交通信息主要采集技術綜述

交通信息采集技術綜述摘要：智能交通系統(tǒng)的發(fā)展離不開交通采集信息的支持，交通信息采集技術的不斷成熟與革新為交通信息處理和服務提供了豐富的交通數(shù)據(jù)資源?？偨Y目前動態(tài)交通采集信息流行的采集技術及方法；并分析多種采集技術的優(yōu)缺點，為面向交通信息利用的交通信息采集、預處理技術方法提供參考。關鍵詞：交通信息；采集技術；智能交通；檢測技術；綜述TrafficInformationAcquisitionTechnologyOverviewAbstract:Thedevelopmentoftheintelligenttransportationsystemcannotleavethesupportofgatheringinformation,trafficinformationcollectiontechnologymaturesandinnovationfortrafficinformationprocessingandserviceprovidesarichdataresources.Summaryofthecurrentdynamictrafficpopulargatheringinformationacquisitiontechnologyandmethod;Andanalyzestheadvantagesanddisadvantagesofvariousacquisitiontechnology,fortrafficinformationusingthemethodoftrafficinformationcollection,pretreatmenttechnologytoprovidethereference.Keywords:TrafficInformation;AcquisitionTechnology;IntelligentTransportation;DetectionTechnology;Overview引言交通信息是ITS順利實施的重要前提，及時、準確地感知多源的交通信息對于ITS來說是至關重要的。目前，世界上很多大中城市都已經(jīng)具備了實時采集、處理、分析和發(fā)布大規(guī)范道路網(wǎng)絡的交通信息的能力。交通信息采集的必要性主要體現(xiàn)在以下三個方面：1.智能交通系統(tǒng)建設的需要，2.提供交通信息服務的需要，3.交通規(guī)劃的需要。由此可見，交通信息的采集已成為交通管理監(jiān)控活動的重要組成部分。交通信息主要采集技術微波雷達交通信息采集技術1.1.1技術原理微波雷達檢測器可安裝在路中央的半空，也可安裝在路邊。當車輛穿過雷達波覆蓋區(qū)域時，車輛會將雷達波束反射至雷達天線，接收器通過雷達天線接收車輛的信息，包括車速、車流量、車長等數(shù)據(jù)。1.1.2技術介紹常用的微波雷達檢測技術包括微波檢測、紅外檢測、超聲波檢測和激光檢測。微波檢測器是一種工作在微波頻段的雷達探測器，行駛的車輛反射由它發(fā)射的調頻微波，反射波的頻率由于多普勒效應會發(fā)生偏移，根據(jù)這種頻率的偏移可以檢測車流信息。微波檢測器采集系統(tǒng)由微波檢測器、串口數(shù)據(jù)傳輸線、系統(tǒng)軟件和固定支架構成。安裝在支架上的檢測器利用串口數(shù)據(jù)傳輸線與通信設備相連。微波檢測器可以與控制中心的主控機進行通信，檢測器將采集的交通數(shù)據(jù)發(fā)送至主控機，主控機可以對檢測器進行參數(shù)的設定和故障檢測。微波檢測器在惡劣的氣候下性能出色，能夠全天候工作；安裝維護方便；使用壽命長。但是在車輛擁堵以及車輛分布不均的情況下，可能會漏記車輛的通過數(shù)據(jù)，測量精度會降低。紅外檢測器是基于光學原理的車輛檢測器，包括有主動和被動兩種類型。主動紅外檢測器可以發(fā)射有一定能量的紅外線，如果有車輛經(jīng)過，該紅外線會被車輛反射回檢測器。檢測器通過對反射回來的紅外線的能量分析，可以獲得交通量、車速、排隊長度等交通數(shù)據(jù)。主動型紅外檢測器包括一個紅外發(fā)光管和一個接收管。檢測器的紅外發(fā)射管向道路上輻射由調制脈沖發(fā)生器產生的調制脈沖。紅外接收管接收由車輛反射回來的紅外線脈沖，紅外線脈沖被接收后，經(jīng)紅外調解器調解，經(jīng)過選通，放大，整流和濾波后觸發(fā)驅動器輸出一個檢測信號。被動紅外檢測器利用的是車輛本身輻射的能量，它利用一個能量接收傳感器檢測在一定區(qū)域內經(jīng)過的車輛的能量。根據(jù)接收能量的變化，被動紅外檢測器可以獲得交通量，排隊長度等交通數(shù)據(jù)。紅外檢測器安裝和維護較方便，具有快速準確的檢測能力。缺點是受周圍環(huán)境和氣象的影響較大，工作現(xiàn)場的灰塵、冰霧會影響系統(tǒng)的正常工作，檢測精度會降低，誤檢率較高。超聲波檢測器利用車輛形狀對超聲波的影響，對車流量、車速以及道路占有率等交通信息進行采集，超聲波檢測器安裝在道路的正上方或斜上方，它向路面發(fā)射超聲波同時接收被車輛反射的超聲波。超聲波檢測器安裝時架設方便，不需破壞路面，使用壽命長并且可移動；由于超聲波檢測器設置為車道上方檢測時不會受遮擋，同時車間距很小時也能準確檢測車流量，可以實現(xiàn)在路況車輛擁堵時的準確檢測，對于車速的檢測有較高的精度。超聲波檢測器能夠對車型進行精確的識別，這是大多數(shù)其他類型的檢測器所不具備的。但其檢測精度容易受到環(huán)境的影響，超聲波束會因為大風或暴雨而產生漂移，探頭下方通過的人或物也會產生反射波造成誤檢。激光雷達是利用激光技術與雷達技術相結合的檢測器。激光雷達由五部分組成，其中激光器作為發(fā)射機、光學望遠鏡作為天線、光電探測器作為接收機，此外還有跟蹤架及信息處理等部分組成。激光雷達檢測技術不受天氣、車速和交通狀況的影響，具備較強的抗干擾能力，同時其檢測精度非常高。缺點是配套設備價格昂貴。視頻交通信息采集技術1.2.1技術原理視頻檢測器是一種非接觸式檢測技術，它可以實現(xiàn)基于視頻圖像的車輛檢測和車型識別。檢測器先對攝像機采集到的圖像序列進行分析處理，通過一定的目標檢測算法截取出運動目標，然后提取出運動目標的相關信息進行智能識別。該過程的核心是運動目標檢測和相關交通信息提取。1.2.2技術介紹視頻檢測器主要由安裝在路口的攝像機、視頻處理器和數(shù)據(jù)傳輸設備組成。視頻處理器安裝在機柜里，用于接收多臺攝像機傳輸過來的視頻信號，來進行圖像的處理與分析。視頻檢測技術檢測范圍廣，一個攝像機能夠采集幾個車道的交通數(shù)據(jù)，包括交通流量、車速、車型分類、占有率、排隊長度等，以及車輛的外形數(shù)據(jù)等交通參數(shù)，這是其他檢測器所不能提供的。因為視頻檢測器可以提供交通現(xiàn)場的錄像，因此獲取的信息更加直觀和可靠，便于管理人員對交通事件的處理和對交通現(xiàn)場的干預，也為改善交通管理方法提供了依據(jù)。視頻檢測器安裝時無需破壞路面，易于移動，維護費用低。視頻檢測技術的缺點是車輛之間可能會出現(xiàn)遮擋問題；惡劣天氣、晝夜轉換以及燈光等都可能造成檢測誤差。壓力式交通信息采集技術1.3.1技術原理壓力傳感器也稱為壓電傳感器，是由壓電材料制成的。壓電材料是一種經(jīng)特殊加工后能將動能轉化為電能的材料。它在受機械沖擊或震動時會產生電荷，其原理是：受沖擊時，它的原子層的偶極子的排列順序被打亂，此時會有一個電子流形成。偶極子的排列順序被打亂后，會試圖恢復原來的狀態(tài)。同樣，當壓力施加到壓力傳感器，它會產生的電荷，當壓力消除之后，會相應產生相反極性的信號。壓力傳感器的特點是可以產生很高的電壓和較小的電流。1.3.2技術介紹壓力傳感器可以應用在惡劣的自然環(huán)境下，且檢測數(shù)據(jù)的準確率也是各種檢測方式中最高的。但是壓電傳感器由于其工作原理的限制，只能夠測量動態(tài)的應力，不能用于靜態(tài)測量。同時壓力傳感器在安裝或維修過程中需中斷交通，對路面破壞比較大。對安裝過程的技術性要求較高，如果出現(xiàn)錯誤，其可靠性和壽命會受到很大影響。壓力傳感器在被超重的車輛碾壓后也容易被損壞。磁場型交通信息采集技術1.4.1技術原理磁場型交通信息采集技術是利用磁頻技術進行交通信息的檢測。當有機動車通過檢測區(qū)域時，在電磁感應的作用下交通檢測器內的電流會跳躍式上升。當電流超過指定閥值時會觸發(fā)記錄儀對車輛數(shù)及車輛存在的持續(xù)時間進行記錄。1.4.2技術介紹常用的磁頻檢測技術包括感應線圈檢測和磁力檢測。感應線圈檢測器是目前國內外使用最為廣泛的車輛檢測設備。檢測器由埋在路面下的環(huán)形線圈和能夠測量該線圈電感變化的電子設備組成。環(huán)形線圈有一定的工作電流，當有車輛通過線圈或存在于線圈之上時，線圈的電磁感應會發(fā)生相應的變化。檢測器通過對這種變化進行處理而達到檢測目的。感應線圈檢測器可用來檢測車流量、平均車速、車道占有率、平均車長、平均車間距等交通信息。檢測器在當車輛的前沿進入線圈一邊時被觸發(fā)，從而產生信號輸出。當車輛后沿離開線圈另一邊時，檢測器的信號強度低于閥值，輸出電平降為零。車輛實際對環(huán)形線圈作用的長度L稱為車輛有效長度，它約等于車輛長度與線圈長度之和。環(huán)形感應線圈采集系統(tǒng)包括埋于路面下面的環(huán)形線圈、接線盒、傳輸電纜、信號檢測處理單元等。檢測車輛時，將一個或多個環(huán)形線圈按一定的方法埋于路面下，線頭接入接線盒。信號由傳輸電纜送入信號檢測處理單元，該單元負責處理檢測數(shù)據(jù)，并通過通信電纜與控制中心的主控機連接，計算交通參數(shù)。環(huán)形感應線圈采集系統(tǒng)的主控機可發(fā)送信號，設置檢測器的檢測周期等工作參數(shù)，并監(jiān)測檢測器故障。檢測器則將采集的交通數(shù)據(jù)如交通量、占有率等發(fā)送至主控機。環(huán)形線圈檢測器具有下列優(yōu)點：環(huán)形線圈檢測技術的發(fā)展也很成熟，價格也相對合理，安裝成本低。檢測誤差率相對較少。但環(huán)形線圈也存在以下缺點：線圈在安裝或維護時必須直接埋入車道，這樣交通會暫時受到阻礙，安裝施工量大。同時，埋置線圈的切縫軟化了路面，容易使路面受損會造成嚴重安全隱患。環(huán)形線圈的使用效果和壽命受路面質量的影響很大，很容易隨著路面的變形而變形，并且受到路基下沉、冰凍等自然環(huán)境的影響，環(huán)形線圈壽命一般僅為兩年。環(huán)形線圈由于檢測原理的限制，當在擁堵條件下，其檢測精度大幅降低。地磁檢測器的檢測原理是，當鐵質物體通過時會引起地磁場的強度異常，因此通過檢測地磁場的異?？梢耘袛嘬囕v的出現(xiàn)與否。當車輛進入并通過地磁檢測器的探測區(qū)域時，檢測器可以探測到車輛的鐵質材料所造成的地磁場磁力的強度異常。具體的變化過程為：當車輛接近探測區(qū)域時，磁力線受擠壓；當車輛將要通過探測區(qū)域時，磁力線沿中心幅合；當車輛正在通過探測區(qū)域時，磁力線沿中心幅散。地磁檢測器用于交通信息采集時，分為兩軸式磁通門磁力計和磁力探測器兩種類型。兩軸式磁通門磁力計可以探測到地磁場在豎直和水平兩個方向上的磁場強度的變化。檢測器還有3個線圈和一個線圈架，線圈架的磁芯是高導磁芯軟磁材料。利用線圈兩端的電壓，可以檢測到磁場強度的變化，當車輛出現(xiàn)時，線圈兩端的電壓升高，高于一定閥值時，系統(tǒng)記錄車輛信息。地磁探測器可以檢測到磁力線的扭曲情況。地磁探測器包含有一個導磁性材料做成的磁芯和一個線圈。當車輛通過檢測區(qū)域時，磁場強度的變化引起線圈的電壓信號的變化，由此確定車輛通過與否。地磁檢測器對靜止的車輛，沒有探測能力，因此常常與其他設備聯(lián)合使用來獲取交通流數(shù)據(jù)。地磁檢測技術具有極高的靈敏度，安裝維修方便，不必封閉車道，對路面破壞小。檢測點不易被破壞，不受路面移動的影響。地磁檢測器利用地球磁場變化原理，因而不受氣候的影響。可以識別鐵磁性物體的大小，所以可以對車輛的類型進行大致判斷。由于地磁檢測器對非鐵磁性物體沒有反應，因此可有效地減少由此產生的誤檢。地磁檢測器的缺點是車輛靠近時難以分辨，因此它所采集的數(shù)據(jù)也存在誤差。GPS浮動車交通信息采集技術1.5.1技術原理浮動車指安裝有無線定位裝置和無線通信設備的機動車。利用浮動車收集交通信息是一項新興的動態(tài)交通信息采集技術。浮動車信息采集技術的基本原理是：GPS接收裝置以一定的時間間隔記錄車輛的位置坐標、車速和時間數(shù)據(jù)等，車載智能設備獲取GPS的數(shù)據(jù)后，利用通信設備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行??？刂浦行膽玫貓D匹配、路徑推測等相關算法將浮動車數(shù)據(jù)和路網(wǎng)數(shù)據(jù)關聯(lián)起來，得到各路段的交通流量、平均速度和行程時間等交通參數(shù)。浮動車技術的原理是對整個路網(wǎng)的總體車輛的進行情況進行隨機抽樣。如果在路網(wǎng)中的浮動車數(shù)量足夠多，通過無線通訊系統(tǒng)可以將這些浮動車的實時位置、速度等數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⒅行?。信息中心對這些海量數(shù)據(jù)進行分析處理，可以得到城市路網(wǎng)的實時交通信息。1.5.2技術介紹浮動車交通信息采集系統(tǒng)，主要由車載設備、無線通訊網(wǎng)絡和信息中心等組成。車載設備主要包括GPS模塊、無線通信模塊等。GPS模塊接收衛(wèi)星定位信號并運算出車輛的坐標和瞬時速度。無線通信模塊負責將車輛坐標、速度等數(shù)據(jù)傳送到信息中心，并接收信息中心發(fā)送的指令和數(shù)據(jù)。無線通信網(wǎng)絡主要是指通信運營商提供的數(shù)據(jù)傳輸服務。信息中心主要包括基于GIS的交通信息處理系統(tǒng)以及無線通信設備等。車載設備向信息中心發(fā)送的數(shù)據(jù)主要包括：車載終端ID號、經(jīng)緯度坐標、瞬時速度、方向、時間等。交通信息中心對接收到的數(shù)據(jù)先進行預處理，然后結合GIS對交通參數(shù)如交通狀態(tài)、平均速度、行程時間等進行計算得到整個網(wǎng)絡的交通信息。浮動車交通信息采集系統(tǒng)工作流程，主要包括浮動車運行數(shù)據(jù)采集、浮動車異常數(shù)據(jù)處理、地圖數(shù)據(jù)預處理、地圖匹配、行程時間和平均速度估計及預測、交通狀態(tài)判斷等重要功能。浮動車運行數(shù)據(jù)采集：確定合適的浮動車車型、數(shù)量規(guī)模、采集頻率和傳輸頻率等是浮動車運行數(shù)據(jù)采集策略的關鍵，因為這些指標將直接影響到浮動車運行數(shù)據(jù)的覆蓋范圍、旅行時間估計的具體算法和估計精度、系統(tǒng)的實時性和運行成本。浮動車異常數(shù)據(jù)處理：由于各種因素的影響，GPS的原始數(shù)據(jù)可能產生較大誤差，例如：車輛坐標很難匹配到任何一條道路上；坐標信息保持不變，速度卻不等于0等。如果不對異常數(shù)據(jù)進行清理和修正，會導致計算得到的交通參數(shù)質量偏低，因此需要對浮動車的異常數(shù)據(jù)進行處理。地圖數(shù)據(jù)預處理：針對一些重要道路進行地圖修正；對地理坐標系進行轉換，使浮動車坐標數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)所采用的地理坐標系一致；選擇合適的道路網(wǎng)絡的表達方式比如路段劃分等。地圖匹配是指將GPS獲得的車輛定位數(shù)據(jù)與電子地圖中的道路信息進行比較，通過某種算法確定車輛的行駛路段以及具體位置。由于GPS定位數(shù)據(jù)以及數(shù)字地圖的地理數(shù)據(jù)的誤差與精度有限，導致GPS定位數(shù)據(jù)無法全部與路網(wǎng)數(shù)據(jù)相匹配，因此需要利用地圖匹配算法對數(shù)據(jù)進行處理。地圖匹配是浮動車信息采集技術中的關鍵環(huán)節(jié)。平均行程時間和速度的估計與預測：單輛浮動車的行程時間和速度估計；基于單輛浮動車數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析得到路段的平均行程時間和速度估計；路段行程時間和平均速度短期預測。交通狀態(tài)判斷：將路段行程時間和平均速度估計與預測的結果與預先設定的閥值進行比較，確定各個路段的暢通、飽和、擁堵等交通狀態(tài)，用不同顏色在電子地圖上顯示出來并提供給交通管理者和出行者。由于浮動車是流動性的，從整體上來說又是全天候工作的，因此浮動技術能夠采集到24小時的較多路段的交通信息，覆蓋范圍廣，實時性高。近年來，隨著車載GPS、GIS和無線通信技術的廣泛應用，建設浮動車交通信息采集系統(tǒng)所需要的資金成本和時間都因此而大大減少，同時浮動車的數(shù)量越來越多，因此，浮動車交通信息采集技術將得到更為廣泛的應用。總結與展望以上較為全面地綜述了各類交通信息采集技術并對其優(yōu)缺點進行了介紹與分析。作為一個具有較強實用價值的研究領域，交通信息采集技術有著非常光明的發(fā)展前景。未來的交通信息采集技術發(fā)展趨勢有以下兩個方面：(1)以物聯(lián)網(wǎng)為基礎的信息采集系統(tǒng)，是對RFID、GPS、GIS等技術的集成應用和有機整合的平臺上，實現(xiàn)對車輛和路況信息的實時感知。它是物聯(lián)網(wǎng)時代的智能交通的重要組成部分，能夠實現(xiàn)交通信息的全方位采集，為動態(tài)誘導、智能管控等環(huán)節(jié)提供依據(jù)。交通信息的實時感知使路網(wǎng)狀態(tài)仿真和推斷成為可能，從而可以主動預防交通事件的發(fā)生，這是智能化交通管理的深刻變革。(2)傳統(tǒng)的交通傳感器系統(tǒng)雖然能夠提供準確、實時的交通信息，但具有成本高、投資大的缺陷。交通傳感器網(wǎng)絡是一種應用方便且低成本的交通信息采集方式