城市交通信息采集新方案

市区道路交通信息采集新方案余稳1、徐代艮2、朱晓光31、中国科学院上海微系统与信息技术研究所2、上海慧昌智能交通系统有限公司3、安徽省智能交通（ITS）工程研究中心摘要本文提出了一种适合于市区道路交通信息采集的新方案，该方案基于新型微波雷达交通信息检测技术，充分利用了城市道路已有资源—电子警察系统安装支架和信号灯安装支架，所检测到的交通信息既能用于交通信息采集与行车诱导发布系统，还能用于超速抓拍系统、治安卡口系统以及路口智能红绿灯控制系统，是一种最为经济和高效的方案。

关键词交通信息采集微波雷达智能红绿灯控制超速抓拍、治安卡口所有智能交通系统（ITS）都需要基于道路实时交通信息检测。

交通信息采集技术的研究已经开展多年。

目前已有多种交通信息采集技术在实际中应用，比如地感线圈、微波雷达、视频监控、机动车GPS定位、超声波与红外等，通过这些技术采集到的交通信息主要包括各车道的车流量、车道占有率，车速、车型、车头时距等。

最先开始发展的是接触式的交通信息采集技术，其主要代表是环行线圈探测。

这些采集装置都有共同特点，就是埋藏在路面之下，当汽车经过采集装置上方时会引起相应的压力、电场或磁场的变化，最后采集装置将这些力和场的变化转换为所需要的交通信息。

经过多年发展，路面接触式的交通信息采集技术已经很成熟，其测量精度高，易于掌握，一直在交通信息采集领域中占有主要地位。

但是这种路面接触式的交通采集装置有着不可避免的缺点。

首先是安装维护困难，必须中断交通、破坏路面；其次随着车辆增多，车辆对道路的压力导致这类装置的使用寿命也越来越短；现在道路扩张很快，各种环境下的道路日益增多，而路基下沉、盐碱和冰冻等条件将严重影响路面接触式交通信息采集装置的使用。

另外，对隧道、桥梁等环境，路面破坏性的安装方式存在更多的困难与不便。

所有这些都带来了其使用成本的上升。

新近发展起来的路面非接触式交通信息采集装置不存在安装维护困难、使用寿命短等缺点，主要有微波探测和视频探测两大类。

由于安装维护简单，路面非接触式交通信息采集技术发展非常迅速。

视频探测是利用车辆进入检测区域（虚拟线圈）导致背景灰度变化的原理来进行检测，直观可靠，但受光度，气候条件的影响很大，且需要进行镜头清洁等日常维护。

微波探测则是利用车辆经过检测区域时引起的电磁波的返回时间或频率的变化进行检测，有着安装维护方便、使用寿命长、几乎不受光照度、灰尘以及风、雨、雾、雪等天气气候影响等优点。

以前微波雷达产品由于需要进口，给人的感觉是价格昂贵，但是，随着科技的发展以及国内同类产品的兴起，高价格已经成为了历史，特别是最近出现的双波束双体制微波雷达MPR-U系列产品，其价格已经到了使用者乐于接受的程度，并且性能卓越。

基于微波雷达技术的上述特点，结合城市市区道路的实际情况，本文提出了一种新的交通信息采集方案。

一、基于微波雷达的交通信息检测技术原理将微波雷达技术应用于交通信息采集时关键要解决从雷达回波信号中提取车辆信息问题。

简单来说，就是如何利用微波雷达所具有的测速与测距功能来实现交通信息实时检测。

1、速度检测微波雷达对运动物体的精确速度检测基于微波多普勒（Doppler）效应。

微波在行进过程中，碰到障碍物体时会反射，而且反射回来的波，其频率及振幅都会随着所碰到的物体的移动状态而改变。

若微波所碰到的物体固定不动，那么所反射回来的波其频率不变。

若物体朝着无线电波发射的方向前进，此时所反射回来的无线电波会被压缩，因此该电波的频率会随之增加；反之，若物体朝着远离无线电波方向行进，则反射回来的无线电波其频率会随之减小,这就是Doppler效应。

基于Doppler效应原理，可以对运动目标的速度进行精确测量。

目前警用测速雷达采用的就是Doppler体制。

2、车辆流量检测利用Doppler效应只能检测具有一定速度运动的物体，并且只能检测单一目标，因此在智能交通系统中，如果要利用Doppler效应对车辆进行存在性检测将会面临只能检测单一车道高速运行车辆的困境，因此不合适该应用。

除Doppler效应外，微波雷达还具有距离检测功能。

利用测距功能通过测量车辆与雷达之间的距离就可以判别车辆处于哪一条车道；对于同一车道，有无车辆存在时回波信号强度相差很大，这样就可以判定车辆的存在，综合起来就可以同时获得多车道实时车辆存在信息而不用担心此时道路是否拥挤（低速甚至停止情形）。

采用调频连续波(FMCW)体制的雷达可以很好地实现上述雷达测距功能。

二、目前流行的微波交通信息检测技术微波交通信息检测技术的发展已有十多年历史，最早是采用单波束侧向安装体制，近年又开发出了双波束侧向安装体制雷达和单波束正向安装体制雷达，随着科技的发展，最近出现了双波束、双体制正向安装雷达。

它们之间的比较如下表所示。

** 正向安装类型雷达一般采用一个数据处理单元同时处理1~4个雷达收发（T/R）前端的方式，即每个车道上方安放一个T/R单元，所产生的IF信号传回到道路侧面的控制盒进行集中处理，这样配置灵活，将极大地节省成本，同时维护也要简单得多。

对城市道路来说，主要用到单波束侧向、双波束侧向以及双波束双体制正向雷达，简述如下。

1、单波束侧向技术“单波束侧向”是指检测雷达发射出单一微波束，检测装置安装于道路侧面立杆上的交通信息检测雷达。

该装置在所需检测的多车道道路断面上投下椭圆形的“微波阴影”区域，利用微波FMCW原理对各车道车辆进行检测。

该类雷达的主要优点是安装维护方便（不需要中断交通和破坏路面）、能同时检测多达10个车道的车流量信息、道路畅通时准确率很高，拥堵时的检测准确性就要看雷达内部的检测算法的合理性了，不同厂家的产品差别会很大。

缺点是其他交通信息参数（如速度、占有率等）均不准确，只能用于参考，并且同时测10车道时，最外侧的2个车道车流量准确率会下降。

这些缺点是其检测原理的必然结果。

速度和车型依靠数学模型间接获得，因而只能给出所谓的平均速度，车型也只能提供参考，其准确度依据模型而定。

2、双波束侧向技术近年来，在侧向单波束雷达技术的基础上，研发出来了一种双波束侧向雷达。

“双波束侧向”是指检测雷达发射出两束具有一定夹角的微波束，检测装置安装于道路侧面立杆上的交通信息检测雷达。

该装置在所需检测的多车道道路断面上投下2个具有一定夹角的椭圆形“微波阴影”区域，利用微波FMCW原理对各车道车辆进行检测。

该类雷达除具有单波束侧向技术雷达的优点外，由于双波束之间具有关联性，因而道路畅通时准确率较“单波束侧向”高，拥堵时的检测准确性就要看雷达内部的检测算法的合理性了，不同厂家的产品差别会很大；其他交通信息参数（如速度、占有率等）也较准确。

不过侧向单波束雷达所具有的检测阈值（检测灵敏度）问题依然存在。

也就是说车辆进入与离开雷达“阴影区域”的时刻无法准确探测，因而导致该类型雷达所探测到的所有交通信息参数的准确度（特别是实时速度）都不如正向安装的雷达类型，并且同时测10车道时，最外侧的2个车道交通信息检测准确度都会下降。

3、双波束双体制正向技术从对“单波束正向”的分析可以看出，Doppler体制能极好的解决低速情形下的问题，但是速度测量不准确，而Doppler体制则可以极高的解决高速时的交通信息检测问题，但是难以处理低速情形，因此最佳办法是二者的结合，这就是“双波束双体制正向”安装雷达。

该类雷达优点非常突出，能极准确地检测任何情况下的交通信息，并且可以用于超速抓拍触发以及大车占用小车车道抓拍触发。

三、市区道路交通信息采集新方案1、新方案目前市区道路交通信息采集一般采用地埋线圈方式，该方式的优点是技术成熟、首次安装成本低；但是其缺点也很明显，如安装维护时需要破坏路面、寿命短而导致维护成本高、车辆拥挤时检测精度下降等。

特别是在东北地区，有较长一段时间（一般是11月到第二年5月）由于寒冷而不能破坏路面进行维修，线圈的缺点就更加突出了，因此需要有更合适的方法进行市区道路交通信息采集。

根据市区道路以及道路交通流特点，本文提出了一种基于正向安装微波雷达的交通信息采集新方案。

该方案主要采用正向安装双体制双微波雷达（MPR-U）作为交通信息采集设备，将该雷达安装于已有的信号灯支架、闯红灯抓拍或者超速抓拍支架上（如图1实景照片所示）。

可以有2种安装方式，一是雷达波束朝向路口，另一种是雷达波束背向路口，后面这种方式对于智能信号灯控制系统特别有用，因为这样安装可以准确检测到离停车线约40m处的车辆速度与车辆存在信息。

对于个别没有现成支架的检测点，可安装侧向微波雷达（MPR-2，如图2所示）或者采用挑杆（F杆或者T形杆）安装正向微波雷达（如图3所示）。

图1 利用已有支架安装雷达实景图2 微波雷达侧向安装示意图图3 利用T型杆安装雷达示意图2、方案可行性分析1）市区道路以及交通流特点市区道路具有以下特点：i）路口停车线附近一般都安装有信号灯支架和闯红灯抓拍系统支架；ii）路口之间的路段上安装有超速抓拍系统或者违法变道抓拍系统支架。

根据市区道路的这些特点，从充分利用道路已有资源角度出发，在智能交通系统设计时应该考虑如何充分利用已有的支架或者龙门架。

采用线圈显然用不上支架，而微波雷达和视频则可以利用。

市区道路交通流存在以下特点：i）车辆总是走走停停，在快速、慢速、停止三种状态之间很快变化；ii）车辆随意变道现象很普遍；iii）公交车大部分时间在靠近机非隔离带的车道行驶。

市区道路交通流的这些特点使得侧向安装微波雷达和视频均难以胜任交通信息采集重任，而正向安装雷达却可以很好地轻松应对这些问题。

2）交通信息采集技术的选择选择交通信息采集手段应主要从以下几方面考虑：技术先进性、性能指标准确性、成本（包含首次成本和后期维护成本）以及（潜在）用途多样性等。

下面就这几方面比较一下基于地感线圈技术和基于微波雷达技术的交通信息检测手段：i）技术先进性。

地感线圈技术已有几十年的发展历史，很成熟，但是其技术含量相对较低，并且需要破坏路面、维护成本高；微波雷达技术应用于智能交通的历史并不长，是随着科技的发展，微波雷达技术从军用走向民用的产物，正向安装的微波交通信息检测雷达更是近几年才开发出来的低成本高新技术产品，它完全克服了线圈需要破坏路面以及维护成本高这些缺点；ii）性能指标准确性。

市区道路交通信息检测指标主要是流量、速度和占有率等。

流量和占有率方面，二者不相上下，但是速度方面微波雷达具有无与伦比的准确性优势，因为它是基于微波多普勒（Doppler）效应原理的，这也是目前警用测速雷达的测速原理；iii）成本。

成本一般主要由以下几部分组成：设备费用、安装（支架、人工）费用、后期维护费用等。

按1个检测断面4个车道来估算，目前雷达设备费用是线圈的2~3倍，但是其安装人工费用很低，只需要在支架上挂一个小盒子而已，另外由于利用了已有的（信号灯、闯红灯抓拍系统等）支架，雷达安装这方面的成本就没有了；后期维护方面，由于雷达寿命长，维护时也不需要破坏路面，因而几乎不需要维护成本。