道路交通流量检测系统设计

绪论 在这个科学技术和世界经济飞速发展的时代，交通系统的空前发达是必然的，也是经济持续发展的基础。交通运输在经济和社会发展中起着举足轻重的作用，随着交通需求急剧增长，交通运输所带来的交通拥堵，交通事故等负面效应也日益突出，逐步成为经济和社会发展中的全球性共同问题。因此为解决交通拥挤组塞，交通事故频发，交通污染严重，能源短缺等世界性问题，上世纪80年代末90年代初出现了智能交通系统ITS。ITS通过对有关交通信息的实时采集、传输和处理，把握当前交通运行状况和预测未来的交通状况，借助多种手段和设备，对各种交通情况进行处理，通过有力的信息交流手段，使用户迅速获知交通信息，从而有效地提高了交通效率和安全，并使交通设施得到充分利用，实现交通运输的集约式发展。它是在较完善的道路设施基础上，将先进的电子技术、信息技术、传感器技术和系统工程设计集成运用于交通运输管理系统。 车辆检测器和车型识别系统即交通信息采集系统是高速公路和城市道路监控系统中不可缺少的基本组成部分，交通信息采集系统的技术水平的高低直接影响到高速公路和城市道路监控系统的整体运行和管理水平。近些年来，智能车路系统的飞速发展已经大大改变量交通控制技术的性质。今天，基于微处理器的信号机控制设备，大范围的车辆识别检测器，光纤通信的公路，强有力的计算机及用于工程模块化的人工智能工具等都成为交通工程师实用且强有力的工具，可以满足智能车辆系统中不断增加的实时控制要求。 本论文研究的目的是在上述的实际需求背景下，根据具体要求，研制出一套道路上行驶车辆的检测与识别系统，能够通过硬件设别将交通场景中的信息通过各种途径以电子信息的形式，可靠准确的采集下来，通过对这些信息一系列的处理和分析，得到交通管理所需要的交通实时信息，是管理能准确到位。还可用于查处违章车辆，记录违章情况。 目前车辆检测技术的发展主要集中以下几个方面。 1、表现在以传感器技术发展为基础，大幅提高检测器的各项性能。 2、表现在以车辆检测器的发展为基础，结合人工智能和先进检测方法等，使车辆检测器朝着系统化、智能化、光电一体化方向发展。 3、最先进的系统和最集中的研究领域是采用视频检测技术的车辆自动识别和高速公路事故测报系统。 综上所述，各种交通通信采集系统的配合运用，以及管线通信技术、计机信息处理系统和人工智能技术的应用，必将使交通控制系统向大范围、全方位、智能化的实时控制方向发展。 第一章：各种中车辆检测器简介 1.1 车辆检测器种类简介 车辆检测器的种类很多，其工作原理主要有三种: 1、检测能使某种开关的触点闭合的机械力； 2、检测因汽车的运动或存在而引起的能量变化； 3、检测摄像机影像范围内的图像变化。 ITS的实时信息采集与处理能力使管理者能够全面地了解交通运行状况，能自如地处理各种道路交通异常情况，其发布信息能力又使管理者及时将决策传达给交通行为者。这里的实时信息采集与处理就是通过车辆检测器来实现的。在道路上设置的车辆检测器可以识别车辆运行状况及障碍物，并通过通讯手段实时地传达给交通管理人员及驾驶员。作为ITS的基本部分，车辆交通信息检测系统在ITS中占有很重要的地位。而车辆检测器作为该系统的最前端，是用来实时采集通过检测点的车辆有关交通信息的设备，主要是通过数据采集和设备监视等方式，向监控系统中的信息处理和信息发布单元提供各种交通参数，作为监控中心分析、判断、发出信息和提出控制方案的主要依据。因此，车辆捡测器及其检测技术水平的高低直接影响到公路交通监控系统的整体运行管理水平。随着我国高速公路的迅速发展，道路上交通量的不断增长，使该设备的应用日趋广泛而且更具有实际意义。为了获得准确的交通流量等信息，在要控制的路段隔一定的间距布设车辆检测器(约500-800m一组)，对重点路段进行事件的自动检测。车辆检测器可检测出车辆平均车速(km/h)、车间距(m)、分类车长(m)、占有率(%)和车辆密度(Cveh/km)等信息并上传至监控中心的监控计算机。 车辆检测器的种类很多，主要有环形线圈检测器、超声波检测器、微波检测器、红外检测器、视频检测器、车辆磁映像检测器等。下面分别对这些车辆检测器的工作原理作一下简单介绍并比较它们的优缺点。 1.1.1 超声波检测器 超声波检测器是波束检测装置的一种。由超声波发射器、接收器和时控电路三部分组成。安装在车道上方的收发式超声探头向下反射超声脉冲。无车时路面发射声波，由安装在同一个探头内的接收器接收，时控电路对发射至接收这段时间计时，作为基础时距。有车通过或存在时，由车辆上界面对声波反射。显然，有车时，发射和反射距离缩短，时距减小，与基础时距的差异即为车辆出现信号。如果将车辆上界面反射的信号强度全部用像素灰度表示，可以得到一张很不清晰的车辆俯视图。沿车辆方向安装两个间距不大的传感器，即可对车速、时间占有率等变量和车长进行检测。 超声波检测器使用中的优缺点为: 优点: 价格便宜，安装方便，维修容易，主要表现为不破坏路面，不封闭车道，不受路面施工和变形影响； 使用寿命长，可以移动，更换检测地点。 缺点： 检测精度低。检测域为锥形，无法适应车型和车辆高度的变化，存在车辆相互遮挡问题。特别是小车紧傍着大车行驶时，往往出现漏检。严重拥挤时，误报率也较大； 抗干扰能力弱。6级以上大风使检测声束产生漂移，无法正常检测。 1.1.2 微波检测器 微波检测器是人们利用成熟的雷达测距、测速和成像技术开发出来的车辆检测器。检测器由三部分组成:微波发射、接收探头及其控制、调制解调器和专用电源。微波检测器向检测区发射小功率以不同中心频率连续调制微波，中心频率大于lOGhz(波长为3cm)，带宽45MHz,进行分区扫描，获得被测物体的发射回波。通常将一个车道划分为一个检测区，配置一台检测器。检测车速时，需要在检测区沿行驶方向细分成几个窄区，并设定窄区间的距离长度，对通过窄区的车辆计时，就可测出车速及其它交通参数。 微波检测器的使用特点为: 优点: 多车道检测时一台检测器可完成多车道交通流的同时监测； 全天候工作能穿透雨滴、浓雾和大雪而不受影响，测速为非多普勒式，安装杆的弯曲度和振动不影响检测质量，因此，大风下能正常工作； 使用方便安装维修不封闭车道，不破坏路面；运行模式由软件决定，便于扩展升级； 漏检率低。厘米波接触大型车车顶边缘时，边缘成为一个副天线，使微波再次发射形成绕射现象，仍可测出紧靠在大车旁的小车。 缺点: 检测精度一般，抗干扰能力不强。 1.1.3 红外检侧器 红外检测的原理为:在相同的红外光辐射下，反射物的大小、材料和结构不同，反射能量就不一样。车体表面反射能量大于路面(如金属和木材的反射率要比混凝土高出一倍)，接收器接收不同的反射能量成为区分车辆和道路的标志。沿车道方向在给定的距离d装两个探头，可检测包括车长在内的交通参数。 优点: 抗干扰能力一般，波长8-14um，能透雨雾;路面温度变化对检测精度无影响； 功率消耗低，交流500MW。 缺点: 穿透浓雾、大雨和大雪的能力很弱，无法在这些气候条件下进行检测。 1.1.4 视频检测器 视频检测器是运用视频图像处理和计算机图像识别技术于近年开发出来的。在需要重点监测的路段，安装一台或多台(如4台)数字式摄像机，将一定范围的交通图像，经过一个图像处理硬件，输入计算机显示器；通过互动控制软件，用鼠标操作在屏幕交通图像上，设定和叠加检测区，其尺寸、数量可随时调校。操作一旦建立，车辆经过检测区，就会产生检测信号，经过分析和处理(软件)，可得到交通流量、平均车速、占有率、车头间距等各种参数。 优点: 功能强大图像直观，软件控制，便于升级，易于增添检测项目；多道检测、使用方便。 缺点: 受环境干扰受恶劣气候影响(雨、雾、雪)，夜间要求为路面提供足够的亮度。不能检测到静止状态的车辆； 检测精度一般，价格高。 1.l.5 车辆磁映像检测器 磁映像检测器利用车辆对地磁场的影响，检测车辆交通参数。它利用低功耗、高灵敏度的强导磁材料，将地磁磁通线集中约束在比较小的空间，当车停驻、慢速接近或通过时，被约束的磁力线发生形变，产生原始信号，经转换、处理后形成一个电压随时间变化的曲线。由于各种车辆车体的金属材料分布不同，对地磁通线产生的变形影响也不一样，所得出的电压-时间曲线形状也不一样，据此，可以区分大货车和小客车、检测车身长度，也为识别车型提供了基础。同时车辆车速的改变，曲线的形状也发生变化。据此可以测得车速。 优点: 安装方便。功能强大的专用软件、支持手提计算机现场处理数据，数据也可存贮传感器内事后处理。 缺点: 要实现车型目标识别，需要有庞大的车形图像数据库和更大容量、运算速度的计算机。 1.1.6 环形线圈车辆检测器 环形线圈车辆检测器根据双线圈检测原理，通过埋设在路面下的环行线圈，车辆经过引起线圈磁场的变化而检测车辆存在和交通参数。环形线圈车辆检测器由三部分组成，包括:线圈、线圈调谐回路、检测回路。对车辆起直接作用的是环形线圈回路的总电感量，其中包括线圈自感和线圈与车辆之间的互感。通过检测当车辆通过线圈或停在线圈上时会引起线圈回路电感量的变化，从而达到检测目的。 环形线圈检测器虽然有其安装不方便的缺憾，但是，由于它具有检测参数精确度高、适应性强、可靠性高、漏检率低、使用寿命长、性能价格比合适等诸多优点，这种检测器仍然是目前用于高速公路控制系统最广泛、效果也较好的一种车辆交通信息检测设备。 目前国际上公认较为成熟且广泛使用的自适应区域交通协调控制系统有SCATS(Sydney coordinatedadaptive traffic system,悉尼协调自适应交通系统), SCOOT(split, cycle and offsetoptimization technique，绿信比、周期和相位差优化技术)，它们使用的车辆检测器均为环形线圈车辆检测器。 1.2 环形线圈车辆检测器产品状况介绍 环形线圈车辆检测器产品状况： 目前国际上比较流行、技术最成熟的车辆检测器为环形线圈车辆检测器。而国内研究和生产的智能交通系统产品的技术和质量上都有待提高。在高速公路车辆检测系统ITS中采用的设备主要是美国和南非的产品。为了打破垄断，使这种设备国产化，研发出性能价格比更具有竞争力的同类产品，不仅具有巨大的经济效益，而且具有更大社会效益。