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。