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)控收費系統(tǒng)作為機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到精確、如實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。近年來隨著計算機技術(shù)、自動化技術(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)接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。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、聲學檢測、磁力計檢測、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：

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

    紅外光門是靠檢測車輛進入收費車道時遮擋自身發(fā)射的紅外線進行工作的，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)生變化時就會向外釋放電荷，檢測處理后向車道工控機發(fā)出信號。

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

    當遇到車輛進入車道遮擋住傳感器發(fā)出的紅外光線時，傳感器發(fā)給收費亭內(nèi)工控機信號，車道監(jiān)視器實時抓拍，圖像記錄在工控機中，這樣就完成了一次車輛圖像抓拍，與以往單獨使用線圈式車輛檢測器配合車道攝像機實施抓拍的方式相比，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準檢測物體為Φ75mm以上的不透明物體，在工作時適應(yīng)的溫度為-25℃— 
55℃，濕度為45—85%RH。該檢測器以被動的方式檢測，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，用以幫助攝像機實現(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、被動車輛檢測器器件功耗很小，隱蔽性較好，能裝在收費亭外部，不需要昂貴的土建施工費用。

    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中即可實現(xiàn)，需要用到的工具和材料也很少，不影響收費工作的正常進行。在連接完畢后，也可以重新設(shè)置和校準，節(jié)約了大量的人力物力。

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

    功能性

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

    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)時所需進行的數(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)計分析或報表打印功能是齊全，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)過長時間的技術(shù)培訓，勢必會造成技術(shù)移轉(zhuǎn)困難或移轉(zhuǎn)時間加長，因而提高建設(shè)成本。5、未來設(shè)備擴充的可行性：考慮交通信息搜集的廣度與年度要求日益提升，以及營運部門設(shè)備計劃經(jīng)費多采逐年核算方式，檢測器的功能應(yīng)保留系統(tǒng)擴充的可行性，例如由單車道檢測擴充為多車道檢測等。

    二、通訊需求

    該部分評估檢測技術(shù)在整合應(yīng)用時，是否具有與其他系統(tǒng)間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰�，其主要評估的項目有以下幾點：1、外場控制器所使用的接口。2、與遠程控制系統(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

    該部分確認檢測技術(shù)初始時的相關(guān)成本需求。應(yīng)評估的項目如下：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)或維修時造成的交通沖擊：評估安裝時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、維護需求

    設(shè)備維護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。應(yīng)評估的項目如下：1、造成的交通沖擊：包括范圍與時間。2、維護或維修的需求：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)錯誤回報機制：當檢測系統(tǒng)故障時，最好能立即回報出信息以供及時報修。4、特殊人員技術(shù)的需求：設(shè)備維護如需聘請?zhí)厥饧夹g(shù)人員，勢必會提高維護成本。5、特殊裝備的需求：維護作業(yè)如需使用特殊裝備，勢必會提高維護成本。

    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、濕度、溫度、雨雪等。2、交通的影響：指對路面的震動、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、昆蟲或其他動物。

    六、應(yīng)用效果

    目前，與先進車輛檢測技術(shù)應(yīng)用效果有關(guān)的信息相當有限。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：包含實驗室或現(xiàn)場測試。2、市場占有率。3、在其他領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)驗：例如紅外線檢測在其他領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)已相當成熟。

    七、相關(guān)成本預測分析

    雖然在實際的系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計完成前，要精確地估算成本并不容易，但仍然可以從幾個方面來進行相關(guān)的成本評估：1、直接成本：該部分包括單位售價、運作成本與維護成本�，F(xiàn)有技術(shù)的直接成本可以從文獻或廠商的報價中獲得。2、間接成本：該部分包括安裝、維護與維修時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)未來功能擴充的方向，但對于發(fā)展中的先進檢測技術(shù)而言，系統(tǒng)發(fā)展方向會受公司營運計劃的影響。因此，檢測技術(shù)的可用性可從以下幾個方向加以評估：1、現(xiàn)有技術(shù)的供貨商數(shù)目。2、先進技術(shù)預期的運作效能：1）實地測試結(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)計劃。

    多種檢測技術(shù)相互搭配運用在理論上是可行的，而且有幾種實質(zhì)上的意義，即功能性互補。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，用被動式紅外線檢測器搭配超音波式或多普勒式微波檢測器。當用被動式紅外線搭配超音波式檢測器時，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確度；當用被動式紅外線搭配多普勒式微波檢測器時，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，因被動式紅外線檢測器可自動校估速度測量參數(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)控收費系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、有效、持續(xù)運行的重要保證。采用被動式紅外線車輛檢測器進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到92.4%，大量地杜絕了車主、司機作弊的行為，并具有安裝維護簡單、穩(wěn)定、可靠、監(jiān)測直觀等優(yōu)點，系統(tǒng)穩(wěn)定運行已近兩年，效果良好.