SCATS信號機使用地磁檢測器的解決方案

石英華

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SCATS信號機使用地磁檢測器的解決方案

石英華

摘 要：根據SCATS信號控制系統對環形線圈檢測器占有時間輸出特性，通過對地磁檢測器的占有時間輸出進行等效處理，可使地磁檢測器的輸出特性與環形線圈的輸出相同或趨近，同時為方便使用，使地磁檢測器的輸出接口具有模擬線圈輸出功能，使得其與SCATS系統連接時等同于使用環形線圈，可方便替代線圈使用。其處理方法對于其它類型車輛檢測器在SCATS系統中替代環形線圈使用具有參考意義。

關鍵詞：檢測線圈；地磁檢測器；輸出特性；輸出接口

0 引言

上海應用的SCATS（Sydney Coordinated Adaptive Traffic System）自適應交通控制系統，能夠根據布設在路口進口車道上的車輛檢測器測量交通參數，經實時處理后生成相應的信號控制方案，使路口紅綠燈信號時間根據車流量的變化而實時調整，提高路口車輛的通行效率。因此，接入車輛檢測器是SCATS系統實現交通信號自適應控制的必需條件。

SCATS系統的控制方案是基于利用環形線圈檢測器測量得到的車輛占有時間參數計算而成，但是其控制器也保留有使用其它檢測器所需的擴展接口，使得其它類型的車輛檢測器也可接入該系統中使用。本文所述在SCATS信號機中使用地磁檢測器時，通過對測量結果進行等效處理，使地磁檢測器的輸出特性與環形線圈的輸出相同或趨近，同時為方便使用，使地磁檢測器的輸出具有模擬線圈輸出功能，使得與SCATS系統的接口與原環形線圈相同，可方便替代線圈使用。其處理方法對于其它類型車輛檢測器在SCATS系統中替代環形線圈使用也具有參考意義。

1 環形線圈檢測器的占有時間輸出特性

SCATS系統使用的環形線圈檢測器輸出形式為存在型檢測，即在車輛進入線圈時開始輸出占有狀態，車輛離開線圈時結束占有輸出。輸出時間對應車輛在環形線圈上的占有時間，而車流量計數值就是車輛通過線圈時占有狀態輸出的次數，如圖1所示：

圖中，車輛長度為Lv，線圈長度為Lp，如果把線圈等效為車道中的一個點，則車輛通過線圈的占有時間 T1可等效為長度（Lv+Lp）的車輛以相同速度通過一點時的時間，后續分析中，如果地磁檢測器的輸出占有時間等同于此，則2者的占有狀態輸出結果將相同，如圖1所示：

圖1 環形線圈檢測器占有時間輸出

2 地磁檢測器的占有時間輸出特性

地磁檢測器使用磁傳感器檢測車輛通過時地球磁場的變化來測量車輛的存在和通過，其傳感器電路通常密封在結構尺寸大約為直徑10cm左右的圓柱體內，使用時埋設安裝在車道中央，磁感應的作用范圍是以檢測器為中心、半徑0.5m左右的半球形區域，與環形線圈的輸出相比，相當于是一個1m長度的線圈。

地磁檢測器由內部微處理器對磁感應信號處理并得到測量結果，通過無線發射機把測量輸出發送到路口接收主機中。對磁感應信號的處理，除測量車輛的占有時間外，還可獲得被測車輛的特征信息，通過對車輛特征信息處理可計算車輛的長度參數。

與環形線圈類似，地磁檢測器占有時間輸出 T2 等效為長度（Lv+1）的車輛以相同速度通過一點的時間。如圖2所示：

圖2 地磁檢測器占有時間輸出

3 地磁檢測器與環形線圈檢測器輸出占有時間的異同

對比地磁檢測器和環形線圈的占有時間輸出特性可知，兩者對流量檢測的結果輸出是相同的，即車輛通過檢測器時對應一次車流量的計數輸出；不同之處是對同一車輛測量的占有時間輸出可能不同，這是由2種檢測器的作用范圍不同造成的。

在以上分析中，如果車長為Lv，環形線圈的長度為Lp，地磁檢測器的作用范圍為Lm，以車輛通過一點時為參考，則環形線圈測量車輛占有時間對應的長度為 L1=Lv+Lp，地磁檢測器測量占有時間對應的長度為 L2=Lv+Lm，2種檢測器占有時間對應檢測長度的差值為 ⊿L= L1-L2 =Lp-Lm。

通常情況下，地磁檢測器的作用范圍比環形線圈小，如果在地磁檢測器占有時間輸出中能夠增加 ⊿L 長度對應的占有時間輸出，則2種檢測器的占有狀態結果輸出趨于相同或相近。通過對地磁檢測器的輸出做延時增益處理，適當延長占有時間，可達到相同時間輸出。

4 地磁檢測器占有時間的增益處理

為使地磁檢測器與環形線圈檢測器占有時間輸出相同，在地磁檢測器中對車輛檢測數據分析處理時，可利用根據參數計算，判斷車輛類型得到的車輛長度信息做延時輸出處理。車輛通過地磁檢測器后，測量得到占有時間T1，同時經檢測器分析計算，得到車輛長度Lv，則單位長度對應地磁檢測器輸出的占有時間T0為，T0 =T1/（ Lv+Lm）。在以上分析中，地磁檢測和環形線圈檢測占有時間輸出相差⊿T時間，只要延長輸出⊿L對應長度的占有時間，則可達到與長度為Lp的線圈等效的占有時間輸出。延長時間輸出后，等效占有時間輸出為

T=T1+T0 x⊿L =T1+T0 x（Lp-Lm）=T1+ T1/（ Lv+Lm）x（Lp-Lm）。

5 地磁檢測器占有時間輸出校準

實際使用時，可對地磁檢測器與環形線圈的輸出做對比測試，即在同一車道布設環形線圈和地磁檢測器，分別記錄同一車輛通過時的輸出占有時間值，獲得地磁檢測器等效處理后的輸出與環形線圈檢測器輸出之間的差值⊿t=t1-t2進行修正，使輸出結果更接近環形線圈的輸出。如圖所示。

以上分析處理方法對于其它類型檢測器在SCATS系統中應用具有參考作用。如圖3所示：

圖3 地磁檢測器占有時間輸出的校準

6 地磁檢測器輸出與信號機的接口

使用環形線圈檢測器時，SCATS信號機中的線圈檢測電路是根據線圈電感量的變化判斷車輛有無，在不改變信號機配置的前提下，通過設計輸出接口，可使地磁檢測器的輸出模擬線圈輸出，直接使用線圈接線端與信號機相連。

圖4a是信號機使用環形線圈時的接線示意圖，圖4b是地磁檢測器模擬線圈輸出接口示意圖。

使用環形線圈檢測時，相對于信號機線圈檢測電路輸入端，線圈相當于一個可變電感。無車時，電感量為一固定值，有車在環形線圈上時，線圈電感量會減小，通過電感量的變化，即判斷車輛的存在和通過。

把地磁檢測器的輸出端設計成可變電感輸出，則可以模擬環形線圈的輸出特性，直接與信號機線圈檢測電路相連。如圖4所示：

圖4 b 是地磁檢測器模擬線圈輸出接口示意圖

在模擬線圈輸出接口中，使用大小2個電感串聯，其中小電感用電子開關控制，無車時開關斷開，對于信號機線圈檢測電路的輸入端等效為一個固定電感（L1+L2），等同于環形線圈無車時狀態。當需要輸出有車狀態時，小電感開關k閉合，原有的輸出電感值將減小為L1，等效為有車狀態。根據環形線圈有車無車時的實際變化量，模擬線圈接口中的電感變化量設計成5%～10%即可滿足使用要求。

7 地磁檢測器在SCATS信號機使用時的設備組成

地磁檢測器在使用SCATS系統使用時，包含數據接收處理主機、數據接口轉換單元。地磁檢測器埋設于測量車道的中央，測量機動車通過傳感器時地球磁場的變化，判斷車輛的存在和通過。當檢測到車輛通過后，由地磁檢測器中的無線數據發射機把測量數據發送到路邊的數據接收處理主機，再傳送到交通信號機箱中，通過數據接口轉換單元與信號機中的車輛檢測器連接。系統組成框圖如圖5所示：

圖5 交通信號機無線車輛檢測器系統組成示意圖

實際應用時，每個路口使用一套數據接收處理主機及數據接口轉換單元，但在大路口使用時，可能需增加接收機接力轉發數據。

8 地磁檢測器檢測數據的輸出轉換

地磁檢測器檢測結果輸出過程，由數字到模擬線圈輸出轉換過程如圖6所示：

圖6 地磁檢測器測量結果輸出

9 地磁檢測器在大路口的使用

使用地磁檢測器時，基本配置包括與車道數量相同的檢測傳感器、一個接收處理主機、一個接口轉換單元。在大路口使用時，為提高數據接收效果，需配置數據接力轉發器，配置數量參考如下：

1）4個方向都是不超過2車道的路口，使用基本配置。

2）4個方向都是3車道及超過3車道的路口時，在基本配置中可增加1個數據轉發器，使每個方向的無線數據都能有效接收，如圖7所示：

圖7 大路口使用時可增加中繼接收機

使用時，路口可安裝的無線檢測傳感器數量不受限制，且任何大小的路口都可使用無線檢測器。

10 地磁檢測器設備及現場安裝

實際使用時，地磁檢測器、接收主機及轉換單元設備安裝現場照片如圖8-圖10所示：

圖8 接收主機設備安裝全景照片

圖9 地磁檢測器路面安裝照片

圖10 接口轉換單元在SCATS信號機箱中的安裝照片

11 總結

通過SCATS信號機中使用地磁檢測器時對測量結果進行等效處理，操作方便，其處理方法對各類車輛檢測器在SCATS系統中替代環形線圈的使用具有參考作用。

參考文獻

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Solution to SCATS Signal M achine Using Geomagnetic Vehicle Detector

Shi Yinghua
（Traffic Police of The Shanghai Police Bureau， Pudong Branch， Shanghai 201135， China）

Abstract:This paper presents a solution to replace the detecting loop w ith the geomagnetic vehicle detector. Based on the output characteristic of the loop‘s occupation time in Shanghai traffic control system， the solution treats the geomagnetic detector w ith the equivalent treatment， makes the output as the same or be similar to the loop‘s characteristic. And the both detectors have the same output interface of the solution， so then can be interchanged easily. The solution has the guiding meaning to use the other dectectors. Key words: Detecting Loop； Geomagnetic Vehicle Detector； Output Characteristic； Output Interface

中圖分類號：TP311

文獻標志碼：A

文章編號：1007-757X（2016）05-0077-04

作者簡介：石英華（1982-），上海市公安局浦東分局交通警察支隊，同濟大學交通運輸工程學院，碩士，研究方向：智能交通，上海，201135