智能運輸系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用分析

湯樂

（南陽理工學(xué)院，河南 南陽 473004）

經(jīng)濟飛速發(fā)展的負面產(chǎn)物是全球共同面對的交通問題，近幾年，伴隨經(jīng)濟的快速提升，以我國為例，城市化建設(shè)速度加快，汽車幾乎成為每家必備的出行工具，隨之而來的交通擁堵問題成為影響人們出行的重要障礙，同時還對環(huán)境造成很大污染。雖然政府及相關(guān)部門采取了不同手段給予解決，交通壓力有所緩解，但實質(zhì)性問題并沒得到有效解決，再加上公路網(wǎng)的限制，綜合考慮環(huán)保問題及社會可持續(xù)發(fā)展等問題，在科技手段不斷發(fā)展的今天，將各種先進技術(shù)合理應(yīng)用到交通運輸系統(tǒng)中，有效推動了社會的持續(xù)前行。

一、概述智能運輸系統(tǒng)和傳感器

（一）智能運輸系統(tǒng)

將數(shù)字信息技術(shù)和通信技術(shù)及先進的傳感器技術(shù)應(yīng)用到交通運輸中，利用不同的計算機軟件進行針對性控制，進而形成了智能化交通運輸系統(tǒng)。智能運輸系統(tǒng)不僅覆蓋范圍廣，全方位實施控制，還可以實現(xiàn)智能運輸系統(tǒng)的精準性和效率性及實時性。智能運輸系統(tǒng)作為現(xiàn)代交通運行體系的發(fā)展方向及目標，區(qū)別于傳統(tǒng)交通網(wǎng)最大的不同在于服務(wù)對象發(fā)生了明顯變化。具體可以從以下對比看出：傳統(tǒng)交通管制系統(tǒng)以道路為主要服務(wù)對象，系統(tǒng)管理的目標是對道路設(shè)施不斷完善并提升道路運輸水平等；智能運輸系統(tǒng)將與道路有關(guān)的人、交通工具、道路及周邊環(huán)境等作為服務(wù)對象，是運輸系統(tǒng)相關(guān)的整個體系，通過科技信息智能技術(shù)對所有服務(wù)對象的數(shù)據(jù)信息進行整合分析，將道路交通中出現(xiàn)的各種擁堵及附帶問題進行科學(xué)、有效解決。隨著科技手段的不斷發(fā)展，智能交通運輸系統(tǒng)也日益成熟，我國通過各種運輸系統(tǒng)展示會的舉辦，有效促進智能運輸系統(tǒng)管理水平及應(yīng)用的全面提升。

（二）傳感器及其性能參數(shù)和作用

1.傳感器。通過特定檢測設(shè)備將感受信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭奢敵鲂畔?，這是傳感器最明顯的特點。傳感器有兩個主要元件構(gòu)成，即敏感元件及轉(zhuǎn)換元件，能將被測量的規(guī)定信息有效感應(yīng)并進行可用信號的規(guī)律性轉(zhuǎn)換的裝置或器件。其中敏感元件是可直接感應(yīng)被測量信息變化的一種器件，而轉(zhuǎn)換元件需要將所感受的信息轉(zhuǎn)換為或傳輸或測量的一種電信號器件。敏感元件和轉(zhuǎn)換元件是傳感器的核心構(gòu)成，某些壓力傳感器的兩種元件是合二為一的。

2.傳感器性能參數(shù)及作用。傳感器質(zhì)量和性能有直接關(guān)系，可以通過分析傳感器的性能參數(shù)來評價傳感器的品質(zhì)。如果傳感器的測量范圍較廣、測量精準度高、穩(wěn)定性強、線性偏離度小、具有較高的靈敏度、時間常數(shù)值小則代表該傳感器品質(zhì)優(yōu)，表示不僅測真度高、感測作用廣、系統(tǒng)運行優(yōu)良，還具有較強的穩(wěn)定性和捕捉能力，對快速變化的被測量信息由較高的反應(yīng)能力。計算機是智能運輸系統(tǒng)的終端，可以對數(shù)字信號進行運算控制，但對非數(shù)字信號無法有效識別，將傳感器技術(shù)應(yīng)用到計算機控制系統(tǒng)中可以對溫度變化及壓力和位移等非數(shù)字信號實現(xiàn)有效控制，并將其轉(zhuǎn)換為可識別信號供計算機進行運算和控制，實現(xiàn)運輸系統(tǒng)的智能化管理。

二、傳感器在智能運輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

在城市交通管理及規(guī)劃中，最基礎(chǔ)的信息就是道路交通信息，對道路交通信息進行全面、實時管控，可以對道路交通的實際現(xiàn)狀進行全面了解，并利用所掌握信息進行科學(xué)的發(fā)展和預(yù)測。基于此，對道路交通信息進行采集和處理對我國城市發(fā)展規(guī)劃及管理和建設(shè)具有重要意義。以下是智能運輸系統(tǒng)常用傳感器的應(yīng)用方面，通過對實際路網(wǎng)各個路段交通實況信息進行全面、實時采集和傳輸來實現(xiàn)交通信息管理的智能化目標。

（一）智能運輸系統(tǒng)中紅外線傳感器的應(yīng)用

紅外線傳感器是一種波束型檢測裝置，目前主要有主動式紅外線傳感器和被動式紅外線傳感器兩種，他們均被應(yīng)用到交通運輸管理中。主動式紅外線傳感器是一種不可見電磁波，根據(jù)波長范圍不同分成反射式和遮斷式，發(fā)射器由半導(dǎo)體激光器構(gòu)成，接收器則為光電二極管，對中發(fā)射器和接收器并水平安裝與車道旁，對通過車輛進行通斷轉(zhuǎn)換檢測，其工作原理為：紅外光輻射一致的情況下，根據(jù)不同的反射物所顯示的反射能力是不同的。主動式紅外線傳感器擁有發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)及接手光學(xué)系統(tǒng)兩種，紅外檢測效果會受雨雪、濃霧等惡劣天氣的影響而降低，如果能見度在3m 至5m 之間，紅外檢測器效果不明顯，反之，則能檢測到40m 以內(nèi)的車輛。被動式紅外線傳感器只有接收器，根據(jù)路面及車輛材料的溫度和光潔度來感受道路及車輛不同的輻射能量。我國紅外線測溫分辨水平已經(jīng)逐漸成熟，對道路及路面車輛的區(qū)分比較容易，在低照及夜行環(huán)境，紅外光都可以使光電元件或熱敏發(fā)生反應(yīng)，因此，被動式紅外線傳感器的應(yīng)用也是比較廣泛的。

（二）環(huán)形線圈車輛檢測器在智能運輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

環(huán)形線圈傳感器是目前我國高速公路應(yīng)用檢測交通實況最多的一種傳感器，環(huán)形線圈傳感器不僅能對路面交通狀況進行實時檢測，還可以對道路車輛的車速及占有情況、車長及車頭時距、車輛在道路存在的實際情況等進行檢測，是應(yīng)用范圍較廣的傳感器。環(huán)形線圈傳感器是多芯低阻且抗軟性能較高的銅線電纜纏繞而成，由于該傳感器的特殊性，對其進行埋設(shè)時需要避開鐵磁體，在收費車道或人口匝道進行埋設(shè)時，通常情況下會將線圈設(shè)置成菱形或長方形等特定形狀。環(huán)形線圈傳感器需要同其他器件共同作用才能實現(xiàn)對道路車輛的有效檢測。檢測單元的主要構(gòu)成為存貯器和微處理器，線圈外的其他器件均需組裝在通信模塊或檢測模塊上面，并現(xiàn)場安裝到道路旁的檢控機箱中。環(huán)形線圈傳感器的應(yīng)用溫度是有一定要求的，在-40～+80 攝氏度范圍內(nèi)方可實現(xiàn)有效檢測。應(yīng)用該傳感器對兩輪以上機動車檢測精度較高，故障發(fā)生率較低且使用壽命長達十年。在實際使用中，應(yīng)根據(jù)具體需要調(diào)整環(huán)形線圈傳感器的靈敏度、信號存在時間及頻率。

（三）智能運輸系統(tǒng)中應(yīng)用超聲波傳感器的主要方面

高速公路應(yīng)用比較多的一種檢測傳感器是超聲波傳感器，通過對道路車輛不同形狀對波前造成的不同影響達到有效檢測的目的。超聲波傳感器探頭不僅有發(fā)射功能，還有接受功能，在道路應(yīng)用中通常安裝在道路斜上方或正上方，通過對道路路面發(fā)射一定的超聲波和接受各種不同車輛的發(fā)射波來實現(xiàn)對道路交通運輸?shù)闹悄芑芾怼３暡▊鞲衅鞴ぷ髟硗ǔＲ罁?jù)傳播時間差法或多普勒法來進行工作。超聲波傳感器成本投入少、安裝簡便且維修投入費用較低，安裝過程不會對路面使用帶來破壞，不影響正常的交通運輸，使用比較靈活且應(yīng)用年限長。但相比較其他類型的傳感器，檢測結(jié)果有一定誤差，適用于錐形檢測域，對交通擁堵嚴重、小型車輛及惡劣大風(fēng)天氣的檢測無法實現(xiàn)正常檢測，且分辨率差、抗干擾能力較低、誤報率高。但通過架設(shè)安裝及使用年限等方面來看，超聲波傳感器的應(yīng)用是目前僅次于環(huán)形線圈傳感器，綜合性能比路面埋設(shè)類型的傳感器還是具有一定的優(yōu)勢。

（四）智能運輸系統(tǒng)微波交通檢測傳感器的應(yīng)用

超聲波傳感器和紅外線傳感器穿透能力較差，難以在云霧天氣及雨雪天氣實現(xiàn)有效檢測，而微波交通傳感器電磁波波長在3cm 左右，可以對云霧及雨雪等實現(xiàn)強力透射，基于此，相關(guān)人員借助成像技術(shù)及雷達測速技術(shù)、測距技術(shù)等研發(fā)出微波交通傳感檢測器，該傳感器由微波發(fā)射及接受探頭和控制器、調(diào)制解調(diào)器及電源等構(gòu)成。通常情況下，發(fā)射器可側(cè)視安裝，即安裝在專用立柱或路側(cè)燈桿上；也可以前視安裝，即同超聲檢測器一樣在道路車道上面的龍門架上進行安裝；調(diào)制解調(diào)器安裝在和發(fā)射器相同的根立柱上面。微波交通傳感器是面對車輛行駛方向進行布設(shè)的，也就是所謂的前視檢測。一般情況下，一條車道配置一臺檢測傳感器，對高速公路及城市交通狀況進行實時監(jiān)控，還可以應(yīng)用到交通信號控制及區(qū)域性交通事件報警等方面。監(jiān)視檢測就是將微波交通傳感器沿車道橫向布置，可對不同車道的交通變量實時數(shù)據(jù)同時采集。尤其在城市交通車流量復(fù)雜的十字路口，運用多個探頭對十字路口交通狀況可以起到有效的監(jiān)視和控制作用。微波交通傳感器具有較強的抗干擾力和穿透力，可以多車道同時檢測，且安裝方便，不影響路面實時交通，無破壞力，運行模式靈活，方便隨時擴展升級，同時還有檢測精準度較高、漏檢率低等優(yōu)點。

（五）視頻車輛傳感器在智能運輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

視頻車輛傳感器顧名思義就是將采集的道理車輛信息的視頻圖像進行科學(xué)處理并利用圖形識別技術(shù)對道路運輸進行控制。對需要檢測的重點路段進行數(shù)字攝像機數(shù)量的合理安裝，通過圖像處理硬件和控制軟件對一定范圍內(nèi)的道路交通運輸情況進行有效檢測，檢測元件在布置上具有較強的靈活性，且檢測項目可以根據(jù)實際情況適當增設(shè)，應(yīng)用前景巨大。視頻車輛傳感器通常由數(shù)字攝像機、聯(lián)結(jié)箱、計算機及配套軟件構(gòu)成。聯(lián)結(jié)箱將數(shù)字攝像機拍攝的路況交通圖進行接收并傳輸?shù)接嬎銠C進行處理或存儲以備后續(xù)使用。該傳感器的工作溫度范圍在-34～+74 攝氏度，相對濕度為95%環(huán)境中可以實現(xiàn)有效檢測和傳輸，實現(xiàn)對不同交通實況的全面收集，一定程度上可以替代環(huán)形線圈傳感器。

視頻車輛傳感器不僅使用安裝方便，還具有多種功能，所呈現(xiàn)的交通圖像直觀性較高且針對檢測項目的增設(shè)比較靈活；可應(yīng)用到城市交通比較復(fù)雜的交叉路口，且監(jiān)測區(qū)域覆蓋面廣，但視頻車輛傳感器會受雨雪等惡劣天氣的影響，夜間路面亮度不夠會影響傳感器作用的充分發(fā)揮。

（六）壓電傳感器在智能運輸系統(tǒng)的應(yīng)用

壓電傳感器可對道路車輛的軸載、車速實況及軸數(shù)進行檢測，其最明顯的特點就是應(yīng)用比較方便且輕便小巧。壓電傳感器是通過壓電效應(yīng)進行工作的，其輸出能力較弱，有一定的檢測誤差，為了縮小誤差率，通常會將所需信號傳送給輸入阻抗較高的電壓器或電荷放大器中，通過放大、檢波等專業(yè)處理形成目標性輸出信號。目前市面上廣泛應(yīng)用的壓電傳感器是管形設(shè)置，裝有壓電電纜的工程塑料殼體和殼座一同埋設(shè)在需要檢測的運輸路面下，并每隔一定距離埋設(shè)兩根壓電傳感器，以此來檢測道路車輛的實際軸數(shù)、軸載及具體車速。壓電傳感器一般應(yīng)用在收費站地磅、不穩(wěn)定稱重、車輛和車速的分類及檢測、軸距的測量、闖紅燈拍照、停車區(qū)域的實時監(jiān)控等各種交通信息的實時采集和統(tǒng)計中。

結(jié)語：智能運輸系統(tǒng)的不斷發(fā)展有力推動國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，利用不同傳感技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)對道路交通路況的實時采集、分析和處理等，隨著科技水平的提升，對傳感技術(shù)不斷改進和優(yōu)化，通過提升傳感器的檢測水平來實現(xiàn)對道路交通的有效控制。