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        智能運(yùn)輸系統(tǒng)中傳感器技術(shù)的應(yīng)用分析

        2021-11-29 15:52:49湯樂
        魅力中國 2021年39期
        關(guān)鍵詞:智能檢測

        湯樂

        (南陽理工學(xué)院,河南 南陽 473004)

        經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的負(fù)面產(chǎn)物是全球共同面對的交通問題,近幾年,伴隨經(jīng)濟(jì)的快速提升,以我國為例,城市化建設(shè)速度加快,汽車幾乎成為每家必備的出行工具,隨之而來的交通擁堵問題成為影響人們出行的重要障礙,同時(shí)還對環(huán)境造成很大污染。雖然政府及相關(guān)部門采取了不同手段給予解決,交通壓力有所緩解,但實(shí)質(zhì)性問題并沒得到有效解決,再加上公路網(wǎng)的限制,綜合考慮環(huán)保問題及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展等問題,在科技手段不斷發(fā)展的今天,將各種先進(jìn)技術(shù)合理應(yīng)用到交通運(yùn)輸系統(tǒng)中,有效推動(dòng)了社會(huì)的持續(xù)前行。

        一、概述智能運(yùn)輸系統(tǒng)和傳感器

        (一)智能運(yùn)輸系統(tǒng)

        將數(shù)字信息技術(shù)和通信技術(shù)及先進(jìn)的傳感器技術(shù)應(yīng)用到交通運(yùn)輸中,利用不同的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行針對性控制,進(jìn)而形成了智能化交通運(yùn)輸系統(tǒng)。智能運(yùn)輸系統(tǒng)不僅覆蓋范圍廣,全方位實(shí)施控制,還可以實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)輸系統(tǒng)的精準(zhǔn)性和效率性及實(shí)時(shí)性。智能運(yùn)輸系統(tǒng)作為現(xiàn)代交通運(yùn)行體系的發(fā)展方向及目標(biāo),區(qū)別于傳統(tǒng)交通網(wǎng)最大的不同在于服務(wù)對象發(fā)生了明顯變化。具體可以從以下對比看出:傳統(tǒng)交通管制系統(tǒng)以道路為主要服務(wù)對象,系統(tǒng)管理的目標(biāo)是對道路設(shè)施不斷完善并提升道路運(yùn)輸水平等;智能運(yùn)輸系統(tǒng)將與道路有關(guān)的人、交通工具、道路及周邊環(huán)境等作為服務(wù)對象,是運(yùn)輸系統(tǒng)相關(guān)的整個(gè)體系,通過科技信息智能技術(shù)對所有服務(wù)對象的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合分析,將道路交通中出現(xiàn)的各種擁堵及附帶問題進(jìn)行科學(xué)、有效解決。隨著科技手段的不斷發(fā)展,智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)也日益成熟,我國通過各種運(yùn)輸系統(tǒng)展示會(huì)的舉辦,有效促進(jìn)智能運(yùn)輸系統(tǒng)管理水平及應(yīng)用的全面提升。

        (二)傳感器及其性能參數(shù)和作用

        1.傳感器。通過特定檢測設(shè)備將感受信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭奢敵鲂畔?,這是傳感器最明顯的特點(diǎn)。傳感器有兩個(gè)主要元件構(gòu)成,即敏感元件及轉(zhuǎn)換元件,能將被測量的規(guī)定信息有效感應(yīng)并進(jìn)行可用信號(hào)的規(guī)律性轉(zhuǎn)換的裝置或器件。其中敏感元件是可直接感應(yīng)被測量信息變化的一種器件,而轉(zhuǎn)換元件需要將所感受的信息轉(zhuǎn)換為或傳輸或測量的一種電信號(hào)器件。敏感元件和轉(zhuǎn)換元件是傳感器的核心構(gòu)成,某些壓力傳感器的兩種元件是合二為一的。

        2.傳感器性能參數(shù)及作用。傳感器質(zhì)量和性能有直接關(guān)系,可以通過分析傳感器的性能參數(shù)來評(píng)價(jià)傳感器的品質(zhì)。如果傳感器的測量范圍較廣、測量精準(zhǔn)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、線性偏離度小、具有較高的靈敏度、時(shí)間常數(shù)值小則代表該傳感器品質(zhì)優(yōu),表示不僅測真度高、感測作用廣、系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)良,還具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和捕捉能力,對快速變化的被測量信息由較高的反應(yīng)能力。計(jì)算機(jī)是智能運(yùn)輸系統(tǒng)的終端,可以對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算控制,但對非數(shù)字信號(hào)無法有效識(shí)別,將傳感器技術(shù)應(yīng)用到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中可以對溫度變化及壓力和位移等非數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)有效控制,并將其轉(zhuǎn)換為可識(shí)別信號(hào)供計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和控制,實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)的智能化管理。

        二、傳感器在智能運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

        在城市交通管理及規(guī)劃中,最基礎(chǔ)的信息就是道路交通信息,對道路交通信息進(jìn)行全面、實(shí)時(shí)管控,可以對道路交通的實(shí)際現(xiàn)狀進(jìn)行全面了解,并利用所掌握信息進(jìn)行科學(xué)的發(fā)展和預(yù)測?;诖耍瑢Φ缆方煌ㄐ畔⑦M(jìn)行采集和處理對我國城市發(fā)展規(guī)劃及管理和建設(shè)具有重要意義。以下是智能運(yùn)輸系統(tǒng)常用傳感器的應(yīng)用方面,通過對實(shí)際路網(wǎng)各個(gè)路段交通實(shí)況信息進(jìn)行全面、實(shí)時(shí)采集和傳輸來實(shí)現(xiàn)交通信息管理的智能化目標(biāo)。

        (一)智能運(yùn)輸系統(tǒng)中紅外線傳感器的應(yīng)用

        紅外線傳感器是一種波束型檢測裝置,目前主要有主動(dòng)式紅外線傳感器和被動(dòng)式紅外線傳感器兩種,他們均被應(yīng)用到交通運(yùn)輸管理中。主動(dòng)式紅外線傳感器是一種不可見電磁波,根據(jù)波長范圍不同分成反射式和遮斷式,發(fā)射器由半導(dǎo)體激光器構(gòu)成,接收器則為光電二極管,對中發(fā)射器和接收器并水平安裝與車道旁,對通過車輛進(jìn)行通斷轉(zhuǎn)換檢測,其工作原理為:紅外光輻射一致的情況下,根據(jù)不同的反射物所顯示的反射能力是不同的。主動(dòng)式紅外線傳感器擁有發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)及接手光學(xué)系統(tǒng)兩種,紅外檢測效果會(huì)受雨雪、濃霧等惡劣天氣的影響而降低,如果能見度在3m 至5m 之間,紅外檢測器效果不明顯,反之,則能檢測到40m 以內(nèi)的車輛。被動(dòng)式紅外線傳感器只有接收器,根據(jù)路面及車輛材料的溫度和光潔度來感受道路及車輛不同的輻射能量。我國紅外線測溫分辨水平已經(jīng)逐漸成熟,對道路及路面車輛的區(qū)分比較容易,在低照及夜行環(huán)境,紅外光都可以使光電元件或熱敏發(fā)生反應(yīng),因此,被動(dòng)式紅外線傳感器的應(yīng)用也是比較廣泛的。

        (二)環(huán)形線圈車輛檢測器在智能運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

        環(huán)形線圈傳感器是目前我國高速公路應(yīng)用檢測交通實(shí)況最多的一種傳感器,環(huán)形線圈傳感器不僅能對路面交通狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測,還可以對道路車輛的車速及占有情況、車長及車頭時(shí)距、車輛在道路存在的實(shí)際情況等進(jìn)行檢測,是應(yīng)用范圍較廣的傳感器。環(huán)形線圈傳感器是多芯低阻且抗軟性能較高的銅線電纜纏繞而成,由于該傳感器的特殊性,對其進(jìn)行埋設(shè)時(shí)需要避開鐵磁體,在收費(fèi)車道或人口匝道進(jìn)行埋設(shè)時(shí),通常情況下會(huì)將線圈設(shè)置成菱形或長方形等特定形狀。環(huán)形線圈傳感器需要同其他器件共同作用才能實(shí)現(xiàn)對道路車輛的有效檢測。檢測單元的主要構(gòu)成為存貯器和微處理器,線圈外的其他器件均需組裝在通信模塊或檢測模塊上面,并現(xiàn)場安裝到道路旁的檢控機(jī)箱中。環(huán)形線圈傳感器的應(yīng)用溫度是有一定要求的,在-40~+80 攝氏度范圍內(nèi)方可實(shí)現(xiàn)有效檢測。應(yīng)用該傳感器對兩輪以上機(jī)動(dòng)車檢測精度較高,故障發(fā)生率較低且使用壽命長達(dá)十年。在實(shí)際使用中,應(yīng)根據(jù)具體需要調(diào)整環(huán)形線圈傳感器的靈敏度、信號(hào)存在時(shí)間及頻率。

        (三)智能運(yùn)輸系統(tǒng)中應(yīng)用超聲波傳感器的主要方面

        高速公路應(yīng)用比較多的一種檢測傳感器是超聲波傳感器,通過對道路車輛不同形狀對波前造成的不同影響達(dá)到有效檢測的目的。超聲波傳感器探頭不僅有發(fā)射功能,還有接受功能,在道路應(yīng)用中通常安裝在道路斜上方或正上方,通過對道路路面發(fā)射一定的超聲波和接受各種不同車輛的發(fā)射波來實(shí)現(xiàn)對道路交通運(yùn)輸?shù)闹悄芑芾?。超聲波傳感器工作原理通常依?jù)傳播時(shí)間差法或多普勒法來進(jìn)行工作。超聲波傳感器成本投入少、安裝簡便且維修投入費(fèi)用較低,安裝過程不會(huì)對路面使用帶來破壞,不影響正常的交通運(yùn)輸,使用比較靈活且應(yīng)用年限長。但相比較其他類型的傳感器,檢測結(jié)果有一定誤差,適用于錐形檢測域,對交通擁堵嚴(yán)重、小型車輛及惡劣大風(fēng)天氣的檢測無法實(shí)現(xiàn)正常檢測,且分辨率差、抗干擾能力較低、誤報(bào)率高。但通過架設(shè)安裝及使用年限等方面來看,超聲波傳感器的應(yīng)用是目前僅次于環(huán)形線圈傳感器,綜合性能比路面埋設(shè)類型的傳感器還是具有一定的優(yōu)勢。

        (四)智能運(yùn)輸系統(tǒng)微波交通檢測傳感器的應(yīng)用

        超聲波傳感器和紅外線傳感器穿透能力較差,難以在云霧天氣及雨雪天氣實(shí)現(xiàn)有效檢測,而微波交通傳感器電磁波波長在3cm 左右,可以對云霧及雨雪等實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力透射,基于此,相關(guān)人員借助成像技術(shù)及雷達(dá)測速技術(shù)、測距技術(shù)等研發(fā)出微波交通傳感檢測器,該傳感器由微波發(fā)射及接受探頭和控制器、調(diào)制解調(diào)器及電源等構(gòu)成。通常情況下,發(fā)射器可側(cè)視安裝,即安裝在專用立柱或路側(cè)燈桿上;也可以前視安裝,即同超聲檢測器一樣在道路車道上面的龍門架上進(jìn)行安裝;調(diào)制解調(diào)器安裝在和發(fā)射器相同的根立柱上面。微波交通傳感器是面對車輛行駛方向進(jìn)行布設(shè)的,也就是所謂的前視檢測。一般情況下,一條車道配置一臺(tái)檢測傳感器,對高速公路及城市交通狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,還可以應(yīng)用到交通信號(hào)控制及區(qū)域性交通事件報(bào)警等方面。監(jiān)視檢測就是將微波交通傳感器沿車道橫向布置,可對不同車道的交通變量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同時(shí)采集。尤其在城市交通車流量復(fù)雜的十字路口,運(yùn)用多個(gè)探頭對十字路口交通狀況可以起到有效的監(jiān)視和控制作用。微波交通傳感器具有較強(qiáng)的抗干擾力和穿透力,可以多車道同時(shí)檢測,且安裝方便,不影響路面實(shí)時(shí)交通,無破壞力,運(yùn)行模式靈活,方便隨時(shí)擴(kuò)展升級(jí),同時(shí)還有檢測精準(zhǔn)度較高、漏檢率低等優(yōu)點(diǎn)。

        (五)視頻車輛傳感器在智能運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

        視頻車輛傳感器顧名思義就是將采集的道理車輛信息的視頻圖像進(jìn)行科學(xué)處理并利用圖形識(shí)別技術(shù)對道路運(yùn)輸進(jìn)行控制。對需要檢測的重點(diǎn)路段進(jìn)行數(shù)字?jǐn)z像機(jī)數(shù)量的合理安裝,通過圖像處理硬件和控制軟件對一定范圍內(nèi)的道路交通運(yùn)輸情況進(jìn)行有效檢測,檢測元件在布置上具有較強(qiáng)的靈活性,且檢測項(xiàng)目可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增設(shè),應(yīng)用前景巨大。視頻車輛傳感器通常由數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、聯(lián)結(jié)箱、計(jì)算機(jī)及配套軟件構(gòu)成。聯(lián)結(jié)箱將數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝的路況交通圖進(jìn)行接收并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理或存儲(chǔ)以備后續(xù)使用。該傳感器的工作溫度范圍在-34~+74 攝氏度,相對濕度為95%環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)有效檢測和傳輸,實(shí)現(xiàn)對不同交通實(shí)況的全面收集,一定程度上可以替代環(huán)形線圈傳感器。

        視頻車輛傳感器不僅使用安裝方便,還具有多種功能,所呈現(xiàn)的交通圖像直觀性較高且針對檢測項(xiàng)目的增設(shè)比較靈活;可應(yīng)用到城市交通比較復(fù)雜的交叉路口,且監(jiān)測區(qū)域覆蓋面廣,但視頻車輛傳感器會(huì)受雨雪等惡劣天氣的影響,夜間路面亮度不夠會(huì)影響傳感器作用的充分發(fā)揮。

        (六)壓電傳感器在智能運(yùn)輸系統(tǒng)的應(yīng)用

        壓電傳感器可對道路車輛的軸載、車速實(shí)況及軸數(shù)進(jìn)行檢測,其最明顯的特點(diǎn)就是應(yīng)用比較方便且輕便小巧。壓電傳感器是通過壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的,其輸出能力較弱,有一定的檢測誤差,為了縮小誤差率,通常會(huì)將所需信號(hào)傳送給輸入阻抗較高的電壓器或電荷放大器中,通過放大、檢波等專業(yè)處理形成目標(biāo)性輸出信號(hào)。目前市面上廣泛應(yīng)用的壓電傳感器是管形設(shè)置,裝有壓電電纜的工程塑料殼體和殼座一同埋設(shè)在需要檢測的運(yùn)輸路面下,并每隔一定距離埋設(shè)兩根壓電傳感器,以此來檢測道路車輛的實(shí)際軸數(shù)、軸載及具體車速。壓電傳感器一般應(yīng)用在收費(fèi)站地磅、不穩(wěn)定稱重、車輛和車速的分類及檢測、軸距的測量、闖紅燈拍照、停車區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控等各種交通信息的實(shí)時(shí)采集和統(tǒng)計(jì)中。

        結(jié)語:智能運(yùn)輸系統(tǒng)的不斷發(fā)展有力推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,利用不同傳感技術(shù)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)對道路交通路況的實(shí)時(shí)采集、分析和處理等,隨著科技水平的提升,對傳感技術(shù)不斷改進(jìn)和優(yōu)化,通過提升傳感器的檢測水平來實(shí)現(xiàn)對道路交通的有效控制。

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