第二讲_智能交通运输系统关键技术之一

第2讲智能交通运输系统地关键技术之一2.1概述回顾：ITS的定义……思考：ITS的核心？UsersRoadsVehiclesInformationandTelecommunicationsTechnologies“智能交通系统”是运用现代的信息、通信等技术所组成的用户、车辆和道路的综合体系。Information2.1概述信息在ITS中的核心地位……运输系统获取信息储存信息分析信息发布信息ITS用户传输信息2.1概述ITS的“关键”技术就是信息技术！信息获取技术：传感器，AVL，AVI，GPS……信息储存技术：数据库，GIS……信息分析技术：交通工程学，AI，仿真……信息发布技术：LCD、CRT显示，GSM，广播……信息传输技术：网络技术，通信技术，EDI……2.1概述本章学习目的：了解有关上述关键技术的基本知识（此为学好ITS课程的前提），包括：–基本概念–基本原理–在ITS中的应用2.2传感器定义：能感受到规定的被测量量并依据一定规律转换成可用于输出信号的器件或装置。原理：传感器是一种获得信息的手段，它将诸如温度、压力、流量等参量转化为电量，然后通过电的方法，进行测量和控制。2.2传感器ITS中常用的传感器（1）磁性传感器–磁性传感器主要根据磁性物理量的变化情况，通过对磁性标记的反应，来测量有关的物理量。（2）图像传感器–图像传感器主要是指有关的图像处理设备，用以辨别道路的标线、检测前后的车辆和检测道路上的障碍物等。（3）雷达–雷达是根据多普勒效应原理工作的。如安装在车上或道路上的雷达检测器发射一微波束，当遇到车辆或其他障碍时，波束反射回天线，利用车辆进入检测区和离开检测区时所产生的两个脉冲，即可换算成所需的交通参数，如车速、交通量等。2.2传感器（4）超声波传感器–超声波传感器的工作原理是这样的，首先由传感器发射一束能量到检测区，然后接受反射回来的能量束，通过有关的换能装置，将能量束转换成所需的数据，依据此数据判别被检测物是否存在或与传感器的相对位置等。（5）红外传感器–红外传感器使用发射、接收器，发射光束并接收反射光束，通过反射频率的变化进行对所需数据的检测。–2.2传感器典型应用（1）：环形线圈检测器–环形线圈检测器是最常用的车辆检测器。大部分城市交通信号控制系统就是采用环形线圈检测器。环形线圈检测器由三部分组成：环形线圈、检测单元及引线。2.2传感器工作原理：检测单元同环形线圈与引线线路组成一个电感电容调谐电路。电流通过环形线圈时，在其附件形成一个电磁场，此磁场可用磁力线来描述。当车流进入这个磁场时，车身金属中感应出涡流电流，涡流电流使磁场的磁力线减少，环形线圈电感量随之降低，引起电路调谐的频率上升。此频率的改变可成为检测器检测到车辆的一个信号。2.2传感器视频片段:交叉口环形线圈检测器2.2传感器典型应用（2）：远程微波检测器（RTMS）RTMS(RemoteTrafficMicrowaveSensor)是一种工作在微波频段的雷达探测器，它向行驶的车辆发射调频微波，波束被行驶的车辆阻挡而发生反射，反射波通过多普勒效应使频率发生偏移，根据这种频率的偏移可检测出有车辆通过，经过接收、处理、鉴频放大后输出一个检测信号，从而达到检测道路交通信息的目的。2.2传感器RTMS的特点：1.多道性2.真实再现3.侧向安装4.全天候5.准确性6.……2.2传感器视频片段:RTMS介绍2.3定位技术美国运输研究委员会（TRB）认为，车辆自动定位（AVL，AutomaticVehicleLocation）主要目的在于自动地找出某部车辆在特定时间的位置，以应用于车载导航、车队管理等系统。AVL是ITS的基础工程，通过准确的定位系统，配合通信技术以及数字地图的使用，可以进行实时路径诱导，避开拥挤路段，寻求最佳路径。2.3定位技术全球定位系统（GPS）介绍GPS是英文全称NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem的缩写，其中文含义为：导航卫星测时与测距/全球定位系统。GPS是基于卫星的无线导航系统，它提供一种实用的、价廉的在全球范围内确定位置、速度和时间的工具。这套系统是由美国国防部(DepartmentofDefense，DOD)所发展，但所有权属于美国交通部，目前免费提供给民间使用其定位讯号。2.3定位技术GPS的组成–(1)空间部分（GPS卫星）。–(2)地面监控部分–(3)用户部分（GPS接收机）2.3定位技术（1）空间部分空间部分由24颗卫星组成，这些卫星均匀地分布在6个相对于赤道夹角为55度的近圆形轨道上，轨道间的夹角为60度。轨道的距地平均高度约为2万公里，大约12个恒星时（11小时58分）绕地球一周，这种布局可以保证在全球的任何一点，任何时刻均能收到4颗以上的卫星信息。2.3定位技术（2）地面监控部分GPS的监控部分含五个监测站，四个地面资料上载站和运作控制中心。这些地面设施都是选在适当的经度区间距离。2.3定位技术（3）用户部分用户接收机一般有四大部件组成，即：天线、接收机、计算机及输入/输出设备。可完成下列基本功能：选择卫星，捕获信号、跟踪和测量导航信号，校正传播效应，计算出导航解，显示及传输定位信息。2.3定位技术GPS定位原理——从一起绑架说起……伦敦有个BigBen，整点隔四秒敲一声……BBC每天整点都直播BigBen的钟声……一个女孩被绑架了，绑匪蒙着她的眼睛，开车带她到一个藏匿地……绑匪放收音机以掩盖谈话声……午夜，她听到了13声BigBen的钟声……第二天一早，绑匪让她打电话给家人……福尔摩斯出现了，他画了一个圆……2.3定位技术GPS定位原理GPS定位测量是基于到达时间（TOA）测距原理。从已知位置上的发射机发射信号到达接收机所需时间间隔乘以信号传播速度，可得到发射机到接收机的距离。接收机从多个已知位置的发射机接收多个信号用于确定接收机的位置。由于卫星和接收机间的时钟偏差、传播延迟和其他误差，不可能测出实际距离，而是伪距。2.3定位技术GPS定位原理在二维情况下，计算接收机的位置至少需要２颗卫星。如果卫星的位置已知且可测量接收机到每个卫星的伪距，那么，接收机的位置处于直径等于伪距的２个圆的交点之一。可用方程计算未知接收机的位置。注意这些方程采用二维笛卡尔坐标系作为参照坐标系。其中，（x1，ｙ1）和（ｘ2，ｙ2）是卫星的已知坐标，P1和Ｐ2是测量的伪距。求解这两个联立方程后，可利用一个粗略的统计（或第三颗卫星）确定采用那一个解。2.3定位技术GPS定位原理对于三维情况，需要3颗卫星（下图）。伪距产生定位球体，而不是圆。显然，求解下列方程可确定接收机的位置（x，y，z）用于测量信号传播时间的接收机时钟与GPS时间不同步，必须确定接收机时间与GPS时间之间的时钟偏差。利用第四颗卫星可计算该参数。2.3定位技术GPS在ITS中应用的精度要求服务种类精度要求（m）导航与路线引导5－20自动车辆监视30自动车辆识别30公共安全10资源管理30事故或应急响应30防撞1车辆指挥与控制30－50自动话音报站25－30应急响应75－100数据采集25－352.3定位技术GPS定位精度与误差误差常用的GPS（m）GPS最坏的情况（m）常用的DGPS（m）卫星时钟2～3250.5卫星轨道1～2５0.5SA30～501000.5瞬间推算3～5150.5电离层延迟10～151000.5对流层延迟3～5300.5多路径1030010接受机噪声5155总计误差100（95%）300（99.99%）15（95%）2.3定位技术GPS定位精度与误差因美国和其盟国民用商业用户呼吁要求更高精度的导航定位服务，美国防部于2000年5月1日起取消SA(一种干扰措施)，使得现在可以把单点定位的水平精度提高到15米（95%时间内）；差分定位（RGPS）水平精度提高到5米（95%时间内）。这就大大增加了GPS应用于非军事用途的可行性。课下自学：差分定位RGPS原理2.3定位技术视频片段：GPS接收机的应用2.3定位技术其它卫星定位系统介绍（1）俄罗斯GLONASS系统–GLONASS是全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem）的字头缩写，与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。–GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上。–俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。为进一步提高GLONASS系统的定位能力，开拓广大的民用市场，俄政府计划用4年时间将其更新为GLONASS-M系统。内容有：改进一些地面测控站设施；延长卫星的在轨寿命到8年；实现系统的高定位精度：位置精度提高到10-15米，定时精度提高到20-30纳秒，速度精度达到0.01米/秒。2.3定位技术其它卫星定位系统介绍（2）欧盟GALILEO计划–GALILEO是由欧盟于2002年3月发起的，旨在建立欧洲自主的、独立的民用的、全球多模式卫星定位导航系统，它可提供高精度、高可靠性的定位服务，同时它实现完全非军方控制。–伽利略系统不仅能够使欧洲在交通管理和遥测方面摆脱对美国和俄罗斯的依赖，而且还能给欧洲的仪器制造和应用服务带来巨大的经济效益，同时创造许多全新的就业机会。–伽利略系统能够与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现相互合作，任何用户将来都可以用一个接收机采集各个系统的数据或者各系统数据的组合来实现定位导航的要求，–伽利略系统可以分发实时的米级定位精度信息，这是现有的卫星导航系统所没有的。2.4车辆识别技术自动车辆识别（AVI，AutomaticVehicleIdentification）是当车辆通过某一特定地点时，自动将该车的身份（车辆本身的代表符号或固有的属性）识别出来的技术统称。AVI技术可分为两大类：1.直接自动识别，如自动测量车辆的长、宽、高和重量等车辆属性；2.间接自动识别，通过路车通信或感应，从车载标志（车牌，条码）或其记忆单元（IC卡）中读取车辆的身份和属性。2.4车辆识别技术典型应用（1）：动态称重动态称重（WIM，WeightIn-Motion）即量测行驶中车辆的重量数据（含轮重、轴重、总重）及其他基本数据，该项技术在欧美国家的CVO中使用广泛。动态称重的单元组成包括两部分：磅台及车辆感应设备。感应设备一般为布设在磅台前后的感应线圈，负责车速与轴距的检测与计算。磅台有张力仪称重（利用张力荷重仪受外力产生变形造成电阻改变，根据输出电压的变化来量度受力大小）和油压称重（利用油压原理换算出受力大小）两种方式。2.4车辆识别技术典型应用（2）：车辆牌照识别车牌识别主要组成的元件为车牌、摄影机、影像处理机以及数据处理用的计算机设备。车牌行经识别区时，摄影机将车牌影像摄取下来，经A／D转换器把模拟信号变成数字信号，输入影像处理机，将一些有意义的图形数据抽取出来，滤波后进行文字辨认，最后把识别出来的文字送入计算机进行数据处理。车牌识别主要有两个组成部分，一个是目标定位的过程，一个是符号文字辨认的过程。目前国内应用中的主要问题是国外产品不能识别汉字，国内车辆车牌安装位置不够规范，表面污染比较严重，增加了识别的难度。2.4车辆识别技术典型应用（3）：非接触式IC卡IC卡（IntegratedCircuitCard）是将一个集成电路芯片镶嵌在塑料基片中，封装成卡的形式，是继条码卡、磁卡之后推出的新一代识别卡。IC卡芯片具有写入数据和存储数据的功能，IC卡存储器中的内容根据需要可以有条件地供外部读取，或供内部信息处理和判定之用。非接触式IC卡中集成了芯片电路和微功率无线收发电路，有的还含有内置电池。通过此无线收发电路，非接触式卡可以与相应的读写设备进行数据通信。IC