一種高速公路收費站車輛排隊長度監測系統

李彬亮　韓國華　姚舜禹　李鵬鴿

摘要：高速公路收費站是車輛通行集中的地方，尤其是節假日期間，車輛的集中出行會造成車輛大排長龍的現象，這對人們出行和道路交通控制造成了很大困擾。及時掌握高速公路收費站的車輛排隊長度，對交通管理部門和高速公路公司采取多開閘口或免費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站車輛排隊長度監測系統。

關鍵詞：地磁傳感器；高速公路收費站；排隊長度檢測；監測系統；車輛排隊 文獻標識碼：A

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

隨著社會經濟的高速發展、人口的持續增長以及人民生活水平的逐漸提高，我國機動車保有量也正以前所未有的速度增加，龐大的機動車數量使得城市道路及其交通設施不堪重負，局部甚至大面積的交通擁堵時常發生。高速公路收費站是車輛通行較為集中的地方，尤其是節假日期間，車輛的集中出行往往會造成車輛大排長龍的現象，這對人們出行和道路交通控制造成了很大的困擾。及時掌握高速公路收費站的車輛排隊長度，以便交通管理部門和高速公路公司及時采取多開閘口或免費放行政策都有著重要的意義。目前交通流檢測技術主要對道路車流量、車速檢測、行人密度進行檢測，傳輸至交通信號中心平臺，以便控制和決策。高速公路收費站排隊長度作為道路通行能力重要的評價指標，目前主要采用視頻圖像、GPS技術和磁感線圈等處理方式進行檢測，都存在一定的問題。本文通過提出一種基于地磁傳感器的高速公司收費站車輛排隊長度的監測系統，為交通管理部門實時監控交通運行情況提供幫助。

1 研究現狀

目前我國車輛排隊長度檢測方法大體可以分為三類：

第一，通過設置磁感線圈、微波探測器、雷達等傳統交通監測設備進行排隊長度檢測及計算。其中布設磁感線圈對路面破壞較大且探測結果易受環境影響，而微波探測器和雷達靈敏度高、控制范圍大，但受制于環境影響，存在一定的場強分布不規則情況，有形成誤報區域和漏報區域的可能性。傳統交通檢測設備均存在一定的局限性。

第二，通過GPS數據對車輛排隊長度進行檢測。在高GPS精度情況下，該類方法能夠較為準確地反映出車輛排隊情況。但目前民用GPS精度不足，在車輛位置測定中存在一定偏移，不容易精確地計算出車輛排隊長度。對此，國內外許多學者對GPS檢測方法進行了改進研究。如參考文獻[1]以GPS點在路口前的集聚為基礎，通過設立交通需求函數分析路口排隊長度。參考文獻[2]和參考文獻[3]以浮動車（GPS探測車）點數據為切入點，根據密度、加速度等不同參數變化情況建立了車輛排隊長度檢測算法。經過改進后車輛排隊長度GPS檢測精度均有較大提升。

第三，通過視頻數據對車輛排隊長度進行檢測。視頻檢測成本低、覆蓋范圍廣、受環境影響小，準確度也相對較高，其理論誤差可以控制在8%以內，隨著背景差別法、canny邊緣檢測法等視頻識別技術的不斷深入，視頻數據檢測算法也日趨成熟，但受制于視頻監控設備取景角度、取景范圍以及天氣、車輛遠近等因素影響，視頻檢測機制仍然存在一定缺陷。

相對于以上三類車輛排隊長度檢測方式，地磁傳感器安裝尺寸小、靈敏度高、使用壽命長、對路面破壞小，且其探測機制主要利用地球磁場在鐵磁物體通過時的變化進行檢測，對環境要求較低，能夠準確地識別車輛存在和通過車型。目前我國基于地磁傳感器的車輛排隊長度算法研究相對較少，其中張永終等人融合地磁檢測方法設計了一種多傳感器融合檢測系統，實現了對各方向排隊長度的檢測；賈利民等人根據單個地磁傳感器數據反饋的車輛經過時長、車頭車尾時距等動態變化規律，提出了車尾時距模型、通過時間模型和綜合模型，為排隊長度檢測提供了一個新的算法。本文基于地磁傳感器在高速公路收費口的實際應用，利用多車道車輛通過距離收費站200m、125m、50m地磁傳感器時的波形、時長等關鍵信息，提出了一種新的車輛排隊長度算法。

2 系統架構

2.1 系統框架

本系統的目的旨在提供一種能有效監測高速公路收費站車輛排隊長度的監測方法。包括依次相連的地磁單元、數據采集單元、數據通信單元和數據處理單元；所述地磁單元包含多個地磁組，地磁組以收費站閘機為起始點，沿車輛排隊等待方向各間隔一段距離埋設在對應的行車道上。所述數據采集單元采集每個地磁上車輛通過速度及車輛占有時間數據并通過數據通信單元傳輸至數據處理單元，數據處理單元通過對最近一段時間內各個地磁車輛通過速度及車輛占有時間數據的分析計算，得出車輛排隊等待的隊列長度。所述數據處理單元對最近5分鐘內的數據進行分析計算，得出車輛排隊等待的隊列長度。相對于其他檢測技術具有以下優點：（1）該車輛排隊長度監測系統結構簡單，通過預埋設的4組地磁采集車輛通過地磁的速度和占有時間，并將這些數據用數據處理單元分析計算得出車輛排隊長度，從而為交通管控提供了重要的參考依據；（2）該車輛排隊長度監測系統所依據的方法理論經過了實際的檢驗，為道路交通中監測車輛排隊提供了有效的數據。

數字5、6、7、8分別代表4個斷面的地磁組，數字1代表由這4個地磁組集合而成的數據包；數字2代表數據采集單元；數字3代表數據通信單元；數字4代表數據處理單元。總的來說就是1是數據上傳；2是數據采集；3是數據通信（傳輸）；4是數據處理（后臺服務器）

2.2 設備布設

為進一步的詳細說明該系統，下面就試驗效果進行闡述。該系統試驗地點位于深圳市深汕高速龍崗收費站進口，地磁傳感器分別布設在距離收費站0m、50m、125m、200m的各車道上。如圖2所示：

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

數據采集單元2采集每個地磁上車輛通過速度及車輛占有時間數據并通過數據通信單元3傳輸至數據處理單元4。數據處理單元4通過對最近一段時間內各個地磁車輛通過速度及車輛占有時間數據的分析計算，得出車輛排隊等待的隊列長度，進一步的，數據處理單元4是對最近5分鐘內的數據進行分析計算，得出車輛排隊等待的隊列長度。實踐中，對地磁數據進行分析后，發現實際數據存環境存在噪聲、異常數據，因而提出了從降噪的方向解決問題的思路；在分析了終端設備數據及結合設備的布設情況、對地磁數據進行分析及結合交通學方面的專業知識，發現單位時間內平均速度既能反映出道路的擁堵、暢通特征，又能對漏車、換道及數據異常等情況具有較好的降噪、容錯性；在確定思路后，從速度歷史曲線圖分析總結規律，發現了通過速度推導排隊長度的計算方法，并使用視頻驗證結果的方法驗證了結果，確保推導過程的正確性，最終確定了排隊長度算法，同時利用數據分析的方法推導出了地磁平均占有時間與平均速度之間存在著強相關關系，通過對歷史數據進行分析，得到平均占有時間與排隊長度的計算方法。

通過地磁終端能夠采集到的基本數據有車通過數量、速度、占有時間、車身長度等。車輛在行駛過程中會因為各種情況產生噪聲數據，如：（1）車輛在經過地磁時變換道路，導致產生多條數據，導致車輛通過數量、速度、占有時間等數據出現異常值；（2）車輛在兩條道路之間行駛，導致一輛車產生兩條數據或者導致地磁采集不到數據；（3）出入口存在岔路的情況，導致經過地磁斷面4或者斷面3的車輛不一定經過斷面2。

由于數據中存在部分的噪聲數據、漏檢、多檢數據，在計算時，需要選取既跟排隊長度（擁堵情況）有強相關關系，又具有較好的容錯性數據進行計算；我們這里選取了單位時間內的平均速度與統計時間內的平均占有率速度作為計算；由于平均占有時間跟速度具有強相關關系，算法也兼顧了通過平均占有時間計算排隊長度的方法。

3 系統功能模塊

該系統通過采集各收費站出口或入口的車流、排隊長度等數據，系統界面顯示收費站示意圖及匝道數，分別實現以下三個功能：（1）界面最頂層顯示收費站排隊的總體情況，當前的排隊長度、當天累計車流、當前通行匝道數/總匝道數；（2）中間左側用紅、黃、綠三種不同顏色表示收費站排隊總體情況（通過綠色、黃色和紅色分別代表排隊長度處于0～50m、51～125m和126～200m區間的排隊長度），同時可通過縱軸了解具體排隊長度；（3）中間右側表格記錄該收費站當天排隊長度大于50m的所有情況。

4 結語

通過對照系統顯示數據及現場視頻拍攝情況進行實測，該系統達到了監測車輛排隊長度的要求，并且對于異常、漏報數據有很好的容錯性，一定程度上能夠降低地磁埋設成本、施工要求及后期維護要求，能夠保證排隊長度數據的穩定性和準確性。通過對高速公路主要斷面及出入口運行自動化監測，能進一步提升高速公路的出行服務質量和服務水平，為市民節假日出行提供實時、有效的路況信息，合理引導車輛出行。

參考文獻

[1] 王東柱，陳艷艷，李亞蒙.基于浮動車停車點數據交叉口車輛排隊長度計算方法[J].公路交通科技，2012，29（12）.

[2] 熊英格，徐卓立，劉好德.基于浮動車數據的交叉口范圍動態劃分方法[J].交通信息安全，2009，27（5）.

[3] 楊永輝，黃磊，劉昌平.基于視頻分析的車輛排隊長度檢測[J].計算機應用研究，2011，28（3）.

[4] 張永終，張軍強，喬志龍.基于多傳感器融合的排隊長度檢測系統設計[J].道路交通與安全，2015，15（3）.

（責任編輯：黃銀芳）