SCATS信号机使用地磁检测器的解决方案

石英华



SCATS信号机使用地磁检测器的解决方案

石英华

摘 要：根据SCATS信号控制系统对环形线圈检测器占有时间输出特性，通过对地磁检测器的占有时间输出进行等效处理，可使地磁检测器的输出特性与环形线圈的输出相同或趋近，同时为方便使用，使地磁检测器的输出接口具有模拟线圈输出功能，使得其与SCATS系统连接时等同于使用环形线圈，可方便替代线圈使用。其处理方法对于其它类型车辆检测器在SCATS系统中替代环形线圈使用具有参考意义。

关键词：检测线圈；地磁检测器；输出特性；输出接口

0 引言

上海应用的SCATS（Sydney Coordinated Adaptive Traffic System）自适应交通控制系统，能够根据布设在路口进口车道上的车辆检测器测量交通参数，经实时处理后生成相应的信号控制方案，使路口红绿灯信号时间根据车流量的变化而实时调整，提高路口车辆的通行效率。因此，接入车辆检测器是SCATS系统实现交通信号自适应控制的必需条件。

SCATS系统的控制方案是基于利用环形线圈检测器测量得到的车辆占有时间参数计算而成，但是其控制器也保留有使用其它检测器所需的扩展接口，使得其它类型的车辆检测器也可接入该系统中使用。本文所述在SCATS信号机中使用地磁检测器时，通过对测量结果进行等效处理，使地磁检测器的输出特性与环形线圈的输出相同或趋近，同时为方便使用，使地磁检测器的输出具有模拟线圈输出功能，使得与SCATS系统的接口与原环形线圈相同，可方便替代线圈使用。其处理方法对于其它类型车辆检测器在SCATS系统中替代环形线圈使用也具有参考意义。

1 环形线圈检测器的占有时间输出特性

SCATS系统使用的环形线圈检测器输出形式为存在型检测，即在车辆进入线圈时开始输出占有状态，车辆离开线圈时结束占有输出。输出时间对应车辆在环形线圈上的占有时间，而车流量计数值就是车辆通过线圈时占有状态输出的次数，如图1所示：

图中，车辆长度为Lv，线圈长度为Lp，如果把线圈等效为车道中的一个点，则车辆通过线圈的占有时间 T1可等效为长度（Lv+Lp）的车辆以相同速度通过一点时的时间，后续分析中，如果地磁检测器的输出占有时间等同于此，则2者的占有状态输出结果将相同，如图1所示：

图1 环形线圈检测器占有时间输出

2 地磁检测器的占有时间输出特性

地磁检测器使用磁传感器检测车辆通过时地球磁场的变化来测量车辆的存在和通过，其传感器电路通常密封在结构尺寸大约为直径10cm左右的圆柱体内，使用时埋设安装在车道中央，磁感应的作用范围是以检测器为中心、半径0.5m左右的半球形区域，与环形线圈的输出相比，相当于是一个1m长度的线圈。

地磁检测器由内部微处理器对磁感应信号处理并得到测量结果，通过无线发射机把测量输出发送到路口接收主机中。对磁感应信号的处理，除测量车辆的占有时间外，还可获得被测车辆的特征信息，通过对车辆特征信息处理可计算车辆的长度参数。

与环形线圈类似，地磁检测器占有时间输出 T2 等效为长度（Lv+1）的车辆以相同速度通过一点的时间。如图2所示：

图2 地磁检测器占有时间输出

3 地磁检测器与环形线圈检测器输出占有时间的异同

对比地磁检测器和环形线圈的占有时间输出特性可知，两者对流量检测的结果输出是相同的，即车辆通过检测器时对应一次车流量的计数输出；不同之处是对同一车辆测量的占有时间输出可能不同，这是由2种检测器的作用范围不同造成的。

在以上分析中，如果车长为Lv，环形线圈的长度为Lp，地磁检测器的作用范围为Lm，以车辆通过一点时为参考，则环形线圈测量车辆占有时间对应的长度为 L1=Lv+Lp，地磁检测器测量占有时间对应的长度为 L2=Lv+Lm，2种检测器占有时间对应检测长度的差值为 ⊿L= L1-L2 =Lp-Lm。

通常情况下，地磁检测器的作用范围比环形线圈小，如果在地磁检测器占有时间输出中能够增加 ⊿L 长度对应的占有时间输出，则2种检测器的占有状态结果输出趋于相同或相近。通过对地磁检测器的输出做延时增益处理，适当延长占有时间，可达到相同时间输出。

4 地磁检测器占有时间的增益处理

为使地磁检测器与环形线圈检测器占有时间输出相同，在地磁检测器中对车辆检测数据分析处理时，可利用根据参数计算，判断车辆类型得到的车辆长度信息做延时输出处理。车辆通过地磁检测器后，测量得到占有时间T1，同时经检测器分析计算，得到车辆长度Lv，则单位长度对应地磁检测器输出的占有时间T0为，T0 =T1/（ Lv+Lm）。在以上分析中，地磁检测和环形线圈检测占有时间输出相差⊿T时间，只要延长输出⊿L对应长度的占有时间，则可达到与长度为Lp的线圈等效的占有时间输出。延长时间输出后，等效占有时间输出为

T=T1+T0 x⊿L =T1+T0 x（Lp-Lm）=T1+ T1/（ Lv+Lm）x（Lp-Lm）。

5 地磁检测器占有时间输出校准

实际使用时，可对地磁检测器与环形线圈的输出做对比测试，即在同一车道布设环形线圈和地磁检测器，分别记录同一车辆通过时的输出占有时间值，获得地磁检测器等效处理后的输出与环形线圈检测器输出之间的差值⊿t=t1-t2进行修正，使输出结果更接近环形线圈的输出。如图所示。

以上分析处理方法对于其它类型检测器在SCATS系统中应用具有参考作用。如图3所示：

图3 地磁检测器占有时间输出的校准

6 地磁检测器输出与信号机的接口

使用环形线圈检测器时，SCATS信号机中的线圈检测电路是根据线圈电感量的变化判断车辆有无，在不改变信号机配置的前提下，通过设计输出接口，可使地磁检测器的输出模拟线圈输出，直接使用线圈接线端与信号机相连。

图4a是信号机使用环形线圈时的接线示意图，图4b是地磁检测器模拟线圈输出接口示意图。

使用环形线圈检测时，相对于信号机线圈检测电路输入端，线圈相当于一个可变电感。无车时，电感量为一固定值，有车在环形线圈上时，线圈电感量会减小，通过电感量的变化，即判断车辆的存在和通过。

把地磁检测器的输出端设计成可变电感输出，则可以模拟环形线圈的输出特性，直接与信号机线圈检测电路相连。如图4所示：

图4 b 是地磁检测器模拟线圈输出接口示意图

在模拟线圈输出接口中，使用大小2个电感串联，其中小电感用电子开关控制，无车时开关断开，对于信号机线圈检测电路的输入端等效为一个固定电感（L1+L2），等同于环形线圈无车时状态。当需要输出有车状态时，小电感开关k闭合，原有的输出电感值将减小为L1，等效为有车状态。根据环形线圈有车无车时的实际变化量，模拟线圈接口中的电感变化量设计成5%～10%即可满足使用要求。

7 地磁检测器在SCATS信号机使用时的设备组成

地磁检测器在使用SCATS系统使用时，包含数据接收处理主机、数据接口转换单元。地磁检测器埋设于测量车道的中央，测量机动车通过传感器时地球磁场的变化，判断车辆的存在和通过。当检测到车辆通过后，由地磁检测器中的无线数据发射机把测量数据发送到路边的数据接收处理主机，再传送到交通信号机箱中，通过数据接口转换单元与信号机中的车辆检测器连接。系统组成框图如图5所示：

图5 交通信号机无线车辆检测器系统组成示意图

实际应用时，每个路口使用一套数据接收处理主机及数据接口转换单元，但在大路口使用时，可能需增加接收机接力转发数据。

8 地磁检测器检测数据的输出转换

地磁检测器检测结果输出过程，由数字到模拟线圈输出转换过程如图6所示：

图6 地磁检测器测量结果输出

9 地磁检测器在大路口的使用

使用地磁检测器时，基本配置包括与车道数量相同的检测传感器、一个接收处理主机、一个接口转换单元。在大路口使用时，为提高数据接收效果，需配置数据接力转发器，配置数量参考如下：

1）4个方向都是不超过2车道的路口，使用基本配置。

2）4个方向都是3车道及超过3车道的路口时，在基本配置中可增加1个数据转发器，使每个方向的无线数据都能有效接收，如图7所示：

图7 大路口使用时可增加中继接收机

使用时，路口可安装的无线检测传感器数量不受限制，且任何大小的路口都可使用无线检测器。

10 地磁检测器设备及现场安装

实际使用时，地磁检测器、接收主机及转换单元设备安装现场照片如图8-图10所示：

图8 接收主机设备安装全景照片

图9 地磁检测器路面安装照片

图10 接口转换单元在SCATS信号机箱中的安装照片

11 总结

通过SCATS信号机中使用地磁检测器时对测量结果进行等效处理，操作方便，其处理方法对各类车辆检测器在SCATS系统中替代环形线圈的使用具有参考作用。

参考文献

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Solution to SCATS Signal M achine Using Geomagnetic Vehicle Detector

Shi Yinghua
（Traffic Police of The Shanghai Police Bureau， Pudong Branch， Shanghai 201135， China）

Abstract:This paper presents a solution to replace the detecting loop w ith the geomagnetic vehicle detector. Based on the output characteristic of the loop‘s occupation time in Shanghai traffic control system， the solution treats the geomagnetic detector w ith the equivalent treatment， makes the output as the same or be similar to the loop‘s characteristic. And the both detectors have the same output interface of the solution， so then can be interchanged easily. The solution has the guiding meaning to use the other dectectors. Key words: Detecting Loop； Geomagnetic Vehicle Detector； Output Characteristic； Output Interface

中图分类号：TP311

文献标志码：A

文章编号：1007-757X（2016）05-0077-04

作者简介：石英华（1982-），上海市公安局浦东分局交通警察支队，同济大学交通运输工程学院，硕士，研究方向：智能交通，上海，201135