環(huán)形線圈車輛檢測(cè)器的研究

    1 引言 

    隨著車輛的增多和交通的飛速發(fā)展，在道路交通管理與控制中對(duì)交通信息的需求越來越多。交通信息的采集是通過車輛檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)的，車輛檢測(cè)器根據(jù)采用的不同技術(shù)主要分為線圈檢測(cè)、視頻檢測(cè)、微波檢測(cè)、紅外線檢測(cè)、雷達(dá)檢測(cè)、激光檢測(cè)等。環(huán)形線圈車輛檢測(cè)器相對(duì)于其他檢測(cè)器具有低成本、高可靠性、高檢測(cè)精度、全天候工作的優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的車輛檢測(cè)器。 

    本文介紹的車輛檢測(cè)器具有獨(dú)立檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通訊的功能，可以提供車流量、車速、車型分類、時(shí)間占有率、排隊(duì)長度的綜合交通信息，并且可應(yīng)用在更廣的范圍。本文對(duì)檢測(cè)器的原理和檢測(cè)精度做了深人的分析，為檢測(cè)器的檢測(cè)參數(shù)設(shè)計(jì)提供了有效理論依據(jù)。 

    2 檢測(cè)器主要功能

    1)交通信息采集、處理功能:交通信息采集是檢測(cè)器的基本功能，檢測(cè)器通過檢測(cè)線圈感應(yīng)量的變化判斷車輛的有無，然后CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后得出車流量、平均速度、時(shí)間占有率、平均車長、平均車間距等交通數(shù)據(jù)。檢測(cè)器的靈敏度可人工設(shè)置。
    2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能:檢測(cè)器可存儲(chǔ)計(jì)算后得到的數(shù)據(jù)。如果通信中斷，一旦恢復(fù)，可由通信端口上傳歷史數(shù)據(jù)到便攜電腦或控制中心，保持?jǐn)?shù)據(jù)完整。
    3) 故障檢測(cè)功能:檢測(cè)器具備對(duì)線圈斷路和短路故障的檢測(cè)。在發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，檢測(cè)器能上傳故障信息。所存儲(chǔ)的信息能在檢測(cè)器或與檢測(cè)器相連的外部設(shè)備(該設(shè)備可檢索并顯示儲(chǔ)存信息)上顯示、查閱。以代碼或文本形式記錄下故障類型與細(xì)節(jié);故障發(fā)生的時(shí)間與日期、故障清除的時(shí)間與日期可以通過維護(hù)工具和中心系統(tǒng)查詢。
    4) 通信功能:檢測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)配備2個(gè)RS-2犯通信接口(其中一個(gè)可設(shè)為RS-485通信接口)，通信速率4800bps-19200bps通過串口，可對(duì)車輛檢測(cè)器工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)GPRS,CDMA的通訊方式。 

    3 檢測(cè)器基本工作原理 

    線圈車輛檢測(cè)器與埋在道路中間的線圈連接，車輛經(jīng)過線圈后使線圈電感量發(fā)生變化，檢測(cè)器內(nèi)部電路振蕩頻率隨著線圈電感量的變化而變化，CPU通過計(jì)數(shù)脈沖數(shù)量判斷電路振蕩頻率的變化從而判斷車輛的有無，然后計(jì)算相關(guān)的交通參數(shù)。

    檢測(cè)器采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)主要由機(jī)架母板、電源模塊、檢測(cè)模塊、處理模塊組成，檢測(cè)模塊將地感線圈電感量的變化轉(zhuǎn)化為開關(guān)量后，經(jīng)機(jī)架母板傳送給處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、處理，電源模塊負(fù)責(zé)整機(jī)各模塊供電和電源管理，檢測(cè)器的硬件功能如圖1所示。

圖 1 車輛檢測(cè)器硬件功能示意圖 

    4 檢測(cè)器檢測(cè)精度計(jì)算 

    檢測(cè)精度是檢測(cè)器的關(guān)鍵性能指標(biāo)，這里主要通過理論計(jì)算結(jié)合經(jīng)驗(yàn)值的方法，計(jì)算和估計(jì)檢測(cè)精度。通過估算，可以看出影響檢測(cè)精度的因素及影響程度，對(duì)檢測(cè)精度的性能參數(shù)設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。

    1)檢測(cè)速度計(jì)算:檢測(cè)速度范圍即檢測(cè)板所能正常檢測(cè)的車輛速度范圍。單片機(jī)時(shí)鐘為12Mhz，則一個(gè)指令周期為：

    設(shè)每個(gè)檢測(cè)周期計(jì)數(shù)250個(gè)脈沖，頻率約為l00kHz 數(shù)時(shí)間約為：

    2.5ms即為計(jì)數(shù)時(shí)間粒度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在適當(dāng)?shù)撵`敏度下車輛經(jīng)過線圈1/2-1/3處檢測(cè)器可判斷為有車，線圈大小為2mx 2m，一般車長約為4m，可算出車輛經(jīng)過線圈檢測(cè)器可判斷為有車的長度范圍為4m。

    為保證能夠正確檢測(cè)到車輛通過，程序連續(xù)檢測(cè)到三個(gè)2.5ms有車時(shí)，判斷為車輛經(jīng)過，程序判斷時(shí)間總共約4.5ms，則車輛在線圈通過有效感覺范圍的時(shí)間不能少于12ms，由此可以算出可檢測(cè)車輛最高速度為:

    上式表明，在291.7m/s的速度范圍內(nèi)，檢測(cè)器都可以對(duì)車輛的存在做出相應(yīng)的響應(yīng)。 

    2) 檢測(cè)速度誤差:每路線圈檢測(cè)計(jì)數(shù)時(shí)間約為2.5ms，達(dá)到計(jì)數(shù)值后單片機(jī)定時(shí)器記錄時(shí)間值，然后進(jìn)行判斷等操作，這段處理程序大約300500行，按一行 C語言折合3行匯編指令算，最多1500條指令，指令周期為lus，時(shí)間需要1500x1us=1.5ms，可得出每路檢測(cè)時(shí)間約為4ms，即最大時(shí)間誤差為4ms。速度線圈對(duì)著的中心間距為4m，按檢測(cè)速度160km/h計(jì)算，則通過兩線圈最短時(shí)間為：

    3) 流量精度：流量即為統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)通過線圈車輛的數(shù)量。前面描述可測(cè)速度范圍為291.7m/s，所以速度對(duì)流量檢測(cè)精度的影響可忽略。車輛的底盤高度直接影響車輛經(jīng)過線圈所引起的電感量的變化，底盤高的引起的變化小，底盤低的引起的變化大，當(dāng)?shù)妆P高出一定范圍可能不能被檢測(cè)到。目前轎車地盤高度在 150-200mm，中小客車的底盤高度一般在400mm左右，對(duì)于不同車型車輛通過的檢測(cè)精度也不相同。另外，饋線長度的增加會(huì)造成饋線部分電感比例加大，相對(duì)于線圈電感量的變化比值就比較小，對(duì)檢測(cè)精度有一定影響。 

    所以流量精度受車型、饋線長度等現(xiàn)場(chǎng)因素影響，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整振蕩頻率和檢測(cè)靈敏度以保證最高的流量計(jì)算精度。

    4) 時(shí)間占有率精度:適當(dāng)?shù)撵`敏度下車輛經(jīng)過線圈1/21/3處檢測(cè)器可判斷為有車，在160km/h情況下，由式(5)得4m長度車輛通過單個(gè)線圈最短檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間為90ms。

    每輛車最大檢測(cè)時(shí)間誤差為4ms，據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每車道1分鐘車流量在20-40輛車，統(tǒng)計(jì)周期10秒至60分，取周期為30分，流量每分40輛計(jì)算。則車道最大占有時(shí)間誤差△tmax為：