(dāng)一輛車進(jìn)入車道后，應(yīng)當(dāng)清除該車在主隊(duì)列中的記錄。如果此時(shí)還有其他車壓住線圈，那么主隊(duì)列中最后一個(gè)存在線圈以后的記錄應(yīng)該是其他車的記錄，把這些記錄添加到次隊(duì)列后，清空主隊(duì)列，交換主次隊(duì)列。同理，當(dāng)抓拍線圈關(guān)閉時(shí)分析是否有車輛回退，查看主列表中是否有子序列(存在線圈，檢測線圈，抓拍線圈)。如果發(fā)現(xiàn)有車輛回退，那么車輛數(shù)減少，主次隊(duì)列做相應(yīng)的處理。如果有車輛離開通過線圈，即通過線圈關(guān)閉的時(shí)候，車輛數(shù)減少。

一旦車道內(nèi)車輛數(shù)發(fā)生變化，就要對(duì)三個(gè)線圈的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行檢測，如果三個(gè)線圈都處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，則清空所有列表，以保證后續(xù)車輛進(jìn)入車道時(shí)不被殘留的記錄干擾檢測結(jié)果。圖3列出了整個(gè)檢測方法的流程圖。

圖3　檢測方法流程圖

4模擬實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)?zāi)M器由Java實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行在主機(jī)Intel?CoreTMi5-4200 CPU @ 2.50 GHz/4GB RAM上。實(shí)驗(yàn)過程中，抓拍線圈、檢測線圈和存在線圈分別用①②③標(biāo)示，進(jìn)入車道以pass標(biāo)記，而out表示退出車道。以下為進(jìn)行的三類實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)1：一輛車通過，車輛行駛壓過線圈的順序及結(jié)果見圖4。

圖4　一輛車通過時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果示意圖

上述實(shí)驗(yàn)說明，一輛車通過的情況算法能夠完全正確的檢測出車道內(nèi)的車輛數(shù)。

實(shí)驗(yàn)2：兩輛車通過，車輛行駛壓過線圈的順序及結(jié)果見圖5。

圖5　兩輛車通過時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果示意圖

兩輛車通過的大部分情況算法能夠正確檢測出車道內(nèi)的車輛數(shù)，但是當(dāng)?shù)诙v車壓住第二個(gè)線圈，第一輛車回退時(shí)，這種情況線圈的狀態(tài)次序與一輛車依次前進(jìn)的狀態(tài)是一樣的，由于回退方向是模糊標(biāo)記的，所

以算法無法正確判斷這種情況。路徑6的情況，當(dāng)回退后車輛依次通過線圈3，則車道內(nèi)車輛數(shù)正確，但是回退時(shí)車道內(nèi)數(shù)量不會(huì)減少，所以是部分正確的。路徑7的情況，當(dāng)回退后，車輛完全倒退，由于車輛沒有減少，因此結(jié)果不正確。矯正這種情況需要其他硬件設(shè)備的輔助，在此不進(jìn)行詳細(xì)闡述。

實(shí)驗(yàn)3：三輛車通過，車輛行駛壓過線圈的順序及結(jié)果見圖6。

圖6　三輛車通過時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果示意圖

上述實(shí)驗(yàn)說明，三輛車通過的情況算法能夠完全正確地檢測出車道內(nèi)的車輛數(shù)。

前三個(gè)線圈最多同時(shí)有三輛車壓住，通過上述實(shí)驗(yàn)證明了算法是有效的，正確率達(dá)到88%。

5結(jié)語

本文提出了一種模糊車道車數(shù)檢測方法，利用線圈的狀態(tài)判斷存在后置欄桿車道中車輛的數(shù)量，為車輛交易判別提供依據(jù)。通過模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析，證明了算法的有效性，能夠處理大部分的實(shí)際通車情況。但目前的工作尚有不足，在未來的工作中，仍需利用更多的硬件設(shè)施進(jìn)一步完善算法。

參考文獻(xiàn)

[1]許宏科，趙祥模，等.高速公路收費(fèi)系統(tǒng)理論及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2]陳榮偉.高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2002(1)：217-219.

Discussions on Vehicle Number Detection Method within the Lanes in ETC Railing Rear-layout

LU Lu，HUANG Chun-hua，HE Zeng-zhen

(Intelligent Transportation Branch of Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：Electronic Toll Collection System(ETC)is an important intelligent transportation technology，which provides an effective solution to alleviate the congestion in expressway toll stations and for the energy-saving and environmental protection.The coil and the distance to pass the coil are large in the rear railing layout of ETC lane layout，resulting in that the number of vehicles in the lanes is difficult to determine.Aiming at this problem，this article proposed a fuzzy detection method for the number of vehicles，which can determine the vehicle number in the rear-railing lanes by using the state of coil，thus providing the basis for determining the vehicle transaction.

Keywords：Intelligent transportation systems；Electronic toll collection system(ETC)；Lane control system；Number of vehicles；Coil；Detection method

收稿日期：2015-02-02

文章編號(hào)：1673-4874(2015)05-0063-03

中圖分類號(hào)：U415.11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.018

基金項(xiàng)目

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