一種高速公路收費(fèi)站車輛排隊(duì)長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

李彬亮　韓國(guó)華　姚舜禹　李鵬鴿

摘要：高速公路收費(fèi)站是車輛通行集中的地方，尤其是節(jié)假日期間，車輛的集中出行會(huì)造成車輛大排長(zhǎng)龍的現(xiàn)象，這對(duì)人們出行和道路交通控制造成了很大困擾。及時(shí)掌握高速公路收費(fèi)站的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度，對(duì)交通管理部門和高速公路公司采取多開閘口或免費(fèi)放行政策都有著重要的意義。文章介紹了一種高速公路收費(fèi)站車輛排隊(duì)長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：地磁傳感器；高速公路收費(fèi)站；排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；車輛排隊(duì) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U491 文章編號(hào)：1009-2374（2016）26-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.005

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、人口的持續(xù)增長(zhǎng)以及人民生活水平的逐漸提高，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量也正以前所未有的速度增加，龐大的機(jī)動(dòng)車數(shù)量使得城市道路及其交通設(shè)施不堪重負(fù)，局部甚至大面積的交通擁堵時(shí)常發(fā)生。高速公路收費(fèi)站是車輛通行較為集中的地方，尤其是節(jié)假日期間，車輛的集中出行往往會(huì)造成車輛大排長(zhǎng)龍的現(xiàn)象，這對(duì)人們出行和道路交通控制造成了很大的困擾。及時(shí)掌握高速公路收費(fèi)站的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度，以便交通管理部門和高速公路公司及時(shí)采取多開閘口或免費(fèi)放行政策都有著重要的意義。目前交通流檢測(cè)技術(shù)主要對(duì)道路車流量、車速檢測(cè)、行人密度進(jìn)行檢測(cè)，傳輸至交通信號(hào)中心平臺(tái)，以便控制和決策。高速公路收費(fèi)站排隊(duì)長(zhǎng)度作為道路通行能力重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，目前主要采用視頻圖像、GPS技術(shù)和磁感線圈等處理方式進(jìn)行檢測(cè)，都存在一定的問(wèn)題。本文通過(guò)提出一種基于地磁傳感器的高速公司收費(fèi)站車輛排隊(duì)長(zhǎng)度的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為交通管理部門實(shí)時(shí)監(jiān)控交通運(yùn)行情況提供幫助。

1 研究現(xiàn)狀

目前我國(guó)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)方法大體可以分為三類：

第一，通過(guò)設(shè)置磁感線圈、微波探測(cè)器、雷達(dá)等傳統(tǒng)交通監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)及計(jì)算。其中布設(shè)磁感線圈對(duì)路面破壞較大且探測(cè)結(jié)果易受環(huán)境影響，而微波探測(cè)器和雷達(dá)靈敏度高、控制范圍大，但受制于環(huán)境影響，存在一定的場(chǎng)強(qiáng)分布不規(guī)則情況，有形成誤報(bào)區(qū)域和漏報(bào)區(qū)域的可能性。傳統(tǒng)交通檢測(cè)設(shè)備均存在一定的局限性。

第二，通過(guò)GPS數(shù)據(jù)對(duì)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行檢測(cè)。在高GPS精度情況下，該類方法能夠較為準(zhǔn)確地反映出車輛排隊(duì)情況。但目前民用GPS精度不足，在車輛位置測(cè)定中存在一定偏移，不容易精確地計(jì)算出車輛排隊(duì)長(zhǎng)度。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)GPS檢測(cè)方法進(jìn)行了改進(jìn)研究。如參考文獻(xiàn)[1]以GPS點(diǎn)在路口前的集聚為基礎(chǔ)，通過(guò)設(shè)立交通需求函數(shù)分析路口排隊(duì)長(zhǎng)度。參考文獻(xiàn)[2]和參考文獻(xiàn)[3]以浮動(dòng)車（GPS探測(cè)車）點(diǎn)數(shù)據(jù)為切入點(diǎn)，根據(jù)密度、加速度等不同參數(shù)變化情況建立了車輛排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)算法。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后車輛排隊(duì)長(zhǎng)度GPS檢測(cè)精度均有較大提升。

第三，通過(guò)視頻數(shù)據(jù)對(duì)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行檢測(cè)。視頻檢測(cè)成本低、覆蓋范圍廣、受環(huán)境影響小，準(zhǔn)確度也相對(duì)較高，其理論誤差可以控制在8%以內(nèi)，隨著背景差別法、canny邊緣檢測(cè)法等視頻識(shí)別技術(shù)的不斷深入，視頻數(shù)據(jù)檢測(cè)算法也日趨成熟，但受制于視頻監(jiān)控設(shè)備取景角度、取景范圍以及天氣、車輛遠(yuǎn)近等因素影響，視頻檢測(cè)機(jī)制仍然存在一定缺陷。

相對(duì)于以上三類車輛排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)方式，地磁傳感器安裝尺寸小、靈敏度高、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)路面破壞小，且其探測(cè)機(jī)制主要利用地球磁場(chǎng)在鐵磁物體通過(guò)時(shí)的變化進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)環(huán)境要求較低，能夠準(zhǔn)確地識(shí)別車輛存在和通過(guò)車型。目前我國(guó)基于地磁傳感器的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度算法研究相對(duì)較少，其中張永終等人融合地磁檢測(cè)方法設(shè)計(jì)了一種多傳感器融合檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各方向排隊(duì)長(zhǎng)度的檢測(cè)；賈利民等人根據(jù)單個(gè)地磁傳感器數(shù)據(jù)反饋的車輛經(jīng)過(guò)時(shí)長(zhǎng)、車頭車尾時(shí)距等動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，提出了車尾時(shí)距模型、通過(guò)時(shí)間模型和綜合模型，為排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)提供了一個(gè)新的算法。本文基于地磁傳感器在高速公路收費(fèi)口的實(shí)際應(yīng)用，利用多車道車輛通過(guò)距離收費(fèi)站200m、125m、50m地磁傳感器時(shí)的波形、時(shí)長(zhǎng)等關(guān)鍵信息，提出了一種新的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度算法。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)的目的旨在提供一種能有效監(jiān)測(cè)高速公路收費(fèi)站車輛排隊(duì)長(zhǎng)度的監(jiān)測(cè)方法。包括依次相連的地磁單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)通信單元和數(shù)據(jù)處理單元；所述地磁單元包含多個(gè)地磁組，地磁組以收費(fèi)站閘機(jī)為起始點(diǎn)，沿車輛排隊(duì)等待方向各間隔一段距離埋設(shè)在對(duì)應(yīng)的行車道上。所述數(shù)據(jù)采集單元采集每個(gè)地磁上車輛通過(guò)速度及車輛占有時(shí)間數(shù)據(jù)并通過(guò)數(shù)據(jù)通信單元傳輸至數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元通過(guò)對(duì)最近一段時(shí)間內(nèi)各個(gè)地磁車輛通過(guò)速度及車輛占有時(shí)間數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，得出車輛排隊(duì)等待的隊(duì)列長(zhǎng)度。所述數(shù)據(jù)處理單元對(duì)最近5分鐘內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出車輛排隊(duì)等待的隊(duì)列長(zhǎng)度。相對(duì)于其他檢測(cè)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）該車輛排隊(duì)長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)預(yù)埋設(shè)的4組地磁采集車輛通過(guò)地磁的速度和占有時(shí)間，并將這些數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)處理單元分析計(jì)算得出車輛排隊(duì)長(zhǎng)度，從而為交通管控提供了重要的參考依據(jù)；（2）該車輛排隊(duì)長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所依據(jù)的方法理論經(jīng)過(guò)了實(shí)際的檢驗(yàn)，為道路交通中監(jiān)測(cè)車輛排隊(duì)提供了有效的數(shù)據(jù)。

數(shù)字5、6、7、8分別代表4個(gè)斷面的地磁組，數(shù)字1代表由這4個(gè)地磁組集合而成的數(shù)據(jù)包；數(shù)字2代表數(shù)據(jù)采集單元；數(shù)字3代表數(shù)據(jù)通信單元；數(shù)字4代表數(shù)據(jù)處理單元。總的來(lái)說(shuō)就是1是數(shù)據(jù)上傳；2是數(shù)據(jù)采集；3是數(shù)據(jù)通信（傳輸）；4是數(shù)據(jù)處理（后臺(tái)服務(wù)器）

2.2 設(shè)備布設(shè)

為進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明該系統(tǒng)，下面就試驗(yàn)效果進(jìn)行闡述。該系統(tǒng)試驗(yàn)地點(diǎn)位于深圳市深汕高速龍崗收費(fèi)站進(jìn)口，地磁傳感器分別布設(shè)在距離收費(fèi)站0m、50m、125m、200m的各車道上。如圖2所示：

如圖1所示，高速公路收費(fèi)站出入口分別埋設(shè)有4道地磁，分別位于閘機(jī)位置處（斷面1），距離閘機(jī)斷面位置50m處（斷面2）、125m處（斷面3）、200m處（斷面4）。

數(shù)據(jù)采集單元2采集每個(gè)地磁上車輛通過(guò)速度及車輛占有時(shí)間數(shù)據(jù)并通過(guò)數(shù)據(jù)通信單元3傳輸至數(shù)據(jù)處理單元4。數(shù)據(jù)處理單元4通過(guò)對(duì)最近一段時(shí)間內(nèi)各個(gè)地磁車輛通過(guò)速度及車輛占有時(shí)間數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，得出車輛排隊(duì)等待的隊(duì)列長(zhǎng)度，進(jìn)一步的，數(shù)據(jù)處理單元4是對(duì)最近5分鐘內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出車輛排隊(duì)等待的隊(duì)列長(zhǎng)度。實(shí)踐中，對(duì)地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)實(shí)際數(shù)據(jù)存環(huán)境存在噪聲、異常數(shù)據(jù)，因而提出了從降噪的方向解決問(wèn)題的思路；在分析了終端設(shè)備數(shù)據(jù)及結(jié)合設(shè)備的布設(shè)情況、對(duì)地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及結(jié)合交通學(xué)方面的專業(yè)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)單位時(shí)間內(nèi)平均速度既能反映出道路的擁堵、暢通特征，又能對(duì)漏車、換道及數(shù)據(jù)異常等情況具有較好的降噪、容錯(cuò)性；在確定思路后，從速度歷史曲線圖分析總結(jié)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了通過(guò)速度推導(dǎo)排隊(duì)長(zhǎng)度的計(jì)算方法，并使用視頻驗(yàn)證結(jié)果的方法驗(yàn)證了結(jié)果，確保推導(dǎo)過(guò)程的正確性，最終確定了排隊(duì)長(zhǎng)度算法，同時(shí)利用數(shù)據(jù)分析的方法推導(dǎo)出了地磁平均占有時(shí)間與平均速度之間存在著強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到平均占有時(shí)間與排隊(duì)長(zhǎng)度的計(jì)算方法。

通過(guò)地磁終端能夠采集到的基本數(shù)據(jù)有車通過(guò)數(shù)量、速度、占有時(shí)間、車身長(zhǎng)度等。車輛在行駛過(guò)程中會(huì)因?yàn)楦鞣N情況產(chǎn)生噪聲數(shù)據(jù)，如：（1）車輛在經(jīng)過(guò)地磁時(shí)變換道路，導(dǎo)致產(chǎn)生多條數(shù)據(jù)，導(dǎo)致車輛通過(guò)數(shù)量、速度、占有時(shí)間等數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常值；（2）車輛在兩條道路之間行駛，導(dǎo)致一輛車產(chǎn)生兩條數(shù)據(jù)或者導(dǎo)致地磁采集不到數(shù)據(jù)；（3）出入口存在岔路的情況，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)地磁斷面4或者斷面3的車輛不一定經(jīng)過(guò)斷面2。

由于數(shù)據(jù)中存在部分的噪聲數(shù)據(jù)、漏檢、多檢數(shù)據(jù)，在計(jì)算時(shí)，需要選取既跟排隊(duì)長(zhǎng)度（擁堵情況）有強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，又具有較好的容錯(cuò)性數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；我們這里選取了單位時(shí)間內(nèi)的平均速度與統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)的平均占有率速度作為計(jì)算；由于平均占有時(shí)間跟速度具有強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，算法也兼顧了通過(guò)平均占有時(shí)間計(jì)算排隊(duì)長(zhǎng)度的方法。

3 系統(tǒng)功能模塊

該系統(tǒng)通過(guò)采集各收費(fèi)站出口或入口的車流、排隊(duì)長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)界面顯示收費(fèi)站示意圖及匝道數(shù)，分別實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)功能：（1）界面最頂層顯示收費(fèi)站排隊(duì)的總體情況，當(dāng)前的排隊(duì)長(zhǎng)度、當(dāng)天累計(jì)車流、當(dāng)前通行匝道數(shù)/總匝道數(shù)；（2）中間左側(cè)用紅、黃、綠三種不同顏色表示收費(fèi)站排隊(duì)總體情況（通過(guò)綠色、黃色和紅色分別代表排隊(duì)長(zhǎng)度處于0～50m、51～125m和126～200m區(qū)間的排隊(duì)長(zhǎng)度），同時(shí)可通過(guò)縱軸了解具體排隊(duì)長(zhǎng)度；（3）中間右側(cè)表格記錄該收費(fèi)站當(dāng)天排隊(duì)長(zhǎng)度大于50m的所有情況。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)照系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)視頻拍攝情況進(jìn)行實(shí)測(cè)，該系統(tǒng)達(dá)到了監(jiān)測(cè)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度的要求，并且對(duì)于異常、漏報(bào)數(shù)據(jù)有很好的容錯(cuò)性，一定程度上能夠降低地磁埋設(shè)成本、施工要求及后期維護(hù)要求，能夠保證排隊(duì)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)高速公路主要斷面及出入口運(yùn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，能進(jìn)一步提升高速公路的出行服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)水平，為市民節(jié)假日出行提供實(shí)時(shí)、有效的路況信息，合理引導(dǎo)車輛出行。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）