超声波交通量信息采集.docx

超声波固定式交通量信息采集设备

设备原理介绍
超声波在为人类熟知前，早已经在大自然界中存在了很长的一般时间。动物中如蝙蝠、鲸鱼、海豚即是以声纳波作为行进间的导向定位，目前，超声波已广用于工业、航海和医疗等用途。超声波在交调行业的应用始于日本。早期的模拟式超声波交调仪器既笨重、操作麻烦，而且可识别的车型种类较少；自从出现数字化超声波系统后，超声波在交调方面的应用才算进了一大步，不仅探测质量稳定，同时增加了探测结果再处理的可能性，为超声波成像出现而铺路。近年来由于计算机工业的大幅进展，带动了相关产品的研究，硬盘容量的扩大、内存的扩增、中央处理器的升级，使得数据的传输及运算加速不少，于是数字化的超声波成像式交调系统便应运而生了。
交通流量采集的数据包括车型、流量和车速三个基本元素，其中，完成了车型识别就可以直接得到流量数据，所以，前台的检测设备实际上是完成两个检测：车型识别和车速检测。
使用超声波成像识别车辆，目前最成熟的方法是获取车辆侧向图像，如下图所示，这个完全省略了细节，纯由高度H和径向长度L组成的图像完全能被识别出车型“小客车”。
H

T

普通超声波成像（二维）的工作方式，主要可分为两种：第一种为机械式马达探头(Mechanical device), 由马达带动内建超声波探头，在既定范围内以等速扫描，获取一系列的二维图像。第二种为磁场定位影像获取，利用电磁场为探头所获取的每一组数据做二维空间定位，再将数据及空间信息合并入数据处理器做运算合成二维图像。
由于交调工作的特点，机械式马达探头显然不可取，复杂而精密的运动部件很难达到室外全天候工作的可靠性要求，而磁场定位式探头虽然可以满足可靠性要求，并在部分进口的超声波交调设备上得到运用，但系统复杂，价格昂贵。
超声波交通流量观测设备采用了固定式探头，探头垂直安装在路面上方，向路面发射脉冲超声波，并接收反射回的超声波，通过测定声波发射和接收的时间差t，可以计算出路面相对高度h0。
h0＝V声速×t/2
当车辆通过该检测器下方时，路面的相对高度变化为h1，这样便可计算出该车的高度值H。
H＝h0－h1
通过连续发射超声波，可以得到一组变化的车辆高度值H1、H2、H3……Hn。
这样得到的数据是一组采样数据，理论上只要获取每个数据对应的径向长度数据L，并将采样间隔时间降低到无穷小，就可以得到受检车辆精确的径向二维图像。
如前述，只要将采样间隔时间降低到无穷小，就可以得到受检车辆精确的径向二维图像。但太小的取样间隔时间会导致系统复杂度上升，超声波交通流量观测子系统采用了先进的声场重建算法。一幅完整的2D影像由许多像素组成，而二维声场的最小单位则是由voxel组成。当一连串的2D数据自探头获取来时，在两组数据的间隙就须由计算机来自动填补，填补本身运用的数学运算采用的是平均法则(内插法)；换言之，图像中任何一点未知的voxel数值，将由邻近两点已知的像素由内差法决定，填补完成的二维声场就形成了一幅完整的二维图像。
浙江润鑫系列超声波交通流量观测设备的检测方式巧妙地运用了受检物体（车辆）本身处于运动中这一外部条件，大大降低了系统复杂度，与国外同等性能的设备相比，可靠性得到了提高的同时，价格大大降低。

系统原理框图

观测站实景
观测站实景-高速公路

主要优势
超声波检测的特点主要有：依赖车辆外形识别；探头垂直向下安装；依赖声波检测。由于这些特点，超声波检测具备有以下独特的优势：
（1）探头与车辆完全不接触，使用寿命长，完全不破坏路面，几乎不需要维护保养。路面进行养护不对设备造成影响。根据上海一期工程的实际运行情况看，年维护率低于20%，实际MTBF达到了43800小时，系统维护成本低廉。

（2）探头垂直向下安装，每个车道均有自己专门的传感器，而其他非接触式设备一般是侧向安装，一个传感器检测多条车道。在车辆密度较大的状况下，使用超声波检测器检测，车辆间不会发生相互遮挡，检测精度高。

传统非接触类检测设备遮挡形成原理示意图
（3） 超声波检测是通过连续检测车辆高度来识别车辆，读入识别模块的是车辆的径向外型线图，与人工判别的依据类似，得出的车型识别结果最接近人工识别结果。

（4） 设备使用调制超声波作为检测介质，常见的干扰因素如光照条件、雨雪、大雾、风沙、城市噪音等均不会对识别造成影响，识别结果准确可信。
主要技术指标
项目
指标
检测功能
流量检测精度
大于等于95%
流量检测方式
分车道和方向
车速检测精度
大于等于90%
车型分类方式
交通部新9类车型或自定义
车型分类精度
大于等于90%
适用条件
安装环境
户外
大气压力
50kPa～106kPa
相对湿度
≤98%
环境温度
－20℃～＋65℃
电源容差
AC115V-300V，频率50（1±4％）Hz
设备寿命
10年
通信功能
传输方式
实时传输
通讯接口
RS232/485，USB，以太网
断点续传能力
具备
稳定性
结构稳定性
抗风能力40米/秒
来电恢复能力
具备
MTBF
大于5000小时
数据功能
数据存储时间
6个月/600M
采集周期
1分钟为单位可调
并道车辆校验能力
具备
逆行车辆检验功能
具备
其他功能
故障检测功能
具备实时检测和上报能力
工作状态监视功能
具备
数据和参数导出功能
具备
功耗
15w
远距离布设
最大布设距离2KM