紅外光門在唐港高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用

   摘要：

    紅外光門能夠檢測從收費(fèi)站出入口車道通行的車輛而無需大面積的土建工程及破壞道路表面。采用紅外光技術(shù)進(jìn)行車輛檢測已經(jīng)成為地上車輛檢測器的主要方法之一，并在近幾年的高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹了紅外光門的基本原理和在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用方式。

    唐港高速公路起自唐山東立交（與唐津高速公路連結(jié)），在樂亭雷家鋪與沿海公路相聯(lián)進(jìn)入京唐港區(qū)，全長80.2公里。該公路為全封閉全立交雙向6車道高等級汽車專用高速公路。監(jiān)控收費(fèi)系統(tǒng)作為機(jī)電工程不可或缺的一部分，在監(jiān)控過程中對通行車輛圖像的抓拍極為重要，如何使車輛圖像抓拍達(dá)到精確、如實(shí)地反映車輛信息成為監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵之一。

    高速公路監(jiān)控系統(tǒng)是在城市街道交通管制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和光纖通信技術(shù)的發(fā)展，我國的高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)也隨之變化，車輛檢測器尤為突出。被動(dòng)式紅外線車輛檢測器（以下簡稱紅外光門）的應(yīng)用非常廣泛，因其價(jià)格低廉，技術(shù)性能穩(wěn)定，深受廣大業(yè)內(nèi)人員的歡迎。

    紅外光門是紅外線車輛檢測器的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，通過同步回路選通電路檢測物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對目標(biāo)物體進(jìn)行探測。多數(shù)光電開關(guān)選用的是波長接近可見光的紅外線光波型。工作原理如圖

    測技術(shù)有超聲波檢測、微波多普勒檢測、微波真空現(xiàn)場檢測、可見光視頻檢測、紅外線視頻檢測、聲學(xué)檢測、磁力計(jì)檢測、感應(yīng)線圈檢測等。與其他檢測技術(shù)相比，紅外光門具有以下特點(diǎn)：

    一、紅外光門通過類似于光學(xué)鏡頭式地瞄準(zhǔn)可視范圍，可以按車道“聚焦”檢測域。

    紅外光門是靠檢測車輛進(jìn)入收費(fèi)車道時(shí)遮擋自身發(fā)射的紅外線進(jìn)行工作的，檢測器收集外界的紅外輻射聚焦到紅外傳感器上，紅外傳感器通常采用熱釋電元件，這種元件在接收的紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會向外釋放電荷，檢測處理后向車道工控機(jī)發(fā)出信號。

    根據(jù)傳感器的特點(diǎn)和唐港高速公路的實(shí)際情況，我們采用了E3JK回歸反射型紅外光門。其接線方式為導(dǎo)線引出型，便于和工控機(jī)進(jìn)行連接，有效檢測距離為3米，適合于收費(fèi)車道。輸出狀態(tài)采用繼電器輸出方式。

    當(dāng)遇到車輛進(jìn)入車道遮擋住傳感器發(fā)出的紅外光線時(shí)，傳感器發(fā)給收費(fèi)亭內(nèi)工控機(jī)信號，車道監(jiān)視器實(shí)時(shí)抓拍，圖像記錄在工控機(jī)中，這樣就完成了一次車輛圖像抓拍，與以往單獨(dú)使用線圈式車輛檢測器配合車道攝像機(jī)實(shí)施抓拍的方式相比，紅外光門使圖像抓拍的位置比較精確，誤差小于1cm，而且反應(yīng)時(shí)間迅速。

    二、紅外光門不受惡劣氣象條件或物體顏色的影響

    E3JK回歸反射型紅外光門標(biāo)準(zhǔn)檢測物體為Φ75mm以上的不透明物體，在工作時(shí)適應(yīng)的溫度為-25℃— 
55℃，濕度為45—85%RH。該檢測器以被動(dòng)的方式檢測，能穿透煙霧和水汽，在很大程度上不受氣候的影響。只對可視范圍內(nèi)精確定義的溫度突然變化做出響應(yīng)，并忽略在一天內(nèi)和一年內(nèi)天氣情況導(dǎo)致的路面緩慢變化。通過以微處理器為核心的數(shù)字化處理，用以幫助攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像的抓拍。

    三、紅外光門僅僅接收自發(fā)的紅外輻射，不會造成對周圍環(huán)境的輻射污染。

    E3JK回歸反射型紅外光門，由紅色發(fā)光二極管發(fā)射的波長為660nm，這種輻射是人眼所不能看見的。

    四、被動(dòng)車輛檢測器器件功耗很小，隱蔽性較好，能裝在收費(fèi)亭外部，不需要昂貴的土建施工費(fèi)用。

    紅外光門安裝過程很簡單，只需將檢測器中的信號線接入到工控機(jī)中即可實(shí)現(xiàn)，需要用到的工具和材料也很少，不影響收費(fèi)工作的正常進(jìn)行。在連接完畢后，也可以重新設(shè)置和校準(zhǔn)，節(jié)約了大量的人力物力。

    對于選用車輛檢測技術(shù)，應(yīng)當(dāng)從功能性、通訊、安裝、維護(hù)以及作業(yè)環(huán)境、應(yīng)用效果、相關(guān)成本、技術(shù)發(fā)展等八個(gè)方面進(jìn)行評估。

    功能性

    該部分主要用來評估車輛檢測設(shè)備的能力是否能達(dá)成實(shí)際應(yīng)用設(shè)定的目標(biāo)

    1、功能是否符合需求：例如是否能滿足事件檢測、交通流量監(jiān)測等應(yīng)用的需求，如果參與評估的檢測技術(shù)無法直接或間接獲得應(yīng)用所需的參數(shù)，將直接摒除于評選方案之外。2、系統(tǒng)整合的可行性：所提供的資料（例如交通技術(shù)參數(shù)、資料格式等）在未來是否可與其他系統(tǒng)兼容。3、獲得必要交通參數(shù)時(shí)所需進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理需求：例如所攜帶的應(yīng)用軟件是否容易操作，統(tǒng)計(jì)分析或報(bào)表打印功能是齊全，是否需另外自行開發(fā)程序等。4、用戶接口應(yīng)具易操作性：設(shè)備操作如需聘請?zhí)厥饧夹g(shù)人員或需經(jīng)過長時(shí)間的技術(shù)培訓(xùn)，勢必會造成技術(shù)移轉(zhuǎn)困難或移轉(zhuǎn)時(shí)間加長，因而提高建設(shè)成本。5、未來設(shè)備擴(kuò)充的可行性：考慮交通信息搜集的廣度與年度要求日益提升，以及營運(yùn)部門設(shè)備計(jì)劃經(jīng)費(fèi)多采逐年核算方式，檢測器的功能應(yīng)保留系統(tǒng)擴(kuò)充的可行性，例如由單車道檢測擴(kuò)充為多車道檢測等。

    二、通訊需求

    該部分評估檢測技術(shù)在整合應(yīng)用時(shí)，是否具有與其他系統(tǒng)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Γ�其主要評估的項(xiàng)目有以下幾點(diǎn)：1、外場控制器所使用的接口。2、與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)（如交通控制中心）所使用的接口。3、與現(xiàn)有或已規(guī)劃的通訊系統(tǒng)間的兼容性。

    三、安裝需求

    該部分確認(rèn)檢測技術(shù)初始時(shí)的相關(guān)成本需求。應(yīng)評估的項(xiàng)目如下：1、對環(huán)境造成的沖擊：評估建設(shè)施工是否對路側(cè)設(shè)施（如路燈、可變信息系統(tǒng)等）造成破壞，設(shè)備若掉落是否會影響用路人安全等。2、施工建設(shè)或維修時(shí)造成的交通沖擊：評估安裝時(shí)道路是否封閉與封閉期對交通構(gòu)成的沖擊、影響等。3、建設(shè)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)與所需裝備。4、電源供給。5、初始化評估：主要指檢測區(qū)域的選定與調(diào)整。

    四、維護(hù)需求

    設(shè)備維護(hù)的信息非常不易取得，尤其是對于新的檢測技術(shù)或產(chǎn)品而言。因此，該部分的評估主要依靠應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。應(yīng)評估的項(xiàng)目如下：1、造成的交通沖擊：包括范圍與時(shí)間。2、維護(hù)或維修的需求：如果設(shè)備需要經(jīng)常性地校估和調(diào)整，或設(shè)備不穩(wěn)定，經(jīng)常性地出現(xiàn)故障待修將提高建設(shè)成本。3、系統(tǒng)錯(cuò)誤回報(bào)機(jī)制：當(dāng)檢測系統(tǒng)故障時(shí)，最好能立即回報(bào)出信息以供及時(shí)報(bào)修。4、特殊人員技術(shù)的需求：設(shè)備維護(hù)如需聘請?zhí)厥饧夹g(shù)人員，勢必會提高維護(hù)成本。5、特殊裝備的需求：維護(hù)作業(yè)如需使用特殊裝備，勢必會提高維護(hù)成本。

    五、作業(yè)環(huán)境

    作業(yè)環(huán)境直接影響到檢測設(shè)備的生命周期，因此該部分應(yīng)評估檢測設(shè)備對于環(huán)境因素的適應(yīng)性。這些因素同時(shí)包括自然與人為兩部分。它的主要表現(xiàn)形式為：1、天氣的影響：指風(fēng)、濕度、溫度、雨雪等。2、交通的影響：指對路面的震動(dòng)、車流影響等。3、設(shè)備重量尺寸。4、道路形式的影響：特殊的路型，如隧道、吊橋，會影響檢測器的檢測效能。5、地形影響：視線起伏與分岔路都會影響檢測器的檢測效能。6、照明因素：包含；白天、晚上、陰天等。7、電磁波干擾。8、污染影響：車輛排放的廢氣、灰塵或其他特殊的空氣成分對作業(yè)現(xiàn)場的影響等。9、生物影響：鳥類、昆蟲或其他動(dòng)物。

    六、應(yīng)用效果

    目前，與先進(jìn)車輛檢測技術(shù)應(yīng)用效果有關(guān)的信息相當(dāng)有限。因此，這部分的評估目的，在于得知目前有多少種車輛檢測技術(shù)被測試于、使用于交通領(lǐng)域。以下幾類的研究或評論將有助于獲得所需的信息：1、測試結(jié)果：包含實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場測試。2、市場占有率。3、在其他領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)：例如紅外線檢測在其他領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)已相當(dāng)成熟。

    七、相關(guān)成本預(yù)測分析

    雖然在實(shí)際的系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)完成前，要精確地估算成本并不容易，但仍然可以從幾個(gè)方面來進(jìn)行相關(guān)的成本評估：1、直接成本：該部分包括單位售價(jià)、運(yùn)作成本與維護(hù)成本。現(xiàn)有技術(shù)的直接成本可以從文獻(xiàn)或廠商的報(bào)價(jià)中獲得。2、間接成本：該部分包括安裝、維護(hù)與維修時(shí)所造成的交通沖擊成本。3、既有系統(tǒng)的成本：如果已有現(xiàn)存的檢測系統(tǒng)，例如環(huán)形線圈檢測器，則應(yīng)將舊系統(tǒng)的成本加入評估。

    八、技術(shù)發(fā)展因素

    檢測技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢，也是選擇檢測技術(shù)時(shí)的重要評估方向。對于現(xiàn)有的檢測技術(shù)，可從系統(tǒng)供貨商處取得有關(guān)的研發(fā)信息，并得以了解系統(tǒng)未來功能擴(kuò)充的方向，但對于發(fā)展中的先進(jìn)檢測技術(shù)而言，系統(tǒng)發(fā)展方向會受公司營運(yùn)計(jì)劃的影響。因此，檢測技術(shù)的可用性可從以下幾個(gè)方向加以評估：1、現(xiàn)有技術(shù)的供貨商數(shù)目。2、先進(jìn)技術(shù)預(yù)期的運(yùn)作效能：1）實(shí)地測試結(jié)果；2）在其他領(lǐng)域的應(yīng)用；3）設(shè)備研發(fā)公司的研發(fā)計(jì)劃。

    多種檢測技術(shù)相互搭配運(yùn)用在理論上是可行的，而且有幾種實(shí)質(zhì)上的意義，即功能性互補(bǔ)。每種檢測技術(shù)都有其檢測原理上的限制，因此都無法獲得所需的所有交通參數(shù)，為了獲取ITS應(yīng)用所需的所有交通參數(shù)，可利用多種檢測器相互搭配的方式。例如，用被動(dòng)式紅外線檢測器搭配超音波式或多普勒式微波檢測器。當(dāng)用被動(dòng)式紅外線搭配超音波式檢測器時(shí)，就可提高車輛出現(xiàn)、停止、車流量、車輛高度與距離等檢測的準(zhǔn)確度；當(dāng)用被動(dòng)式紅外線搭配多普勒式微波檢測器時(shí)，即可獲得車輛出現(xiàn)數(shù)、停止檢測、車流量、速度及車長類等交通參數(shù)。多普勒式微波檢測器可測中、高行車速度，被動(dòng)式紅外線檢測器可測流量與車輛出現(xiàn)數(shù)；在車輛行駛處于中速時(shí)，因被動(dòng)式紅外線檢測器可自動(dòng)校估速度測量參數(shù)，這種校估就可提高低車速與停止檢測的檢測準(zhǔn)確率。

    結(jié)束語：

    紅外光門技術(shù)是唐港高速公路監(jiān)控收費(fèi)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、有效、持續(xù)運(yùn)行的重要保證。采用被動(dòng)式紅外線車輛檢測器進(jìn)行車輛圖像抓拍和車牌號碼識別，使唐港高速公路圖像抓拍率達(dá)到92.4%，大量地杜絕了車主、司機(jī)作弊的行為，并具有安裝維護(hù)簡單、穩(wěn)定、可靠、監(jiān)測直觀等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行已近兩年，效果良好.