交通信息,控制技术期末作业.docx

第1部分交通信息采集的方法、各自的优缺点;
目前，在ITS各应用系统小应用的动态交通数据H动采集的方法主要有车辆检测技术和GPS车辆定位检测的技术。

车辆检测技术
按检测器的工作方式及工作时的电磁波波长范围，将检测器划分为三犬类：磁频乍辆检测器、波频乍辆检测器、视频乍辆检测器。

1-1.1磁频车辆检测器
（1）环形线圈检测器
环形线圈检测器是目前国内外使用最为广泛的车辆检测装置，这种检测器由埋在路面下的线圈和能够测量该线圈电感变化的电子设备组成，对通过线圈过存在于线圈上的车辆引起的电磁感应变化进行处理而达到检测的目的，可以用来检测交通流量、占有率和近似点速度等。

坏形线圈是电路的电感元件，当电流通过坏形线圈时，在其周围形成一个电磁场，当年辆通过环形地脉线圈或停在环形地埋线圈上时车辆自身铁质切割磁通线，将导致环形线圈回路电感最的变化，而线圈电感最的变化又引起车辆检测器的LC振荡电路的振荡频率和相位相应也发牛变化。

因此，检测器通过检测该电感变化量就可以检测出车辆的存在。

优点：技术成熟、易于掌握n计数精确；
缺点：线圈跟随路而变形（沉降、裂缝、搓移等），使用效果及寿命受路而质量的影响甚大，另外，环境的变化和环形线圈的止常老化对检测器的准确度影响饺大。

（2）磁性检测器
埋设在车道下而，通过磁场变化來进行检测。

优点：可检测小型车俩（包括自行车）且适合不便安装线圈的场合采用；
缺点：很难分辨纵向过于靠近的车辆。

1-1.2波频车辆检测器
（1）微波（雷达）检测器
微波检测器是--种用于检测交通状况的检测器，它利用连续频率调制波（FMCW）实现对多车道车辆的实吋检测。

检测辭发射一束微波同时接收物体（目标）反射波，根据反射凹来的波形及频率差界来判别车辆、不型、车速和划分不道。

微波检测在恶劣气候下性能表现出色。

优点：能真实再现静止或移动的交通流状况，检测准确度高；免受天气影响；安装时无需中断交通；价格低，易于扩展升级；
缺点：在车流拥堵以及人型车较多、车型分布不均匀的路段，由于遮扌当，测最精度会受到比较人的影响；微波检测器要求离最近车道有3m的空间，在桥梁、立交、高架路的安装会受到限制，安装困难。

(2)超声波检测器
通过设置在车道上方的超声波探头，接收由超声波发生器发射的超声波束并经车辆反射的超声回波来检测车辆。

优点：设备体积小，易于安装；
缺点：检测范围成锥形，受车型、车高变化的影响，检测榕度较差，特别是车流严重拥挤是；性能会随坏境温度和气流影响而降低。

(3)红外线检测器
红外检测一般采用反射检测技术，反射式检测器探头由一个红外发光管和一个红外接收管组成，其工作原理是由调制脉冲发生器产牛调制脉冲，经红外探头向道路上辐射，当有车辆通过吋，红外线脉冲从车体反射回来，被探头的接收管接收，经红外解调器借条，再通过选通、放大、整流和滤波后出发驱动器输出一个检测信号。

优点：可提供大量交通管理信息，检测快速准确、轮廓清晰，操作敏捷，安全性强；
缺点：需要依靠提高功率，降低可靠性来实现高灵敏度，工作现场的灰尘、冰雾会影响系统的正常工作。

1-1.3视频车辆检测器
视频年辆检测器是通过视频摄像机作传感器，在视频范围内设置虚拟线圈，即检测区, 车辆进入检测区时使背景灰度值发生变化，从而得知车辆的存在，并以此检测车辆的流量和速度。

优点：采集数据广，可提供现场的视频图像，可根据需耍移动检测线圈，仃着直观可靠，能检测更人的交通场景血•积，安装调试维护方便，价格便宜，维护费用低；
缺点：车辆的检测精度受整个系统软、硕件的限制，容易受恶劣天气、灯光、阴影等环境因素的影响，汽车的动态阴彩也会带來T•扰，受恶劣天气正确检测率下降，甚至无法检测。

受灯光、阴影等环境因素的影响误检率也大幅上升，价格高。

1.2 GPS车辆定位技术
全球定位系统（英语：Global Positioning System,通常简称GPS）, 乂称全球卫星定位系统，是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。

它可以为地球表而绝大部分地区捉供准确的定位、测速和高精度的时间标准。

系统由美国国防部研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事川户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。

该系统包括太空中的24颗GPS卫星；地面上1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS 接收机。

GPS是近年來发展迅速且应用广泛的一种定位技术，利用GPS可测量车辆的实时位置、速度、运行时间和空间平均午速等。

优点：（1） GPS覆盖全球；（2） GPS是非饱和的系统，它同时适用无限多车辆；（3） GPS 的定位精度可达10m的数量级：（4）使用低频讯号，纵使天候不佳仍能保持相当的讯号穿透性；（5）快速、省时、高效率：应用广泛、多功能：可移动定位。

缺点：车辆耍求高将度和快速定位时，军用GPS接收机的成本可能很高。

根据粘度、耐久性、抗干扰、机动性等要求，其成木可能在15000到50000美元Z间；
第2部分环形检测线圈的原理
环形线圈车辆检测器是用感应线圈來检测车辆速度的检测器，是道路监控系统非常重要的一部分。

它可以获得当询监控路而交通流量、占有率、速度等数据,以此判断道路阻塞情况，并利用外场信息发布系统发出警告等，是冃前世界上用量最大的一种检测设备。

2.1 环形检测线圈的工作原理
环形线圈是电路的电感元件，当电流通过环形线圈吋，在其周囤形成一个电磁场，当车辆通过坏形地脉线圈或停在坏形地埋线圈上时午辆口身铁质切割磁通线，将导致环形线圈凹路电感量的变化，而线圈电感量的变化又引起车辆检测器的LC振荡电路的振荡频率和相位相应也发生变化。

因此，检测器通过检测该电感变化最就可以检测出车辆的存在。

环形线圈车辆检测器主要由环行线圈、线圈调谐回路和检测电路组成，工作原理图如图所示。

2.2环形线圈车辆检测器的组成
(1)环形线圈
环形线圈由专用电缆几匝构成(一•般为4匝)，一般规格为2mX2m的正方形，根据不同的需要，可以改变线圈的形状和尺寸。

对车辆检测起直接作用的是环形线圈回路的总电感。

总电感主要包括环形线圈的口感和线圈与不辆Z间的互感。

载流导线将在其周围产生磁场，对于长度为1,匝数为N的螺线管型线圈，线圈内磁场强度均匀。

道路匕的环形线圈不能完全等同于螺线管，考虑其磁场的不均匀修正因子戸,其自感量厶'I可近似于螺线管得自感量乘修正因子F P即：
L二F屮小Q MA
自— / (34)
式中"「是介质的相对磁导率，空气的“「=1, "o =4x10"力为线圈面积。

由上式可知，环形线圈自感的人小取决于线圈的周长、横截面的血•积、匝数、周阳介质
情况，当线圈埋设在路面下时，上述参数就基本确定了。

当车辆进入坏线线圈时，改变了坏形
线圈周围介质悄况。

铁磁车体使磁导率增加，从而感量增加。

另一方面，环形线圈是冇源探头
在其屮加上交变电流，则在其周围建立起交变电场。

当铁磁性的车体进入环形线圈时，车体内
会感主涡电流，并且产牛与环路向耦合但方向相反的电磁场，即互感，降低线圈环路电感。

山于线圈设计成涡流影响占支配地位的状态，所以环路总电感量L减少。

检测出线圈坏路电感量的变化，就可以判断车辆的存在或通过。

（2）调谐回路
环形线圈作为一个感应元件，通过一个变圧器接到被协流源支持的调谐回路上，该调谐冋路是厶C谐振回路，设计选择电容C,使调谐冋路有一个固定的震荡频率。

由电子线路知识可知，LC谐振回路的震荡频率/为：
/ =——\=
' 2冗4LC
这表明，/与血成反比。

前面已分析，车辆进入环形线圈将使回路总电感厶减少，因而也会使震荡冋路频率增人。

只要将该冋路的输出送检测电路处理得到频率随时间变化的信号就nJ-以检测出是否冇车辆通过。

（3）信号检测与输出
检测电路包括相位锁定器、相位比较器、输出电路等，现在很多型号的环形线圈检测器还包含微处理器，它与检测电路一起构成信号检测处理单元。

相位比较器的一个输入信号是相位锁定器的输出信号，其频率为调谐回路的固有震荡频率，另一个输入信号跟踪车辆通过线圈时谐振回路的频率变化，从而使输出的信号为一反映频率随时间变化的电压信号也就是反映车辆通过环形线圈的过程的信号。

输出电路先将相位比较器输出的信号进行放大，然后以两种方式输出，即模拟量输出、数字量输出。

模拟量输出用來分别车型，数字信号输岀用來计数或控制。

亦可用微机综合处理输出信号获得各种交通参数。

带有微处理机的坏形线圈检测器则对以直接做到这一点。

当车辆前沿进入线圈一边时，检测器彼触发产生信号输出，而当车辆后沿离驶线圈另一边时，信号强度低于阈值，输出电平降为零。

车辆这个实际对环形线圈作用的长度®称为车辆有效长度。

车辆有效长度数值上约等于车辆长度与线圈长度Z和。

显然，大多数情况下都使用检测器的数字电平输出。

为了检测不同的交通参数和适应不同检测
或控制耍求叮设置检测器工作于方波和短脉冲两种输出方式。

当检测器运行于“方波” 的工作
方式时，只要不辆进入环形线圈，检测器就产生并保持信号输出（当不辆离开坏形线圈后，仍
可设置信号持续一段时间）。

电路中的计时器自动计测信号持续时间，这对冇些交通控制参数
如占有率等的检测计算很有用处。

当检测器运行于“短脉冲”的输出方式时，每当车辆通过环
形线圈检测器就产牛一个短脉冲（100MS〜150“s）,这种方式在双线圈测速系统中得以应用。

2.3线圈检测的优缺点
环形线圈检测器技术成熟，测速精度和交通量计数精度较高，工作稳定性好，不受气象和
交通环境变化的影响，易于学握，并有成木较低的优点。

这种方法也有以下缺点：
a.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。

b•埋置线圈的切缝软化了路曲，容易使路面受损，尤其是在有信号控制的十字路口，车辆启动或者制动时损坏可能会更加严重。

c.感应线圈易受冰冻、路基下沉、盐碱等自然环境的影响。

d.感应线圈由于口身的测量原理所限制，当不流拥堵，车间距小于3m的时候，其检测精度稍有下降，有些厂商的产品其至无法检测。

2.4主要功能
1）交通信息采集及处理功能：
交通信息采集是检测器棊本功能，检测器通过检测线圈感应量的变化判断车辆的冇无, 然后CPU对数据进行计算后得出车流最、平均速度、时间占有率、平均车长、平均车间距等信息。

2）数据储存功能：
检测器门J储存计算后得到的数据。

如果通信中断，可由通信端口上传历史数据到便携电
脑和数据中心，保持数据完整。

3）故障检测功能：
检测器具备对线圈取路故障的检测。

在发现故障时，检测器能上传故障信息。

所存储的信息能在检测器或与检测器相连的外部设备上显示查阅。

以代码或文本形式记录下故障类型和细节；故障发生的时间、故障清除的时间对以通过维护工具和中心系统査询。

第3部分视频检测的原理
视频车辆检测器是指采用视频图像处理技术实现某项交通流参数检测或者某项交通事件检测的设备。

具有多种功能以及多种功能的组合能力，最显着的是图像捕获与存储能力，应用于于感应式十字路口信号灯控制系统、电子警察抓扌n系统，还能对道路交通流量等数据进行采集并上传至城市交通监控中心。

3.1视频检测的原理
视频午辆检测器主耍由外场摄像机、数据传输设备和视频处理器组成。

外场摄像机将高速公路某一个方向断面的交通图像扌n摄下來，然后经数据传输设备传给视频处理器。

视频处理器的图像处理硬件把图像显示在计算机显示器上，然后通过互动控制软件，用鼠标在交通图像上设査虚拟线圈和粗线条，作为速度检测器和计数检测器，如图所示。

行驶方向・速度检测器■'s
■
•计数检测器
1
虚拟线圈和粗线条的尺寸、数最可根据交通图像的情况随时调整。

当车辆通过虚拟线圈和粗线条时，就会产住检测信号，经过视频处理软件的分析和处理，即可得到车速、交通量等参数。

基于视频的车辆检测算法可分为如下儿类：光流法检测，帧差法，背景消减法，边缘检测法，运动矢量检测法。

3.2.1光流法检测
光流的概念是Gibson于1950年提出的。

所谓光流是指图像中模式运动的速度，光流场是一种二维(2D)瞬时速度场，其中二维速度向最是可见的三维速度向最在成像平面上的投影。

光流法是把检测区域的图像变为速度的矢量场，每一个向量表示了景物小一•个点在图像中位置的瞬时变化。

因此，光流场携带了有关物体运动和景物三维结构的丰富信息，通过对速度场
3.2 基于视频的车辆检测算法
（光流场）的分析可以判断在检测区域内车辆的冇无。

3.2.2帧差法
帧差法是将前后两帧图像对应像素点的灰度值相减，如果灰度差值很小，可以认为该点无车经过；反之灰度变化很大，则认为有车经过。

帧差法的特点是实现简单、运算速度快, 对于动态环境口适应性是很强的，对光线的变化不是十分的皱感。

采用这种方法时，需要考虑如何选择合适的时间间隔进行差分，这一般依赖于所监视的车辆的运动速度。

对快速运动的车辆，需要选择较小的时间羌，如果时间间隔过人，最坏悄况下车辆在前后两帧中没有-重迭，造成被检测物体为两个分开的车辆；而对慢速运动的物体，应该选样较人的时间差，如果时间间隔过小，最坏情况下，车辆在询后两帧中儿乎完全重迭，根木检测不到车辆。

3.2.3背景消减法
背景消减法是冃前基于视频检测算法中最常用的一种方法。

背景消减法可以看作一种特殊的帧差法。

它是一种利用当前帧图像与背景图像对应象素点的灰度差值来检测车辆的技术。

如果当前图像的象索点和背景图像的象素点灰度值差别很人，就认为此彖素点有车通过; 相反，如果当询图像的象素点和背景图像的象素点灰度俏差别较小，在一定的阈值范围内，就认为此彖素点为背景象素点。

背景消减法的关键是巧景提取与巧景更新。

然而它对于动态场景的变化，例如光照的变化和阴影的干扰等特别敏感。

因此选取一个可靠的背景模型进行背景的提取与动态更新以适应环境的变化是必要的。

3.2.4边缘检测法
边缘检测方法是在不同的光线条件下利用车体的不同部件、颜色等提供的边缘信息有效的提取车辆的边缘，从而进行静止和运动车辆的检测。

相对于背景消减法，由于车辆的表而、形状及颜色不同，边缘检测法所能提供的信息相当显著。

即便车辆与路面的颜色相同，因为车辆要比地面反射更多的光线所以车辆仍能被检测出来。

边缘检测法对环境光线变化的鲁棒性高于背景消减法。

但是对于车辆边缘不明显和道路边缘明显的情况，一般的边缘检测法可能造成漏检、误检。

针对道路背景的影响，有人捉出了分别提取背景边缘图像和当而帧边缘图像，然后用包容性检测来去除廿景边缘，得到对应的车辆边缘信息。

该方法先对路况边缘图像进行削顶处理，使得路况边缘图像中的车辆边缘和背景边缘有同样的峰值，然后选用连续的n幅图像进行叠加，最后进行简单的阈值判断就可以去除路况边缘图像屮的车辆信息，从而得到加宽的背景边缘图像。

乂由于实时路况边缘图像中的背景边缘是得到的
背景边缘图像的一部分，所以采用包容性检测来去除背景边缘。

如果实时路况边缘图像中某点在背景边缘图像中对应点为边缘点，则认为该点是苗景边缘|何去除。

这样，结果图像只会保留车辆的框架，提高了车辆检测的正确性。

常用的三种视频检测算法有着它们各自的优缺点:
（1）背景差分法：摄像机固定，算法简单易于实现，在背景已知的情况下，能够提供最完全的特征数据，并能完整地检测岀运动目标。

山于背景建模对光照、天气变化以及突发事件等外部动态场景变化极其皱感，所以当背景更新不能很好的适应变化场景时，无疑将影响到冃标的检测。

（2）相邻帧羌分法：采用固定摄像机，对动态变化环境屮的运动1=1标检测有较强的H 适应性。

在实吋性方面显示出优越性，由于连续两帧吋间间隔短，受光线变化、摄像头抖动的影响很小。

但总体来说该方法不能完全提取所有相关的特征像索点，得到的背景并不是纯背景图像，故检测结果不十分精确，在运动实体内部易产生空洞现彖，不利于进一步的冃标分析与识别。

（3）光流场法：该方法的优点是在摄像机运动存在的前提下也能检测出独立的运动目标。

然而，大多数的光流计算方法相当复杂，运算量很人，且抗噪性能差，除非有特殊的换件支持，否则很难实现动目标的实吋检测。

3.3车辆跟踪
对检测出來的运动车辆进行跟踪，是得到车速、车流量等的基础，它是儕能交通系统研究的焦点之一。

大多数车辆跟踪算法都遵循一个基木原则，即用空间距离判断两相邻帧中的车辆是否为同一辆车，进而完成时域上车辆的跟踪。

空间距离町以是最简单的欧几里德距离, 也可以是其他距离标准如Hausdorff距离。

系统要求实现对运动车辆的快速冇效跟踪，并H. 能处理跟踪车辆之间的重叠以及车辆的暂时消失等情况。

车辆跟踪一般可根据对运动车辆的不同农达方式进行分类,车辆跟踪的基本类型主要有基于车辆模型、车俩区域、车辆轮廓和车辆特征的跟踪。

车辆跟踪等价于在连续的视频流中对车辆的模型、区域、轮廓和特征进行对应匹配，近年来用于车辆跟踪的主耍数学工具有: 模板匹配、卡尔曼滤波和粒子滤波等，这些方法目前己成为该领域的研究热点。

3.3.1基于车辆模型的跟踪
这种跟踪算法为模型法检测车辆的后续操作。

这种算法的核心是建立的精细提取己知车辆的3-D模型与待检测图像之间的匹配操作。

这类算法的优点之一•是在确定车辆类型和儿何模型细节时准确度高。

而缺点超对车辆模型的过分依赖，阳很叨显的是不可能为公路上行驶的每种年辆
都建立精细的模型。

而实际中，基于模型的跟踪算法由于计算量大，不利于实时处理，只能应用在车辆较少的情况下。

3.3.2基于车辆区域的跟踪
该算法小车辆被农示成斑点，或像素连通块，或块区域，连接区域被提取并根据情况被合并或分割。

这种算法在车辆稀少时效果很好，且块区域可以捉供丰富的信息如大小、形状和密度等。

但其最严重的缺点是区域的合并和分割，存在着不准确性。

3.3.3基于车辆轮廓的跟踪
车辆轮廓模型跟踪算法的主要思想是先初始勾勒出车辆的轮綁，并且不断地在后续帧更新轮廓进而达到跟踪的目的。

这种算法其实是基于区域算法的一个变形。

而基于区域的算法在阴影和道路拥挤的情况下其效果会变得很差，因为阴影和车辆之间的遮挡都会将木来相邻的多个连通块变为一个，造成漏检和误检。

虽然伦廓对以通过简单的边缘检测的算法得到，但这些简单的算法往往同时检测出背景中的一些干扰边缘。

与区域算法相比优点在于计算量低，而缺点是存在初始化困难的问题。

它存在和区域法一样的问题，即在阴影和拥塞情况下效果欠佳。

3.3.4基于车辆特征的跟踪
这类算法对侮辆车提取一些特征，如可曲线，这些点、线条可能代表了车辆的保险杆、车窗、车顶棚等，或将这些特征组合來表示一个车辆。

这类算法的突出优点是即使存在部分遮扌当，一些特征仍是可见的，可以为跟踪过程提供依据。

但在检测每个车辆的特征时也同样存在车辆彼此太接近，无法正确提取的问题。

它需要进行特征聚类，即在众多的特征屮分析哪些是属于同一辆午的。

第4部分交通信息传输方式有哪些
交通信息传输系统保证了交通信息系统各组成部分信息交换的有效性和可靠性，其功能包括向现场设备发送指令、接受现场折木发出的确认信息、从各种交通检测器中获取交通数据、监视现场设备的工作状态。

4.1有线传输
4.1.1铜线传输
铜线用来传播电脉冲信号，电的流动性很强,可以在一秒钟开关三百万次（物理戢大值）, 既三百万次脉冲。

以电话为例，人一秒种说话产生三百次左右脉冲，转换成电信号后，被电话机（里面有处理芯片）翻译成人能听的懂的声音。

所有脉冲都是在一个固定的频率下发送的，数字化以后，只发送2种状态，通电，和断电。

既（）和1.然后，在由电器里而的电路运算出结果。

电信号其实就是载冇信号的电压或者电流。

电压加到导体上就会产生电流，这个电流流到导体所连接的地方就也就把电压的变化转到那个地方，也就是将信号传导到了那些地方。

4.1.2专线E1/T1传输
通过两对电话线路为用八提供高速的专线接口标准。

2Mbps带宽捉供32个64kbps的倍道，可多用户使用一个信道，或单用户使用多个信道。

该接入方式费用较高。

TDM技术（Time Division Multiplexing,时分复川）在数了通信系统中逐渐得到广泛的应用后，目前，在数字通信系统中存在两种时分复用系统，一种是ITU-T推荐的E1系统，一种是
由ANSI的T1系统。

TDM:时分复用和复用器（TDM： Time Division Multiplex and Multiplexer）吋分复用是指一种通过不同信道或时隙中的交义位脉冲，同吋在同一个通信媒体上传输多个数字化数据、语音和视频信号等的技术。

电信中基本采用的信道带宽为DS0,其信道宽为64 kbpso
电话网络（PSTN）基于TDM技术，通常乂称为TDM访问网络。

电话交换通过一些格式支持TDM： DSO、Tl/El TDM 以及BRITDM。

El TDM 支持 2.048 Mbps 通信链路，将它划分为32个吋隙，每间隔为64 kbps o T1 TDM支持1.544 Mbps通信链路，将它划分为24个时隙，每间隔为64 kbps,其中8 kbps信道用于同步操作和维护过程。

El和T1 TDM 最初应川于电话公司的数字化语咅传输，与后來出现的其它类型数据没冇什么不同。

E1和T1TDM H前也应用于广。