環型線圈車輛檢測器在電子警察系統中的應用

摘 要：隨著城市交通的不斷發展，對智能交通系統的需求也日益增加。電子警察系統的應用可以提高機動車駕駛員的自覺性，增強安全意識，保證道路暢通。基于對電子警察系統的研究，報告了電子警察系統的現狀，介紹了電子警察系統的構成和功能，詳細介紹了環型線圈檢測器的工作原理及其在電子警察系統中的應用，說明環型線圈檢測器的工作過程以及在工作過程中應注意的問題，對電子警察系統的應用有一定的指導意義。

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關鍵詞：智能交通系統; 電子警察; 車輛檢測器; 環型線圈

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0118403

Application of Circle Loop Vehicle Detector in the System of Electronic Police

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MA Ying1，WANG Yu1，JIANG Kun1，ZHANG Zhiyuan2

(1.School of Information Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan，430072，China，

2.Wuhan Skyhign Electronic System Engineering Corporation，Wuhan，430072，China)

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Abstract：With the development of urban transportation，the demand of Intelligent Transportation System (ITS) becomes high increasingly.With the use of electronic police，the driver′s self-conscious and safe conscious are improved，and the rode unclogged are guarantee.The compositions and the functions of the electronic police are introduced in the paper.The work principle circle loop detect which is used in the system of electronic police is vital introduced.The work process of the circle loop detect and what problems we should pay attention in the work process are also explained.There is a guiding significance to the electronic police.

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Keywords：intelligent transportation system;electronic police;vehicle detector;circle loop

1 引 言

隨著城市交通的迅速發展，道路機動車流量急劇增加，使得交通管理面臨著新的挑戰。 由于一些駕駛員交通法律意識淡薄，為達目的闖紅燈行駛，特別是在無交通警察值守的夜間，問題更為嚴重。國內外對此問題均很重視，積極開發闖紅燈違章自動監控系統。闖紅燈違章自動監控系統(即電子警察系統)安裝于城市交通路口，24小時全天候對闖紅燈的機動車輛進行自動識別與抓拍，并對闖紅燈違法車輛進行記錄。公安交通管理部門以抓拍的違章照片為依據，對違章者進行處罰和教育，可以大大提高機動車駕駛員的自覺性，增強安全意識，保證道路暢通。該系統的社會效益非常明顯，他所形成強大的威懾力，促使廣大駕駛員不敢隨意違法，從而既保障了交通安全，又減輕了民警的勞動強度。

在國外，智能交通系統的發展以美日歐為代表，有很好的發展勢頭。我國在電子警察系統實施方面，雖然較國外起步晚，但發展迅速。目前，無論在發達國家，還是在發展中國家，為了解決城市交通管理問題，都在建設自己的電子警察系統^[1，2]。

2 電子警察系統構成和功能

2.1 系統構成

電子警察系統由指揮中心管理部分、通信網絡部分和路口控制部分3部分組成來實施，建立以指揮中心為核心，從路口到處罰中心為基礎，并以有線和無線通信相結合的立體網絡數據交換體系。

2.2 系統功能

(1) 指揮中心管理部分主要實現對路口設備、網絡的監控和抓拍圖像、數據的處理，并充分考慮與現有電子警察管理軟件系統的接口兼容問題；

(2) 通信網絡部分實現路口控制部分和指揮中心管理部分的數據和圖像信息的傳輸。如果目前不具備網絡傳輸條件，則可暫時使用活動硬盤傳輸數據。

(3) 路口控制部分通過視頻攝像機抓拍機動車輛違章闖紅燈的圖像信息，并將圖片信息傳送回中心管理部分。

3 系統所采用的關鍵技術

3.1 交通檢測器的分類

車輛檢測器根據其工作原理可分為4類^[3-7]：

機械壓電檢測器 機械壓電檢測器的優勢在于他可以動態稱重，可以檢測到車輛對檢測器的機械作用。

磁頻檢測器 磁頻檢測器(如環形線圈檢測器)可以被動地測量到車輛的磁場或磁性介質的空間分布。

波頻檢測器 利用紅外線、超聲波或雷達波主動探測車速或車的外形特征。

視頻檢測器 利用車輛的光學特性測量交通參數。

按基本功能可概括為兩大類：一類為檢測車輛存在的存在型檢測器；另一類為檢測車輛通過的通過型檢測器。任何交通檢測器至少應具有上述兩個基本功能之一。有些檢測器只能檢測靜態的存在或動態的通過中的一種；有些則既能檢測靜態的存在，又能檢測動態的通過，稱為復合型檢測器^[8]。

3.2 環形線圈檢測器

環形線圈檢測器是傳統的交通流檢測器，是目前世界上應用最廣泛的檢測設備。他的主要特點是工作穩定、檢測精度高。他由3部分組成：埋設在路面下的環形線圈傳感器、信號檢測處理單元(包括檢測信號放大單元、數據處理單元和通信接口) 及饋線。

環型線圈檢測器是一種基于電磁感應原理的車輛檢測器，他的傳感器是一個埋在路面下，通有一定工作電流的環形線圈(一般為2 m×2 m)。在環型線圈檢測器電路中，環形線圈是此電路的電感元件，電容則決定于檢測單元中的電容器。當電流通過環形線圈時，在其周圍形成一個電磁場，當車輛通過環形地埋線圈或停在環形地埋線圈上時，車輛自身鐵質切割磁通線，將導致環形線圈回路電感量的變化，線圈電感量的變化，引起車輛檢測器的LC振蕩電路的振蕩頻率和相位相應也發生變化。因此，檢測器通過檢測該電感變化量就可以檢測出車輛的存在。

因為電感量的變化表現為頻率的變化和相位的變化，所以，檢測這個電感變化量一般來說有兩種方式：一種是利用相位鎖存器和鑒相器，對相位的變化進行檢測，另一種方式則是利用由環形地埋線圈構成回路的渦合電路對其振蕩頻率進行檢測。 

第一種方法是采用鎖相環技術和雙振蕩器方案^[7]，即采用兩個振蕩器結構，主振蕩器作為基準振蕩器，通過鎖相環技術提供穩定的基準電壓，從而使振蕩器反應車輛通過的信息。環形線圈通過饋線與檢測器的變壓器相連，在電路工作時，環形線圈周圍就有主振頻率電流通過，并在環的周圍建立交變電磁場。在電路中還有一個由晶振產生的頻率穩定的參考信號，把主振蕩器的信號和參考信號一同送入鑒相器中，當主振信號與參考信號的頻率不同時，鑒相器就會輸出控制電壓。因此，可以調整主振蕩器的工作頻率，使之逐步與參考信號的頻率相一致，最后完全鎖定在參考頻率上。當有車輛通過環形線圈時，由于環的電感量的變化，使主振蕩器的工作頻率就有了變化的趨勢，但在鎖相環的作用下，主振頻率仍然保持了與參考信號頻率一致。此時，鑒相器的輸出電壓發生了變化，并且使從振頻率也發生了變化。用單片機連續采集從振頻率的信號，并計算他的工作頻率，當從振頻率的值大于一定的門檻值時，就可以判斷出有車輛經過環形線圈。

第二種方法是對整個回路的振蕩頻率進行檢測^[3，9]。

該檢測器的工作原理是檢測單元同環形線圈與饋線線路組成一個耦合電路，當電流通過環形線圈時，在其周圍形成一個電磁場。在正常情況下，在機動車輛沒處在環形地埋線圈所在位置的時候，耦合電路振蕩頻率保持恒定，單片機在單位時間段測得的脈沖個數基本保持不變，當機動車輛經過環形地埋線圈所在位置時，在金屬車體中感應出渦流電流，渦流電流又產生與環路相藕但方向相反的電磁場，即互感。由此導致渦合電路振蕩頻率的變化，使得單片機在單位時間段測得的脈沖個數也相應變化，只要檢測到此變化的信號，就可檢測出是否有車輛通過。但是機動車自身鐵質是不均勻的，所以當他經過環形地埋線圈時單片機在單位時間段測得的脈沖個數又是變化的，因此軟件設計可采用閾值比較法^[10]。

4 環型線圈車輛檢測器在電子警察系統中的應用

4.1 闖紅燈抓拍工作原理

前面講了環型線圈車輛檢測器的工作原理，車輛(金屬物體)經過埋設在路面的環形線圈時，將導致環形線圈的磁通量的變化，磁通量的變化又導致線圈的電感值變化。電感值的變化，使得車輛檢測器的LC振蕩電路變化。車檢器通過精確檢測LC振蕩電路變化可以準確判斷是否有車輛經過。一旦檢測到車輛進出線圈，車輛檢測器就會給控制器輸出相應信號。 

控制器同時和車檢器、紅綠燈信號相連。紅綠燈信號通過光耦隔離轉換成5 V電平輸入。控制器時刻監控車檢器給出的車輛進出情況和紅綠燈信號的狀態，一旦有闖紅燈的車輛出現，控制器就會給工控機的并口輸出信號。

4.2 環型線圈車輛檢測器工作流程

(1) 無違法事件時，系統持續判斷是否有車輛通過檢測區域并監測信號燈狀態。

(2) 紅燈亮且有車輛通過時

① 車輛進入線圈1，系統開始監控，如果在此紅燈周期內，此車輛并未繼續前進，只是停在線圈1上而并未離開，則系統會判定車輛沒有違法； 

② 如果在此紅燈周期內該車輛繼續前進，當車輛離開線圈1車身壓在停車線上時，系統判定違法事件發生，發出控制指令拍攝第1張過程視頻照片。

③ 當車輛進入線圈2時，拍攝第2張違法過程視頻照片，同時抓拍違法細節照片。系統記錄車輛離開時刻，并啟動違法過程錄像功能，將車輛越過停車線前2 s，后3 s總共5 s時間段內的視頻流進行數字壓縮，以錄像資料文件形式保存，可以動態完整地再現車輛違法的全過程，進一步減少爭議。

④ 車輛離開線圈2時，攝像機抓拍第3張違法過程照片，從而形成完整的3張過程照片，包括車輛壓到停車線、離開停車線、繼續前進等3個不同位置的狀態。

至此，電子警察系統獲得了關于此次違法事件的所有圖像證據，包括了3張違法過程視頻照片，1張細節照片。

如果從相鄰方向左轉車輛和對向車輛觸發線圈，由于是先觸發線圈2再觸發線圈1，系統可以判斷不是違法車輛以避免誤拍。

4.3 工作過程中需要注意的幾個問題

(1) 當兩個車道同時都有機動車闖紅燈，前景攝像機要同時記錄兩個車道上機動車的違法行為，利用多線程技術，按照觸發線圈時間的先后，建立不同的兩個線程。每個線程單獨控制全景攝像機完成視頻圖片的拍攝和違法過程的錄像。

(2) 特寫攝像機的觸發拍攝方式：由于每臺特寫攝像機對應一個車道，每個車道都有自己對應的紅燈信號燈狀態，假設車道A對應的紅燈信號燈紅燈亮時記為狀態1，其他則為0；機動車經過線圈1時，觸發狀態1，其他則為0；同理得到線圈2的狀態。下面用一個數字邏輯表(表1)來說明^[11]。

表1 數字邏輯表示例

5 結 語

環形線圈車輛檢測器是目前國際上最通用、使用范圍最廣的車輛檢測器，他以技術成熟、易于掌握、計數準確等優點成為最流行的車輛檢測器。環形線圈檢測器可測參數較多，其感應靈敏度可調，使用的適應性較大，安裝不太復雜，所以在國內外得到廣泛的應用。他的缺點是線圈跟隨路面變形(沉降、裂縫、搓移等)，因此其使用效果及壽命受路面質量的影響甚大，路面質量較差時，一般壽命僅2 年。另外環境的變化和環形線圈的正常老化對檢測器的工作性有較大的影響，可使檢測器材諧振回路失諧而不能判斷車輛存在產生的頻率變化。因此，人工調諧的環形線圈檢測器要定期進行手工調整，以便保持儀器的精度。

參 考 文 獻

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”