常見公交車輛檢測技術(shù)案例分析

　　0引言

　　隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，機(jī)動(dòng)車保有量迅速上漲，城市道路交通所面臨的壓力與日俱增。在城市設(shè)計(jì)規(guī)劃基本定型和土地資源有限的情況下，不可能通過大規(guī)模的改建道路、擴(kuò)建路網(wǎng)的方式來解決交通擁堵。因此，優(yōu)化智能交通系統(tǒng)的運(yùn)行策略、提高公共交通系統(tǒng)的服務(wù)效率，成為改善道路交通運(yùn)行水平的有效措施。

　　眾所周知，公共交通運(yùn)營能力是私人交通的十幾倍甚至幾十倍，可以充分利用城市道路資源，是減少道路交通流量、緩解交通擁擠、節(jié)約自然資源的有效措施。然而，在多種交通工具并存的情況下，由于公交車輛的運(yùn)行時(shí)間長、準(zhǔn)時(shí)性差等弊端使得人們不愿意選擇公交車輛出行，造成公交車輛的出行分擔(dān)率很低。因此，發(fā)展城市的公交運(yùn)行系統(tǒng)、提高公共交通的服務(wù)水平、落實(shí)“公交優(yōu)先”戰(zhàn)略，對(duì)緩解城市交通擁堵、促進(jìn)市民選擇公共交通工具出行具有重要的意義。

　　公交優(yōu)先技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是以公交車輛檢測技術(shù)提供的信息為基礎(chǔ)，因而，準(zhǔn)確有效的公交車輛檢測技術(shù)是公交優(yōu)先的先決條件。

　　1研究現(xiàn)狀

　　公交車輛的檢測技術(shù)是智能公共交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)。美國、日本、加拿大、英國、法國、韓國等國家都已在智能交通系統(tǒng)的研究中取得了顯著的成績。相比之下，我國的智能公共交通事業(yè)的發(fā)展起步較晚，但實(shí)施速度較快。杭州、上海、北京、大連、廣州等大城市已在部分公交線路上建成了公交車輛跟蹤調(diào)度系統(tǒng)，并安裝了電子站牌，車載定位設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛的實(shí)時(shí)跟蹤和定位、公交車與調(diào)度室的雙向通信等功能。公交車輛檢測技術(shù)的應(yīng)用大幅度提高了智能公交系統(tǒng)的發(fā)展速度，提高了公交車輛的運(yùn)行效率。

　　2國內(nèi)公交車輛檢測現(xiàn)狀

　　車輛檢測方式依據(jù)被檢測車輛是否裝有被檢測設(shè)備可分為被動(dòng)式檢測與主動(dòng)式檢測。被動(dòng)式檢測指公交車輛上無需安裝任何裝置，只在路口安裝檢測設(shè)備的檢測方式，它包括環(huán)形線圈檢測方式、視頻檢測方式等；主動(dòng)式檢測指公交車輛上裝有被檢測或主動(dòng)傳輸設(shè)備，同時(shí)路口裝有檢測設(shè)備的檢測方式，包括：GPS定位檢測方式，RFID射頻檢測方式等。

　　2.1環(huán)形線圈

　　線圈檢測技術(shù)屬于被動(dòng)式檢測，是國內(nèi)應(yīng)用最早、適用范圍較廣的車輛檢測方式，主要由環(huán)形線圈、線圈調(diào)諧回路和檢測電路組成，如圖1所示。環(huán)形線圈與檢測處理單元組成初級(jí)調(diào)諧電路，環(huán)形線圈相當(dāng)于電感元件，在線圈周圍的空間產(chǎn)生電磁場。當(dāng)主要由鐵質(zhì)材料組成的車體進(jìn)入線圈磁場范圍時(shí)，車身金屬感應(yīng)出渦流，此渦流又產(chǎn)生與原有磁場方向相反的新磁場，使線圈的總電感量隨之降低，調(diào)諧頻率偏離原有數(shù)值；偏離的頻率值被送到相位比較器，與壓控振蕩器頻率相比較，確認(rèn)其偏離值，從而發(fā)出車輛通過或存在的信號(hào)；相位比較器輸出信號(hào)控制壓控振蕩器，使振蕩器頻率跟蹤線圈諧振頻率的變化，從而產(chǎn)生脈沖信號(hào)；該脈沖信號(hào)經(jīng)過放大器、數(shù)模處理模塊后，可以以數(shù)字、模擬和頻率等形式輸出。頻率輸出可以用來測速，數(shù)字信號(hào)便于車輛計(jì)數(shù)，模擬量輸出用于計(jì)算車長和車型識(shí)別。

　　線圈檢測器的測速精度和交通量計(jì)數(shù)精度高，且工作穩(wěn)定性好，不易受天氣和交通變化的影響，抗干擾能力強(qiáng)。但是由于線圈檢測器需要在車道下埋設(shè)，在安裝的過程中會(huì)對(duì)路面有一定的破壞作用，影響道路的正常使用壽命；同時(shí)，線圈檢測器的安裝和維修過程中會(huì)影響交通的正常通行，因此，線圈檢測器已基本不被采納。

　　2.2 GPS檢測

　　GPS系統(tǒng)主要由空間星座、地面檢測系統(tǒng)和用戶接收設(shè)備三大部分組成，GPS可以為用戶提供實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位功能，廣泛地應(yīng)用于航空航天、軍事、交通運(yùn)輸、資源勘探、通信、氣象等領(lǐng)域中。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)開始逐步深入人們的日常生活。在公交系統(tǒng)的車輛定位導(dǎo)航和交通數(shù)據(jù)采集中，GPS的應(yīng)用較為廣泛。

　　公交車輛定位系統(tǒng)共分4部分：GPS差分站、總凋中心、區(qū)域監(jiān)控站、車載設(shè)備。

　　車載設(shè)備由定位模塊（GPS接收機(jī)和DR傳感器）、通信控制器、收發(fā)信機(jī)（即集群電臺(tái)）、駕駛員接口和電源模塊組成。GPS接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星所發(fā)射的導(dǎo)航電文，經(jīng)處理后形成一定格式的綜合數(shù)據(jù)流（包括位置、時(shí)間、速度等），經(jīng)串口送至通信控制器。通信控制器將綜合數(shù)據(jù)流和本車的車號(hào)及其他運(yùn)營數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議重構(gòu)，經(jīng)收發(fā)信機(jī)發(fā)射到監(jiān)控中心站；并將差分GPS基站發(fā)來的差分修正信息經(jīng)解調(diào)后送至GPS接收機(jī)；調(diào)度中心發(fā)來的調(diào)度信息也由通信控制器解調(diào)后以語音提示。駕駛員接口提供駕駛員與調(diào)度中心之間進(jìn)行聯(lián)絡(luò)和短信息傳送、車輛快慢提示、語言提示等的接口。車載設(shè)備模塊框架如圖2所示。

　　區(qū)域監(jiān)控中心站由DDN接口、通信控制器、收發(fā)信機(jī)（即集群電臺(tái)）、GIS顯示系統(tǒng)組成。通信控制器將接收到的各車輛數(shù)據(jù)處理后按一定的格式送往GIS顯示系統(tǒng)，并將差分修正信息和調(diào)度命令進(jìn)行編碼和調(diào)制，經(jīng)收發(fā)信機(jī)發(fā)送到各車載設(shè)備。

　　總調(diào)度中心主要由大屏幕顯示和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成。接收各個(gè)區(qū)域監(jiān)控中心傳輸?shù)能囕v定位和狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有車輛的監(jiān)控。

　　差分GPS基準(zhǔn)站主要由基準(zhǔn)GPS接收機(jī)和計(jì)算機(jī)組成?；鶞?zhǔn)GPS接收機(jī)接收GPS信號(hào)，形成差分修正信息，并發(fā)送到各監(jiān)控中心。

　　GPS公交車輛檢測定位技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中維護(hù)方便，不會(huì)對(duì)道路交通產(chǎn)生影響；檢測和定位的準(zhǔn)確度高，使用擴(kuò)展GPS差分站后，能獲得準(zhǔn)確定位信息。車載 GPS裝置安裝于各種類型的公交車中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同公交車類別進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)能得到車輛的運(yùn)營信息；但是，GPS檢測系統(tǒng)的信號(hào)的接收容易受到道路周邊密集的、體積較大的建筑物的遮擋，可能影響檢測設(shè)備的正常工作，因此在實(shí)際的公交車輛檢測裝置的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮周邊環(huán)境對(duì)GPS信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

　　2.3超高射頻檢測技術(shù)

　　射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID發(fā)送的頻率稱為RFID系統(tǒng)的工作頻率或載波頻率，基本有四個(gè)范圍：低頻（30～300 kHz）；高頻（3～30 MHz）；超高頻（300 MHz～2.45 GHz）和微波系統(tǒng)（2.45～5.8 GHz）。目前市場上常用的載波頻率有低頻125 kHz與133 kHz、高頻13，56 MHz以及超高頻902 928 MHz和微波2.45 GHz與5.8 GHz等。

　　基于射頻的公交車輛檢測系統(tǒng)主要由車載射頻卡、近端信息采集傳輸設(shè)備、遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、后臺(tái)數(shù)據(jù)分析管理服務(wù)器和應(yīng)用客戶端五個(gè)主要部分組成。

　　車載射頻卡安裝在公交車輛上，用于存儲(chǔ)運(yùn)營車輛的ID信息，它是由天線、電源、微處理器和存儲(chǔ)器組成。車載卡用于存儲(chǔ)固定的ID編碼信息，工作頻率為 2.45～2.483 GHz，當(dāng)車載卡進(jìn)入收發(fā)天線感應(yīng)區(qū)后，不間斷的發(fā)送卡號(hào)信息。當(dāng)車載射頻卡工作電壓低于正常使用電壓時(shí)，數(shù)據(jù)交換同時(shí)主動(dòng)向遠(yuǎn)端服務(wù)器發(fā)送低壓報(bào)警信息。

　　近端信息采集傳輸設(shè)備主要由RFID無線射頻讀卡器裝置、前置通信模塊、室外設(shè)備機(jī)箱等部分組成。RFID無線射頻讀卡器裝置由收發(fā)天線及射頻讀卡器構(gòu)成。其工作原理是：當(dāng)車載射頻卡進(jìn)入收發(fā)天線區(qū)域后，車載射頻卡發(fā)出的加密載波信號(hào)被天線接收，經(jīng)射頻讀卡器裝置接收處理后，向前置通信模塊發(fā)送獲取的車載射頻卡信息；前置通信模塊將接收到的卡號(hào)時(shí)間、地址信息通過無線方式與遠(yuǎn)端的讀卡服務(wù)器建立通信連接。

　　遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫服務(wù)器擁有固定的、永久性的ID地址，并通過Intemet接入，實(shí)現(xiàn)和GPRs的內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧與地面識(shí)別設(shè)備的前置通信模塊建立通信連接，其主要任務(wù)是接收、存儲(chǔ)地面識(shí)別設(shè)備無線傳送來的車載卡數(shù)據(jù)信息。

　　后臺(tái)數(shù)據(jù)分析/管理/發(fā)布服務(wù)器用于對(duì)多個(gè)地面識(shí)別設(shè)備進(jìn)行集中管理，提供讀卡記錄和通信異常記錄的設(shè)備?？梢詾楣娞峁┕恍畔⒎?wù)。為管理者提供實(shí)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)查詢、歷史數(shù)據(jù)分析服務(wù)，同時(shí)也為管理者制定交通發(fā)展策略及提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

　　應(yīng)用客戶端采用成熟的Web技術(shù)，提供公交站場營運(yùn)公交車輛進(jìn)出信息的記錄、查詢、統(tǒng)計(jì)、檢索、分析等功能的操作平臺(tái)。

　　RFID技術(shù)具有以下特點(diǎn)：全雙工穩(wěn)定可靠的無線數(shù)據(jù)通信，誤碼率幾乎為零；載波信號(hào)穿透力和繞射力極強(qiáng)，標(biāo)簽可固定安裝在車輛的任何物體的表面，包括金屬、非金屬、玻璃的表面等；射頻卡讀寫區(qū)域無方向性，接收和發(fā)射天線無需對(duì)準(zhǔn)被讀取的射頻卡；具有信息防沖撞功能，可同時(shí)識(shí)別多輛并排、串道、跨線等不按規(guī)定行走的車載卡，無論車道上前后左右的車輛大小、高低、彼此遮擋，各車均能可靠識(shí)別，單套設(shè)備可同時(shí)讀取10個(gè)車道通行的車載射頻卡信息；射頻卡超低能耗設(shè)計(jì)，高能鋰電可反復(fù)、連續(xù)讀寫高達(dá)700萬次；射頻卡具有低壓檢測及低壓信號(hào)報(bào)送后臺(tái)計(jì)算機(jī)的管理功能；射頻卡的感應(yīng)范圍（可達(dá)300 m左右）和通過速度（可達(dá)120 km/h）可根據(jù)管理需要進(jìn)行靈活調(diào)整，而無需增加設(shè)備投資。

　　文獻(xiàn)提出了利用RFID技術(shù)幫助盲人自助乘車。公交車輛中安裝含有車輛信息的標(biāo)簽，盲人攜帶RFID讀卡器，讀卡器和計(jì)算機(jī)以及天線相連。通過信號(hào)的傳輸，公交車輛的路線和終點(diǎn)站等信息便可以通過聲訊系統(tǒng)告知盲人。

　　目前國內(nèi)很多城市的公交優(yōu)先系統(tǒng)、公交到離站信息管理系統(tǒng)以及不停車收費(fèi)系統(tǒng)（Electronic Toll Collection，ETC）均使用了RFID技術(shù)。但是，國內(nèi)在RFID的標(biāo)準(zhǔn)化方面還有待深入和完善，以便被更多的企業(yè)所接受，使不同生產(chǎn)商的生產(chǎn)系統(tǒng)及模塊的替代性更好，使RFID的應(yīng)用更為普及。

　　2.4視頻檢測

　　視頻檢測方式也是智能交通系統(tǒng)先進(jìn)的監(jiān)控和檢測技術(shù)之一，視頻檢測器可以大范圍的對(duì)公交車輛進(jìn)行檢測和識(shí)別。視頻檢測的基本原理是對(duì)攝像機(jī)得到的圖像進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理，進(jìn)而對(duì)視頻中的運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行檢測。

　　視頻車輛檢測器主要由外場攝像機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和視頻處理器組成。外場攝像機(jī)將道路上的交通視頻圖像拍攝下來，經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備傳給視頻處理器。視頻處理器通過相應(yīng)的算法檢測得到車輛的速度和數(shù)量。視頻處理方法主要包括虛擬線圈法和特征識(shí)別法。

　　虛擬線圈法是指通過相應(yīng)程序在交通圖像上設(shè)置虛擬線圈和粗線條，作為速度檢測器和計(jì)數(shù)檢測器，如圖3所示。

　　虛擬線圈的尺寸、位置和數(shù)量可以根據(jù)具體的道路情況進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)車輛通過虛擬線圈和計(jì)數(shù)檢測器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生檢測信號(hào)，經(jīng)過視頻處理軟件的分析和處理，可得到車速、流量等參數(shù)。

　　基于特征識(shí)別的公交車輛檢測方法主要包括基于幾何和顏色特征、基于車型特征等方法。