基礎交通信息采集技術的研究

蘇 潔

SU Jie

（天津城市建設學院，天津 300384）

1 基礎交通信息采集技術研究

基礎交通信息是通過各種手段直接采集到的交通信息，是ATMS各子系統的原始輸入數據。對這些數據可以根據不同的需求進行進一步加工，從而得到符合不同需要的更有價值的信息。基礎交通信息按照其變化的頻率不同可以分成靜態交通信息和動態交通信息兩大類。由于兩類信息的特點不同，靜態和動態信息的采集方式也不同。

1.1 靜態交通信息采集方案研究

靜態交通信息主要包括：城市道路網基礎信息（如道路技術等級、長度、收費、立交連接方式等）、城市基礎地理信息（如路網分布、功能小區的劃分、交叉口的布局、城市基礎交通設施信息等）、車輛保有量信息（包括分區域、時間、不同車種車輛保有量信息等）及交通管理信息（如單向行駛、禁止左轉、限制進入等）。

因此，靜態交通信息通常采用人工調查或儀器測量的方式來獲取。比如：城市基礎地理信息、城市道路網基礎信息等主要通過這些方式采集。為了減少不必要的重復性工作，并且減少數據不一致的可能性，還可以通過與其它系統對接的方式，從其它相關系統得到有關基礎信息。

靜態信息是相對穩定的，變化的頻率很小，并且變化沒有規律。因此，靜態交通信息不需要實時采集，一般一次性輸入，直到數據發生變化的時候才需要修改。

1.2 動態基礎交通信息采集方案研究

動態交通信息主要包括：在途車輛及駕駛員的實時信息、交通流狀態特征信息、交通緊急事件信息、環境狀況信息及交通動態控制管理信息等。

交通信息采集系統是智能交通系統的“感覺器官”，依賴于自動的信息采集與處理就是所謂的智能交通管理，為管理者提供可靠的系統現狀數據來實現的，而可靠的原始數據對于整個系統的運行起著至關重要的作用。

動態交通[3]信息種類繁多，不同種類的動態交通信息都具有各自不同的特點。動態交通信息與靜態交通信息顯著的不同，主要表現在它的實時性，因此，動態交通信息的采集必需是準確的、及時的。那么這些時時變動的交通信息全部采用人工的方式采集是不可能的，一方面，采集速度跟不上，另一方面，人力也不可能全天候地進行采集。所以，選擇什么樣的檢測器進行動態交通信息的采集是一個很重要的問題。

2 動態交通信息檢測器性能分析[1]

交通檢測器按照安裝的特性不同可以分成地埋式檢測器和非地埋式檢測器。

2.1 地埋式交通檢測器

2.1.1 磁力傳感器

用于交通參數采集的磁力傳感器分兩種類型：

一種是兩軸式磁通門磁力計，探測由車輛通過地磁場所造成的豎直方向和水平方向上的磁場強度變化。兩軸式磁通門磁力計中含有一個初級線圈和兩個次級“傳感”線圈。它們都安裝在以高導磁性軟磁材料為磁芯的線圈架上。磁力傳感器的電子線路測量次級線圈兩端的電壓可檢測地磁場的磁場強度異常（即獲得車輛經過的信號）。車輛檢測的依據是：看測得的電壓值是否高十預設的閩值。在車輛出現檢測模式下，車輛出現造成的電壓值被一直保持，直到車輛離開探測區域為止。

另一種是磁力探測器。當車輛（須含有鐵質材料）通過其探測區域時，磁力探測器通過檢測地磁場的磁力線扭曲情況而感知車輛的通過。磁力探測器中，由導磁性材料做成的磁芯上只纏有一個線圈。與磁通門磁力計類似，磁力探測器也將地磁場強度變化轉化為電壓信號，通過測量電壓信號來檢測車輛。大多數磁力探測器不能探測靜止的車輛，因為它們需要車輛移動，即被測物體所產生的信號隨時間變化。但是，將某些型號的磁力探測器聯合使用，并輔以專門的信號處理軟件，可測得車輛出現信息。

2.1.2 感應線圈檢測器

感應線圈檢測器（ILD）堅固耐用，是全球公認的、可全天候精確監控車輛通過與存在狀態的可靠的方法，是目前國內外使用最為廣泛的車輛檢測裝置。這種檢測器由埋在路面下的線圈和能夠測量該線圈電感變化的電子設備組成，對通過線圈或存在于線圈上的車輛引起的電磁感應變化進行處理而達到檢測目的。感應線圈檢測器可用來檢測車輛計數、車輛出現、車速、占有率等檢測信息。

ILD具有成熟的技術。隨著封裝技術和安裝技術的進步，ILD的可靠性已有顯著的提高。但ILD系統的應用仍受低可靠性如拉緊盒中接線不良；纏繞導線不當造成的干擾及線圈的不規范封裝等的影響。如果線圈安裝在路況不好或經常被開挖路面的公路上，上述因素的影響會更顯著。

2.1.3 道路管檢測器[2]

道路管檢測器與交通流方向垂直安裝，通常作為短期的交通量計數、通過車軸數和車軸距離進行的車輛分類、交通規劃及交通研究的數據采集裝置。某些型號還能為車輛間隙、交叉口停車延誤、停車標志延誤、飽和流率、點速度及行程時間（當計數器和車輛信號發射傳感器聯用時）的計算提供數據。

道路管檢測器將橡皮管放置在路面上，當車輛駛過橡皮管時，橡皮管發出氣壓脈沖信號。這個氣壓脈沖信號使壓力起動開關閉合，向計數器或分析軟件發出一個電信號。道路管檢測器是便攜式的檢測器，使用鉛酸電池等可充電電池作為能源。

2.1.4 壓電傳感器

壓電材料在受機械沖擊或振動時產生電荷。主要應用于計軸數、測軸距、車輛分類統計、車速檢測、泊車區域監控、闖紅燈拍照、動態稱重（WIM）、交通信息采集和統計、收費站地磅。

壓電材料是一種經特殊加工后能將動能轉化為電能的材料。一些聚合體材料，例如共聚物P（VDF－TrFE）使這一特性有了很大提高。壓電傳感器由金屬編織芯線，壓電材料和金屬外殼制成同軸結構。在制造過程中，將壓電材料置于一個強電場中極化，數量級為每一毫米厚的壓電材料大約為105V。無護套電纜的電暈場也采用這種電場。極化場使非結晶聚合體變成半晶體的形式。同時又保留了許多聚合體的柔韌特性。

2.2 非地埋式交通檢測器

2.2.1 超聲波檢測器

超聲波傳感器發射超出人的聽覺范圍的頻率為25—50kHz的聲壓波。大多數超聲波傳感器發射脈沖波，可提供車輛計數、出現及道路占有率等交通信息。超聲波傳感器的探測區域由超聲波發射器的波幅決定，通過測量由路面或車輛表面反射的脈沖超聲波的波形，可確定由傳感器到路面或車輛表面的距離。傳感器接收的聲信號轉換為電信號，由信號處理單元進行分析處理。

恒定頻率超聲波傳感器利用多普勒效應測量車速，但其造價要高于脈沖超聲波傳感器。恒定頻率超聲波傳感器采用高架安裝，以45°角正對駛來的車流。它有兩個轉換器：一個用于發射超聲波，另一個用于接收超聲波，檢測接收超聲波的頻率變化以確定車輛是否通過。恒定頻率超聲波傳感器內的電子系統可產生脈沖寬度（脈沖持續時間）與被測車輛速度成正比的內部脈沖信號，經一系列計算可確定車速。

由超聲波傳感器反射的脈沖能量波以已知且較小的角度被分為兩束，測量車輛通過這兩束波的時間即可確定車速。這種測距式，脈沖超聲波傳感器的最佳安裝位置是高架安裝俯視車流或路旁安裝側視車流。

實施自動脈沖重復周期控制可減少多重反射脈沖波的影響并能提高探測高速車輛的能力。在接收到路面反射的脈沖波后立刻反射下一個脈沖波，使脈沖重復周期盡可能地短。較長的脈沖重復周期會降低高速公路上高速車輛占有率測量的效果，因為此時由傳感器反射和接收的脈沖數相對車輛數太少。傳感器還設有保持時間（hold time），Th（不同的廠家從115毫秒到10秒不等）以提高車輛出現的監測效果。溫度變化及強烈的氣流擾動會影響超聲波傳感器的性能。因此，許多型號內設有溫度補償裝置。

2.2.2 微波雷達檢測器

微波雷達檢測器工作原理：當車輛從雷達波覆蓋區域穿過時，雷達波束由車輛反射回雷達天線，然后進入接收器，通過接收器完成車輛監測并計算出流量、速度及車身長度等交通數據。

微波雷達傳感器可安裝在單車道道路的正對路中央的半空中以測量駛來或離去車流的交通參數；還可在多車道道路的路邊安裝以測量多條車道上車輛的交通參數。

2.2.3 視頻圖像檢測器

基于視頻圖像處理的交通檢測技術比其它檢測技術能收集更多和更全面的交通數據。視頻檢測處理技術通過閉路電視和數字化技術分析交通數據。其基本原理是在很短的時間間隔內，由半導體電荷耦合器件（CCD）攝像機連續攝得兩幅圖像，而這種圖像本身就是數字圖像，很容易對兩幅圖像的全部或部分區域進行比較，若差異超過一定的閾值則說明有運動車輛。

視頻檢測技術能夠采集的數據很廣，一個攝像機能夠采集幾個車道的交通數據，使得檢測交通動態行為和各種空間交通數據成為可能，包括交通流量、車型分類、占有率、車速、排隊長度等，還可獲得車輛的外形三維數據及車輛的軸數、軸距和車輛組成等交通參數，這是以前傳統的車輛檢測器所不能做到的。除此之外，視頻檢測能提供輔助信息，如路肩交通、停車交通、車輛換道、速度差異和其它方向的交通擁堵。

2.2.4 噪聲檢測器

噪聲檢測器探測來自車輛內部和車輛輪胎與地面接觸的聲音，可測量車輛通過、車輛出現及車速等交通參數。當車輛通過探測區域時，信號處理算法感知到聲音能量的提高，并產生車輛出現信號。當車輛駛離探測區域時，聲音能量減少，低于檢測器的檢測閾值時，車輛出現信號消失。

3 結論

基礎交通信息采集系統是ATMS的信息輸入部分，如何確保基礎交通信息能夠及時、準確并且經濟地采集并輸入，對于ATMS實現系統功能是至關重要的。本章主要研究了信息采集的幾個相關問題，對傳統的靜態、動態交通信息采集方式進行了系統的研究，為ATMS信息采集系統的設計與實施提供了有價值的參考。

[1]Lawrence A.Klein.Sensor Technology and Data Requirements for ITS.Boston-London：Artech House，2001.

[2]Luz Elena Y.Mimbela ＆Lawrence A.Klein，Summary of Vehicle Detection and Surveillance Technologies Used in Intelligent Transportation Systems，Federal Highway Administration’s Intelligent Transportation Systems Joint Program Office，November 30，2000 4-1—4-2，4-7—4-11.

[3]張曉東.動態交通流信息采集系統若干問題研究.長春：吉林大學，2004.