交通信息与控制技术
第1部分 交通信息采集的方法、各自的优缺点；
目前，在ITS各应用系统中应用的动态交通数据自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。
1.1 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，将检测器划分为三大类： 磁频车辆检测器、波频车辆检测器、视频车辆检测器。
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。环形线圈是电路的电感元件，当电流通过环形线圈时，在其周围形成一个电磁场，当车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量就可以检测出车辆的存在。
优点：技术成熟、易于掌握且计数精确；
缺点：线圈跟随路面变形（沉降、裂缝、搓移等），使用效果及寿命受路面质量的影响甚大，另外，环境的变化和环形线圈的正常老化对检测器的准确度影响较大。
（2）磁性检测器
埋设在车道下面，通过磁场变化来进行检测。
优点：可检测小型车辆(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
微波检测器是一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时检测。检测器发射一束微波同时接收物体（目标）反射波，根据反射回来的波形及频率差异来判别车辆、车型、车速和划分车道。微波检测在恶劣气候下性能表现出色。
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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：在车流拥堵以及大型车较多、车型分布不均匀的路段，由于遮挡，测量精度会受到比较大的影响；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，检测精度较差，特别是车流严重拥挤是；性能会随环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生调制脉冲，经红外探头向道路上辐射，当有车辆通过时，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
视频车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，可根据需要移动检测线圈，有着直观可靠，能检
测更大的交通场景面积，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、硬件的限制，容易受恶劣天气、灯光、阴影等环境
因素的影响，汽车的动态阴影也会带来干扰，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。
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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），又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。它可以为地球表面绝大部分地区提供准确的定位、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用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是近年来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车速等。
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：车辆要求高精度和快速定位时，军用GPS接收机的成本可能很高。根据精度、耐久性、
抗干扰、机动性等要求,其成本可能在15000到50000美元之间；
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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来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。它可以获得当前监控路面交通流量、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，是目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时，在其周围形成一个电磁场，当车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量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2m×2m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自感和线圈与车辆之间的互感。载流导线将在其周围产生磁场，对于长度为l，匝数为N的螺线管型线圈，线圈内磁场强度均匀。道路上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F1,其自感量
L自可近似于螺线管得自感量乘修正因子F1，即：
F1?r?0N2AL自?l （3-1）
?7?1??4?10hm???10式中r是介质的相对磁导率，空气的r，；A为线圈面积。
由上式可知，环形线圈自感的大小取决于线圈的周长、横截面的面积、匝数、周围介质
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情况，当线圈埋设在路面下时，上述参数就基本确定了。当车辆进入环线线圈时，改变了环形线圈周围介质情况。铁磁车体使磁导率增加，从而感量增加。另一方面，环形线圈是有源探头在其中加上交变电流，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，车体内会感生涡电流，并且产生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。由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。检测出线圈环路电感量的变化，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，通过一个变压器接到被恒流源支持的调谐回路上，该调谐回路是LC谐振回路，设计选择电容C,使调谐回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f为：
f?12?LC
这表明，f与L成反比。前面已分析，车辆进入环形线圈将使回路总电感L减少，因而也会使震荡回路频率增大。只要将该回路的输出送检测电路处理得到频率随时间变化的信号就可以检测出是否有车辆通过。
（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。模拟量输出用来分别车型，数字信号输出用来计数或控制。亦可用微机综合处理输出信号获得各种交通参数。带有微处理机的环形线圈检测器则可以直接做到这一点。
当车辆前沿进入线圈一边时，检测器被触发产生信号输出，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Lji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之和。
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要求可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”
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