STI車輛掃描系統(tǒng)在智能交通領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著中國(guó)公路建設(shè)的迅速發(fā)展和公路網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)大, 車輛檢測(cè)設(shè)備被越來越廣泛的使用， 作為智能交通系統(tǒng)的重要組成部分和基礎(chǔ)單元，其性能的穩(wěn)定可靠性、輸出數(shù)據(jù)的精確性、接口兼容性都直接影響到上一層的數(shù)據(jù)甚至整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣。環(huán)形感應(yīng)檢測(cè)線圈是過去使用最為廣泛的車輛檢測(cè)器，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、成本低廉，但安裝時(shí)需破壞路面，容易損壞，難以分辨過于靠近的車輛，不能準(zhǔn)確分辨半掛車和拖掛車，而且其輸出數(shù)據(jù)單一，難以符合系統(tǒng)對(duì)車輛綜合數(shù)據(jù)采集的要求。 今天，越來越多新的傳感技術(shù)如紅外光電技術(shù)、微波技術(shù)、視頻技術(shù)、超聲波技術(shù)等被應(yīng)用在車輛檢測(cè)領(lǐng)域，這些新技術(shù)可以提供更為豐富的交通數(shù)據(jù)，更高的可靠性和更長(zhǎng)的使用壽命，本文就紅外線車輛檢測(cè)器的技術(shù)和應(yīng)用做出詳細(xì)的探討。 系統(tǒng)原理與配置 紅外線車輛檢測(cè)器的原理是通過線性排列的紅外光發(fā)射和接收來實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的同步掃描，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛數(shù)據(jù)的綜合檢測(cè)，與其它檢測(cè)技術(shù)相比，紅外線車輛檢測(cè)器產(chǎn)品技術(shù)成熟，安裝簡(jiǎn)便，高速響應(yīng)，抗干擾性強(qiáng)，可輸出豐富的車輛數(shù)據(jù)信息，能可靠檢測(cè)各種特殊車輛。 自1978年開始，美國(guó)科學(xué)技術(shù)公司（STI）就與北美智能交通領(lǐng)域的系統(tǒng)集成商合作，開發(fā)了適合公路交通行業(yè)的紅外線車輛掃描系統(tǒng)以滿足特殊的使用要求，至今，STI紅外線車輛掃描系統(tǒng)已有超過6000套被應(yīng)用在世界各地的智能交通系統(tǒng)中，其主要用于：一般公路收費(fèi)站、不停車收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）、自動(dòng)車輛分類系統(tǒng)、公路計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)、固定式超限檢測(cè)站。 一套完整的紅外車輛分離器包括： 發(fā)射器和接收器：發(fā)射器內(nèi)置線性排列的高能量發(fā)光元件，接收器內(nèi)置與發(fā)射器數(shù)量相同的接收元件，發(fā)射器和接受器的對(duì)應(yīng)光電元件依次按順序同步觸發(fā)，檢測(cè)光路是否導(dǎo)通，當(dāng)汽車通過掃描區(qū)域時(shí)，部分或全部光束被遮擋，因而被檢測(cè)出。 控制單元：讀取并處理發(fā)射器/接收器的同步掃描信號(hào)，同時(shí)檢測(cè)光幕工作狀態(tài)，提供多種輸出信號(hào)，如：繼電器輸出、串口輸出、模擬量輸出。 電纜線：連接發(fā)射器/接收器與控制器的接插電纜，一般長(zhǎng)度為10-15m. 防護(hù)外罩：為不銹鋼或冷扎鋼板噴塑材料，為分離器提供防護(hù)，內(nèi)置電加熱玻璃、溫度控制器、濕度控制器，在濕度過高、溫度過低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加熱，以保證車輛分離器在潮濕地區(qū)、雨雪天氣、寒冷季節(jié)可靠使用。 在計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)或超限檢測(cè)系統(tǒng)上的應(yīng)用 計(jì)重收費(fèi)作為長(zhǎng)效治理公路超限的有效經(jīng)濟(jì)手段,體現(xiàn)了公平收費(fèi)的原則,是目前全國(guó)各地正在普遍采用的治超方式，公路計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)主要由以下四個(gè)子系統(tǒng)組成: 動(dòng)態(tài)軸重衡器: 是一種低速動(dòng)態(tài)汽車衡器,對(duì)車輛的各軸或軸組進(jìn)行稱重計(jì)量,并確定車輛總重量. 輪胎識(shí)別器:由一組壓力傳感器來檢測(cè)單邊的輪胎個(gè)數(shù),當(dāng)車輛輪胎壓過時(shí),將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為輪胎數(shù)量信號(hào). 紅外車輛分離器:通過紅外光的同步掃描來提供車輛的開始和結(jié)束信號(hào),保證稱重?cái)?shù)據(jù)和車輛之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系. 中央處理系統(tǒng): 集中處理各種傳感器信號(hào)、處理數(shù)據(jù)，將有關(guān)信息傳輸給上位收費(fèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 作為公路計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)或超限檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，STI紅外線車輛分離器提供準(zhǔn)確的車輛分離信號(hào)，可靠檢測(cè)脫車的掛鉤，同時(shí)能夠不受飛鳥、昆蟲或石塊的干擾，專用的防護(hù)外罩保護(hù)紅外線車輛分離器不受撞擊并能夠自動(dòng)加熱窗口玻璃，從而自動(dòng)清除凝露、結(jié)霜，系統(tǒng)可自動(dòng)檢測(cè)并屏蔽有問題的光束，并輸出報(bào)警信號(hào)。根據(jù)目前中國(guó)交通行業(yè)的使用經(jīng)驗(yàn)，檢測(cè)高度一般1200mm左右，檢測(cè)分辨率為30mm左右，一般使用開關(guān)量輸出信號(hào)，有些使用串口數(shù)據(jù)輸出。 根據(jù)科學(xué)技術(shù)公司(STI)紅外線車輛分離器在世界各地收費(fèi)系統(tǒng)和中國(guó)公路動(dòng)態(tài)稱重領(lǐng)域的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn), 推薦使用以下車輛分離器參數(shù)配置: 檢測(cè)高度: 1220 mm 光束間距 22mm 掃描時(shí)間: 3.4ms 最小檢測(cè)物體尺寸 30mm 掃描檢測(cè)模式 同步逐行高速掃描 串口輸出: RS485 協(xié)議(用戶選擇)，19,200 波特率. 輸出1: 車輛檢測(cè)輸出，NPN，150mA 30VDC最大 輸出2 故障報(bào)警輸出，NPN，150mA 30VDC最大 電源要求 24 VDC + 20% 電纜 標(biāo)準(zhǔn)接插件電纜15m，防電磁干擾屏蔽線 抗光干擾性能 4,0000LUX 干擾光 + 5度入射角. 溫度范圍: -40 ℃ 到+ 70℃ 防護(hù)等級(jí) NEMA 4, 12, IP 65. 在自動(dòng)車型分類系統(tǒng)（AVC）的應(yīng)用 車型分類的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到公路通行費(fèi)的征收是否公平合理，最初的車輛類型比較簡(jiǎn)單，全部由收費(fèi)員人工完成，今天公路收費(fèi)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到能夠自動(dòng)判別車輛類型。在美國(guó)，車輛軸數(shù)是重要的車型判別要素，而在歐洲，車輛分類的要素已經(jīng)是車輛的物理尺寸。 自動(dòng)車輛分類就是通過檢測(cè)車輛的各種物理特性并根據(jù)這些信息對(duì)車輛自動(dòng)分類，要達(dá)到準(zhǔn)確的車輛自動(dòng)分類，一般需要采集以下車輛物理信息： 車輛長(zhǎng)度 車輛高度輪廓 車輛軸數(shù)及其位置 是否有掛鉤及其位置 過去的車輛分類系統(tǒng)完全基于軸數(shù)判別，使用環(huán)形感應(yīng)線圈作為車輛分離檢測(cè)，用輪軸傳感器采集車軸數(shù)量信息，這類系統(tǒng)在實(shí)際使用中產(chǎn)生了很多問題，環(huán)形線圈用于交通管理是可靠的，但作為收費(fèi)上的車型判別其可靠性則不能滿足要求，系統(tǒng)不能提供車輛長(zhǎng)度和高度信息，還不能判別車輛是否有拖掛，反而經(jīng)常將拖掛車判定為兩輛車，近年來，新的傳感技術(shù)提供了新的自動(dòng)車輛分類的途徑。 在美國(guó)，智能交通行業(yè)的系統(tǒng)集成商使用以下車輛檢測(cè)單元來組成完整的自動(dòng)車型分類系統(tǒng)： 紅外線車輛掃描系統(tǒng) 雷達(dá)測(cè)速儀 輪軸識(shí)別器 AVC處理器 通過以上各檢測(cè)單元和AVC處理器,可得到以下車輛數(shù)據(jù)信息: 車輛長(zhǎng)度 車輛高度輪廓. 車輛軸數(shù)極其位置 掛鉤是否存在及其位置. 這里所描述的自動(dòng)車輛分類系統(tǒng)實(shí)際上是通過圖像識(shí)別運(yùn)算法則來將車輛準(zhǔn)確地分類，自動(dòng)車輛分分類系統(tǒng)將車輛長(zhǎng)度信息、車軸數(shù)量和間距信息、車輛高度距陣信息形成綜合的圖像，將該圖像與預(yù)先設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)車輛的準(zhǔn)確分類， 一輛車的實(shí)際輪廓如下圖所示。 STI的紅外線車輛掃描系統(tǒng)提供了車輛輪廓掃描的解決方案，并提供車輛分離信號(hào)，同時(shí)還能夠檢測(cè)掛鉤是否存在及其位置，由于光學(xué)產(chǎn)品的高速響應(yīng)，當(dāng)車速低于100公里/小時(shí)，系統(tǒng)可對(duì)車輛間距0.3米車輛實(shí)現(xiàn)可靠的分離檢測(cè)并抓取車輛輪廓數(shù)據(jù)，當(dāng)車速低于200公里/小時(shí)，對(duì)車輛間距0.6米的車輛實(shí)現(xiàn)可靠的分離檢測(cè)并抓取輪廓數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可自動(dòng)分類超過100種車型，車輛自動(dòng)分類的準(zhǔn)確率超過99%。 產(chǎn)品選型注意事項(xiàng) 1．用環(huán)境因素： 中國(guó)幅員遼闊，南北東西氣候差異很大，作為一種野外安裝使用的產(chǎn)品，對(duì)惡劣氣候條件的免疫性是極其重要的，所選產(chǎn)品要能夠在雨、霧、雪等氣候條件下可靠工作，耐高溫和低溫，抗環(huán)境光的干擾，對(duì)雷電、電磁干擾、振動(dòng)和沖擊都要有很好的免疫性能，這是最重要的也是基本的要求，一般的工業(yè)用光幕，其工作溫度、抗環(huán)境光干擾、防護(hù)等級(jí)都與野外使用要求完全不同，在選型時(shí)，一定要注意區(qū)分。 美國(guó)STI紅外線車輛分離器使用環(huán)境溫度為–40℃—+70℃，最大允許相對(duì)濕度95%（50℃時(shí)），防護(hù)等級(jí)為IP65，可抗40000LUX光干擾，該產(chǎn)品被成功應(yīng)用在寒帶地區(qū)如加拿大和中國(guó)東北，熱帶地區(qū)東南亞、中國(guó)廣西、四川、南非和阿根廷。 2．工作距離和過量增益（EG） 一般而言，車輛分離器在計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)中安裝距離為4米左右，但客戶在選型時(shí)應(yīng)盡可能選擇工作距離遠(yuǎn)的產(chǎn)品，這是為了保證過多灰塵累積、霧汽和雨雪情況下，產(chǎn)品仍然有足夠的穿透能力,實(shí)現(xiàn)可靠檢測(cè)。 過量增益（EG）是評(píng)價(jià)傳感器工作可靠性的重要指標(biāo)，它表示接收器接收的光能量能否能使傳感器動(dòng)作，也表示使傳感器產(chǎn)生動(dòng)作所需要最小的光強(qiáng)度。其計(jì)算公式如下： 接收器實(shí)際接收的光強(qiáng)度/ 使接收器產(chǎn)生輸出門檻值 過量增益與檢測(cè)距離的關(guān)系是一定的，在一定距離時(shí)，過量增益值越大，則表示光幕的穿透能力越強(qiáng)，而在環(huán)境因素和距離不變的情況下，要增加EG值，則只有增加發(fā)射器的能量。STI紅外線車輛分離器采用高能量發(fā)射管, 最大工作距離為24.4米(EG=1),在4.8米安裝距離并保證光路對(duì)準(zhǔn)時(shí)，過量增益（EG）達(dá)到25倍，可以保證車輛分離器在凝霜結(jié)露、雨雪和灰塵情況下仍可靠工作。 3. 非車輛信號(hào)干擾: 野外安裝使用時(shí)，石塊、飛鳥、昆蟲、冰雹都可能觸發(fā)光幕，使其產(chǎn)生輸出，而專業(yè)的車輛分離器則不受這些因素的干擾，并能夠可靠檢測(cè)拖車的掛鉤，STI紅外線車輛分離器可以通過軟件和串口設(shè)置觸發(fā)輸出開啟的尺寸，如設(shè)置為大于10束光被同時(shí)遮擋時(shí)，系統(tǒng)才認(rèn)為是車輛信號(hào)，輸出啟動(dòng)，只有當(dāng)所有的光束全部導(dǎo)通時(shí)，才提供車輛收尾信號(hào)。 4．智能化的報(bào)警功能： 由于在公路安裝的特殊性, 汽車尾氣、泥漿和過多灰塵的累積、昆蟲的停留等都有可能對(duì)發(fā)射器和接收器窗口造成光路阻斷，從而造成系統(tǒng)不能正常分車，在早期安裝在江蘇、河南的現(xiàn)場(chǎng)，這類問題尤其突出，這類問題實(shí)際對(duì)車輛分離器的診斷和報(bào)警功能提出了要求，STI紅外線車輛分離器具備診斷和報(bào)警功能，當(dāng)玻璃上有昆蟲停留、泥漿飛濺或過多灰塵時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)探測(cè)出是否有某一束或幾束光束被長(zhǎng)時(shí)間非正常阻斷，一旦發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)可以自動(dòng)忽略這些有問題的光束，并保持正常分車功能，同時(shí)產(chǎn)生報(bào)警輸出，提醒工作人員盡快消除報(bào)警來源，當(dāng)報(bào)警原因解除，系統(tǒng)報(bào)警會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，整過過程中，都不會(huì)對(duì)車輛分離功能造成影響。 通過隨機(jī)軟件包和簡(jiǎn)單的串口指令，可以進(jìn)行報(bào)警的參數(shù)設(shè)置，某一束或幾束光束被屏蔽之前需要診斷多少次，每次診斷的時(shí)間間隔，最多允許被自動(dòng)屏蔽的光束數(shù)量都可以設(shè)置。 5．使用防護(hù)外罩的重要性： 基于公路行業(yè)使用的特殊性，車輛分離器需要