基础交通信息采集技术的研究

苏 洁

SU Jie

（天津城市建设学院，天津 300384）

1 基础交通信息采集技术研究

基础交通信息是通过各种手段直接采集到的交通信息，是ATMS各子系统的原始输入数据。对这些数据可以根据不同的需求进行进一步加工，从而得到符合不同需要的更有价值的信息。基础交通信息按照其变化的频率不同可以分成静态交通信息和动态交通信息两大类。由于两类信息的特点不同，静态和动态信息的采集方式也不同。

1.1 静态交通信息采集方案研究

静态交通信息主要包括：城市道路网基础信息（如道路技术等级、长度、收费、立交连接方式等）、城市基础地理信息（如路网分布、功能小区的划分、交叉口的布局、城市基础交通设施信息等）、车辆保有量信息（包括分区域、时间、不同车种车辆保有量信息等）及交通管理信息（如单向行驶、禁止左转、限制进入等）。

因此，静态交通信息通常采用人工调查或仪器测量的方式来获取。比如：城市基础地理信息、城市道路网基础信息等主要通过这些方式采集。为了减少不必要的重复性工作，并且减少数据不一致的可能性，还可以通过与其它系统对接的方式，从其它相关系统得到有关基础信息。

静态信息是相对稳定的，变化的频率很小，并且变化没有规律。因此，静态交通信息不需要实时采集，一般一次性输入，直到数据发生变化的时候才需要修改。

1.2 动态基础交通信息采集方案研究

动态交通信息主要包括：在途车辆及驾驶员的实时信息、交通流状态特征信息、交通紧急事件信息、环境状况信息及交通动态控制管理信息等。

交通信息采集系统是智能交通系统的“感觉器官”，依赖于自动的信息采集与处理就是所谓的智能交通管理，为管理者提供可靠的系统现状数据来实现的，而可靠的原始数据对于整个系统的运行起着至关重要的作用。

动态交通[3]信息种类繁多，不同种类的动态交通信息都具有各自不同的特点。动态交通信息与静态交通信息显著的不同，主要表现在它的实时性，因此，动态交通信息的采集必需是准确的、及时的。那么这些时时变动的交通信息全部采用人工的方式采集是不可能的，一方面，采集速度跟不上，另一方面，人力也不可能全天候地进行采集。所以，选择什么样的检测器进行动态交通信息的采集是一个很重要的问题。

2 动态交通信息检测器性能分析[1]

交通检测器按照安装的特性不同可以分成地埋式检测器和非地埋式检测器。

2.1 地埋式交通检测器

2.1.1 磁力传感器

用于交通参数采集的磁力传感器分两种类型：

一种是两轴式磁通门磁力计，探测由车辆通过地磁场所造成的竖直方向和水平方向上的磁场强度变化。两轴式磁通门磁力计中含有一个初级线圈和两个次级“传感”线圈。它们都安装在以高导磁性软磁材料为磁芯的线圈架上。磁力传感器的电子线路测量次级线圈两端的电压可检测地磁场的磁场强度异常（即获得车辆经过的信号）。车辆检测的依据是：看测得的电压值是否高十预设的闽值。在车辆出现检测模式下，车辆出现造成的电压值被一直保持，直到车辆离开探测区域为止。

另一种是磁力探测器。当车辆（须含有铁质材料）通过其探测区域时，磁力探测器通过检测地磁场的磁力线扭曲情况而感知车辆的通过。磁力探测器中，由导磁性材料做成的磁芯上只缠有一个线圈。与磁通门磁力计类似，磁力探测器也将地磁场强度变化转化为电压信号，通过测量电压信号来检测车辆。大多数磁力探测器不能探测静止的车辆，因为它们需要车辆移动，即被测物体所产生的信号随时间变化。但是，将某些型号的磁力探测器联合使用，并辅以专门的信号处理软件，可测得车辆出现信息。

2.1.2 感应线圈检测器

感应线圈检测器（ILD）坚固耐用，是全球公认的、可全天候精确监控车辆通过与存在状态的可靠的方法，是目前国内外使用最为广泛的车辆检测装置。这种检测器由埋在路面下的线圈和能够测量该线圈电感变化的电子设备组成，对通过线圈或存在于线圈上的车辆引起的电磁感应变化进行处理而达到检测目的。感应线圈检测器可用来检测车辆计数、车辆出现、车速、占有率等检测信息。

ILD具有成熟的技术。随着封装技术和安装技术的进步，ILD的可靠性已有显著的提高。但ILD系统的应用仍受低可靠性如拉紧盒中接线不良；缠绕导线不当造成的干扰及线圈的不规范封装等的影响。如果线圈安装在路况不好或经常被开挖路面的公路上，上述因素的影响会更显著。

2.1.3 道路管检测器[2]

道路管检测器与交通流方向垂直安装，通常作为短期的交通量计数、通过车轴数和车轴距离进行的车辆分类、交通规划及交通研究的数据采集装置。某些型号还能为车辆间隙、交叉口停车延误、停车标志延误、饱和流率、点速度及行程时间（当计数器和车辆信号发射传感器联用时）的计算提供数据。

道路管检测器将橡皮管放置在路面上，当车辆驶过橡皮管时，橡皮管发出气压脉冲信号。这个气压脉冲信号使压力起动开关闭合，向计数器或分析软件发出一个电信号。道路管检测器是便携式的检测器，使用铅酸电池等可充电电池作为能源。

2.1.4 压电传感器

压电材料在受机械冲击或振动时产生电荷。主要应用于计轴数、测轴距、车辆分类统计、车速检测、泊车区域监控、闯红灯拍照、动态称重（WIM）、交通信息采集和统计、收费站地磅。

压电材料是一种经特殊加工后能将动能转化为电能的材料。一些聚合体材料，例如共聚物P（VDF－TrFE）使这一特性有了很大提高。压电传感器由金属编织芯线，压电材料和金属外壳制成同轴结构。在制造过程中，将压电材料置于一个强电场中极化，数量级为每一毫米厚的压电材料大约为105V。无护套电缆的电晕场也采用这种电场。极化场使非结晶聚合体变成半晶体的形式。同时又保留了许多聚合体的柔韧特性。

2.2 非地埋式交通检测器

2.2.1 超声波检测器

超声波传感器发射超出人的听觉范围的频率为25—50kHz的声压波。大多数超声波传感器发射脉冲波，可提供车辆计数、出现及道路占有率等交通信息。超声波传感器的探测区域由超声波发射器的波幅决定，通过测量由路面或车辆表面反射的脉冲超声波的波形，可确定由传感器到路面或车辆表面的距离。传感器接收的声信号转换为电信号，由信号处理单元进行分析处理。

恒定频率超声波传感器利用多普勒效应测量车速，但其造价要高于脉冲超声波传感器。恒定频率超声波传感器采用高架安装，以45°角正对驶来的车流。它有两个转换器：一个用于发射超声波，另一个用于接收超声波，检测接收超声波的频率变化以确定车辆是否通过。恒定频率超声波传感器内的电子系统可产生脉冲宽度（脉冲持续时间）与被测车辆速度成正比的内部脉冲信号，经一系列计算可确定车速。

由超声波传感器反射的脉冲能量波以已知且较小的角度被分为两束，测量车辆通过这两束波的时间即可确定车速。这种测距式，脉冲超声波传感器的最佳安装位置是高架安装俯视车流或路旁安装侧视车流。

实施自动脉冲重复周期控制可减少多重反射脉冲波的影响并能提高探测高速车辆的能力。在接收到路面反射的脉冲波后立刻反射下一个脉冲波，使脉冲重复周期尽可能地短。较长的脉冲重复周期会降低高速公路上高速车辆占有率测量的效果，因为此时由传感器反射和接收的脉冲数相对车辆数太少。传感器还设有保持时间（hold time），Th（不同的厂家从115毫秒到10秒不等）以提高车辆出现的监测效果。温度变化及强烈的气流扰动会影响超声波传感器的性能。因此，许多型号内设有温度补偿装置。

2.2.2 微波雷达检测器

微波雷达检测器工作原理：当车辆从雷达波覆盖区域穿过时，雷达波束由车辆反射回雷达天线，然后进入接收器，通过接收器完成车辆监测并计算出流量、速度及车身长度等交通数据。

微波雷达传感器可安装在单车道道路的正对路中央的半空中以测量驶来或离去车流的交通参数；还可在多车道道路的路边安装以测量多条车道上车辆的交通参数。

2.2.3 视频图像检测器

基于视频图像处理的交通检测技术比其它检测技术能收集更多和更全面的交通数据。视频检测处理技术通过闭路电视和数字化技术分析交通数据。其基本原理是在很短的时间间隔内，由半导体电荷耦合器件（CCD）摄像机连续摄得两幅图像，而这种图像本身就是数字图像，很容易对两幅图像的全部或部分区域进行比较，若差异超过一定的阈值则说明有运动车辆。

视频检测技术能够采集的数据很广，一个摄像机能够采集几个车道的交通数据，使得检测交通动态行为和各种空间交通数据成为可能，包括交通流量、车型分类、占有率、车速、排队长度等，还可获得车辆的外形三维数据及车辆的轴数、轴距和车辆组成等交通参数，这是以前传统的车辆检测器所不能做到的。除此之外，视频检测能提供辅助信息，如路肩交通、停车交通、车辆换道、速度差异和其它方向的交通拥堵。

2.2.4 噪声检测器

噪声检测器探测来自车辆内部和车辆轮胎与地面接触的声音，可测量车辆通过、车辆出现及车速等交通参数。当车辆通过探测区域时，信号处理算法感知到声音能量的提高，并产生车辆出现信号。当车辆驶离探测区域时，声音能量减少，低于检测器的检测阈值时，车辆出现信号消失。

3 结论

基础交通信息采集系统是ATMS的信息输入部分，如何确保基础交通信息能够及时、准确并且经济地采集并输入，对于ATMS实现系统功能是至关重要的。本章主要研究了信息采集的几个相关问题，对传统的静态、动态交通信息采集方式进行了系统的研究，为ATMS信息采集系统的设计与实施提供了有价值的参考。

[1]Lawrence A.Klein.Sensor Technology and Data Requirements for ITS.Boston-London：Artech House，2001.

[2]Luz Elena Y.Mimbela ＆Lawrence A.Klein，Summary of Vehicle Detection and Surveillance Technologies Used in Intelligent Transportation Systems，Federal Highway Administration’s Intelligent Transportation Systems Joint Program Office，November 30，2000 4-1—4-2，4-7—4-11.

[3]张晓东.动态交通流信息采集系统若干问题研究.长春：吉林大学，2004.