壓電交通傳感器在ITS中的應用

隨著(zhù)全球智能交通技術(shù)(ITS)的發(fā)展，與眾多的技術(shù)一樣，美國MSI傳感器公司研發(fā)與生產(chǎn)的壓電傳感器在過(guò)去數年里取得了長(cháng)足的發(fā)展。它為用戶(hù)提供的不僅僅是良好的性能，高度的可靠性，簡(jiǎn)易的安裝方法，還有逐步降低的價(jià)格。它獨一無(wú)二的特性使其在日益擴展的應用中成為理想的選擇。

壓電傳感器特點(diǎn)

電容式傳感器:不能檢測靜止在傳感器上的車(chē)輛。只能檢測動(dòng)態(tài)信號,內阻很高,在低頻時(shí)信號衰減很大,低速時(shí)應考慮采用較高的電路輸入阻抗,速度范圍取決于電路設計,一般為5公里/小時(shí)到200公里/小時(shí),較成功的系統達到10米/分鐘(0.6公里/小時(shí))。

無(wú)源傳感器:可在前置放大器前長(cháng)距離傳送而不需要供電。
壽命長(cháng): 超過(guò)4千萬(wàn)次ESAL(等效單軸負載)安裝質(zhì)量好可達一億次(ESAL)。
大信號: 200公斤輪載,在55英里速度行駛時(shí),輸出最小250mV信號。
動(dòng)態(tài)特性好: 可測自行車(chē),摩托車(chē),小汽車(chē)及重型貨車(chē)。
高信噪比:傳感器的扁平結構即寬厚比為6:1使非受力方向的躁聲最小。包括路面躁聲和相鄰車(chē)道車(chē)輛的躁聲最小。
最小的路面破壞:安裝切口僅為19mmx19mm。并可與路面輪廓一致.
易搬運:盤(pán)卷在600mmx600mm的紙盒內, 卷曲直徑不小于300mm就不會(huì )損壞。

一次安裝獲取多種信號:如軸數,重量,車(chē)速,軸距,與電感線(xiàn)圈配合,從而實(shí)現行駛中稱(chēng)重(WIM),車(chē)輛分類(lèi)統計,車(chē)速監測,闖紅燈拍照。

壓電傳感器應用范圍

壓電傳感器主要應用于行駛中稱(chēng)重(WIM)，車(chē)輛分類(lèi)統計，計軸數，測軸距，車(chē)速監測，闖紅燈拍照，泊車(chē)區域監控，收費站地磅，交通信息采集和統計(道路監控)以及機場(chǎng)滑行道。

一. 行駛中稱(chēng)重(WIM)

在美國、巴西、德國、日本和韓國有大量應用，其主要用途是高速公路車(chē)輛超重超載監測的預選和橋梁超載警告系統，既判斷正在高速行駛中的車(chē)輛，尤其是駛過(guò)橋梁的車(chē)輛是否超載，由視頻系統拍下車(chē)牌號記錄在案，然后再由執法機構用精度較高的低速稱(chēng)重系統判斷超載量并根據超載量罰款。

性能符合ASTME1318-94動(dòng)態(tài)稱(chēng)重標準，傳感器長(cháng)度方向上的輸出一致性小于±7％，埋設在路面下永久性安裝時(shí)，總重精度在±10％以?xún)?，適用于A(yíng)STM—E1318-94標準I類(lèi)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統；臨時(shí)安裝在路面時(shí)，總重精度在±15％以?xún)?，適用于A(yíng)STMEl318-94標準II類(lèi)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統。

傳感器精度與車(chē)輛振動(dòng)和跳動(dòng)有關(guān)，與輪胎壓在傳感器上的面積有關(guān)，與溫度有關(guān)，需要溫度補償。尤其是道路質(zhì)量對系統精度影響很大，用在水泥路面較好，壽命長(cháng)于瀝青路面，用于動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的道路質(zhì)量應符合ASTM的有關(guān)規定。通?？梢员ＷC的精度是±10％，個(gè)別成功的系統精度可達1-2％。

速度范圍可以從5公里／小時(shí)到200公里／小時(shí)，較成功的系統在低速端達到10米／分鐘(0.6公里／小時(shí))。重量下限是自行車(chē)，上限經(jīng)受了50萬(wàn)次60KN單輪胎實(shí)驗，等效于70噸(美國標準的9類(lèi)車(chē)輛)，實(shí)測中水泥實(shí)驗路段被壓壞。

二、 車(chē)輛分類(lèi)統計

壓電傳感器的主要用途是車(chē)型分類(lèi)，車(chē)速數據可被轉換為可靠的分類(lèi)數據。不同的國家使用不同的分類(lèi)表對車(chē)輛分類(lèi)。在美國，FHWA把車(chē)輛定義為從摩托車(chē)到多用途拖車(chē)的13種類(lèi)型(見(jiàn)高速公路動(dòng)態(tài)稱(chēng)重(WIM)系統的標準規范及用戶(hù)要求與試驗方法ASTMl318-94)。車(chē)輛的類(lèi)型是根據軸數和軸距確定的。
軸距：由于車(chē)速在3米或小于3米的距離內基本上是均速，用車(chē)軸經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)建立的信號時(shí)間差乘以車(chē)速，就得出軸距。

軸數：由于傳感器是檢測壓過(guò)輪胎的力，因此即使在車(chē)量靠得很近時(shí)也很容易測出軸數，但在車(chē)流密集、低速及車(chē)型相似時(shí)，不能區分所計軸數是同一輛車(chē)還是兩輛車(chē)，而電感線(xiàn)圈不能計軸數，因而用電感線(xiàn)圈+壓電傳感器的方案既可測得軸數又可測得車(chē)數。配置方案既可以是傳感器+線(xiàn)圈+傳感器，也可以是線(xiàn)圈十傳感器十線(xiàn)圈，為獲取車(chē)速信號芹進(jìn)行其它計算，兩個(gè)方案都可以，但前一個(gè)配置較好。

輪距：有些國家如南韓，車(chē)輛的分類(lèi)需要檢測輪距，我國車(chē)輛的種類(lèi)很多，存在同軸距不同輪距的問(wèn)題，如解放車(chē)和黃河車(chē)，其載重能力的差別很大。如果檢測器能分辨輪距，將增加系統的覆蓋率和準確性。將傳感器以一定角度斜埋就可解決這個(gè)問(wèn)題。

輪胎數：其他國家車(chē)輛分類(lèi)的標準，如巴西是以雙輪胎作為等級劃分標準的。為了探測雙輪胎，通常在與車(chē)流方向成一定角度(一般是30度到45度)再加裝一個(gè)傳感器。當雙輪胎經(jīng)過(guò)斜埋的傳感器時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)雙峰脈沖，通過(guò)電路的處理可識別雙輪胎信號。垂直車(chē)流安裝的傳感器仍用來(lái)正常探測車(chē)速，軸數，并與斜埋傳感器計數進(jìn)行比較。根據交通部發(fā)布的“超限運輸車(chē)輛行駛公路管理規定”，動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統應具備識別單、雙輪胎的能力，通過(guò)斜埋壓電軸傳感器就可解決這個(gè)問(wèn)題。

由于車(chē)流量的快速增長(cháng)，ETC(電子不停車(chē)收費系統)成為業(yè)內人士關(guān)注的焦點(diǎn)。我國一直采用的是按噸位和按客車(chē)座位數分類(lèi)，現在國內行駛的車(chē)輛種類(lèi)復雜，按這種分類(lèi)法在ETC系統中引入自動(dòng)分類(lèi)十分困難。按軸距和軸數分類(lèi)，再考慮載重，應是比較合理的方法。建立合理的分類(lèi)標準是解決ETC問(wèn)題的關(guān)鍵。

制定標準的基礎是檢測手段。應結合視頻技術(shù)，壓電軸傳感器及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)針對車(chē)輛的軸數、軸距、輪數、長(cháng)、寬、高等物理特性設計車(chē)型識別系統。這需要管理部門(mén)，系統集成商及器件供應商的有機組合才能實(shí)現。

三、車(chē)速監測

通常在每條車(chē)道上安裝兩條傳感器，這便于分別地采集每條車(chē)道的數據。使用兩個(gè)傳感器可計算出車(chē)輛的速度。當輪胎經(jīng)過(guò)傳感器A時(shí)，啟動(dòng)電子時(shí)鐘，當輪胎經(jīng)過(guò)傳感器B時(shí)，時(shí)鐘停止。兩個(gè)傳感器之間的距離一般是3米，或比3米短一些(可根據需要確定)。傳感器之間的距離已知，將兩個(gè)傳感器之間的距離除以?xún)蓚€(gè)傳感器信號的時(shí)間周期，就可得出車(chē)速。根據德國PTB的報告，在汽車(chē)以200公里／小時(shí)的勻速行駛時(shí)，測量精度可達到1％。

壓電傳感器可以區分差別很小的車(chē)輛，這一點(diǎn)使其可與速度相機觸發(fā)器在固定地點(diǎn)一同使用。通常都安裝2條傳感器作為一組，有的國家也安裝3條(增加了校驗)。當輪胎經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，根據從A到B，再從B到C，最終從A到C的時(shí)間，計算出車(chē)速。然后對這幾個(gè)車(chē)速進(jìn)行對比，它們都應在規定的范圍內，通常不超過(guò)2％。如果車(chē)輛超過(guò)了規定的時(shí)速，前輪經(jīng)過(guò)最后一個(gè)傳感器時(shí)，立刻給車(chē)輛拍照，并計算出車(chē)速。在第一張照片拍攝后的固定時(shí)間進(jìn)行第二次拍照，這樣觀(guān)測儀可以校驗車(chē)速。即使在車(chē)流量很高的情況下，也可得到各個(gè)車(chē)道的信息。傳感器可以交錯安裝，以便照相機有穩定的焦點(diǎn)，從而使得照片清晰可讀。

通過(guò)車(chē)速監測既可以對超速車(chē)輛罰款，又可以根據車(chē)流量建立可變限速標志和可變情報板。在車(chē)流量較高時(shí)，設置較低的限速；流量較低時(shí)，設置較高的限速，建立動(dòng)態(tài)的管理系統，從而實(shí)現路面管理智能化。

四.收費站地磅

壓電軸傳感器的一個(gè)應用就是收費站地磅。傳感器可以記錄高速行駛中車(chē)輛的數據。車(chē)速較低時(shí)，軸傳感器與電路的接口很關(guān)鍵，壓電傳感器對低頻信號會(huì )衰減，低頻衰減由傳感器的電容和電路輸入阻抗決定。壓電軸傳感器電路部分的另一個(gè)改進(jìn)就是允許傳感器在10米／分鐘(0.6公里／小時(shí))的速度時(shí)應用。

盡管壓電軸傳感器能探測出壓上傳感器然后從傳感器上移開(kāi)的輪胎，但它不能檢測靜止在傳感器上的車(chē)輛。在一個(gè)非常小的距離內可以同時(shí)應用多個(gè)傳感器。以防止錯誤的計數，芹改善計數的校驗。壓電傳感器十分適合在收費站自動(dòng)分類(lèi)車(chē)道上使用，因為在那里車(chē)速的變化很大。

壓電軸傳感器為收費站地磅提供了一個(gè)非常有效的優(yōu)勢，壓電軸傳感器的壽命比普通的電阻式地磅要長(cháng)得多。由于傳感器的固態(tài)結構，壓電軸傳感器沒(méi)有可移動(dòng)部分。傳感器中可見(jiàn)的變形在微米(um)范圍內，而電阻式地磅通常在橡膠套中有幾毫米的變形，因此而引入了一個(gè)疲勞元件。電阻式傳感器壽命為100-500萬(wàn)軸次，而壓電傳感器卻超過(guò)1億軸次。

五.闖紅燈拍照

壓電軸傳感器也可作為闖紅燈照相機的觸發(fā)器。在交叉路口的紅燈線(xiàn)前安裝兩個(gè)傳感器，傳感器與紅燈線(xiàn)的最小距離一般為2米。兩條傳感器的間距為1米或小于1米，可安裝在地感線(xiàn)圈的上方，所有數據由前輪采集，在車(chē)輛移動(dòng)6’’(150mm)以前完成信號采集，信號采集與速度無(wú)關(guān)，與車(chē)輛類(lèi)型無(wú)關(guān)，可在高密度交通流量時(shí)使用，照相機控制器與紅綠燈控制器相連，以便只在紅燈時(shí)完成動(dòng)作。

用兩條傳感器確定停車(chē)線(xiàn)前的車(chē)速，如果紅燈亮并且車(chē)速大于預置值，就會(huì )自動(dòng)拍下第一張照片。第一張照片證明紅燈已亮，而且車(chē)輛在紅燈亮時(shí)未超越停車(chē)線(xiàn)，并可證明車(chē)速及已亮紅燈的時(shí)間。第二張照片根據車(chē)速在這以后固定的時(shí)間內拍出，一般來(lái)說(shuō)為1至2秒。第二張照片證明事實(shí)上車(chē)輛越過(guò)了停車(chē)線(xiàn)進(jìn)入交叉路口并闖了紅燈。

在美國，因為隱私的緣故，大部分照片都是在汽車(chē)尾部拍攝的，然后給車(chē)輛開(kāi)罰單，方式與停車(chē)罰單類(lèi)似。注冊的車(chē)主會(huì )收到罰單，其中包括兩張照片，并把車(chē)牌照號的部分放大。雖然數碼相機已被接受，但大部分系統還是采用35毫米或更大規格的濕膠片來(lái)拍攝的。初步證據在采用濕膠片或一次寫(xiě)入多次讀取的數碼影像方式時(shí)對違章者是不利的。這樣就防止了對證據進(jìn)行數碼串改。

在美國的馬里蘭州霍華德縣，由于安裝了采用壓電軸傳感器的闖紅燈拍照系統，在一年內闖紅燈事件減少了53％，只有3.2％提出由法庭審判，90％的法庭審判證明事主違章。在有一個(gè)像機的第一個(gè)交叉路口，沖突由1992年的15次／年減少到1998年的8次／年。20臺像機，發(fā)出21000次罰款通知。

六、觸發(fā)器

選擇壓電傳感器作闖紅燈照相機觸發(fā)器的原因與它們在速度照相機中的應用相同。在照片中可以看到車(chē)輛仍在傳感器的上方。傳感器以有線(xiàn)方式連接到照相機上，將信息具體到某一車(chē)道。即使在兩條相鄰車(chē)道上，兩輛車(chē)緊挨著(zhù)，傳到照相機控制器的數據將是該傳感器所在車(chē)道的數據。傳感器不象固定的雷達裝置那樣很難區分相鄰車(chē)輛，因此，壓電傳感器適用于多車(chē)道。收到罰單的人被再確認他們確實(shí)是闖了紅燈或違反了車(chē)速規定，因為他們可以很清楚地看到展現在他們眼前的證據。

七、 交通信息采集和統計(道路監控)

壓電軸傳感器的應用已擴展成一門(mén)技術(shù)，并更可靠，價(jià)格合理。這項技術(shù)起源于美國的聯(lián)邦高速公路署(FHWA)長(cháng)期道路性能工程(LTPP)。在這個(gè)項目下，部分道路的交通負載，類(lèi)型和重量被監控，以確定道路的磨損、類(lèi)型和等級。在這種方式下，通常采用的是周期信息采集，而幾乎沒(méi)有實(shí)時(shí)的數據采集。

目前，由于我國的高速公路建設尚在起步階段，有些路段由于超載嚴重，在設計使用年限之前就過(guò)早損壞，造成養護費用上升，多數管理部門(mén)將主要精力集中在收費(尤其是不停車(chē)收費)標準的制定和系統的技術(shù)問(wèn)題方面。這在目前是必需的，但是隨著(zhù)車(chē)流量的增加，道路負荷的加重，交通事故將增加，道路的塞車(chē)時(shí)間將加長(cháng)，對道路的破損修復期將縮短，次數將增加，對道路狀態(tài)的監測將變得越來(lái)越重要。

如果將網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、視頻技術(shù)及埋在路面下的地感線(xiàn)圈和壓電軸傳感器相結合，實(shí)現交通信息的短周期采集，將車(chē)流量、車(chē)軸數、車(chē)速、軸距、分類(lèi)信息，載重量等信息收集并加以分析，由自動(dòng)化交通信息調查系統對路面負荷給業(yè)主提供維護方案，同時(shí)也為公路規劃、設計、維護和決策提供可靠、全面的數據，加拿大多倫多401高速公路交通管理系統就是一個(gè)典型的例子。

在最近五年里，壓電軸傳感器在性能方面顯著(zhù)地提高，而價(jià)格卻不斷降低。以安裝價(jià)格來(lái)說(shuō)，它只比感應線(xiàn)圈稍高一些，卻比感應線(xiàn)圈多提供許多有效信息，諸如改善了的速度信息，車(chē)輛分類(lèi)等。另外增加了行駛中稱(chēng)重能力以確定和監控車(chē)輛的重量。它與感應線(xiàn)圈相結合，將使交通信息的采集更精確更全面。顯然，壓電軸傳感器作為一種技術(shù)，應該考慮將其廣泛應用于智能運輸系統(ITS)中。