STI车辆扫描系统在智能交通领域的应用

随着中国公路建设的迅速发展和公路网络的不断扩大, 车辆检测设备被越来越广泛的使用， 作为智能交通系统的重要组成部分和基础单元，其性能的稳定可靠性、输出数据的性、接口兼容性都直接影响到上一层的数据甚至整个系统的优劣。环形感应检测线圈是过去使用为广泛的车辆检测器，其优点是技术成熟、成本低廉，但安装时需破坏路面，容易损坏，难以分辨过于靠近的车辆，不能准确分辨半挂车和拖挂车，而且其输出数据单一，难以符合系统对车辆综合数据采集的要求。
今天，越来越多新的传感技术如红外光电技术、微波技术、视频技术、超声波技术等被应用在车辆检测领域，这些新技术可以提供更为丰富的交通数据，更高的可靠性和更长的使用寿命，本文就红外线车辆检测器的技术和应用做出详细的探讨。
系统原理与配置
红外线车辆检测器的原理是通过线性排列的红外光发射和接收来实现对车辆的同步扫描，并将光信号转换为电信号，从而实现对车辆数据的综合检测，与其它检测技术相比，红外线车辆检测器产品技术成熟，安装简便，高速响应，抗干扰性强，可输出丰富的车辆数据信息，能可靠检测各种特殊车辆。
自1978年开始，美国科学技术公司（STI）就与北美智能交通领域的系统集成商合作，开发了适合公路交通行业的红外线车辆扫描系统以满足特殊的使用要求，至今，STI红外线车辆扫描系统已有超过6000套被应用在世界各地的智能交通系统中，其主要用于：一般公路收费站、不停车收费系统（ETC）、自动车辆分类系统、公路计重收费系统、固定式超限检测站。
一套完整的红外车辆分离器包括：
发射器和接收器：发射器内置线性排列的高能量发光元件，接收器内置与发射器数量相同的接收元件，发射器和接受器的对应光电元件依次按顺序同步触发，检测光路是否导通，当汽车通过扫描区域时，部分或全部光束被遮挡，因而被检测出。
控制单元：读取并处理发射器/接收器的同步扫描信号，同时检测光幕工作状态，提供多种输出信号，如：继电器输出、串口输出、模拟量输出。
电缆线：连接发射器/接收器与控制器的接插电缆，一般长度为10-15m.
防护外罩：为不锈钢或冷扎钢板喷塑材料，为分离器提供防护，内置电加热玻璃、温度控制器、湿度控制器，在湿度过高、温度过低时实现自动加热，以保证车辆分离器在潮湿地区、雨雪天气、寒冷季节可靠使用。
在计重收费系统或超限检测系统上的应用
计重收费作为长效治理公路超限的有效经济手段,体现了公平收费的原则,是目前全国各地正在普遍采用的治超方式，公路计重收费系统主要由以下四个子系统组成:
动态轴重衡器: 是一种低速动态汽车衡器,对车辆的各轴或轴组进行称重计量,并确定车辆总重量.
轮胎识别器:由一组压力传感器来检测单边的轮胎个数,当车辆轮胎压过时,将压力信号转换为轮胎数量信号.
红外车辆分离器:通过红外光的同步扫描来提供车辆的开始和结束信号,保证称重数据和车辆之间的对应关系.
中央处理系统: 集中处理各种传感器信号、处理数据，将有关信息传输给上位收费计算机系统。
作为公路计重收费系统或超限检测系统的重要组成部分，STI红外线车辆分离器提供准确的车辆分离信号，可靠检测脱车的挂钩，同时能够不受飞鸟、昆虫或石块的干扰，专用的防护外罩保护红外线车辆分离器不受撞击并能够自动加热窗口玻璃，从而自动清除凝露、结霜，系统可自动检测并屏蔽有问题的光束，并输出报警信号。根据目前中国交通行业的使用经验，检测高度一般1200mm左右，检测分辨率为30mm左右，一般使用开关量输出信号，有些使用串口数据输出。
根据科学技术公司(STI)红外线车辆分离器在世界各地收费系统和中国公路动态称重领域的实际使用经验, 推荐使用以下车辆分离器参数配置:
检测高度: 1220 mm
光束间距 22mm
扫描时间: 3.4ms
检测物体尺寸 30mm
扫描检测模式 同步逐行高速扫描
串口输出: RS485 协议(用户选择)，19,200 波特率.
输出1: 车辆检测输出，NPN，150mA 30VDC
输出2 故障报警输出，NPN，150mA 30VDC
电源要求 24 VDC + 20%
电缆 标准接插件电缆15m，防电磁干扰屏蔽线
抗光干扰性能 4,0000LUX 干扰光 + 5度入射角.
温度范围: -40 ℃ 到+ 70℃
防护等级 NEMA 4, 12, IP 65.
在自动车型分类系统（AVC）的应用
车型分类的准确与否直接关系到公路通行费的征收是否公平合理，初的车辆类型比较简单，全部由收费员人工完成，今天公路收费系统已经发展到能够自动判别车辆类型。在美国，车辆轴数是重要的车型判别要素，而在欧洲，车辆分类的要素已经是车辆的物理尺寸。
自动车辆分类就是通过检测车辆的各种物理特性并根据这些信息对车辆自动分类，要达到准确的车辆自动分类，一般需要采集以下车辆物理信息：
车辆长度
车辆高度轮廓
车辆轴数及其位置
是否有挂钩及其位置
过去的车辆分类系统完全基于轴数判别，使用环形感应线圈作为车辆分离检测，用轮轴传感器采集车轴数量信息，这类系统在实际使用中产生了很多问题，环形线圈用于交通管理是可靠的，但作为收费上的车型判别其可靠性则不能满足要求，系统不能提供车辆长度和高度信息，还不能判别车辆是否有拖挂，反而经常将拖挂车判定为两辆车，近年来，新的传感技术提供了新的自动车辆分类的途径。
在美国，智能交通行业的系统集成商使用以下车辆检测单元来组成完整的自动车型分类系统：
红外线车辆扫描系统
雷达测速仪
轮轴识别器
AVC处理器
通过以上各检测单元和AVC处理器,可得到以下车辆数据信息:
车辆长度
车辆高度轮廓.
车辆轴数极其位置
挂钩是否存在及其位置.
这里所描述的自动车辆分类系统实际上是通过图像识别运算法则来将车辆准确地分类，自动车辆分分类系统将车辆长度信息、车轴数量和间距信息、车辆高度距阵信息形成综合的图像，将该图像与预先设置的标准对比，从而实现车辆的准确分类， 一辆车的实际轮廓如下图所示。
STI的红外线车辆扫描系统提供了车辆轮廓扫描的解决方案，并提供车辆分离信号，同时还能够检测挂钩是否存在及其位置，由于光学产品的高速响应，当车速低于100公里/小时，系统可对车辆间距0.3米车辆实现可靠的分离检测并抓取车辆轮廓数据，当车速低于200公里/小时，对车辆间距0.6米的车辆实现可靠的分离检测并抓取轮廓数据，系统可自动分类超过100种车型，车辆自动分类的准确率超过99%。
产品选型注意事项
1．用环境因素：
中国幅员辽阔，南北东西气候差异很大，作为一种野外安装使用的产品，对恶劣气候条件的免疫性是极其重要的，所选产品要能够在雨、雾、雪等气候条件下可靠工作，耐高温和低温，抗环境光的干扰，对雷电、电磁干扰、振动和冲击都要有很好的免疫性能，这是重要的也是基本的要求，一般的工业用光幕，其工作温度、抗环境光干扰、防护等级都与野外使用要求完全不同，在选型时，一定要注意区分。
美国STI红外线车辆分离器使用环境温度为–40℃—+70℃，允许相对湿度95%（50℃时），防护等级为IP65，可抗40000LUX光干扰，该产品被成功应用在寒带地区如加拿大和中国东北，热带地区东南亚、中国广西、四川、南非和阿根廷。
2．工作距离和过量增益（EG）
一般而言，车辆分离器在计重收费系统中安装距离为4米左右，但客户在选型时应尽可能选择工作距离远的产品，这是为了保证过多灰尘累积、雾汽和雨雪情况下，产品仍然有足够的穿透能力,实现可靠检测。
过量增益（EG）是评价传感器工作可靠性的重要指标，它表示接收器接收的光能量能否能使传感器动作，也表示使传感器产生动作所需要的光强度。其计算公式如下：
接收器实际接收的光强度/ 使接收器产生输出门槛值
过量增益与检测距离的关系是一定的，在一定距离时，过量增益值越大，则表示光幕的穿透能力越强，而在环境因素和距离不变的情况下，要增加EG值，则只有增加发射器的能量。STI红外线车辆分离器采用高能量发射管, 工作距离为24.4米(EG=1),在4.8米安装距离并保证光路对准时，过量增益（EG）达到25倍，可以保证车辆分离器在凝霜结露、雨雪和灰尘情况下仍可靠工作。
3. 非车辆信号干扰:
野外安装使用时，石块、飞鸟、昆虫、冰雹都可能触发光幕，使其产生输出，而的车辆分离器则不受这些因素的干扰，并能够可靠检测拖车的挂钩，STI红外线车辆分离器可以通过软件和串口设置触发输出开启的尺寸，如设置为大于10束光被同时遮挡时，系统才认为是车辆信号，输出启动，只有当所有的光束全部导通时，才提供车辆收尾信号。
4．智能化的报警功能：
由于在公路安装的特殊性, 汽车尾气、泥浆和过多灰尘的累积、昆虫的停留等都有可能对发射器和接收器窗口造成光路阻断，从而造成系统不能正常分车，在早期安装在江苏、河南的现场，这类问题尤其突出，这类问题实际对车辆分离器的诊断和报警功能提出了要求，STI红外线车辆分离器具备诊断和报警功能，当玻璃上有昆虫停留、泥浆飞溅或过多灰尘时，系统可以自动探测出是否有某一束或几束光束被长时间非正常阻断，一旦发现，系统可以自动忽略这些有问题的光束，并保持正常分车功能，同时产生报警输出，提醒工作人员尽快消除报警来源，当报警原因解除，系统报警会自动关闭，整过过程中，都不会对车辆分离功能造成影响。
通过随机软件包和简单的串口指令，可以进行报警的参数设置，某一束或几束光束被屏蔽之前需要诊断多少次，每次诊断的时间间隔，多允许被自动屏蔽的光束数量都可以设置。
5．使用防护外罩的重要性：
基于公路行业使用的特殊性，车辆分离器需要配备防护外壳，防护外罩不仅保护光幕不受日晒雨淋，防止车辆撞击时损坏光幕，更重要的是消除凝霜结露，STI红外线车辆分离器的防护外壳标准配备电加热玻璃、温度控制器和湿度控制器，可实现自动除霜和除湿功能。对有些超宽车道，防护外壳还需要实现可倾倒功能，在有超宽车辆驶入时可以侧面倾倒。
6．系统稳定性和可靠性：
作为一种24小时全天侯运行的车辆检测产品，红外线车辆分离器的稳定可靠性尤其重要，在选型时重点考虑产品生产历史长，技术成熟可靠的产品，若选用非成熟产品，建议能够小批量实验并论证后使用。
根据AT&T Bell实验室Bellcore标准的数据。STI车辆扫描系统的MTBF(平均无故障工作时间)为11.5万小时，即13.1年, MTTR（平均维修时间）为20分钟。
7．安装调试的简便性
由于公路收费系统野外施工的特殊性，并且一般要求施工期短的特点，现场施工人员一般对红外线车辆分离器也没有的知识，所以选择产品时应尽可能选择安装快捷、维护简单的产品，这样可以大大节约现场安装调试时间，这要求车辆分离器应该易于对准、快速接插、智能诊断。STI红外线车辆分离器使用的独立光束状态指示（IBI）功能，使用了高能量、高穿透率光电管，同时具备智能化的诊断和报警功能，使现场安装对准工作极为简便和直观。