智能車輛檢測系統規劃和設計研究——以無錫市為例

陸嘉成，吳仁良，孫 琦

(1.無錫市政設計研究院有限公司，江蘇無錫 214072；2.無錫市公安局交通巡邏警察支隊，江蘇無錫 214121)

0 引言

隨著我國城市化進程的加快和機動化水平的提高，城市交通問題也越來越顯現和突出。針對城市交通問題，以往的解決思路不過是簡單的修路架橋，通過增加交通供給的方式來滿足需求。然而機動車的保有量不斷上升，但城市建設需要一定的時間周期，且城市規模也不可能無限制擴大，大力發展智能交通，合理分配和調節路網流量就成了必然選擇。

在智能交通系統中，車輛檢測系統是最基礎的，也是最重要的子系統之一。目前，車輛檢測系統的可采用的技術較多，本文擬在參考國內外相關研究和實踐的基礎上，就車輛檢測系統的多種技術進行分析和比選，提出一種較為合理的工程解決方案。在車輛檢測系統的規劃和設計上，本文結合無錫市的城市發展和路網實際，分別確定了交叉口和路段的車輛檢測系統設置原則和具體要求，為相關工程提供參考和借鑒。

1 車輛檢測系統的功能與應用

車輛檢測系統，又稱交通信息采集系統，是指利用電磁傳感技術、超聲傳感技術、雷達探測技術、視頻檢測技術、計算機技術和通信技術等高新科學技術，對車輛的流量、速度、車道占有率、時間占有率和長度等交通參數進行統計和分析，并上傳給中央控制系統，以滿足交通控制系統的需要。

1.1 與其他智能交通子系統的關系

智能交通系統(IntelligentTransportationSystem，簡稱ITS)可分為交通信息服務系統（ATIS）和交通管理系統（ATMS），其中交通管理系統又包含了交通信號控制系統、視頻監控系統、違法抓拍系統、車輛檢測系統、公共交通優先系統和交通誘導系統等。

其中，車輛檢測系統是ITS的關鍵子系統，是發展ITS的基礎，成為交通智能化的前提，無論是交通控制還是交通管理系統，都涉及交通動態信息的采集，交通動態信息采集也就成為交通智能化的首要任務。

1.2 交通規劃支持功能

在進行交通系統規劃過程中的每個階段，都需要有和該階段相對應的各種各樣的基礎數據。在制定交通規劃時，為分析交通現狀和存在的問題，建立交通需求預測模型并預測交通需求，分析交通的供求平衡以及交通供求關系的發展趨勢，通常要進行大規模的交通調查，這一部分工作在制定交通規劃的過程中占有相當大的比重。對規劃對象區域的交通需求特性、交通系統及其關聯設施以及道路交通流特性進行調查，為交通規劃提供可靠的依據，是制定科學合理的交通規劃的基本前提和極其重要的環節。因此，進行合理而有效的交通調查，是交通規劃中的重要課題之一，也是規劃成敗的關鍵。

以前常用的交通調查方法都是以人工統計為主。由于人工統計需要大量的樣本數據，不僅耗費大量的人力物力，同時統計結果的精確性也無法得到保障。車輛檢測系統可以通過記錄車輛的行駛軌跡，因此可以得到出行的OD信息，這些信息數量巨大，同時也比較準確。系統建成后可以隨時向交通規劃者提供有關路網交通流和交通需求的數據（當前的和歷史的），并提供實現路網交通規劃計算、評估以及仿真的有效手段，從而得到路網交通流分配的優化策略，為交通規劃和基礎設施布設提供很好的數據支撐。

1.3 交通控制的功能

交通信號控制方式可以分為定時式信號控制和感應式信號控制兩種。定時式信號控制設置簡便，通過設置一系列固定不變的參數來進行信號控制。然而，道路上的交通需求隨時間而變化，同一條道路高峰時段和平峰時段的交通量差別都可能會相當巨大，甚至會在短時間內發生劇烈的波動。感應式信號控制方式則很好的解決了這一問題，它可以根據當前交通需求的實時信息隨不同周期內交通需求的變化而決定綠燈分配時間[1]。

車輛檢測系統可以探測并計算出某兩個紅綠燈區間的車輛數目，從而智能地計算路口的交通信號配時。同時，由于車輛檢測系統具有識別特定車輛的功能，故可以對公交車輛進行識別，從而可以實現公交優先的交通信號控制。

1.4 交通信息發布與誘導功能

交通誘導系統指在城市主要道路交通節點之前，通過布設交通誘導屏發布誘導信息，為出行者指示下游道路的交通狀況，讓出行者選擇合適的行駛道路，既為出行者提供了出行誘導服務，同時調節了交通流的分配，改善交通狀況，見圖1。

圖1 交通誘導屏

根據從車輛檢測器獲得的整個路網的交通流參數，交通誘導系統可以對整個路網的交通運行狀態進行分析和評估，提前判斷出可能出現交通擁堵的區域，然后采取一定的控制措施或者進行交通誘導，消除可能出現的擁堵情況。先進的交通誘導系統不僅能夠減少出行者出行時間和延誤、降低事故發生率和死亡率、減少尾氣排放，還能夠避免交通擁擠、減少延誤，并最終達到提高交通系統整體運行效率的目的。

1.5 交通法規執行管理功能

目前，對于違章行駛行為，采用的是人工糾察的方式，具有不可靠性和隨機性。而于交通違法抓拍系統通過在平交道路主路上各進口道設置車輛檢測器，利用地感信號和“時空差分”等技術對逆行、超速、路口變道等違章行為實現準確的檢測與判定，信息化、數字化地實現了對交通違規、違章行為的處罰，見圖2。

圖2 交通違法抓拍系統

2 車輛檢測系統技術分析和比選

2.1 車輛檢測系統的發展

車輛檢測系統的研究已經開展多年。最先開始發展的是接觸式的車輛檢測系統，其主要代表技術是壓電、壓力管探測、環行線圈探測和磁力式探測。經過多年發展，路面接觸式的車輛檢測系統已經很成熟，其測量精度高，易于掌握，一直在交通信息采集領域中占有主要地位。但是這種路面接觸式的車輛檢測系統有著安裝維護復雜、使用壽命短和使用成本大等一系列缺點。為克服這些缺點，波頻探測和視頻探測兩大類車輛檢測系統就應運而生了。波頻探測又可分為微波、超聲波和紅外三種，其中除了超聲波探測只能進行單車道交通信息采集外，其余都可同時進行多車道交通信息采集。

然而當前波頻探測和視頻探測類車輛檢測系統還沒有達到十分完善的程度，都或多或少的存在這樣或者那樣的問題。尤其是基于視頻圖像處理技術的交通信息采集技術還有待進一步改進和完善；車輛檢測算法的速度以及識別的準確性等問題也都還有待進一步的提高。因此目前基于線圈技術的車輛檢測器占據90%以上的市場，而視頻手段的檢測器也正在蓬勃發展中。

2.2 基于線圈技術的車輛檢測系統

環形線圈檢測器是一種基于電磁感應原理的車輛檢測器,它的傳感器是一個埋設在路面下、通有一定交變電流的環形線圈。當車輛通過線圈或停在線圈上時,車輛引起線圈回路電感量的變化,檢測器檢測出該變化就可以檢測出車輛的存在[2]。該檢測技術可測得車速、車型、車流量、占有率等基本交通信息參數，但是不能多車道同時探測。

環形線圈檢測器是目前最簡單也最成熟的技術之一，具有首次投資相對較少、精確度高、應用范圍廣和與其他智能交通子系統兼容性好等優點。但是其安裝與維修需要中斷交通、破壞路面，加上車輛重壓等因素導致壽命不長，因而維護成本很高。

2.3 基于視頻技術的車輛檢測系統

視頻車輛檢測技術是指使用計算機視頻技術檢測交通信息，通過視頻攝象頭和計算機模仿人眼的功能，在視頻范圍內劃定虛擬線圈，車輛進入檢測區域使背景灰度發生變化，從而感知車輛的存在，并以此檢測車輛的流量和速度[3]，見圖3。該技術可測得車速、車流量、占有率等基本交通信息參數。與傳統的線圈檢測技術相比，視頻檢測的優點是維護成本很低，缺點是首次投資相對線圈要高，難以實現多車道同時探測，而且受天氣和光照等外界條件影響較大。

圖3 視頻車輛檢測系統

視頻技術是最近隨著科學技術的發展而發展起來的，目前有很多難關還沒有很好的克服，因而還不是很成熟，技術的成熟和被市場的認可都需要一定的時間。

2.4 基于微波雷達技術的車輛檢測系統

微波雷達車輛檢測技術是指利用雷達天線發射出電磁波，根據多普勒效應，當有車輛經過時，則會將波反射回來，再由雷達檢測器接收并計算處理，采用FMCW和Doppler雙波束體制，不同車道由于其目標反射距離不同而導致回波信號不同，從而能同時檢測多車道的交通信息，見圖4。該探測技術可測得車速、車流量、占有率等基本交通信息參數。

圖4 微波雷達車輛檢測器

目前基于微波的交通信息采集技術要比基于視頻的成熟得多。

2.5 基于浮動車技術的車輛檢測系統

浮動車交通信息采集系統（簡稱浮動車系統，FCD）是伴隨著ITS新技術應用而在近幾年發展起來的動態實時交通流信息采集技術。所謂浮動車就是指安裝有定位和無線通信裝置的普通車輛，這種車輛能夠與交通數據中心進行信息交換。目前，浮動車主要由安裝了具有交互功能的車載導航設備的出租車、公交車以及其他公共勤務或警務車輛來擔當。而浮動車系統是指通過交通流中一定比例的浮動車輛與交通數據中心實時交換數據的一種新型交通信息采集系統，見圖5。

浮動車系統之所以得到重視，主要原因在于浮動車系統有別于傳統固定檢測方法的突出特點：（1）覆蓋面廣，采集范圍不再僅僅是點、線，而是面；（2）投資省，浮動車系統通常結合調度和誘導系統建設，大大節省了投資；（3）采集數據多樣、準確。浮動車系統采集的路段平均車速、旅行時間對于了解道路運行狀況、分析擁堵原因、提供交通誘導服務等都是非常關鍵的參數。

浮動車采集技術是固定點采集技術的重要和有益的補充，它實現了路網全流程的信息采集（縱剖面信息采集），結合固定點式采集（斷面信息采集），可以為路網數學模型的建立提供更全面豐富的數據，為路網狀態仿真提供更精準的依據。

2.6 基于物聯網技術的車輛檢測系統

物聯網是指利用無所不在的無線或有線網絡通信技術建立廣泛連接，可以將任何物品連接至互聯網，實現實時、準確的數據信息通信，從而實現智能化識別、定位和監控[4]。

圖5 浮動車技術

無線地磁車輛檢測器是一種通過數字式磁敏傳感器探測車輛對地磁的影響，以此來判斷車道上車輛經過情況的無線傳感器網絡裝置，見圖6。通過這種裝置可實時準確感應車道上經過的車輛，并將采集到的信息通過無線傳感器網絡發送至與之配套使用的接收主機。從而實現對布設區域內車輛檢測的一種新興技術。與傳統檢測技術相比，無線地磁車輛檢測器具有安裝簡便、無線傳輸、對路面破壞力小、檢測精度高和環境適應性強等特點。

圖6 無線地磁車輛檢測器

2.7 幾種技術的比選

綜上所述，目前市場上比較成熟的應用解決方案主要為線圈檢測技術、視頻檢測技術和微波檢測技術。三種技術各有優缺點和適用范圍，見表1。以往無錫市內道路主要采用的是線圈檢測技術，今后可根據實際情況，逐步采用更為先進和成熟的技術。

3 車輛檢測系統的規劃與設置

車輛檢測系統的應用需要與其他智能交通子系統進行信息共享才能夠最終發揮其作用，如車輛檢測系統與交通信號控制系統結合，可發展成智能交通信號控制；與交通信息誘導系統結合，可發展成智能交通調度。而這些功能的實現，必須首先在路網范圍內布置大量交通信息采集點并將各信息采集點聯網后，檢測數據經匯總、分析和處理，可輔助全市范圍內的的交通管理和控制工作。因此，合理規劃、科學設置車輛檢測器的位置就顯得尤為重要。

表1 三種檢測技術性能比較

3.1 系統分級

根據無錫市的城市格局和路網形態，為實現車輛檢測系統數據的采樣密度，同時又要兼顧經濟效益，可將車輛檢測系統的布置分為三級網絡結構，即快速路車輛檢測系統、交叉口車輛檢測系統和重點路段車輛檢測系統。快速路車輛檢測系統為基礎，交叉口車輛檢測系統為骨干，重點路段車輛檢測系統為補充，三者有機結合，共同組成了無錫市智能車輛檢測系統。

3.2 系統的規劃設置原則

城市快速路為城市路網的骨架，其特點是封閉、快速、交通量大，常用于承擔長距離的過境交通。城市快速路車輛檢測系統可分為匝道檢測和路段檢測兩種方式。匝道檢測設備可與OD系統相結合，采用視頻檢測的方式。通過在上下匝道和轉向匝道前適當位置設置攝像機，對進出快速路的車輛進行車牌記錄，收集交通流量流向基礎信息。路段檢測設備采用線圈檢測技術，在快速路主線500 m左右間距設置檢測斷面，獲取道路交通信息。路段車輛檢測系統可與交通監視攝像機互為聯動，通過交通數據采集和分析，達到自動預測或及時告知交通擁擠的結果，自動獲取報警信號和切換監控圖像并錄像。

目前無錫市域范圍內建成的快速路主要有鳳翔路、金城路、江海路、通江大道、太湖大道、蠡湖大道、金城東路、高浪路、新華路和機場路，見圖7。

圖7 無錫市快速路車輛檢測系統規劃圖

車輛檢測系統的二級網絡為交叉口車輛檢測系統。城市道路交叉口是不同道路之間交通轉換的節點，也是交通管理的重點和難點。交叉口車輛檢測系統采用環形線圈檢測技術，通過在信號燈控制的平交路口各進口道設置檢測線圈，接入信號控制機內的車輛檢測模塊，檢測交通量，并為信號控制提供依據。對于兩條次干路以上級別道路相交的路口，須設置信號控制系統和車輛檢測系統。對于支路和主、次干路相交形成的路口，可以根據需求設置信號控制系統和車輛檢測系統。

通過前兩級車輛檢測系統的設置，已經可以覆蓋市區范圍內大部分道路和交叉口。對于重點區域來說，設置路段車輛檢測系統就成了對上兩級系統的有益補充。重點路段車輛檢測系統可采用視頻檢測技術，主要設置于連接城市主要片區的交通走廊路段或者有學校、醫院、大型體育場館開口的路段。這樣既可以對重點路段進行視頻監控，又能夠加密車輛檢測系統的采集密度，充分提高了系統的利用率。

受無錫市特殊的地理環境和歷史因素影響，一條京杭大運河由北向南將無錫市劃成了東西兩大部分，而橫跨運河之上的橋梁就成了連接東西城區的紐帶。目前溝通運河兩側的橋梁主要有蓉湖大橋、錫山大橋、梁溪大橋、開源大橋、紅星大橋、盛新大橋、金匱大橋、金城橋、華清大橋和高浪大橋等，見圖8。

圖8 無錫市重點路段車輛檢測系統規劃圖

3.3 系統的具體設置要求

視頻技術的車輛檢測系統設置比較簡單，只需要在合適位置設置攝像機即可。線圈技術的車輛檢測技術需要在路面開槽并埋設檢測線圈，因此必須注意以下事宜：

（1）車輛檢測線圈應設置在車道中央，一個車道設置一個檢測線圈；

（3）車輛檢測線圈應避免設置在車輛交織較多的路段；

（4）車輛檢測線圈應避免設置在因信號控制導致車輛排隊的區間；

（5）車輛檢測線圈應避免設置在公交站臺和行人過街橫道附近；

（6）車輛檢測線圈應避免設置在兩塊水泥板交接的路面上或瀝青與水泥板交接的路面上；

（7）車輛檢測線圈應避免設置在鋼箱梁結構的路段，設置檢測線圈的500 mm范圍內不應有金屬物體；

（8）車輛檢測線圈應避免設置在凹凸不平的路面上。

本文僅對無錫市智能車輛檢測系統的整體規劃和設置要求進行討論，具體數量和位置應根據深化設計方案確定。

4 結語

在我國，城市建設長期以來一直流行著“重建設、輕管理”的理念。由于各國的國情不同，城市建設不能照搬其他國家的經驗，我國需要自主強探索和研究，建立適合國情的智能交通系統，促使我國城市道路建設和交通管理水平的共同提高，推動和諧社會的建設與發展。

[1]徐建閩,陳峻,徐良杰,等.交通管理與控制[M].北京:人民交通出版社,2012.

[2]臧利林,賈磊,秦偉剛,等.基于環形線圈車輛檢測系統的研究與設計[J].山東大學學報（儀器儀表版）,2004(8):329-331.

[3]代建輝.智能交通系統車輛流量檢測技術的研究[D].天津:天津大學,2007.

[4]周舸,陳智勇.基于物聯網的交通流量監測系統設計研究[J].計算機仿真,2011(8):367-371.