一、引言

获得交通状况信息在道路网络中的分布情况 ,可以确定道路网络密度是否能够满足现在和未来的交通需求 ,解决交通设施的供给与需求的矛盾 ,使道路网络布局合理化。道路交通流信息 (包括交通流量、车速、行程时间、车道占有率以及车流密度等参数 )是制定道路发展规划 ,安排道路养护经费规划和养护生产作业的主要依据 ,也是向交通城建规划与环保以及公安交通管理部门提供改善、优化道路交通的实际参考资料和数据。因此 ,实时准确地检测道路车辆的交通流信息并预测未来道路交通状况 ,进而将预测信息提供给交通控制中心 ,这样 ,就能够有效地诱导交通避免交通阻塞 ,减少出行时间和交通事故的发生。并且 ,交通数据检测在交通控制系统中也是十分重要的 ,精确和可靠的检测数据是在交通控制中进行合理的信号配时优化的基础;而实时准确地对交通流预测 ,即有效地利用实时的交通数据预测未来的交通状况 ,是实现有效的交通控制和交通诱导的关键所在。基于此 ,本文综述了目前国内外比较典型的车辆检测技术 ,阐述了各车辆检测传感器器的特点和车辆检测技术的发展趋势 ,希望对我国车辆检测传感器的研制和应用有所裨益。

1、固定式车辆检测传感器

（1）感应线圈检测器

感应线圈检测器是交通中应用最广泛的检测传感器。其主要构成包括:埋于路面以下较浅处的绝缘线圈、 路边拉紧盒到控制箱的数据输入线以及装于控制箱内的电子元件。其中 ,绝缘线圈是感应线圈检测器中振荡电路的电磁感应部分。 其工作原理是：当汽车停在或驶过绝缘线圈 ,车辆的金属部分产生涡流电流 ,且电流方向与线圈电流的方向相反 ,因此 ,引起涡流电流产生的磁场与线圈电流产生的磁场方向相反 ,使得线圈磁场场强减小 ,而线圈磁场场强的减小使得振荡电路的振荡频率增加 ,从而引发电子元件向控制箱发出脉冲 ,以表征车辆的出现和经过。感应线圈检测器能提供车辆经过、 车辆出现、 车辆计数及车道占有率等交通流信息。由于感应线圈的特点 ,单个的感应线圈不能直接测量车速 ,但是 ,可以通过以下 2种方法来实现:一种是采用双感应线圈直接测量车速;另一种是通过测量有效线圈长度、 平均车辆长度、 车辆经过线圈所有的时间及经过车辆的数目来大致计算车速。另外 ,通过采用新技术的电子元件还可以支持车辆分类的测量 ,即线圈通过电子元件的高频励磁 ,分辨车辆底部特殊的金属元件 ,从而实现车辆分类。感应线圈检测器是一种非常容易设置和安装的检测装置 ,主要应用在道口收费、 交通控制、 停车场及车辆计数等方面。

（2）、超声波检测传感器

超声波检测器是波束检测装置的一种。波束检测装置有多种形式 ,一般都由波束发生器、 接收器和时控电路组成。前两者为换能器 ,产生电— 声或电磁波的正逆变换;时控电路对发生器和接收器进行调谐控制 ,使发生器每隔一定的时间间隔产生并发射出一束波;同时 ,又可在发射的间隙接反射回来的信号 ,即传感器集发射和接收功能于一身。当然 ,也可以分成 2个器件 ,安装于两处。其工作原理是:由于超声波传感器的检测区域由超声波发射器的波幅决定 ,因此 ,利用超声波传感器发射脉冲波 ,通过测量由路面或车辆表面发射的脉冲超声波的波形 ,可确定从传感器到路面或车辆表面的距离;同时 ,因路上有车和路上无车时的传感器所测信号有差别 ,可借此确定车辆的出现;传感器再利用接收的声信号转换为电信号 ,通过信号处理模块进行分析和处理 ,就可以得出车辆数量、 车速以及车道占有率等交通流参数。超声波检测传感器中对自动脉冲重复周期进行控制是非常重要的 ,因为其可减少多重反射脉冲波的影响 ,并能提高检测高速车辆的能力。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缩短 ,较长的脉冲重复周期会降低高速公路上高速行驶车辆占有率的测量效果 ,这样 ,使得由传感器反射和接收到的脉冲数可以真正反映车辆数。

（3）、微波检测传感器

微波车辆检测传感器的工作原理是:通过对路面发射微波 ,同时接收物体反射回来的信号 ,经过相应的预处理 ,即放大、 滤波后得到含有交通流信息频率段的信息 ,由 A /D进行模数转换 ,相应的单片机或 DSP处理器对转换后的数字信息进行相关的分析处理运算 ,处理后的结果再通过内部的通信接口发送回系统终端。大多数用于车辆检测的微波传感器以 X波段反射信号 ,通过分析微波车辆检测传感器接收的波形 ,可获得车辆出现、 车辆经过、 流量、 占有率、 车速及车辆长度等信息。波速宽度 ,即其所能覆盖的区域决定于天线的尺寸和开口孔径。当车辆从该传感器覆盖区域穿过时 ,波束由车辆反射回传感器天线 ,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流数据。微波车辆检测传感器一般安装在单车道道路中央的上方来测量过往车流的交通参数;也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。前视型宽波束范围的该类传感器可采集多条车道上的一个交通流方向的交通参数;而前视型窄波束范围的该类传感器可采集单车道上一个交通流方向的交通流参数。安装在路旁的多检测区域的微波检测传感器 ,其检测区域垂直于交通流方向。这种微波检测传感器可提供多条车道交通流的交通参数 ,但其准确性要低于同种情况下前视型微波传感器。而安装在路旁的单检测区域的微波传感器一般被用来检测信号交叉口的单车道或多车道的车辆出现。微波传感器通过分析接收的反射波形可获取各种交通参数。

（4）、红外线检测传感器

红外线检测传感器是波束检测装置的一种 ,有主动式和被动式 ,都可以用于交通管理。主动式红外检测器利用在红外线波长范围附近工作的激光二极管 ,发射低能红外线照射检测区域 ,并经过车辆的反射或散射返回传感器;若使用可调发光二极管的主动式红外线检测器可测量车速和进入高速公路曲线形交叉的高大货车的高度 ,主要是因为发光二极管在 880 nm的红外线波长范围附近工作 ,其信号调节装置可防止其他红外线的干扰 ,这样 ,通过2个发射— 接收系统用于测量车速 ,有 1个发射— 接收系统用于测量车辆高度。被动式红外线检测传感器本身不发射红外线 ,而是接收来自 2个来源的红外线:传感器检测范围内的车辆、 路面及其他物体自身发出的红外线和它们反射的来自太阳的红外线。主动式红外线检测器:其功能与微波雷达检测器相似 ,通过红外线的发射、 反射与接收来提供车流中的各种参数 ,如 ,流量、 车道占有率、 车速、 车辆长度和车辆排队长度及车辆分类。可在一个交叉口上安装多个红外线检测器 ,而不存在发射红外线和接收红外线间的相互干扰。为适应车辆分类的需要 ,许多先进的红外线检测器能自动生成二维或三维的监视图像。被动式红外线检测器:能提供车辆通过和存在的数据 ,但没有速度数据。其实质为使用探测器来测量物体发出的红外线能量。当车辆进入它的检测范围 ,它测量的地表能量就发生变化。使用这种检测器的交通监管应用的典型距离大约是 6 . 1m,在这个距离内大气的组成要素不会造成检测器明显的性能下降。

（5）、视频检测传感器

视频检测传感器通过分析交通场景的图像来确定连续画面之间的变化 ,以达到检测车辆的目的。黑白图像的图像处理算法主要是检测画面像素的灰度变化 ,目前 ,这些图像处理算法已经可以去除由天气条件等造成的图像背景的灰度变化 ,从而由连续画面过滤而得的信息可计算出交通流参数。另一方面 ,通过彩色图像也可以来获得交通流数据。由彩色图像传递的信息可在以下情况下提高视频图像处理的识别能力:恶劣天气条件下、 摄像机安装情况不理想、 在有阴影的情况下 ,识别车辆、 单个车辆和一组车辆的特征。然而 ,基于彩色图像的视频处理器的检测范围和灵敏度有所下降 ,从而影响了它的广泛采用。

二、移动式车辆检测传感器

移动式车辆检测技术是 20世纪 90年代后逐步引起重视的交通参数检测技术。移动检测技术主要包含浮动车和探测车两类。两者的区别在于前者是专业部门用专门的车辆在特定的路段上测量花费的时间和距离 ,而后者是普通驾车出行者 ,与交通部门没有隶属关系。探测车采集技术是运用移动车辆检测道路上固定标识物或利用无线定位技术来确定交通参数的方法 ,这种类型的检测器并不是固定在道路网络中的 ,而是安装在运行的车辆上。这种信息采集方法的最大优点是“ 线检测 ” ,可以获得整个道路网络任一路段的区间交通流数据 ,也可以获取点位置的交通流状况 ,被认为是未来实时交通信息采集技术的主要手段之一。移动检测技术根据其具体检测手段的不同又可以分为:牌照法、 GPS定位采集法、 Beacon定位采集法、 车辆自动识别法等。交通信息的移动检测技术同样可以获取多种交通流参数 ,有些是直接测量 ,有些是间接测量 ,有些种类检测器不能测量瞬时车速。基于 GPS的移动检测技术具有良好的性能 ,可以获取基于路段的交通流参数信息 ,特别是能检测瞬时车速 ,对于高速路上交通事件以及拥堵状态的自动检测都是很有价值的。国外已经有多个成功的探测车系统 ,如 ,英国 ITIS Holdings Plc公司运营着的由 13万辆商用车构成的探测车系统 ,日本名古屋市 21个出租公司 1 570辆出租车构成的探测车系统等。这些成功的应用进一步证明了探测车交通信息采集系统具有覆盖面广(各个等级的道路 )、 投资省、 采集数据多样、 准确等优于传统固定检测方法的突出特点 ,成为传统检测方法非常必要的补充。

三、 车辆检测传感器的联合使用

当前 ,大部分的交通控制系统大多采用的是单一的车辆检测传感器来采集交通流信息 ,这就引出几个问题: 1)如果该车辆检测传感器发生故障 ,势必造成整个交通采集系统在该段采集数据的瘫痪; 2)不同的车辆检测传感器因其各自的工作原理、 特点决定其只是在某些条件下可以较好地采集数据 ,而超出其他的测试条件 ,该检测传感器将无法采集准确数据 ,有时甚至是采集错误数据; 3)传统的车辆检测传感器都具有“ 点检测 ” 的特点 ,没法对整个路段进行检测; 4)由于车辆检测传感器是在不断的采集数据 ,如果这些数据不作任何处理直接汇聚于交通控制中心 ,那么 ,这些数据永远是数据 ,而没法成为有用的信息。基于以上的分析 ,本文作者认为 ,车辆检测传感器的发展趋势是传统固定的“ 点检测 ” 与新近出现的“ 线检测 ” 车辆检测传感器进行联合检测 ,并在前端对联合检测的数据进行融合处理 ,这样 ,交通控制中心获得的信息才会真正有价值 ,其分析的结果才会成为交通诱导、 交通控制以及交通规划等有力依据。比如:被动式红外线技术和超声波技术的联合使用 ,可提供精确度更高的车辆出现及车辆排队监测 ,进行车辆计数及高度、 距离的识别。

四、结束语

本文对当前典型的车辆检测传感器作了系统的阐述 ,对各种车辆检测传感器的工作原理、 特点一一作了论述 ,提出了传统的“ 点检测 ” 车辆检测传感器与新出现“ 线检测 ” 的车辆检测传感器进行联合检测 ,并对检测数据融合后 ,再进行交通诱导、 交通控制以及交通规划的方法 ,希望能对我国车辆检测传感器的研制和应用提供有益的参考。