公路网传感设备故障分类研究

邹鹏飞，高 利

(北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081)

近10年来，我国的高速公路得到突破性的发展，与公路运输基础设施的飞速发展形成鲜明对比的是，我国公路运输的管理水平还远远跟不上交通基础设施的发展水平.随着智能交通系统(intelligent transportation systems，ITS)的兴起与发展，通过建立并逐渐完善智能交通系统已成为解决高速公路上述问题的主要手段.

智能交通技术是指将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术、计算机处理技术等应用于交通运输行业从而形成的一种信息化、智能化、社会化的新型运输系统，通过对交通信息的实时采集、传输和处理，借助各种科技手段和设备，对各种交通情况进行协调和处理，建立起一种实时、准确、高效的综合运输管理体系，从而使交通设施得以充分利用，提高交通效率和安全，最终使交通运输服务和管理智能化，实现交通运输的集约式发展［1］.

公路网传感设备就是智能交通系统感知节点中的各种传感器，是构成智能交通系统的基础元件.当传感设备出现故障时，采集到的数据将不能真实反应道路上的交通情况，不仅不能保证对道路管理措施的正确实施，还有可能因为数据的失真而采取的错误管理措施使实际道路上的交通状况变坏.只有保证公路网传感设备采集到的各类信息的准确性，才能使智能交通系统正常的运行并服务于管理部门，并最终为道路使用者服务.

1 公路网传感设备的分类

根据我国现行公路网传感设备的分布及监测对象，可将现存的公路网传感设备大致分为以下三大类:

1)基础设施状态传感设备 路基路面、桥涵、隧道、交通工程及沿线设施等运行状态监测设备，其主要传感器包括应变计、应力计、光栅传感器、光纤传感器等.

2)交通运行状态传感设备 交通流、交通信息采集、交通监控、车辆管理等传感设备，主要包括微波车辆检测器、视频车辆检测器、环形线圈检测器、超声波检测器、雷达测速检测器、交通事件检测器等.

3)交通环境状态传感设备 雨、雪、雾等天气状况和冰冻等交通气象环境传感设备和路面状况传感设备，主要包括温度传感器、湿度传感器、能见度传感器、风速风向传感器、路面状态传感器等.

1.1 基础设施状态传感设备

对公路网基础设备的监测主要包括对桥涵、隧道、交通工程及沿线设施等运行状态监测，其中应用最多的传感设备是桥梁应力应变计和光纤光栅传感器.

1.1.1 应力应变计

现有的应力应变设备有线应变仪、箔应变仪、半导体应变仪等.随着变形会发生电阻值变化的应变片按规定方向贴在试件表面，由于试件表面应变造成应变片的电阻值变化.人们用高灵敏度检流计测出电阻值的变化，并用此推得应变值的变化.应变仪广泛应用于材料的力学性能检测中.

振弦式应变计适用于长期埋设在混凝土结构的梁、柱、桩基、支撑、挡土墙、水工建筑物、衬砌、墩与底脚、桥梁、隧道衬砌及其基岩中监测其应力与应变，加装配套附件可测量表面应变量，通过多个传感设备对测量表面应变量的变化实行对大坝、桥梁等的监测.

1.1.2 光纤光栅传感器

光纤光栅传感器(fiber grating sensor)属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格(Bragg)波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器.

光纤光栅传感器可实现对温度、应变等物理量的直接测量.由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感，即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分.因此，解决交叉敏感问题，实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提.通过一定的技术来测定应力和温度变化来实现对温度和应力区分测量.这些技术的基本原理都是利用2根或者2段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器，通过确定2个光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数，利用2个二元一次方程解出温度与应变.

1.2 交通运行状态传感设备

对公路网交通运行监测的内容包括对公路网上车辆的监测、对交通时间的监测.因此可将交通运行状态传感设备进一步划分为车辆监测设备和交通事件监测设备.

1.2.1 车辆监测设备

在当前交通运行状态信息的检测设备中，最广泛应用的是感知交通流量、车速、道路占有率、车间距、车辆类型等运行状态信息的车辆检测器.目前国内外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，主要包括线圈检测器、视频检测器、微波检测器、激光检测器、声波检测器、超声波检测器、磁力检测器和红外线检测器等.我国幅员辽阔、路网规模大、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.表1列出了目前国内外常用的车辆检测技术的工作原理、环境适应性及优缺点.

如微波车辆检测器采用雷达技术实时监测和定位指定区域内的车辆及各种交通数据，通过发射调制的微波信号，处理回波信号，可检测出8个车道的车流量、车道占有率、车长流量、平均车速等交通流信息.同时可对采集到的实时现场数据进行分析处理，得到实时有效的道路交通基本信息及交通流参数，如车流量、车型、车速等，还可将这些信息传输到智能交通控制平台，等待进一步的信息发布等处理，以实现对道路交通的更好的控制.

检测器由微波发射器、接收探头及其控制器、调制解调器及电源三大模块组成.微波发射器可安装于路灯杆上或专用的柱子上，安装高度应大于5 m，微波波束俯仰角应为40°～50°，作用距离3～60 m，为仰视安装.也可安装于车道上方龙门架上，为前视安装.安装于同一柱子上的调制解调器通过接线盒与接收探头相连，将处理过的信号调制后传输给接收单元.

微波车辆检测器用于车速检测时，需要在车道上车辆行驶方向上安装几个检测器，并记下检测器间的距离，车辆通过不同检测器间的计时即可计算出车速信息.微波车辆检测器可用于高速公路的检测、城市交通的检测，城市交通信号控制和区域交通时间报警等不同应用情况.检测器沿车道横向布置时成为监视检测，可同时得出多个车道的交通流实时信息.在城市道路的十字交叉口可采用多个检测器对4个道口的车辆进行检测，效果良好［2］.

表1 车辆检测技术的优缺点

1.2.2 交通事件监测设备

目前交通事件检测主要是通过对公路外场布设的视频监控设备(摄像机)采集的视频图像的分析及处理，实现交通运行过程中车辆停驶、交通拥堵、车辆减速、车辆超速、车辆低速、车辆逆行、车辆排队长度超过阈值、行人、遗撒遗弃物、烟雾和火灾等交通事件的自动辨识和检测，亦可及时检测监控区域发生的交通事件、采集交通数据、辅助进行交通控制等.

实际使用的视频传感系统包括硬件和软件系统.硬件系统主要包括路边图像传感器及数据处理设计的硬件模块;图像传感器是视频传感系统的基础，它的任务是完成视频图像的获取.对于不同的使用目的，图像传感器应满足不同的要求.对用于车辆捕获的视频传感系统，图像传感器的高分辨率、高图像质量及高对比度是最重要的，同时要求较高的帧率，以满足对单个车辆的特征识别和高速行驶车辆的捕捉，较高的低照度响应和灵敏度及适合的镜头场景也是需要满足的条件

目前固体图像传感器(charge coupled device，CCD)是使用较为普遍的图像传感器，CMOS图像传感器的应用也逐渐得到重视.CCD按光谱响应范围可分为可见光 CCD、红外 CCD、紫外 CCD、微光CCD、X射线CCD;按颜色可分为黑白CCD和彩色CCD.CCD的工作过程可分为光电转换、电荷存储及电荷转移3个步骤，它的输出信号的产生不需要外加扫描电子束，通过自扫描半导体诸像素获得，特点为:失真度小、抗电磁干扰能力强，图形无扭折、耗电低等［3］.

1.3 交通环境状态传感设备

交通环境状态传感设备主要包括雨、雪、雾等天气状况和冰冻等传感设备，主要传感设备包括:温度传感器、湿度传感器、能见度传感器、风速风向传感器、路面状态传感器等，其中集成温度、湿度、能见度、风速风向和路面状态传感器的交通气象检测器是其中最为重要的“感知”设备.目前公路监控系统用气象检测器通常由能见度检测器、路面状况检测器、温湿度检测器、风力风向检测器和雨量检测器等组成.下面介绍几种比较常见的公路网用环境状态传感设备.

1.3.1 能见度检测器

目前在世界上普遍使用的能见度观测仪包括透射式和散射式2种.散射仪根据散射角度的不同又可分为3种:前向散射仪、后向散射仪及总散射仪.前向散射仪凭借其体积小、性价比高的优点而得到广泛应用，目前高速公路上使用的大部分均为前向散射仪型能见度检测设备.透射仪因占地范围大，需要基线，不适用于海岸台站、灯塔自动气象站及船舶上，但其具有自检能力，低能见度下性能好等优点而适用于民航系统;散射仪以其体积小和低廉的价格而广泛应用于码头、航空、高速公路等系统.透射仪是一种通过测量大气透明度来计算能见度的仪器，芬兰Vaisala公司的MITRAS透射仪是国际上机场气象自动观测系统中用得较多的一种能见度仪器.透射仪测量的是衰减系数，而散射仪则直接测量来自1个小的采样容积的散射光强［4］.

依据JT/T 714—2008《道路交通气象环境 能见度检测器》，道路能见度检测器由基本部件和扩展部件组成.其中能见度检测器的基本部件主要包括发射器、接收器、电源部件、控制处理器和机架;扩展部件主要用于提升能见度检测器的性能或功能，包括校准装置、信道适配控制器、加热器和恒温器，这些扩展部件可根据要求有选择性地增加其中的一种或几种.

1.3.2 风速风向检测器

风速风向检测器即是进行道路沿线风速、风向参数检测的设备.目前常用的风速风向检测器可分为:三杯式风检测器、螺旋桨式联合风向风速检测器、超声波风检测器3类.

其中超声波风检测器的工作原理是，当在平静的空气中，声波的传播速度被在风方向上的空气流动所改变.如果风向和声波的传播方向相同，就会提高声波的传播速度，反之则会减小声波的速度.在一个固定的测量路径中，在不同的风速和风向上叠加而成的声波传播速度会导致不同的声波传播时间.二维超声波风传感器由4个超声波收发器组成，分为彼此垂直的2对.当开始测量时，在测量路径的4个方向上进行8组单独的测量，就可在形成的矩形区域中获得风速的矢量值和风向的角度.

1.3.3 CO/VI检测设备

CO/VI检测设备主要用于隧道的监控，用于检测隧道中的CO浓度以及能见度，部分功能与前述的能见度检测设备相似.由于隧道是一种特殊的管状构造物.洞内的烟/粉/灰尘及汽车尾气的排放，如不及时合理的排放出去，将直接影响到能见度，使驾驶带来危险.汽车尾气中的一氧化碳达到一定浓度后也将带来危险.

CO/VI测量仪中的CO浓度检测依据的原理是:CO能吸收红外线能量，其吸收光谱集中在波长4.7 μm.但是由于空气中的其他气体也会吸收红外线能量，简单的测出发射光强和接收光强来计算CO浓度必然会因为其他气体成分的变化使得CO测值发生偏移，因此必需将气体相关滤波技术应用到测量仪中来解决这个问题.而能见度VI的检测原理则是:空气中悬浮的微小颗粒使穿过空气的光线发生散射，从而使其亮度减弱.测量用的可见光线从一个脉冲LED上产生，经镜头投射到反射端的反光镜上.发射接收端有2个传感器，一个在可见光发射器内，测量发射光脉冲的亮度，另一个在可见光探测器内，测量反射回的光脉冲的亮度.来自2个传感器的信号的比率就是测量的透射率.内部微处理器随后经过计算即可得出能见度系数［5］.

1.3.4 超速检测设备

超速检测设备主要针对高速公路上车辆超速行驶进行检测的，超速抓拍系统是针对高速公路上车辆超速行驶进行监控的设备.一整套的违章超速抓拍系统包括了前端图像抓拍识别子系统、数据传输子系统、收费站卡口执法处理子系统、路段警务信息中心子系统4部分组成.其中的前段图像抓拍识别子系统就属于超速检测设备中的一类.前端抓拍识别子系统完成车辆车速检测、抓拍、识别、存储、传输等功能，是整个超速抓拍系统的基础.主要设备包括车辆检测和测速装置、采集控制设备、智能补光设备以及前端识别管理设备［6］.

系统通过对待定地点路面的速度与图像监控，利用多普勒频率变化技术来测量移动车辆的速度，当运动目标超过先塑胶值时，系统接收到雷达检测触发信号，通过摄像机对超速车辆进行近、远景图片拍摄，然后经过数据采集系统将图像送到工控机进行图像信号处理，从而得到违法目标的清晰图像，同时可生成违法图像和速度信息数据库，并根据实际要求生成违法处罚通知单，提供交管部份作为执法依据.

2 公路网传感设备的故障分类

通过对某市某高速公路的公路网传感设备情况进行实地考察，并结合对现场工作人员的问卷调查，对现存公路网传感设备常见故障进行汇总，具体的故障类型如表2所示.

通过对上述城市高速公路路段技术员针对公路网传感设备的常见故障综合调查表的反馈情况，利用决策理论的模型方法，进行深入分析，得出公路网传感设备的主要的故障类别及其特征如图1所示.

从图1可大致看出，故障率出现较高的是传感器组件故障，主板内部线路故障，网络连接错误等主要故障和主板元件故障，电源故障，采集软件错误，传输线路故障等其他一些故障.这些故障类型及其特征将为以后对公路网传感设备故障诊断提供极大的支持.

表2 公路网传感设备的常见故障

图1 公路网传感设备常见故障综合调查

3 传感设备故障的诊断方法

经过多年的发展，故障诊断技术的研究与应用取得了长足的进步.实际系统可能发生的故障是各种各样的，研究故障诊断问题需要对故障做适当分类，并且这种分类可从多个不同的方面进行.根据现存应用的传感设备诊断技术，可将传感设备故障诊断方法分为硬件冗余诊断法、基于数学模型的诊断法和基于信号处理的诊断法.

3.1 硬件冗余诊断法

硬件冗余诊断法对容易失效的传感器进行冗余备份，一般采用2个、3个或者4个相同传感器来测量同一个被测量，通过冗余传感器的输出量进行相互比较以验证整个系统输出的一致性［7］.一般情况下，该方法采用2个冗余传感器可诊断有无传感器故障，采用3个或者3个以上冗余传感器可以分离发生故障的传感器.其主要结构如图2所示.

具体而言，若4只同类型传感器的输出信息分别为 t1、t2、t3、t4，而 ci为各传感器自身的转换系数，x为同一被测对象，则4只传感器的信息输出为

图2 硬件冗余诊断法结构

由以上描述可发现硬件冗余法具有原理简单、不依赖系统的数学模型、检测速度快等优点，但由于需要3只以上的同类型传感器测量同一测点，其所需设备多，使得成本和维护费用高.

3.2 基于数学模型的诊断法

基于数学模型的诊断法要建立适当的数学模型来表征测量系统的特性，通过比较模型输出与实际输出之间的差异来判断是否有传感器故障［8］.主要是参数估计诊断法:故障致使模型参数发生变化，通过估计系统的状态，并结合数学模型进行故障诊断，通过参数的估计值与正常值之间的偏差情况来判断传感器是否发生故障.

该方法的特点是解析关系可用软件实现，非常方便.但各种冗余分析法的一个共同特点是都需要建立系统的数学模型，它对模型的可靠性和精度有很高的要求，而这在复杂系统中并不总能得到.

3.3 基于信号处理的诊断法

当难以建立诊断对象的解析数学模型时，基于信号处理的方法是非常有用的，因为这种方法回避了抽取对象的数学模型的难点，而直接利用信号模型，如相关函数、高阶统计量、频谱和自回归滑动平均过程，以及现在热门的小波分析技术.这类方法是根据系统的输入输出信号进行故障的诊断.常用的方法包括直接信号比较法、基于小波变换的方法及输出信号处理法.

其中直接信号比较法，在正常情况下，传感器测量值在一定范围内变动:

如果连续3、4次超过这个范围，则表明该传感器发生故障或将要发生故障.故又称这种故障检测的方法为限制值检验法.另外，还可结合测量值的速率变化是否满足来判别故障发生与否.此方法对于阈值选择不当时，也会造成该方法的误报或者漏报.

4 结论

1)根据我国现行公路网传感设备的分布及监测对象，将公路网传感设备分为基础设施状态传感设备、交通运行状态传感设备和交通环境状态传感设备三大类.

2)通过对某市某高速公路的公路网传感设备情况进行实地考察，并结合对现场工作人员的问卷调查，从系统的角度得出公路网传感设备常见故障类型，故障率出现较高的是传感器组件故障、主板内部线路故障、网络连接错误、主板元件故障、电源故障、采集软件错误、传输线路故障等.

3)依据上述公路网传感设备分类和常见故障，可用于公路网传感设备故障诊断的方法有硬件冗余诊断法、基于数学模型的诊断法和基于信号处理的诊断法等.

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