检测技术在其城市快速路交通流中的应用     DATE: 2019-05-28 08:15

为了达到国家自然科学基金项目《城市快速路系统交通流理论及其应用研究》和高等学校博士点科研基金项目《城市快速路系统通行能力计 算与服务水平评价方法研究》的预期研究目标,基金课题组于2004年5月25日——2004年7月8日对广州、深圳、上海、天津、北京、沈阳和哈尔滨七个 城市的快速路进行每日十二小时交通流数据检测,历时45天,行程1万余公里,获得了城市快速路系统各组成部分的交通流数据,包括快速路不同纵坡的直线路段 和曲线路段、入口匝道、出口匝道、交织区以及立交桥。

交通数据的检测在城市道路建设、公路建设、隧道桥梁建设以及交通流的基础理论研究中占有很重要的位置。它对现代交通科学管理和决策 起到了重要的辅助和量化的作用。本次城市快速路交通流数据的采集几乎用到了所有现代先进的交通流检测技术,包括视频检测技术、磁映像技术、橡胶气压管传感 器技术和远程微波传感器技术。以上各种设备都具有各自的特点和适用条件,组合使用可全面获得各种条件下快速路的交通流数据。

技术优点缺点
微波传感器·在恶劣气候下性能出色·可检测静止的车辆·可以侧向方式检测多车道·直接检测速度·安装条件要求较高·不能对车辆进行准确分型。

视频检测技术·为事故管理提供可视图像·可提供大量交通管理信息·单台摄像机和处理器可检测多车道·安装条件要求较高·大型车辆能遮挡随行的小型车辆·阴影﹑积水反射或昼夜转换可造成检测误差。

磁映像技术·可检测小型车辆,包括自行车·适合在不便安装线圈场合采用·很难分辨纵向过于靠近的车辆·安装费时费力。

橡胶气压管传感器技术·车辆分型准确·能够获得每辆车的车轴信息·同时检测的车道数较少·很难分辨纵向过于靠近的车辆。

1四种检测技术的工作原理
1.1视频检测技术
车辆视频检测技术经过十几年的发展已经相当成熟,与线圈检测技术相比所具有的优越性和高性价比已渐渐得到业内人士的公认,代表了未来车辆检测领域的发展和应用方向。在过去,由于受电子技术的制约,视频检测技术一直没有较大的发展;但近几年随大规模、超大规模集成电路的发展,功能强大的数字处理芯片的面世,视频检测技术也取得了长足的进步,并在很多方面获得突破和应用。

视频车辆检测器是一种基于视频图像分析和计算机视觉技术对路面车辆运行情况进行检测分析的集成系统。它能实时分析输入的交通图像,跟踪图像中的车辆,获得各种交通数据。视频车辆检测器采用摄像机作为视频传感器。摄像机架设在道路的合适位置(道路上方、路中央的隔离带),视频信号经视频线输入视频检 测系统,利用图像工程学(图像处理与机器视觉)的方法,实时监测各个现场的图像,并去除各种环境造成的影响,通过图像分析处理获得所需的各种交通数据,检 测线和检测区可在计算机或监视器的图像画面上自由设置。系统检测到的各种交通数据既可存储在设备本身的大容量非易失存储器中,也可以通过通讯接口 (RS232、RS485、RJ45以太网接口等),将检测数据传输到远端数据中心。
    摄像机可以安装在路面上方、路中间的隔离带上。摄像机的安装高度通常在7-20米之间。通过输入从现场测量的摄像机高度、路面检测 区标定长度等参数对检测器进行校准,现代的视频检测器在校准时也无需其他额外设备,系统自身即可完成。使用者对照显示器或监视器上的现场图像设置好一个个 检测区域(模拟线圈)(见图6),当车辆经过这些模拟线圈时,各种交通数据就被提取出来,检测数据可以实时发送,也可存在设备本身,在合适的时间传送。
 
1.2磁映像技术
车辆磁映像(VehicleMagneticImaging--VMI)技术是美国Nu-metrics公司的专利技术,它利用车 辆对通过地磁场的影响,检测车辆交通参数,其工作原理见图7。它采用低功耗、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,当车辆停驻、慢 速接近或通过时,被约束的磁力线发生变形,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,这些曲线具有如下特点:
 (1)各种车辆车体的铁金属材料分布不同,对地磁通线产生的变形影响不一样,所得出的电压-时间曲线形状也各不相同,各具特色。这一现象可以用来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。
 (2)车辆车速改变,曲线的形状发生变化,而且时间轴的压缩量明显与车速成正比

1.3橡胶气压管传感器技术
橡胶气压管传感器技术采用两个气压管传感器提供信号,精确记录每个车轴的时间标,然后利用交通管理软件对车轴数据进行处理,可获得交通量、车速、车辆类型、车流密度等交通流参数。

该传感器有三种工作模式:无效模式、延迟模式和采集模式。
无效模式是传感器未工作的状态,在此状态下,传感器不记录任何数据,但保留已存入信息。
传感器通过设置可以直接进入数据采集模式,在此模式下,传感器记录车轴通过气压管传感器的信号,并进行一定数量的整理工作。数据采 集起始时间也可以被延时到第10天,在延时期内,传感器处于激活状态,但不记录传感器的信号。传感器不需要停止时间或记录阶段,它只是连续的记录车轴事 件,一直到有上传操作和停止命令时,或者是传感器的数据记录存储已满。
传感器还具有节能特性,如果传感器一周内没有采集到数据时,将自动被切换到无效模式。

1.4远程微波传感器技术
远程微波传感器(RTMS)是一种用于监测交通状况的再现式雷达装置。它可以测量微波投影区域内目标的距离,通过距离来实现对多车道的静止车辆和行驶车辆的检测。
RTMS在微波束发射方向上以2m(7英尺)为一层面分层面探测,RTMS微波束发射角为40°,方位角为15°(见图9)。安装 好以后,它向公路投影形成一个可以分为32个层面的椭圆形波束,这个椭圆的宽度取决于选择的工作方式,并因检测器安装角度和安装距离的不同稍有变化。


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双雷达微波车检器SS-126

RTMS有两种安装设置和多种工作模式。侧向安装时,设备安装在路旁的杆子上,保持微波的投影与车道正交,分层面的波束能够提供相 互独立的八个探测区域,可适应于不同道路状况。被探测车道可以被定义为一个或多个微波层面。波束覆盖区的宽度决定了探测道的长度;正向安装时,设备安装在 龙门架上,其微波束发射方向与车辆行驶方向一致。此种设置,检测器不能区分车道,因此必须通过调节好瞄准角度来使微波投影对应单一的车道。

在进行车辆检测时,RTMS接收到微波投影区域内各种表面的连续不断的回波,如人行道,栅栏,车辆以及树木等。在每一个微波层面内的固定物体回波信号将形成背景阈值,如果回波信号的强度高于微波层面的背景阈值时,则表明有车辆存在。

在RTMS设置时“背景获取”可在30秒内实现,在正常使用时也会经常调节。例如,来自停止车辆的回波信号在30分钟内成为背景,检测将被终止,车道对应的输出开关将被释放。相反的,当车辆离开时,背景阈值会很快降至初始状态,新的背景阈值在30秒内形成。

最强的回波信号来自车辆的垂直表面的反射,水平表面(如车顶)将散射微波,回波信号较弱。

接收到的回波信号的强弱取决于车辆的反射面,实际接收信号是多重反射信号的总和,有时来自各处的信号可能不是同一相位而导致信号会 低于阈值,此时短暂的低电平信号称为零信号。为避免由零信号产生的误判,RTMS对信号处理时引入一个参数“扩展延迟时间(EDT)”,持续时间短于 EDT的零信号将被忽略。

阈值和EDT是两个参数,当操作模式选定后其默认值也就设置了。通过参数设置可以优化检测器的运行。
    
2检测器在城市快速路数据采集中的应用实践
    2.1设备的安装
每种检测设备都有各自的安装条件和安装要求,因此一种设备不可能对快速路系统的各个组成部分都能进行交通流数据采集,只有采用多种检测设备,根据设备本身的安装特点,组合使用,最终实现对整个快速路系统的交通流检测。

1)视频检测系统的现场安装
视频车辆检测器是通过分析摄像机的输出的视频图像获得各种交通流数据,因此,在进行外业观测时,无需携带检测器,而是用摄像机记录 下交通流的视频图像,在进行内业处理时,将检测器连接到摄像机上,并将外业摄像机记录的视频图像重新播放一遍,就可以实现交通流的检测。
尽管摄像机的现场安装相对简单,但是视频检测器要求的视频图像质量较高,并且为了准确获得速度、车头时距等参数,要求摄像机必须正向安装,镜头离地面高度 至少要超过7米,而且摄像机所使用的DV带一盘只能记录1小时,要每小时换一盘带,综合以上因素,摄像机的最佳安装地点是垂直跨越快速路的人行天桥或有人 行道的跨线桥,由于跨越城市快速路的人行天桥相对较少,因此视频检测器在进行城市快速路交通流检测时受到了很大限制,从全国来看,适合采用视频检测器的快 速路系统发达的城市首推北京,其次是深圳,在这两个城市,快速路系统是地面道路,而非高架桥,有大量的人行天桥跨越快速路。

(2)NC-97袖珍交通流量计的现场安装
    相对于视频检测器而言,NC-97袖珍交通流量计(以下简称NC-97)对安装环境要求较低,它可以安装到快速路系统的任何位置, 安装前,应利用手提或台式计算机通过IP-10A接口适配卡和HDM-97软件对流量计进行设置,设置内容包括检测开始和结束时间,记数时间段,车型划 分,速度划分等。安装时,将NC-97置于车道中间,然后将保护壳盖在流量计上面,在保护壳上的8个凹下的圆孔处各放入一个垫圈,用铁锤将水泥钢钉从垫圈 钉入路面,对水泥混凝土路面应钉入1/2英寸深;而沥青路面则应钉入2英寸深。在安装NC-97时要特别注意,NC-97外壳上部铸有一个大箭头,这个箭 头应指向车辆流动方向,应正确安装。假如安装方向相反,它仍旧能统计车辆数量但却不能对车辆进行分类。

(3)MetroCount5600车辆分型统计系统的现场安装
    选择安装位置时,被指定位置的许多因素会影响记录数据结果的质量,当选择检测位置时要考虑以下内容,当一些位置不可避免时,考虑数据质量的负面影响非常重要,安装位置的选择要注意以下几点:
    ①所选择的位置一定使车辆能够匀速的通过气压管,如果可能,要避免选择那些会让车辆加速或减速的位置,如转弯,陡坡,交通灯或十字路口处。
    ②一定要避免选择车辆会停在气压管传感器上的位置。
    ③一定要使车辆垂直通过气压管,避免选择那些会斜向通过气压管的位置。
    ④避免那些由于突然转向或换道而只通过一个气压管的位置。
    ⑤要为路旁单元选择一个安全合适的位置,避免线杆或树木之类的障碍物。
    由于一个传感器最多能测两个车道,所以在使用气压管传感器时,所检测的快速路断面的车道数双向最多不要超过四车道,在有较宽的中央分割带的情况下,可以检测双向八车道。最好的检测条件为双向两车道。

(4)RTMS远程交通微波传感器的现场安装
    RTMS有两种安装模式:侧向安装和正向安装,在对快速路进行交通流检测时,一般应选择侧向安装,这种安装模式可以同时检测双向八车道的流量、速度和车头时距数据。
    侧向安装时,为了使微波束的投影覆盖所有的车道,传感器必须满足一定的后置距离和安装高度,后置距离的设置见表。
    车道数要求最小的后置距离X2型要求最小的后置距离X3型
    英尺米英尺米
    1-310-133-482.5
    4154.5103
    6206123.5
    8257.5134
    8+中间隔离带>30>9154.5
    传感器的安装高度距离路面最少为5米,如果后置距离(检测器距离第一条检测车道的距离)等于或大于6米(20英尺),安装高度可根据后置距离每增加5英尺加高2英尺来估算,安装高于规定的高度并不能增加检测精度或提高检测能力,但是较低的高度可能发生车辆的遮挡。
    为了使RTMS发射的微波束较好地覆盖全部检测车道,应注意以下几点:
    ①从设备的后面看,以其侧面作为视轴的方向。
    ②调节RTMS,使之与车道垂直。
    ③若是1-4车道,则瞄准检测车道的中心。
    ④若是5-8车道,则瞄准检测车道的近点1/3处。
    ⑤保持RTMS两边水平,侧向安装设备
   
 2.2检测数据分析
    在这四种检测器中,视频检测器和RTMS远程微波传感器没有自己的数据分析软件。视频检测系统可准确检测路面各车道的车流量、车 速、车流密度、道路占有率、车辆分类等交通流参数,数据以实时单车信息和统计数据两种文件格式给出,统计数据的最小统计时间间隔为1分钟;RTMS远程微 波传感器可获得流量、平均速度、占有率以及车头时距等交通流数据,这些数据都是统计数据,最小的统计时间间隔为30秒,这两种检测器生成的数据都可以转换 成Excel数据表格,利用Excel进行分析处理。
    MetroCount5600车辆分型统计系统和NC-97袖珍交通流量计系统自身带有数据分析软件,分别是TrafficExecutive交通量管理软件和HDM高速公路数据管理软件。

   (1)TrafficExecutive交通量管理软件
    管理软件在分型检测中检索到数据后,便可以在计算机上回放车轴事件,形成研究需要的各种数据分析形式,并给出各种分析报告和图表, 其中报告包括每周流量统计、每日车辆类型、车速/车型矩阵、带有交通流量峰值分析的流量统计以及所有单个车辆的分析报告,凡是生成的报告都有一个相关文 档,通过更改此文档来更新报告。分析方案中车型、车速、车流方向、时距及其它参数可进行任意组合,形成新的报告。在报告关闭或切换到其它文档之前,与该报 告相关的文档一直处于打开状态;管理软件能以饼图、线图、层叠式条形图、层、条/块、雷达图等图表方式给出车型和车速数据图表、车速/流量图表以及许多时 间曲线。

    (2)HDM高速公路数据管理软件
    HDM软件由NC-97袖珍型流量计导入流量、速度、车型、道路占用率、存在、状况、地面温度、道路湿/干状况和车辆间隔时间等数 据进行处理。从这些存贮的数据当中,以报表的形式给出流量—平均速度报表、流量—平均车头时距报表、车辆分型报表和速度报表,以图形的形式给出车辆分型— 流量关系图、速度—流量关系图、时间—流量关系图以及时间—车头时距图。
图19和图20给出了HDM软件的数据分析结果。
    
3结论
    随着我国经济的持续高速发展,私人小汽车开始进入家庭,机动车保有量快速提升,在一些经济比较发达的大城市已经出现了严重的交通拥 堵。为了提高道路通行能力和缓解城市交通压力,一些大城市纷纷建立起了快速路系统,相对于城市快速路的飞速发展,对城市快速路交通流特性和通行能力的基础 性研究显得相对滞后,缺少适合我国国情的参数、模型及合理的分析体系,哈尔滨工业大学交通研究所课题组承担的国家自然科学基金项目和高等学校博士学科点基 金项目致力于建立一套符合我国交通实况的城市快速路系统交通流特性和通行能力分析体系,分析体系是否能适合分析我国的快速路系统,很大程度上取决于采集的 基础数据的精度和交通流参数的全面程度,以上介绍的四种检测技术代表了目前最先进的交通流检测技术,采集的数据精度高,包括研究所需要各种交通流参数;四 种设备组合使用,可以采集到不同形式的快速路系统各个组成部分的交通流数据。为后续研究提供了全面的、高精度的数据。
 
 

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