石英華

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SCATS信號(hào)機(jī)使用地磁檢測器的解決方案

石英華

摘 要：根據(jù)SCATS信號(hào)控制系統(tǒng)對(duì)環(huán)形線圈檢測器占有時(shí)間輸出特性，通過對(duì)地磁檢測器的占有時(shí)間輸出進(jìn)行等效處理，可使地磁檢測器的輸出特性與環(huán)形線圈的輸出相同或趨近，同時(shí)為方便使用，使地磁檢測器的輸出接口具有模擬線圈輸出功能，使得其與SCATS系統(tǒng)連接時(shí)等同于使用環(huán)形線圈，可方便替代線圈使用。其處理方法對(duì)于其它類型車輛檢測器在SCATS系統(tǒng)中替代環(huán)形線圈使用具有參考意義。

關(guān)鍵詞：檢測線圈；地磁檢測器；輸出特性；輸出接口

0 引言

上海應(yīng)用的SCATS（Sydney Coordinated Adaptive Traffic System）自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)布設(shè)在路口進(jìn)口車道上的車輛檢測器測量交通參數(shù)，經(jīng)實(shí)時(shí)處理后生成相應(yīng)的信號(hào)控制方案，使路口紅綠燈信號(hào)時(shí)間根據(jù)車流量的變化而實(shí)時(shí)調(diào)整，提高路口車輛的通行效率。因此，接入車輛檢測器是SCATS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)自適應(yīng)控制的必需條件。

SCATS系統(tǒng)的控制方案是基于利用環(huán)形線圈檢測器測量得到的車輛占有時(shí)間參數(shù)計(jì)算而成，但是其控制器也保留有使用其它檢測器所需的擴(kuò)展接口，使得其它類型的車輛檢測器也可接入該系統(tǒng)中使用。本文所述在SCATS信號(hào)機(jī)中使用地磁檢測器時(shí)，通過對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行等效處理，使地磁檢測器的輸出特性與環(huán)形線圈的輸出相同或趨近，同時(shí)為方便使用，使地磁檢測器的輸出具有模擬線圈輸出功能，使得與SCATS系統(tǒng)的接口與原環(huán)形線圈相同，可方便替代線圈使用。其處理方法對(duì)于其它類型車輛檢測器在SCATS系統(tǒng)中替代環(huán)形線圈使用也具有參考意義。

1 環(huán)形線圈檢測器的占有時(shí)間輸出特性

SCATS系統(tǒng)使用的環(huán)形線圈檢測器輸出形式為存在型檢測，即在車輛進(jìn)入線圈時(shí)開始輸出占有狀態(tài)，車輛離開線圈時(shí)結(jié)束占有輸出。輸出時(shí)間對(duì)應(yīng)車輛在環(huán)形線圈上的占有時(shí)間，而車流量計(jì)數(shù)值就是車輛通過線圈時(shí)占有狀態(tài)輸出的次數(shù)，如圖1所示：

圖中，車輛長度為Lv，線圈長度為Lp，如果把線圈等效為車道中的一個(gè)點(diǎn)，則車輛通過線圈的占有時(shí)間 T1可等效為長度（Lv+Lp）的車輛以相同速度通過一點(diǎn)時(shí)的時(shí)間，后續(xù)分析中，如果地磁檢測器的輸出占有時(shí)間等同于此，則2者的占有狀態(tài)輸出結(jié)果將相同，如圖1所示：

圖1 環(huán)形線圈檢測器占有時(shí)間輸出

2 地磁檢測器的占有時(shí)間輸出特性

地磁檢測器使用磁傳感器檢測車輛通過時(shí)地球磁場的變化來測量車輛的存在和通過，其傳感器電路通常密封在結(jié)構(gòu)尺寸大約為直徑10cm左右的圓柱體內(nèi)，使用時(shí)埋設(shè)安裝在車道中央，磁感應(yīng)的作用范圍是以檢測器為中心、半徑0.5m左右的半球形區(qū)域，與環(huán)形線圈的輸出相比，相當(dāng)于是一個(gè)1m長度的線圈。

地磁檢測器由內(nèi)部微處理器對(duì)磁感應(yīng)信號(hào)處理并得到測量結(jié)果，通過無線發(fā)射機(jī)把測量輸出發(fā)送到路口接收主機(jī)中。對(duì)磁感應(yīng)信號(hào)的處理，除測量車輛的占有時(shí)間外，還可獲得被測車輛的特征信息，通過對(duì)車輛特征信息處理可計(jì)算車輛的長度參數(shù)。

與環(huán)形線圈類似，地磁檢測器占有時(shí)間輸出 T2 等效為長度（Lv+1）的車輛以相同速度通過一點(diǎn)的時(shí)間。如圖2所示：

圖2 地磁檢測器占有時(shí)間輸出

3 地磁檢測器與環(huán)形線圈檢測器輸出占有時(shí)間的異同

對(duì)比地磁檢測器和環(huán)形線圈的占有時(shí)間輸出特性可知，兩者對(duì)流量檢測的結(jié)果輸出是相同的，即車輛通過檢測器時(shí)對(duì)應(yīng)一次車流量的計(jì)數(shù)輸出；不同之處是對(duì)同一車輛測量的占有時(shí)間輸出可能不同，這是由2種檢測器的作用范圍不同造成的。

在以上分析中，如果車長為Lv，環(huán)形線圈的長度為Lp，地磁檢測器的作用范圍為Lm，以車輛通過一點(diǎn)時(shí)為參考，則環(huán)形線圈測量車輛占有時(shí)間對(duì)應(yīng)的長度為 L1=Lv+Lp，地磁檢測器測量占有時(shí)間對(duì)應(yīng)的長度為 L2=Lv+Lm，2種檢測器占有時(shí)間對(duì)應(yīng)檢測長度的差值為 ⊿L= L1-L2 =Lp-Lm。

通常情況下，地磁檢測器的作用范圍比環(huán)形線圈小，如果在地磁檢測器占有時(shí)間輸出中能夠增加 ⊿L 長度對(duì)應(yīng)的占有時(shí)間輸出，則2種檢測器的占有狀態(tài)結(jié)果輸出趨于相同或相近。通過對(duì)地磁檢測器的輸出做延時(shí)增益處理，適當(dāng)延長占有時(shí)間，可達(dá)到相同時(shí)間輸出。

4 地磁檢測器占有時(shí)間的增益處理

為使地磁檢測器與環(huán)形線圈檢測器占有時(shí)間輸出相同，在地磁檢測器中對(duì)車輛檢測數(shù)據(jù)分析處理時(shí)，可利用根據(jù)參數(shù)計(jì)算，判斷車輛類型得到的車輛長度信息做延時(shí)輸出處理。車輛通過地磁檢測器后，測量得到占有時(shí)間T1，同時(shí)經(jīng)檢測器分析計(jì)算，得到車輛長度Lv，則單位長度對(duì)應(yīng)地磁檢測器輸出的占有時(shí)間T0為，T0 =T1/（ Lv+Lm）。在以上分析中，地磁檢測和環(huán)形線圈檢測占有時(shí)間輸出相差⊿T時(shí)間，只要延長輸出⊿L對(duì)應(yīng)長度的占有時(shí)間，則可達(dá)到與長度為Lp的線圈等效的占有時(shí)間輸出。延長時(shí)間輸出后，等效占有時(shí)間輸出為

T=T1+T0 x⊿L =T1+T0 x（Lp-Lm）=T1+ T1/（ Lv+Lm）x（Lp-Lm）。

5 地磁檢測器占有時(shí)間輸出校準(zhǔn)

實(shí)際使用時(shí)，可對(duì)地磁檢測器與環(huán)形線圈的輸出做對(duì)比測試，即在同一車道布設(shè)環(huán)形線圈和地磁檢測器，分別記錄同一車輛通過時(shí)的輸出占有時(shí)間值，獲得地磁檢測器等效處理后的輸出與環(huán)形線圈檢測器輸出之間的差值⊿t=t1-t2進(jìn)行修正，使輸出結(jié)果更接近環(huán)形線圈的輸出。如圖所示。

以上分析處理方法對(duì)于其它類型檢測器在SCATS系統(tǒng)中應(yīng)用具有參考作用。如圖3所示：

圖3 地磁檢測器占有時(shí)間輸出的校準(zhǔn)

6 地磁檢測器輸出與信號(hào)機(jī)的接口

使用環(huán)形線圈檢測器時(shí)，SCATS信號(hào)機(jī)中的線圈檢測電路是根據(jù)線圈電感量的變化判斷車輛有無，在不改變信號(hào)機(jī)配置的前提下，通過設(shè)計(jì)輸出接口，可使地磁檢測器的輸出模擬線圈輸出，直接使用線圈接線端與信號(hào)機(jī)相連。

圖4a是信號(hào)機(jī)使用環(huán)形線圈時(shí)的接線示意圖，圖4b是地磁檢測器模擬線圈輸出接口示意圖。

使用環(huán)形線圈檢測時(shí)，相對(duì)于信號(hào)機(jī)線圈檢測電路輸入端，線圈相當(dāng)于一個(gè)可變電感。無車時(shí)，電感量為一固定值，有車在環(huán)形線圈上時(shí)，線圈電感量會(huì)減小，通過電感量的變化，即判斷車輛的存在和通過。

把地磁檢測器的輸出端設(shè)計(jì)成可變電感輸出，則可以模擬環(huán)形線圈的輸出特性，直接與信號(hào)機(jī)線圈檢測電路相連。如圖4所示：

圖4 b 是地磁檢測器模擬線圈輸出接口示意圖

在模擬線圈輸出接口中，使用大小2個(gè)電感串聯(lián)，其中小電感用電子開關(guān)控制，無車時(shí)開關(guān)斷開，對(duì)于信號(hào)機(jī)線圈檢測電路的輸入端等效為一個(gè)固定電感（L1+L2），等同于環(huán)形線圈無車時(shí)狀態(tài)。當(dāng)需要輸出有車狀態(tài)時(shí)，小電感開關(guān)k閉合，原有的輸出電感值將減小為L1，等效為有車狀態(tài)。根據(jù)環(huán)形線圈有車無車時(shí)的實(shí)際變化量，模擬線圈接口中的電感變化量設(shè)計(jì)成5%～10%即可滿足使用要求。

7 地磁檢測器在SCATS信號(hào)機(jī)使用時(shí)的設(shè)備組成

地磁檢測器在使用SCATS系統(tǒng)使用時(shí)，包含數(shù)據(jù)接收處理主機(jī)、數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換單元。地磁檢測器埋設(shè)于測量車道的中央，測量機(jī)動(dòng)車通過傳感器時(shí)地球磁場的變化，判斷車輛的存在和通過。當(dāng)檢測到車輛通過后，由地磁檢測器中的無線數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)把測量數(shù)據(jù)發(fā)送到路邊的數(shù)據(jù)接收處理主機(jī)，再傳送到交通信號(hào)機(jī)箱中，通過數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換單元與信號(hào)機(jī)中的車輛檢測器連接。系統(tǒng)組成框圖如圖5所示：

圖5 交通信號(hào)機(jī)無線車輛檢測器系統(tǒng)組成示意圖

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，每個(gè)路口使用一套數(shù)據(jù)接收處理主機(jī)及數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換單元，但在大路口使用時(shí)，可能需增加接收機(jī)接力轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

8 地磁檢測器檢測數(shù)據(jù)的輸出轉(zhuǎn)換

地磁檢測器檢測結(jié)果輸出過程，由數(shù)字到模擬線圈輸出轉(zhuǎn)換過程如圖6所示：

圖6 地磁檢測器測量結(jié)果輸出

9 地磁檢測器在大路口的使用

使用地磁檢測器時(shí)，基本配置包括與車道數(shù)量相同的檢測傳感器、一個(gè)接收處理主機(jī)、一個(gè)接口轉(zhuǎn)換單元。在大路口使用時(shí)，為提高數(shù)據(jù)接收效果，需配置數(shù)據(jù)接力轉(zhuǎn)發(fā)器，配置數(shù)量參考如下：

1）4個(gè)方向都是不超過2車道的路口，使用基本配置。

2）4個(gè)方向都是3車道及超過3車道的路口時(shí)，在基本配置中可增加1個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器，使每個(gè)方向的無線數(shù)據(jù)都能有效接收，如圖7所示：

圖7 大路口使用時(shí)可增加中繼接收機(jī)

使用時(shí)，路口可安裝的無線檢測傳感器數(shù)量不受限制，且任何大小的路口都可使用無線檢測器。

10 地磁檢測器設(shè)備及現(xiàn)場安裝

實(shí)際使用時(shí)，地磁檢測器、接收主機(jī)及轉(zhuǎn)換單元設(shè)備安裝現(xiàn)場照片如圖8-圖10所示：

圖8 接收主機(jī)設(shè)備安裝全景照片

圖9 地磁檢測器路面安裝照片

圖10 接口轉(zhuǎn)換單元在SCATS信號(hào)機(jī)箱中的安裝照片

11 總結(jié)

通過SCATS信號(hào)機(jī)中使用地磁檢測器時(shí)對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行等效處理，操作方便，其處理方法對(duì)各類車輛檢測器在SCATS系統(tǒng)中替代環(huán)形線圈的使用具有參考作用。

參考文獻(xiàn)

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Solution to SCATS Signal M achine Using Geomagnetic Vehicle Detector

Shi Yinghua
（Traffic Police of The Shanghai Police Bureau， Pudong Branch， Shanghai 201135， China）

Abstract:This paper presents a solution to replace the detecting loop w ith the geomagnetic vehicle detector. Based on the output characteristic of the loop‘s occupation time in Shanghai traffic control system， the solution treats the geomagnetic detector w ith the equivalent treatment， makes the output as the same or be similar to the loop‘s characteristic. And the both detectors have the same output interface of the solution， so then can be interchanged easily. The solution has the guiding meaning to use the other dectectors. Key words: Detecting Loop； Geomagnetic Vehicle Detector； Output Characteristic； Output Interface

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-757X（2016）05-0077-04

作者簡介：石英華（1982-），上海市公安局浦東分局交通警察支隊(duì)，同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，碩士，研究方向：智能交通，上海，201135