基于多路地感線圈的交通流量檢測(cè)系統(tǒng)研究

譚 挺，王維鋒，萬(wàn) 劍，周云城，謝 斌

（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210004）

基于多路地感線圈的交通流量檢測(cè)系統(tǒng)研究

譚 挺，王維鋒，萬(wàn) 劍，周云城，謝 斌

（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210004）

為提高基于地感線圈的交通流量檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性與準(zhǔn)確性，利用多路地感線圈設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種能夠檢測(cè)邏輯復(fù)雜路況的交通流量檢測(cè)系統(tǒng)。基于多路地感線圈的交通流量檢測(cè)系統(tǒng)研究主要包括總體技術(shù)架構(gòu)、硬件組成與軟件設(shè)計(jì)流程。通過實(shí)地安裝測(cè)試，結(jié)果表明：該系統(tǒng)能較精確地檢測(cè)出邏輯復(fù)雜路況下小客車的運(yùn)行方向以及交通流量等重要交通參數(shù)，檢測(cè)準(zhǔn)確率大于98%。該系統(tǒng)可應(yīng)用于交通檢測(cè)、路面監(jiān)控、智能交通卡口系統(tǒng)以及停車場(chǎng)管理等領(lǐng)域。

智能交通；交通流量檢測(cè)；邏輯復(fù)雜路況；多路地感線圈

交通流量檢測(cè)系統(tǒng)作為智能交通系統(tǒng)（ITS）的重要組成部分，在ITS中發(fā)揮著重要的作用[1]。目前市場(chǎng)上主要的交通流量檢測(cè)手段有：線圈檢測(cè)、波頻檢測(cè)、視頻檢測(cè)、無(wú)線地磁檢測(cè)等。線圈檢測(cè)因投資較少、準(zhǔn)確度高、不受氣候和光照等外界條件影響而得到了廣泛使用[2-4]。地感線圈檢測(cè)系統(tǒng)基本原理是當(dāng)車輛通過埋設(shè)在路面下的環(huán)形線圈時(shí)，引起線圈磁場(chǎng)的變化，檢測(cè)器據(jù)此計(jì)算出車輛的流量、速度、時(shí)間占有率和車長(zhǎng)等交通參數(shù)，以滿足交通控制系統(tǒng)的需要[5]。早期采用單線圈橫跨多個(gè)車道檢測(cè)的方法，但是當(dāng)多個(gè)車輛同時(shí)經(jīng)過線圈時(shí)，只能檢測(cè)出一次車輛的通過，從而導(dǎo)致大量的漏檢[6]。采用單線圈檢測(cè)單個(gè)車道，通過獲取線圈頻率波形上下沿跳變時(shí)間計(jì)算車速[7-8]。但是當(dāng)出現(xiàn)車輛逆行等復(fù)雜邏輯道路狀況時(shí)，存在識(shí)別車輛運(yùn)行方向不準(zhǔn)確問題，影響交通流量檢測(cè)精度[9]。

采用多路地感線圈檢測(cè)方法，通過比較LC振蕩諧振頻率和中斷時(shí)間差，適應(yīng)邏輯復(fù)雜路況交通流量檢測(cè)。針對(duì)線圈檢測(cè)電路頻率變化容易受到外在因素影響和線圈傳感器本身的靈敏度問題，設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于多路地感線圈的交通流量檢測(cè)系統(tǒng)，主要在硬件電路、嵌入式軟件等兩個(gè)方面提出新的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化思路，提高系統(tǒng)的抗干擾性以及檢測(cè)精度，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

1.1 總體功能

根據(jù)基于多路地感線圈的交通流量檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用需要，系統(tǒng)采用穩(wěn)定可靠的地感線圈作為交通流量的檢測(cè)方式。在各個(gè)車道的路面下埋設(shè)金屬環(huán)形線圈，車輛經(jīng)過地感線圈區(qū)域時(shí)，車身鐵磁材料引起地磁線圈電感量變化。通過檢測(cè)該種變化并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、存儲(chǔ)以及上傳，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控路面車輛通過情況。該系統(tǒng)可以連接12個(gè)線圈檢測(cè)控制器，擁有多達(dá)24路地感線圈輸入，具有同時(shí)檢測(cè)多個(gè)車道的能力；同時(shí)該系統(tǒng)可以識(shí)別車輛的運(yùn)行方向，使得該系統(tǒng)適用于各種復(fù)雜邏輯路況下的交通流量檢測(cè)。1.2 實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

基于多路地感線圈的交通流量檢測(cè)系統(tǒng)的基本需求，系統(tǒng)從功能層面分為三大部分：信號(hào)采集模塊，分析上傳模塊和智能管理模塊。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1）信號(hào)采集模塊。由多路地感線圈組成，分別埋設(shè)于各個(gè)車道的路面下。當(dāng)車輛經(jīng)過線圈區(qū)域時(shí)，車輛的金屬部件會(huì)改變地感線圈的電感值[10-11]。

2）分析上傳模塊。線圈檢測(cè)控制器內(nèi)的微控制器對(duì)地感線圈的電感值變化進(jìn)行分析，判斷車輛存在與通過情況。當(dāng)車輛通過雙路地感線圈時(shí)，線圈檢測(cè)控制器內(nèi)的固態(tài)繼電器輸出TTL電平信號(hào)至核心控制器，核心控制器根據(jù)線圈檢測(cè)控制器編號(hào)判別所屬車道并進(jìn)行交通流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理，并將交通流量信息上傳至PC機(jī)。

3）智能管理模塊。通過PC機(jī)軟件將基礎(chǔ)交通流動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理分析，根據(jù)需求向出行公眾提供路況信息、停車信息等全面、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的交通服務(wù)信息，為出行公眾制定適宜的出行方案提供依據(jù)，從而達(dá)到緩解交通堵塞、提高交通系統(tǒng)設(shè)施利用率的目的。

圖1 基于多路地感線圈的交通流量檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture of traffic flow detectingsystembased on multiple loop detectors

2 硬件實(shí)現(xiàn)

基于多路地感線圈的交通流量檢測(cè)系統(tǒng)其整體構(gòu)成可分為軟、硬件兩大部分。硬件部分主要包括線圈檢測(cè)控制器和核心控制器。

2.1 線圈檢測(cè)控制器

當(dāng)線圈檢測(cè)控制器加電或者復(fù)位時(shí)，內(nèi)部的補(bǔ)償電路自動(dòng)將電感量調(diào)諧范圍設(shè)為50到10，補(bǔ)償電路也會(huì)對(duì)外界環(huán)境的電感量變化平衡補(bǔ)償，從而保證系統(tǒng)正常工作。線圈檢測(cè)控制器連接車道上的雙路地感線圈。上電工作后，當(dāng)車輛依次經(jīng)過地感線圈1和2時(shí)（圖2（a）），線圈檢測(cè)控制器判斷出車輛行駛方向，線圈檢測(cè)控制器將TTL信號(hào)輸出給核心控制器。如圖2（b）所示，3個(gè)脈沖代表有3輛車經(jīng)過。

圖2 基于多路地感線圈的交通流量檢測(cè)系統(tǒng)車輛檢測(cè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of traffic flow detectingsystembased on multiple loop detectors

2.2 核心控制器

核心控制器以stm32為控制芯片，其硬件電路主要由主控微處理器、電源模塊、濾波整形模塊、人機(jī)接口以及通信模塊組成，如圖3所示。

1）主控微處理器：根據(jù)交通流量檢測(cè)系統(tǒng)的功能及接口需求，保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，核心控制器需要核心微處理器集成CAN控制器、以太網(wǎng)、外部中斷、定時(shí)器、Flash存儲(chǔ)器等模塊。選用的核心微處理器需要具有較高的可靠性和抗干擾性，同時(shí)兼顧性價(jià)比。本文選用工業(yè)級(jí)ARM芯片STM32F107 VCT6作為檢測(cè)器的主控微處理器。

圖3 核心控制器硬件組成Fig.3 Hardware components of core controller

2）電源模塊：為了保證核心控制器各模塊供電穩(wěn)定，該檢測(cè)器的電源輸入采用220 V交流電供電，通過AC/DC（220 V/5 V）轉(zhuǎn)換器和低壓差穩(wěn)壓芯片ASM1117-3.3 V進(jìn)行降壓后分別為各電路模塊及芯片供電。

3）濾波整形：針對(duì)采集的數(shù)據(jù)存在高頻噪聲，首先通過中值濾波方法進(jìn)行高頻濾波。之后采用斯密特觸發(fā)器[12]對(duì)接收的模擬信號(hào)進(jìn)行濾波獲取TTL信號(hào)，然后作為核心微處理器外部中斷輸入。

4）人機(jī)接口：由LED顯示、微調(diào)按鈕和復(fù)位按鈕構(gòu)成。LED顯示核心控制器的檢測(cè)參數(shù)以及各模塊的工作狀態(tài)，微調(diào)按鈕可對(duì)車流量檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工矯正，復(fù)位按鈕實(shí)現(xiàn)手動(dòng)單片機(jī)復(fù)位功能，方便用戶管理。

5）通信模塊：可選用多種通信模式將交通流量信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的上傳給PC機(jī)，例如RS232、CAN、3/4 G通信網(wǎng)絡(luò)等。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)核心控制器的功能需求，軟件主要完成設(shè)備初始化、參數(shù)配置、各模塊工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)、車輛事件監(jiān)控、信號(hào)分析、交通流量統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)上傳以及心跳發(fā)送等功能，總體流程如圖4所示。

圖4 核心控制器軟件執(zhí)行流程Fig.4 Flow chart of software execution of the core controller

程序?qū)崿F(xiàn)過程如下：

1）對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)、端口和各模塊進(jìn)行初始化。

2）系統(tǒng)初始化完成后，單片機(jī)讀取FLASH存儲(chǔ)器中的配置文件對(duì)算法、通訊模塊和LED指示燈等進(jìn)行配置。配置文件也可以根據(jù)需要隨時(shí)從上位機(jī)程序中下載，以便進(jìn)行檢測(cè)參數(shù)修改。

系統(tǒng)正常工作的重要參數(shù)是檢測(cè)參考基準(zhǔn)。系統(tǒng)可以通過讀取配置文件獲取參考基準(zhǔn)，或者通過軟件自身具有的基準(zhǔn)標(biāo)定模塊建立基準(zhǔn)。檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)地安裝后，基準(zhǔn)標(biāo)定模塊在外界環(huán)境沒有移動(dòng)車輛時(shí)連續(xù)采集5～10組檢測(cè)數(shù)據(jù)，求取平均值作為實(shí)時(shí)檢測(cè)過程中的參考基準(zhǔn)Nm。檢測(cè)線圈容易受到環(huán)境溫度等因素影響，造成檢測(cè)數(shù)據(jù)波形的漂移，影響檢測(cè)系統(tǒng)的判斷精度。系統(tǒng)采用中值濾波方法，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行高頻濾波，抑制溫度波動(dòng)、檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部電流不穩(wěn)定等因素產(chǎn)生的干擾影響。

濾波方法具體通過將連續(xù)采集的多組數(shù)據(jù)裝入設(shè)置的緩存隊(duì)列{N1，N2，…，Ni，…，Nn}中，將隊(duì)列的數(shù)據(jù)從小到大排列，取隊(duì)列數(shù)據(jù)的中值作為當(dāng)前檢測(cè)狀態(tài)，有效消除檢測(cè)數(shù)據(jù)的尖峰脈沖，提高檢測(cè)精度。對(duì)于溫度變化產(chǎn)生的檢測(cè)偏移，線圈檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了溫箱試驗(yàn)，即將線圈放在溫箱中，調(diào)節(jié)溫箱溫度在-30～80℃范圍內(nèi)變化，研究檢測(cè)系統(tǒng)在該溫度范圍內(nèi)的輸出情況。根據(jù)溫箱試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，設(shè)定溫度漂移的上限值為Tu，即當(dāng)檢測(cè)數(shù)據(jù)N滿足下式時(shí)，采用中值濾波方法進(jìn)行參考基準(zhǔn)學(xué)習(xí)更新，考慮當(dāng)前溫度環(huán)境的影響，獲得當(dāng)前環(huán)境條件下的最優(yōu)判斷基準(zhǔn)。

3）單片機(jī)發(fā)送測(cè)試信號(hào)給PC機(jī)，如5 s內(nèi)接收到通訊建立成功指令，單片機(jī)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如各模塊運(yùn)行正常，系統(tǒng)開始進(jìn)入車輛事件監(jiān)控模式。

4）當(dāng)有車輛通過時(shí)，單片機(jī)檢測(cè)到線圈檢測(cè)控制器發(fā)送的TTL信號(hào)的上升沿，觸發(fā)外部中斷事件，程序算法對(duì)車輛通過狀態(tài)進(jìn)行分析，依據(jù)車輛運(yùn)行方向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最后將得出的交通流信息存入FLASH存儲(chǔ)器中并上傳至PC機(jī)。

濾波整形采用斯密特觸發(fā)器對(duì)接收的模擬信號(hào)進(jìn)行濾波獲取TTL信號(hào)，其中需要設(shè)置合適的閾值作為跳變的分界點(diǎn)。系統(tǒng)采用模擬信號(hào)校準(zhǔn)法對(duì)系統(tǒng)采用的閾值進(jìn)行校準(zhǔn)，即模擬多種真實(shí)車輛通過產(chǎn)生的干擾模擬信號(hào)對(duì)系統(tǒng)磁場(chǎng)線圈進(jìn)行激勵(lì)，通過示波器接入系統(tǒng)進(jìn)過濾波處理后的電壓輸出信號(hào)，分析在模擬信號(hào)激勵(lì)下線圈產(chǎn)生的電壓波動(dòng)情況，以此設(shè)置合理的跳變閾值。系統(tǒng)不僅進(jìn)行了靜態(tài)試驗(yàn)，還模擬真實(shí)道路中車輛以不同速度駛過線圈的情況。通過在一個(gè)線圈檢測(cè)控制器下的兩個(gè)線圈上方分別接入模擬信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)之間按照相同時(shí)序函數(shù)變化，但是存在一定的相位差，通過調(diào)節(jié)該相位差的長(zhǎng)短模擬車輛以不同速度先后通過兩個(gè)線圈的情況。綜合分析線圈在不同速度模擬情況下的輸出電壓信號(hào)，合理設(shè)置跳變閾值。

軟件系統(tǒng)通過分析相鄰線圈產(chǎn)生的脈沖時(shí)序先后判斷駛過車輛的行駛方向，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的交通流量。為了適應(yīng)邏輯復(fù)雜路況中雙行道出現(xiàn)的行駛車輛變道情況，軟件系統(tǒng)具有多線圈信息融合分析功能，即當(dāng)出現(xiàn)圖5所示車輛緊急變道情況時(shí)，軟件系統(tǒng)能夠根據(jù)A1、B1和B2線圈的輸出波形和時(shí)序情況判斷該方向上只有一輛車駛過，而不會(huì)重復(fù)計(jì)數(shù)，保證邏輯復(fù)雜道路車流量檢測(cè)精度。

5）系統(tǒng)間設(shè)置N1跳時(shí)間C，默認(rèn)為每隔10 s，單片機(jī)系統(tǒng)將存儲(chǔ)在FLASH中的交通流信息上傳至PC機(jī)。心跳時(shí)間由設(shè)定的配置文件決定，規(guī)定了系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)的最大間隔，如果超過該間隔沒有發(fā)送數(shù)據(jù)即認(rèn)為系統(tǒng)發(fā)生故障，需要檢修。

圖5 雙行道線圈布設(shè)與車輛變道示意圖Fig.5 Schematic diagram of the double row coil layout and the vehicle lane changing

4 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

為論證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性與實(shí)用性，在南京白下科技園內(nèi)一條南北走向的道路上搭建系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。根據(jù)線圈檢測(cè)控制器的基本原理，車底盤高度和車速是影響線圈檢測(cè)器振蕩回路頻率變化的兩個(gè)主要因素[13]。為了測(cè)試系統(tǒng)交通流量檢測(cè)的準(zhǔn)確性，將系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的交通流量與實(shí)際交通流量進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試中選取多種型號(hào)小客車以不同車速駛過檢測(cè)系統(tǒng)的多種場(chǎng)景進(jìn)行交通流量檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如表1和圖6所示，其中包括雙行道車輛變道情況。從測(cè)試結(jié)果可以看到，系統(tǒng)對(duì)小客車的交通流量統(tǒng)計(jì)誤差在2%以內(nèi)。

表1 不同車速雙向車道檢測(cè)結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison of two way lane detection results at different speed

圖6 雙向車道測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.6 Comparison of the test data and actual data in the two way Lane

在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)對(duì)過往小型電動(dòng)車、摩托車、自行車等非檢測(cè)車輛具有較好的抗干擾效果。由測(cè)試結(jié)果可知，基于多路地感線圈的交通流量檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于小客車的檢測(cè)具有較高的準(zhǔn)確率，對(duì)于大型車輛檢測(cè)精度還有待后期測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中存在的漏檢車輛主要是由于測(cè)試車輛行駛過程中前后車距較近，系統(tǒng)誤認(rèn)為是同一輛車導(dǎo)致漏檢，需要進(jìn)一步優(yōu)化算法提高檢測(cè)精度。

5 結(jié)論

1）交通流量檢測(cè)是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的基于多路地感線圈的交通流檢測(cè)系統(tǒng)因具有多路線圈可以同時(shí)檢測(cè)多個(gè)車道的交通流數(shù)據(jù)，解決了復(fù)雜邏輯路段上的交通流量檢測(cè)問題。

2）通過實(shí)地測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)方案的可行性與實(shí)用性，測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)對(duì)小客車的交通流量檢測(cè)精度較高，對(duì)于大型車輛的測(cè)試效果還有待進(jìn)一步研究、驗(yàn)證。

3）該系統(tǒng)通過進(jìn)一步的功能擴(kuò)展還可用于測(cè)量諸如車速、占有率和車型等一系列的交通參數(shù)而應(yīng)用在多種交通控制領(lǐng)域中[14]。

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Research of Traffic Flow Detecting System Based on Multiple Loop Detectors

Tan Ting，Wang Weifeng，Wan Jian，Zhou Yuncheng，Xie Bin
（Jiangsu Provincial Communications Planning and Design Institute,Nanjing 210004,China）

In order to improve the reliability and accuracy of traffic flow detecting system based on loop detector, a system using multiple loop detectors to detect traffic flow on logic complicated road is designed and realized. This research proposes the overall technical architecture,the hardware structure and the software design procedure.The field testing results indicate that the system can accurately detect the direction of running vehicles and other significant traffic parameters for passenger cars such as traffic flow on logic complicated road,and the accuracy of traffic flow detection exceeds 98%.The system can be applied to traffic detection,road monitoring，intelligent transport systemand and parking management，etc.

intelligent transportation；traffic flow detection；logic complicated road condition；multiple loop detector

TP273.5；U495

A

1005-0523（2017）02-0060-06

（責(zé)任編輯 姜紅貴）

2016－07－08

譚挺（1990—），男，工程師，主要研究方向?yàn)殡娮有畔ⅰ?/p>