国内智能交通领域中车辆检测技术的应用与研究

国内智能交通领域中车辆检测技术的应用与研究时间：2009-08-2711:59:00来源：智能交通0906作者：敖卓森朱光翔张宏顺国内智能交通领域中车辆检测技术的应用与研究作者：敖卓森朱光翔张宏顺（深圳桑达电子设备有限公司，深圳518028）摘要：车辆检测技术是智能交通系统的重要组成部分，也是实现智能化监测、控制、分析、决策、调度和疏导的基本依据。通过对国内智能交通系统应用情况的调研，本文分析了国内智能交通系统中几种常用的车辆检测方式，及它们的工作原理、环境适应性和优缺点，并对线圈检测和视频检测的应用进行了深入研究。关键词：智能交通系统；车辆检测技术；线圈检测；视频检测ApplicationandResearchofVehicleDetectionTechnologyforInternalIntelligentTransportationSystemsDavidAo,ZhuGuang-xiang,ZhangHong-shun(ShenzhenSEDElectronicEquipmentCo.,Ltd.，Shenzhen518028)Abstract：VehicledetectiontechnologyisanimportantpartofIntelligentTransportationSystems(ITS),anditalsoisthebaseofintelligentmonitoring,controlling,analysis,decision-making,schedulingandleading.Bylong-timeresearchwork,thispaperanalyzesseveralkindsofcommonmethodsonvehicledetectiontechnology,theirprincipleofwork,environmentalsuitabilityandmeritanddemerit.Simultaneously,theapplicationofloopdetectionandvideodetectionweredeeplyresearched.Keywords：IntelligentTransportationSystems;vehicledetectiontechnology;loopdetection;videodetection1.引言随着我国经济快速发展和城市规模不断扩大，各种交通需求不断增加，智能交通系统（又称智能运输系统，IntelligentTransportationSystems，ITS）。在我国逐渐得到了广泛应用和快速发展。车辆检测技术是智能交通系统的重要组成部分，交通智能化管理需要通过车辆检测方式采集客观、有效的道路交通信息，获得交通流量、车速、道路占有率、车间距、车辆类型等基础数据，从而有目的地实现监测、控制、分析、决策、调度和疏导等智能化手段。目前，国内外诞生的车辆检测器产品的种类很多，技术原理和实现方式各不相同，如有线圈检测、视频检测、微波检测、激光检测、声波检测、超声波检测、磁力检测、红外线检测等。我国幅员辽阔，道路里程长，车多人多，交通状况比较复杂，各地交通管理部门对于车辆检测方式的要求具有多样性，从性能指标、产品成本、安装方式、天气路况、管理政策等方面都有诸多不同。本文通过对国内智能交通系统应用情况的调研，结合笔者所在企业多年来在智能交通领域实施项目的经验数据，列举了几种国内智能交通系统中常用的车辆检测方式的工作原理、环境适应性以及优缺点分析，并对普遍采用的线圈检测和视频检测的应用进行重点研究。2.车辆检测方式特点比较2.1线圈检测方式通过一个电感器件即环形线圈与车辆检测器构成一个调谐电子系统，当车辆通过或停在线圈上会改变线圈的电感量，激发电路产生一个输出，从而检测到通过或停在线圈上的车辆。线圈检测技术成熟、易于掌握、计数非常精确、性能稳定。缺点是交通流数据单一、安装过程对可靠性和寿命影响很大、修理或安装需中断交通、影响路面寿命、易被重型车辆、路面修理等损坏。另外高纬度开冻期和低纬度夏季路面以及路面质量不好的地方对线圈的维护工作量比较大的。本文将在第3部分重点针对线圈检测方式进行深入分析研究。2.2视频检测方式视频检测方式是一种基于视频图像分析和计算机视觉技术对路面运动目标物体进行检测分析的视频处理技术。它能实时分析输入的交通图像，通过判断图像中划定的一个或者多个检测区域内的运动目标物体，获得所需的交通数据。该系统的优点是无需破坏路面，安装和维护比较方便，可为事故管理提供可视图像、可提供大量交通管理信息、单台摄像机和处理器可检测多车道。它的缺点是精度不高，容易受环境、天气、照度、干扰物等影响，对高速移动车辆的检测和捕获有一定困难。因为，拍摄高速移动车辆需要有足够快的快门（至少是1/3000S）、足够数目的像素以及好的图像检测算法的支持，视频检测由于需要进行计算往往无法捕获到高速运动物体。本文将在第4部分重点针对视频检测方式进行深入分析研究。2.3微波（多卜勒）检测方式微波式交通检测器通过发射低能量的连续频率调制微波信号，处理回波信号，可以检测出多达8个车道的车流量、道路占有率、平均车速、长车流量等交通流参数。微波检测由发射天线和发射接收器组成。发射器对检测区域发射微波，当车辆通过时，由于多普勒效应反射波会以不同的频率返回，通过检测反射波的频率来检测车辆是否通过。优点是在恶劣气候下性能出色,可以全天候工作、可检测静止的车辆、直接检测速度、可以侧向方式检测多车道、安装维护方便，缺点是侧面安装只能区分长车短车，相邻车道同时过车时可能漏记车辆数。雷达就是依据多卜勒效应的一种微波检测方式。雷达先发出一个频率为1000兆赫的脉冲微波，如果微波射在静止不动的车辆上，被反射回来，它的反射波频率不会改变，仍然是1000兆赫。反之，如果车辆在行驶，而且速度很快，那么，根据多卜勒效应，反射波频率与发射波的频率就不相同。通过对这种微波频率微细变化的精确测定，求出频率的差异，就可以换算出汽车的速度。雷达测速有效范围大约在每小时24公里到255公里之间，测速范围比较大，精确度也相当高。对于速度较快，车流量较少且方向统一的高速公路上面，采用微波雷达配合高速摄像机是一种不错的选择。而对于多车道、车辆并行、人车混杂的复杂路段，单纯只使用多普勒效应的微波雷达对路口、路段违法车辆的进行检测，则具有较大困难，在检测范围内如果出现多个车辆，往往无法区分目标车辆。另外，测速雷达一般安装在公路中间6米高的横臂上面，如果比较高的大型车辆（如挂车、货柜车等）经过，由于车体比较高，造成车体顶部距离雷达太近，雷达发出的脉冲微波射在车体顶部被反射回来的距离大大缩短，往往造成了计算出来的速度值比较大，会产生比较大的误差。2.4磁力检测方式在铁磁材料中会发生磁阻的非均质现象（AMR），当沿着一条长而且薄的铁磁合金带的长度方向施加一个电流，在垂直于电流的方向施加一个磁场。合金带自身的阻值会发生变化。利用AMR磁阻效应生产的AMR磁阻传感器成功地将三维方向（x，y，z）的单个传感器件集成在同一个芯片上，而且将传感器与调节、补偿电路集成一体化，可以很好地感测地磁范围内低于1高斯的磁场，可以根据一些铁磁物体对地磁的扰动，来检测车辆的存在，也可以根据不同车辆对地磁产生的扰动不同来识别车辆类型。磁阻传感器的优点有：安装、维修方便，不必封闭车道、破坏路面。缺点也非常明显，对于纵向过于靠近的车辆的干扰排除能力较差，即当车流速度较低，前后车辆之间的距离较小时对测量精度影响较大。2.5超声波检测方式超声波检测的原理与雷达测速类似，都是利用多卜勒效应的反射原理，发射器从顶部发出超声波，当有车辆通过时，接收器接收到回波的时间是不一样的，据此可以判断是否有车通过。与雷达测速不同的只不过其传感器探头发出的是声波而不是电磁波。此种检测设备的缺点是必须顶置安装，安装条件受到一定的限制，并且传感头在路口这种灰尘极大的恶劣环境中使用，寿命非常短。因此这种检测方法并不实用。2.6激光检测方式激光检测为点测量行为，从理论上讲是可行的并且检测精度过程都相当高，但与微波雷达一样，同样面临路口多道路，多车辆和多行人的三多影响，点测量的效率无法满足监管要求，最重要的是：激光检测中的激光束对人体（主要是人眼的伤害）是其在使用中极为严重的问题。在欧美等国家又用激光测速的交通测速仪器，其性能指标不仅要达到国际Class1安全标准，同时在使用中必须用人工操控，以避免对人眼造成伤害。在日本是严格禁止用激光作交通检测设备的，因此，激光检测在理论上讲比较好，但目前在使用中的安全问题仍未解决。2.7红外检测方式红外检测器是顶置式或路侧式的交通流检测器。该检测器一般采用反射式检测技术。反射式检测器探头由一个红外发光管和一个红外接收管组成，其工作原理是由调制脉冲发生器产生调制脉冲，经红外探头向道路上辐射，当有车辆通过时，红外线脉冲从车体反射回来被探头的接收管接收，经红外解调器解调再通过选通、放大、整流和滤波后触发驱动器输出一个检测信号。这种检测器具有快速准确、轮廓清晰的检测能力。其缺点是工作现场的灰尘、冰雾会影响系统的正常工作。2.8常见几种车辆检测方式优缺点比较注：前面带*为摘自美国托休斯检测中心试验报告内容，其余为作者综合相关资料的结论。3.线圈检测方式研究线圈检测技术是目前世界上应用最普遍的车辆检测方式，其灵敏度高、技术成熟度高、计数精确、稳定性好，不受环境的影响。它的缺点是安装过程对可靠性和寿命影响很大，维修或安装需中断交通，破坏路面，影响路面寿命。同时线圈易被重型车辆、路面修理等损坏，而且它的维护难度较大。下面以车辆检测器作为基础，对线圈检测方式的工作特性作深入的研究。3.1线圈检测技术原理线圈检测系统主要由电感线圈及与之相配套的车辆检测器组成，一般在同一车道设置一组（2-3个）电感线圈。其中，电感线圈一般是由几匝金属导线绕制成空心线圈，埋设于车道的路面下，通过馈线与车辆检测器相联，如图1所示：车辆检测器用高频信号驱动电感线圈，在线圈的周围就产生了交变的电磁场，这时，若有车辆（金属物体）通过线圈上方，在改变线圈周围空间的磁导率的同时切割磁感线，引起线圈电感量的变化，进而引起线圈阻抗的变化，这将导致车辆检测器内部振荡信号频率的变化，检测电路可以检测到这一频率的变化，据此就可以达到检测车辆的目的。3.2线圈检测工作特性电感线圈在检测系统中起到了传感器的作用，线圈的形状和埋设布局等对检测系统的灵敏度有很大的影响。为了说明这一情况，首先应该了解线圈工作时的磁场分布规律。我们将以毕奥－萨伐尔定律为工具着手研究。毕奥－萨伐尔定律是有关电流产生磁场的基本定律，把载流导线看成是由许多电流元IdL连接而成的，该定律认为，载流导线在磁场中某点所产生的磁感应强度B，就是由这根导线所有电流元在该点所产生的磁场强度dB的叠加。而任一电流元IdL在真空中某点P的磁感应强度dB的大小与电流元的大小IdL成正比，与电流元IdL的方向和由电流元到P点的矢径r的夹角的正弦成正比，并与电流元到P点的距离r平方成反比。即其中?为真空磁导率（可近似认为是空气中的磁导率）dB的方向可用右手螺旋定则来判断，dB垂直于dL和r所组成的平面。根据（1）式可求出载流长直导线放在真空中时，导线旁边任意一点P的磁感应强度B，设有一长直导线AB，其中的电流为I，如图2所示：在直导线上任取一电流元IdL，根据毕奥－萨伐尔定理，该电流元在给定点P所产生的磁感应强度的大小为dB的方向垂直于电流元IdL和矢径r所组成的平面。用右手螺旋定则可知，直导线上各个电流元所产生的磁感应强度dB的方向都相同，因此，P点的磁感应强度就等于各电流元的磁感应强度的代数和，用积分表示有：由于L，r和α都是变量，在进行积分运算时，必须首先将他们用同一个变量来表示，所以，取矢径r与P点到直导线的垂线PO之间的夹角β为自变量，根据图示关系有：（3）根据上述结论，我们可以来计算电感线圈所包围的平面内某一点的磁感应强度B，为计算简便设有一单匝正