交通信息主要采集技术综述

交通信息采集技术综述摘要：智能交通系统的发展离不开交通采集信息的支持，交通信息采集技术的不断成熟与革新为交通信息处理和服务提供了丰富的交通数据资源。总结目前动态交通采集信息流行的采集技术及方法；并分析多种采集技术的优缺点，为面向交通信息利用的交通信息采集、预处理技术方法提供参考。关键词：交通信息；采集技术；智能交通；检测技术；综述TrafficInformationAcquisitionTechnologyOverviewAbstract:Thedevelopmentoftheintelligenttransportationsystemcannotleavethesupportofgatheringinformation,trafficinformationcollectiontechnologymaturesandinnovationfortrafficinformationprocessingandserviceprovidesarichdataresources.Summaryofthecurrentdynamictrafficpopulargatheringinformationacquisitiontechnologyandmethod;Andanalyzestheadvantagesanddisadvantagesofvariousacquisitiontechnology,fortrafficinformationusingthemethodoftrafficinformationcollection,pretreatmenttechnologytoprovidethereference.Keywords:TrafficInformation;AcquisitionTechnology;IntelligentTransportation;DetectionTechnology;Overview引言交通信息是ITS顺利实施的重要前提，及时、准确地感知多源的交通信息对于ITS来说是至关重要的。目前，世界上很多大中城市都已经具备了实时采集、处理、分析和发布大规范道路网络的交通信息的能力。交通信息采集的必要性主要体现在以下三个方面：1.智能交通系统建设的需要，2.提供交通信息服务的需要，3.交通规划的需要。由此可见，交通信息的采集已成为交通管理监控活动的重要组成部分。交通信息主要采集技术微波雷达交通信息采集技术1.1.1技术原理微波雷达检测器可安装在路中央的半空，也可安装在路边。当车辆穿过雷达波覆盖区域时，车辆会将雷达波束反射至雷达天线，接收器通过雷达天线接收车辆的信息，包括车速、车流量、车长等数据。1.1.2技术介绍常用的微波雷达检测技术包括微波检测、红外检测、超声波检测和激光检测。微波检测器是一种工作在微波频段的雷达探测器，行驶的车辆反射由它发射的调频微波，反射波的频率由于多普勒效应会发生偏移，根据这种频率的偏移可以检测车流信息。微波检测器采集系统由微波检测器、串口数据传输线、系统软件和固定支架构成。安装在支架上的检测器利用串口数据传输线与通信设备相连。微波检测器可以与控制中心的主控机进行通信，检测器将采集的交通数据发送至主控机，主控机可以对检测器进行参数的设定和故障检测。微波检测器在恶劣的气候下性能出色，能够全天候工作；安装维护方便；使用寿命长。但是在车辆拥堵以及车辆分布不均的情况下，可能会漏记车辆的通过数据，测量精度会降低。红外检测器是基于光学原理的车辆检测器，包括有主动和被动两种类型。主动红外检测器可以发射有一定能量的红外线，如果有车辆经过，该红外线会被车辆反射回检测器。检测器通过对反射回来的红外线的能量分析，可以获得交通量、车速、排队长度等交通数据。主动型红外检测器包括一个红外发光管和一个接收管。检测器的红外发射管向道路上辐射由调制脉冲发生器产生的调制脉冲。红外接收管接收由车辆反射回来的红外线脉冲，红外线脉冲被接收后，经红外调解器调解，经过选通，放大，整流和滤波后触发驱动器输出一个检测信号。被动红外检测器利用的是车辆本身辐射的能量，它利用一个能量接收传感器检测在一定区域内经过的车辆的能量。根据接收能量的变化，被动红外检测器可以获得交通量，排队长度等交通数据。红外检测器安装和维护较方便，具有快速准确的检测能力。缺点是受周围环境和气象的影响较大，工作现场的灰尘、冰雾会影响系统的正常工作，检测精度会降低，误检率较高。超声波检测器利用车辆形状对超声波的影响，对车流量、车速以及道路占有率等交通信息进行采集，超声波检测器安装在道路的正上方或斜上方，它向路面发射超声波同时接收被车辆反射的超声波。超声波检测器安装时架设方便，不需破坏路面，使用寿命长并且可移动；由于超声波检测器设置为车道上方检测时不会受遮挡，同时车间距很小时也能准确检测车流量，可以实现在路况车辆拥堵时的准确检测，对于车速的检测有较高的精度。超声波检测器能够对车型进行精确的识别，这是大多数其他类型的检测器所不具备的。但其检测精度容易受到环境的影响，超声波束会因为大风或暴雨而产生漂移，探头下方通过的人或物也会产生反射波造成误检。激光雷达是利用激光技术与雷达技术相结合的检测器。激光雷达由五部分组成，其中激光器作为发射机、光学望远镜作为天线、光电探测器作为接收机，此外还有跟踪架及信息处理等部分组成。激光雷达检测技术不受天气、车速和交通状况的影响，具备较强的抗干扰能力，同时其检测精度非常高。缺点是配套设备价格昂贵。视频交通信息采集技术1.2.1技术原理视频检测器是一种非接触式检测技术，它可以实现基于视频图像的车辆检测和车型识别。检测器先对摄像机采集到的图像序列进行分析处理，通过一定的目标检测算法截取出运动目标，然后提取出运动目标的相关信息进行智能识别。该过程的核心是运动目标检测和相关交通信息提取。1.2.2技术介绍视频检测器主要由安装在路口的摄像机、视频处理器和数据传输设备组成。视频处理器安装在机柜里，用于接收多台摄像机传输过来的视频信号，来进行图像的处理与分析。视频检测技术检测范围广，一个摄像机能够采集几个车道的交通数据，包括交通流量、车速、车型分类、占有率、排队长度等，以及车辆的外形数据等交通参数，这是其他检测器所不能提供的。因为视频检测器可以提供交通现场的录像，因此获取的信息更加直观和可靠，便于管理人员对交通事件的处理和对交通现场的干预，也为改善交通管理方法提供了依据。视频检测器安装时无需破坏路面，易于移动，维护费用低。视频检测技术的缺点是车辆之间可能会出现遮挡问题；恶劣天气、昼夜转换以及灯光等都可能造成检测误差。压力式交通信息采集技术1.3.1技术原理压力传感器也称为压电传感器，是由压电材料制成的。压电材料是一种经特殊加工后能将动能转化为电能的材料。它在受机械冲击或震动时会产生电荷，其原理是：受冲击时，它的原子层的偶极子的排列顺序被打乱，此时会有一个电子流形成。偶极子的排列顺序被打乱后，会试图恢复原来的状态。同样，当压力施加到压力传感器，它会产生的电荷，当压力消除之后，会相应产生相反极性的信号。压力传感器的特点是可以产生很高的电压和较小的电流。1.3.2技术介绍压力传感器可以应用在恶劣的自然环境下，且检测数据的准确率也是各种检测方式中最高的。但是压电传感器由于其工作原理的限制，只能够测量动态的应力，不能用于静态测量。同时压力传感器在安装或维修过程中需中断交通，对路面破坏比较大。对安装过程的技术性要求较高，如果出现错误，其可靠性和寿命会受到很大影响。压力传感器在被超重的车辆碾压后也容易被损坏。磁场型交通信息采集技术1.4.1技术原理磁场型交通信息采集技术是利用磁频技术进行交通信息的检测。当有机动车通过检测区域时，在电磁感应的作用下交通检测器内的电流会跳跃式上升。当电流超过指定阀值时会触发记录仪对车辆数及车辆存在的持续时间进行记录。1.4.2技术介绍常用的磁频检测技术包括感应线圈检测和磁力检测。感应线圈检测器是目前国内外使用最为广泛的车辆检测设备。检测器由埋在路面下的环形线圈和能够测量该线圈电感变化的电子设备组成。环形线圈有一定的工作电流，当有车辆通过线圈或存在于线圈之上时，线圈的电磁感应会发生相应的变化。检测器通过对这种变化进行处理而达到检测目的。感应线圈检测器可用来检测车流量、平均车速、车道占有率、平均车长、平均车间距等交通信息。检测器在当车辆的前沿进入线圈一边时被触发，从而产生信号输出。当车辆后沿离开线圈另一边时，检测器的信号强度低于阀值，输出电平降为零。车辆实际对环形线圈作用的长度L称为车辆有效长度，它约等于车辆长度与线圈长度之和。环形感应线圈采集系统包括埋于路面下面的环形线圈、接线盒、传输电缆、信号检测处理单元等。检测车辆时，将一个或多个环形线圈按一定的方法埋于路面下，线头接入接线盒。信号由传输电缆送入信号检测处理单元，该单元负责处理检测数据，并通过通信电缆与控制中心的主控机连接，计算交通参数。环形感应线圈采集系统的主控机可发送信号，设置检测器的检测周期等工作参数，并监测检测器故障。检测器则将采集的交通数据如交通量、占有率等发送至主控机。环形线圈检测器具有下列优点：环形线圈检测技术的发展也很成熟，价格也相对合理，安装成本低。检测误差率相对较少。但环形线圈也存在以下缺点：线圈在安装或维护时必须直接埋入车道，这样交通会暂时受到阻碍，安装施工量大。同时，埋置线圈的切缝软化了路面，容易使路面受损会造成严重安全隐患。环形线圈的使用效果和寿命受路面质量的影响很大，很容易随着路面的变形而变形，并且受到路基下沉、冰冻等自然环境的影响，环形线圈寿命一般仅为两年。环形线圈由于检测原理的限制，当在拥堵条件下，其检测精度大幅降低。地磁检测器的检测原理是，当铁质物体通过时会引起地磁场的强度异常，因此通过检测地磁场的异常可以判断车辆的出现与否。当车辆进入并通过地磁检测器的探测区域时，检测器可以探测到车辆的铁质材料所造成的地磁场磁力的强度异常。具体的变化过程为：当车辆接近探测区域时，磁力线受挤压；当车辆将要通过探测区域时，磁力线沿中心幅合；当车辆正在通过探测区域时，磁力线沿中心幅散。地磁检测器用于交通信息采集时，分为两轴式磁通门磁力计和磁力探测器两种类型。两轴式磁通门磁力计可以探测到地磁场在竖直和水平两个方向上的磁场强度的变化。检测器还有3个线圈和一个线圈架，线圈架的磁芯是高导磁芯软磁材料。利用线圈两端的电压，可以检测到磁场强度的变化，当车辆出现时，线圈两端的电压升高，高于一定阀值时，系统记录车辆信息。地磁探测器可以检测到磁力线的扭曲情况。地磁探测器包含有一个导磁性材料做成的磁芯和一个线圈。当车辆通过检测区域时，磁场强度的变化引起线圈的电压信号的变化，由此确定车辆通过与否。地磁检测器对静止的车辆，没有探测能力，因此常常与其他设备联合使用来获取交通流数据。地磁检测技术具有极高的灵敏度，安装维修方便，不必封闭车道，对路面破坏小。检测点不易被破坏，不受路面移动的影响。地磁检测器利用地球磁场变化原理，因而不受气候的影响。可以识别铁磁性物体的大小，所以可以对车辆的类型进行大致判断。由于地磁检测器对非铁磁性物体没有反应，因此可有效地减少由此产生的误检。地磁检测器的缺点是车辆靠近时难以分辨，因此它所采集的数据也存在误差。GPS浮动车交通信息采集技术1.5.1技术原理浮动车指安装有无线定位装置和无线通信设备的机动车。利用浮动车收集交通信息是一项新兴的动态交通信息采集技术。浮动车信息采集技术的基本原理是：GPS接收装置以一定的时间间隔记录车辆的位置坐标、车速和时间数据等，车载智能设备获取GPS的数据后，利用通信设备将数据传输到控制中心。控制中心应用地图匹配、路径推测等相关算法将浮动车数据和路网数据关联起来，得到各路段的交通流量、平均速度和行程时间等交通参数。浮动车技术的原理是对整个路网的总体车辆的进行情况进行随机抽样。如果在路网中的浮动车数量足够多，通过无线通讯系统可以将这些浮动车的实时位置、速度等数据传输到信息中心。信息中心对这些海量数据进行分析处理，可以得到城市路网的实时交通信息。1.5.2技术介绍浮动车交通信息采集系统，主要由车载设备、无线通讯网络和信息中心等组成。车载设备主要包括GPS模块、无线通信模块等。GPS模块接收卫星定位信号并运算出车辆的坐标和瞬时速度。无线通信模块负责将车辆坐标、速度等数据传送到信息中心，并接收信息中心发送的指令和数据。无线通信网络主要是指通信运营商提供的数据传输服务。信息中心主要包括基于GIS的交通信息处理系统以及无线通信设备等。车载设备向信息中心发送的数据主要包括：车载终端ID号、经纬度坐标、瞬时速度、方向、时间等。交通信息中心对接收到的数据先进行预处理，然后结合GIS对交通参数如交通状态、平均速度、行程时间等进行计算得到整个网络的交通信息。浮动车交通信息采集系统工作流程，主要包括浮动车运行数据采集、浮动车异常数据处理、地图数据预处理、地图匹配、行程时间和平均速度估计及预测、交通状态判断等重要功能。浮动车运行数据采集：确定合适的浮动车车型、数量规模、采集频率和传输频率等是浮动车运行数据采集策略的关键，因为这些指标将直接影响到浮动车运行数据的覆盖范围、旅行时间估计的具体算法和估计精度、系统的实时性和运行成本。浮动车异常数据处理：由于各种因素的影响，GPS的原始数据可能产生较大误差，例如：车辆坐标很难匹配到任何一条道路上；坐标信息保持不变，速度却不等于0等。如果不对异常数据进行清理和修正，会导致计算得到的交通参数质量偏低，因此需要对浮动车的异常数据进行处理。地图数据预处理：针对一些重要道路进行地图修正；对地理坐标系进行转换，使浮动车坐标数据和地图数据所采用的地理坐标系一致；选择合适的道路网络的表达方式比如路段划分等。地图匹配是指将GPS获得的车辆定位数据与电子地图中的道路信息进行比较，通过某种算法确定车辆的行驶路段以及具体位置。由于GPS定位数据以及数字地图的地理数据的误差与精度有限，导致GPS定位数据无法全部与路网数据相匹配，因此需要利用地图匹配算法对数据进行处理。地图匹配是浮动车信息采集技术中的关键环节。平均行程时间和速度的估计与预测：单辆浮动车的行程时间和速度估计；基于单辆浮动车数据，统计分析得到路段的平均行程时间和速度估计；路段行程时间和平均速度短期预测。交通状态判断：将路段行程时间和平均速度估计与预测的结果与预先设定的阀值进行比较，确定各个路段的畅通、饱和、拥堵等交通状态，用不同颜色在电子地图上显示出来并提供给交通管理者和出行者。由于浮动车是流动性的，从整体上来说又是全天候工作的，因此浮动技术能够采集到24小时的较多路段的交通信息，覆盖范围广，实时性高。近年来，随着车载GPS、GIS和无线通信技术的广泛应用，建设浮动车交通信息采集系统所需要的资金成本和时间都因此而大大减少，同时浮动车的数量越来越多，因此，浮动车交通信息采集技术将得到更为广泛的应用。总结与展望以上较为全面地综述了各类交通信息采集技术并对其优缺点进行了介绍与分析。作为一个具有较强实用价值的研究领域，交通信息采集技术有着非常光明的发展前景。未来的交通信息采集技术发展趋势有以下两个方面：(1)以物联网为基础的信息采集系统，是对RFID、GPS、GIS等技术的集成应用和有机整合的平台上，实现对车辆和路况信息的实时感知。它是物联网时代的智能交通的重要组成部分，能够实现交通信息的全方位采集，为动态诱导、智能管控等环节提供依据。交通信息的实时感知使路网状态仿真和推断成为可能，从而可以主动预防交通事件的发生，这是智能化交通管理的深刻变革。(2)传统的交通传感器系统虽然能够提供准确、实时的交通信息，但具有成本高、投资大的缺陷。交通传感器网络是一种应用方便且低成本的交通信息采集方式