常見公交車輛檢測技術案例分析
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0引言
本文引用地址：http://www.104case.com/article/201612/333238.htm隨著城市化進程的不斷加快，機動車保有量迅速上漲，城市道路交通所面臨的壓力與日俱增。在城市設計規劃基本定型和土地資源有限的情況下，不可能通過大規模的改建道路、擴建路網的方式來解決交通擁堵。因此，優化智能交通系統的運行策略、提高公共交通系統的服務效率，成為改善道路交通運行水平的有效措施。
眾所周知，公共交通運營能力是私人交通的十幾倍甚至幾十倍，可以充分利用城市道路資源，是減少道路交通流量、緩解交通擁擠、節約自然資源的有效措施。然而，在多種交通工具并存的情況下，由于公交車輛的運行時間長、準時性差等弊端使得人們不愿意選擇公交車輛出行，造成公交車輛的出行分擔率很低。因此，發展城市的公交運行系統、提高公共交通的服務水平、落實“公交優先”戰略，對緩解城市交通擁堵、促進市民選擇公共交通工具出行具有重要的意義。
公交優先技術的實現是以公交車輛檢測技術提供的信息為基礎，因而，準確有效的公交車輛檢測技術是公交優先的先決條件。
1研究現狀
公交車輛的檢測技術是智能公共交通系統的基礎。美國、日本、加拿大、英國、法國、韓國等國家都已在智能交通系統的研究中取得了顯著的成績。相比之下，我國的智能公共交通事業的發展起步較晚，但實施速度較快。杭州、上海、北京、大連、廣州等大城市已在部分公交線路上建成了公交車輛跟蹤調度系統，并安裝了電子站牌，車載定位設備，實現了對車輛的實時跟蹤和定位、公交車與調度室的雙向通信等功能。公交車輛檢測技術的應用大幅度提高了智能公交系統的發展速度，提高了公交車輛的運行效率。
2國內公交車輛檢測現狀
車輛檢測方式依據被檢測車輛是否裝有被檢測設備可分為被動式檢測與主動式檢測。被動式檢測指公交車輛上無需安裝任何裝置，只在路口安裝檢測設備的檢測方式，它包括環形線圈檢測方式、視頻檢測方式等；主動式檢測指公交車輛上裝有被檢測或主動傳輸設備，同時路口裝有檢測設備的檢測方式，包括：GPS定位檢測方式，RFID射頻檢測方式等。
2.1環形線圈
線圈檢測技術屬于被動式檢測，是國內應用最早、適用范圍較廣的車輛檢測方式，主要由環形線圈、線圈調諧回路和檢測電路組成，如圖1所示。環形線圈與檢測處理單元組成初級調諧電路，環形線圈相當于電感元件，在線圈周圍的空間產生電磁場。當主要由鐵質材料組成的車體進入線圈磁場范圍時，車身金屬感應出渦流，此渦流又產生與原有磁場方向相反的新磁場，使線圈的總電感量隨之降低，調諧頻率偏離原有數值；偏離的頻率值被送到相位比較器，與壓控振蕩器頻率相比較，確認其偏離值，從而發出車輛通過或存在的信號；相位比較器輸出信號控制壓控振蕩器，使振蕩器頻率跟蹤線圈諧振頻率的變化，從而產生脈沖信號；該脈沖信號經過放大器、數模處理模塊后，可以以數字、模擬和頻率等形式輸出。頻率輸出可以用來測速，數字信號便于車輛計數，模擬量輸出用于計算車長和車型識別。
線圈檢測器的測速精度和交通量計數精度高，且工作穩定性好，不易受天氣和交通變化的影響，抗干擾能力強。但是由于線圈檢測器需要在車道下埋設，在安裝的過程中會對路面有一定的破壞作用，影響道路的正常使用壽命；同時，線圈檢測器的安裝和維修過程中會影響交通的正常通行，因此，線圈檢測器已基本不被采納。
2.2 GPS檢測
GPS系統主要由空間星座、地面檢測系統和用戶接收設備三大部分組成，GPS可以為用戶提供實時三維導航與定位功能，廣泛地應用于航空航天、軍事、交通運輸、資源勘探、通信、氣象等領域中。隨著全球定位系統的不斷改進，其應用領域已經開始逐步深入人們的日常生活。在公交系統的車輛定位導航和交通數據采集中，GPS的應用較為廣泛。
公交車輛定位系統共分4部分：GPS差分站、總凋中心、區域監控站、車載設備。
車載設備由定位模塊（GPS接收機和DR傳感器）、通信控制器、收發信機（即集群電臺）、駕駛員接口和電源模塊組成。GPS接收機接收GPS衛星所發射的導航電文，經處理后形成一定格式的綜合數據流（包括位置、時間、速度等），經串口送至通信控制器。通信控制器將綜合數據流和本車的車號及其他運營數據按照通信協議重構，經收發信機發射到監控中心站；并將差分GPS基站發來的差分修正信息經解調后送至GPS接收機；調度中心發來的調度信息也由通信控制器解調后以語音提示。駕駛員接口提供駕駛員與調度中心之間進行聯絡和短信息傳送、車輛快慢提示、語言提示等的接口。車載設備模塊框架如圖2所示。
區域監控中心站由DDN接口、通信控制器、收發信機（即集群電臺）、GIS顯示系統組成。通信控制器將接收到的各車輛數據處理后按一定的格式送往GIS顯示系統，并將差分修正信息和調度命令進行編碼和調制，經收發信機發送到各車載設備。
總調度中心主要由大屏幕顯示和計算機網絡組成。接收各個區域監控中心傳輸的車輛定位和狀態數據，實現對所有車輛的監控。
差分GPS基準站主要由基準GPS接收機和計算機組成?；鶞蔊PS接收機接收GPS信號，形成差分修正信息，并發送到各監控中心。
GPS公交車輛檢測定位技術在實際應用中維護方便，不會對道路交通產生影響；檢測和定位的準確度高，使用擴展GPS差分站后，能獲得準確定位信息。車載 GPS裝置安裝于各種類型的公交車中，可以實現對不同公交車類別進行識別，同時能得到車輛的運營信息；但是，GPS檢測系統的信號的接收容易受到道路周邊密集的、體積較大的建筑物的遮擋，可能影響檢測設備的正常工作，因此在實際的公交車輛檢測裝置的設計中應考慮周邊環境對GPS信號傳輸的影響。
2.3超高射頻檢測技術
射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據。RFID發送的頻率稱為RFID系統的工作頻率或載波頻率，基本有四個范圍：低頻（30～300 kHz）；高頻（3～30 MHz）；超高頻（300 MHz～2.45 GHz）和微波系統（2.45～5.8 GHz）。目前市場上常用的載波頻率有低頻125 kHz與133 kHz、高頻13，56 MHz以及超高頻902 928 MHz和微波2.45 GHz與5.8 GHz等。
基于射頻的公交車輛檢測系統主要由車載射頻卡、近端信息采集傳輸設備、遠端數據庫服務器、后臺數據分析管理服務器和應用客戶端五個主要部分組成。
車載射頻卡安裝在公交車輛上，用于存儲運營車輛的ID信息，它是由天線、電源、微處理器和存儲器組成。車載卡用于存儲固定的ID編碼信息，工作頻率為 2.45～2.483 GHz，當車載卡進入收發天線感應區后，不間斷的發送卡號信息。當車載射頻卡工作電壓低于正常使用電壓時，數據交換同時主動向遠端服務器發送低壓報警信息。
近端信息采集傳輸設備主要由RFID無線射頻讀卡器裝置、前置通信模塊、室外設備機箱等部分組成。RFID無線射頻讀卡器裝置由收發天線及射頻讀卡器構成。其工作原理是：當車載射頻卡進入收發天線區域后，車載射頻卡發出的加密載波信號被天線接收，經射頻讀卡器裝置接收處理后，向前置通信模塊發送獲取的車載射頻卡信息；前置通信模塊將接收到的卡號時間、地址信息通過無線方式與遠端的讀卡服務器建立通信連接。
遠端數據庫服務器擁有固定的、永久性的ID地址，并通過Intemet接入，實現和GPRs的內嵌TCP/IP協議棧與地面識別設備的前置通信模塊建立通信連接，其主要任務是接收、存儲地面識別設備無線傳送來的車載卡數據信息。
后臺數據分析/管理/發布服務器用于對多個地面識別設備進行集中管理，提供讀卡記錄和通信異常記錄的設備。可以為公眾提供公交信息服務。為管理者提供實時系統狀態查詢、歷史數據分析服務，同時也為管理者制定交通發展策略及提供數據基礎。
應用客戶端采用成熟的Web技術，提供公交站場營運公交車輛進出信息的記錄、查詢、統計、檢索、分析等功能的操作平臺。
RFID技術具有以下特點：全雙工穩定可靠的無線數據通信，誤碼率幾乎為零；載波信號穿透力和繞射力極強，標簽可固定安裝在車輛的任何物體的表面，包括金屬、非金屬、玻璃的表面等；射頻卡讀寫區域無方向性，接收和發射天線無需對準被讀取的射頻卡；具有信息防沖撞功能，可同時識別多輛并排、串道、跨線等不按規定行走的車載卡，無論車道上前后左右的車輛大小、高低、彼此遮擋，各車均能可靠識別，單套設備可同時讀取10個車道通行的車載射頻卡信息；射頻卡超低能耗設計，高能鋰電可反復、連續讀寫高達700萬次；射頻卡具有低壓檢測及低壓信號報送后臺計算機的管理功能；射頻卡的感應范圍（可達300 m左右）和通過速度（可達120 km/h）可根據管理需要進行靈活調整，而無需增加設備投資。
文獻提出了利用RFID技術幫助盲人自助乘車。公交車輛中安裝含有車輛信息的標簽，盲人攜帶RFID讀卡器，讀卡器和計算機以及天線相連。通過信號的傳輸，公交車輛的路線和終點站等信息便可以通過聲訊系統告知盲人。
目前國內很多城市的公交優先系統、公交到離站信息管理系統以及不停車收費系統（Electronic Toll Collection，ETC）均使用了RFID技術。但是，國內在RFID的標準化方面還有待深入和完善，以便被更多的企業所接受，使不同生產商的生產系統及模塊的替代性更好，使RFID的應用更為普及。
2.4視頻檢測
視頻檢測方式也是智能交通系統先進的監控和檢測技術之一，視頻檢測器可以大范圍的對公交車輛進行檢測和識別。視頻檢測的基本原理是對攝像機得到的圖像進行計算機處理，進而對視頻中的運動物體進行檢測。
視頻車輛檢測器主要由外場攝像機、數據傳輸設備和視頻處理器組成。外場攝像機將道路上的交通視頻圖像拍攝下來，經數據傳輸設備傳給視頻處理器。視頻處理器通過相應的算法檢測得到車輛的速度和數量。視頻處理方法主要包括虛擬線圈法和特征識別法。
虛擬線圈法是指通過相應程序在交通圖像上設置虛擬線圈和粗線條，作為速度檢測器和計數檢測器，如圖3所示。
虛擬線圈的尺寸、位置和數量可以根據具體的道路情況進行調整。當車輛通過虛擬線圈和計數檢測器時，會產生檢測信號，經過視頻處理軟件的分析和處理，可得到車速、流量等參數。
基于特征識別的公交車輛檢測方法主要包括基于幾何和顏色特征、基于車型特征等方法。
基于幾何和顏色特征的公交車輛檢測的基本思想為：公交車輛的車牌一般為黃底黑字，且公交車輛的車體都比較大，有別于其他機動車輛的車身特征，因此，可以選擇其中一種特征結合車牌顏色做公交車輛的識別檢測算法。以公交車的保險杠和黃色車牌為例，其檢測算法的流程圖如圖4所示。這種方法的應用有一定的局限性，在公交車場站等一些公交車輛集中、車型單一的場所，此方法的精確度較高；但是此方法不能判別大貨車和公交車區別，因此在道路中的公交車輛的檢測過程中，該方法有待改善。
基于車型特征的公交車輛識別算法主要應用的是模式識別的方法，其框架圖如圖5所示。
其中，特征的提取和選取是指對研究對象固有的、本質的主要特征或屬性進行測量并將結果數值化，或對目標進行分解產生基元并對其符號化，形成特征矢量或符號串、關系圖，從而產生代表對象的模式。另外，在進行特征提取之前還需要對目標的信息載體進行必要的預處理。目前常用的特征識別方法包括Haar特征、 HOG特征等。
為了有效地讓機器具有分類識別功能，首先對它進行訓練，產生分類識別的規則和分析程序，這也相當于機器進行學習。這個過程一般要反復進行多次，不斷地修正錯誤，改進不足，最后使系統正確識別率達到設計要求。目前，機器的學習常需要人工干預，這個過程通常是人機交互的。
視頻檢測器安裝調試方便，對路面和土木設施不產生破壞，但是虛擬線圈檢測器的位置是固定的，如果視頻檢測器的位置調整，程序則無法準確的進行檢測。同時，此方式需要對檢測道路進行虛擬線圈預設置，在實際的使用過程中步驟較繁瑣，沒有良好的移植性。并且此方法存在公交車輛漏檢或錯檢的現象，因此在實際工程中此方法還有待完善。
基于車型特征的公交車輛識別算法在實際應用過程中也會存在一定的漏檢或錯檢現象，且對分類器的訓練效果要求較高，同時由于特征點的提取和匹配需要一定的時間，因此，此方法在應用時對檢測準確度和實時性的要求較高。
文獻采用車載卡與通信基站信息交互的公交車輛識別方法。在主要站點或加油站附近指定的STD電話亭或加油站安裝信號檢測裝置；同時，公交車輛安裝車載卡。車載卡中含有的信息通過聲訊系統后轉化為本地電話號碼，通過網站郵件更新的方式將更新的信息發送到終端中轉站。從而實現公交車輛跟蹤。
這種方法會涉及到較多的人為因素干預，因此，這種方法僅適用于小范圍的車輛跟蹤系統，對大范圍的實時車輛跟蹤效果不理想。
2.5近紅外輻射光流檢測公交車輛
提出了利用近紅外輻射技術，通過光流檢測器檢測道路上的公交車輛。車輛檢測器安裝在高處，連續不斷的向道路上發射近紅外光，通過光線反射回發射器的時間長度判別車型。
近紅外發射機根據按照一定信號發射光線，光線接收器接收反射光線，并把反射光線輸入到光流路徑差比較電路中。反射信號的阻抗元件會因光流路徑差的不同而變化，發射機的信號作為光流路徑差的參考信號輸入到發射機。通過路徑差比較電路中阻抗元件的變化識別公交車輛。
3 常用檢測方式比較
幾種常用的檢測方式及應用環境如表1所示。
環形線圈檢測能夠精準地確定出交通信號控制系統中道路占有率、車輛行駛速度和車間距等重要參數，但是這種被動的檢測方式不能準確的區分車輛類型，且對道路的使用壽命有重要影響。因此，隨著智能交通的不斷發展，被動式檢測的缺陷日益明顯。
RFID檢測在公交場站和公交車輛的到站預報系統中發揮了主要的作用，且目前廣泛應用于ETC系統中，該技術的應用大大提高了道路及公交車的通行效率。但該方法需在車輛和道路安裝超高射頻發射和收發裝置，在某些較特殊區域中使用時會受到一定的限制。并且，設備的安裝和維護需要大量的投入且不利于系統的升級改造，因此該方法并非是公交車輛檢測的最佳方法。GPS方法也同樣需要考慮設備的安裝、維護的成本。
視頻檢測是智能交通系統中不可缺少的一部分，用視頻設備的輸出作為公交車輛檢測的輸入，可以提高資源的利用率，因此，在公交車輛識別中視頻檢測技術有更大的發展空間。
4結語
視頻檢測可以代替人對道路檢測系統中的視頻圖像畫面進行綜合分析，不僅可以得到流量、占有率等常規的道路交通服務信息，還可以對視頻圖像中的所有車輛進行鎖定、跟蹤，并描述其運行軌跡，同時，對道路上發生的交通事件還有識別功能。隨著計算機視覺技術的不斷發展以及媒體處理、數字信號處理及圖像識別領域的軟硬件技術的提高，視頻檢測器運行的準確度和實時性都得到了較大的提高，可以想象，在公交識別系統中，視頻檢測技術將有更大的發展空間。
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