简述压电交通传感器在ITS中的实现

 

　　智能交通系统 （Intelligent Transport System,简称ITS） 智能交通系统将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地集成运用于整个交通运输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合运输和管理系统。智能交通系统目前世界上应用为广泛的地区是日本，如日本的VICS系统相当完毕和成熟，其次美国、欧洲等地区也普遍应用。在中国，北京、上海等地也已广泛使用。

　　压电传感器特点

　　基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等（见压电式压力传感器、加速度计）。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。配套仪表和低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。它广泛应用于工程力学、生物医学、电声学等技术领域

　　无源传感器：可在前置放大器前长距离传送而不需要供电。

　　寿命长： 超过4千万次ESAL（等效单轴负载）安装质量好可达一亿次（ESAL）。

　　大信号： 200公斤轮载，在55英里速度行驶时，输出250mV信号。

　　动态特性好： 可测自行车，摩托车，小汽车及重型货车。

　　高信噪比：传感器的扁平结构即宽厚比为6:1使非受力方向的躁声。包括路面躁声和相邻车道车辆的躁声。

　　的路面破坏：安装切口仅为19mmx19mm。并可与路面轮廓一致。

　　易搬运：盘卷在600mmx600mm的纸盒内， 卷曲直径不小于300mm就不会损坏。

　　安装获取多种信号：如轴数，重量，车速，轴距，与电感线圈配合，从而实现行驶中称重（WIM），车辆分类统计，车速监测，闯红灯拍照。

　　一。 行驶中称重（WIM）

　　WIM是英文Microsoft Windows Imaging Format（WIM）的简称，它是Windows基于文件的映像格式。WIM 映像格式并非现在相当常见的基于扇区的映像格式，它是基于文件的。Windows Vista采用这种格式在新计算机上进行快速安装。WIM 文件存储一个或多个操作系统（如 Windows Vista 或 Windows PE）的副本（称为映像）。使用 WIM 文件维护操作系统很容易，因为您可以在未启动操作系统的情况下，离线添加和删除驱动程序、更新内容以及 Windows 组件。利用 WIM 文件维护 Windows PE 映像与维护 Windows Vista 映像非常相似。

　　在美国、巴西、德国、日本和韩国有大量应用，其主要用途是高速公路车辆超重超载监测的预选和桥梁超载警告系统，既判断正在高速行驶中的车辆，尤其是驶过桥梁的车辆是否超载，由视频系统拍下车牌号记录在案，然后再由执法机构用较高的低速称重系统判断超载量并根据超载量罚款。

　　性能符合ASTME1318-94动态称重标准，传感器长度方向上的输出一致性小于±7％，埋设在路面下性安装时，总重在±10％以内，适用于ASTM—E1318-94标准I类动态称重系统；临时安装在路面时，总重在±15％以内，适用于ASTMEl318-94标准II类动态称重系统。

　　传感器与车辆振动和跳动有关，与轮胎压在传感器上的面积有关，与温度有关，需要温度补偿。尤其是道路质量对系统影响很大，用在水泥路面较好，寿命长于沥青路面，用于动态称重的道路质量应符合ASTM的有关规定。通常可以保证的是±10％，个别成功的系统可达1-2％。

　　速度范围可以从5公里／小时到200公里／小时，较成功的系统在低速端达到10米／分钟（0.6公里／小时）。重量下限是自行车，上限经受了50万次60KN单轮胎实验，等效于70吨（美国标准的9类车辆），实测中水泥实验路段被压坏。

　　二、 车辆分类统计

　　压电传感器的主要用途是车型分类，车速数据可被转换为可靠的分类数据。不同的国家使用不同的分类表对车辆分类。在美国，FHWA把车辆定义为从摩托车到多用途拖车的13种类型（见高速公路动态称重（WIM）系统的标准规范及用户要求与试验方法ASTMl318-94）。车辆的类型是根据轴数和轴距确定的。

　　轴距，是通过车辆同一侧两车轮的中点，并垂直于车辆纵向对称平面的二垂线之间的距离。简单的说，就是汽车（或轮式拖拉机）前轴中心到后轴中心的距离。轴距是指通过车辆同一侧相邻两车轮的中点，并垂直于车辆纵向对称平面的二垂线之间的距离。

　　轴数：由于传感器是检测压过轮胎的力，因此即使在车量靠得很近时也很容易测出轴数，但在车流密集、低速及车型相似时，不能区分所计轴数是同一辆车还是两辆车，而电感线圈不能计轴数，因而用电感线圈+压电传感器的方案既可测得轴数又可测得车数。配置方案既可以是传感器+线圈+传感器，也可以是线圈十传感器十线圈，为获取车速信号芹进行其它计算，两个方案都可以，但前一个配置较好。

　　车轮在车辆支承平面（一般就是地面）上留下的轨迹的中心线之间的距离。如果车轴的两端是双车轮时，轮距是双车轮两个中心平面之间的距离。汽车的轮距有前轮距和后轮距之分，前轮距是前面两个轮中心平面之间的距离，后轮距是后面两个轮中心平面之间的距离，两者可以相同，也可以有所差别。一般来说，轮距越宽，驾驶舒适性越高，但是有些国产轿车没有方向助力的，如果前轮距过宽其方向盘就会很“重”，影响驾驶的舒适性。

　　轮胎数：其他国家车辆分类的标准，如巴西是以双轮胎作为等级划分标准的。为了探测双轮胎，通常在与车流方向成一定角度（一般是30度到45度）再加装一个传感器。当双轮胎经过斜埋的传感器时，会产生一个双峰脉冲，通过电路的处理可识别双轮胎信号。垂直车流安装的传感器仍用来正常探测车速，轴数，并与斜埋传感器计数进行比较。根据交通部发布的“超限运输车辆行驶公路管理规定”，动态称重系统应具备识别单、双轮胎的能力，通过斜埋压电轴传感器就可解决这个问题。

　　由于车流量的快速增长，ETC（电子不停车收费系统）成为业内人士关注的焦点。我国一直采用的是按吨位和按客车座位数分类，现在国内行驶的车辆种类复杂，按这种分类法在ETC系统中引入自动分类十分困难。按轴距和轴数分类，再考虑载重，应是比较合理的方法。建立合理的分类标准是解决ETC问题的关键。

　　制定标准的基础是检测手段。应结合视频技术，压电轴传感器及网络技术针对车辆的轴数、轴距、轮数、长、宽、高等物理特性设计车型识别系统。这需要管理部门，系统集成商及器件供应商的有机组合才能实现。

　　三、车速监测

　　通常在每条车道上安装两条传感器，这便于分别地采集每条车道的数据。使用两个传感器可计算出车辆的速度。当轮胎经过传感器A时，启动电子时钟，当轮胎经过传感器B时，时钟停止。两个传感器之间的距离一般是3米，或比3米短一些（可根据需要确定）。传感器之间的距离已知，将两个传感器之间的距离除以两个传感器信号的时间周期，就可得出车速。根据德国PTB的，在汽车以200公里／小时的匀速行驶时，测量可达到1％。

　　压电传感器可以区分差别很小的车辆，这一点使其可与速度相机触发器在固定地点一同使用。通常都安装2条传感器作为一组，有的国家也安装3条（增加了校验）。当轮胎经过传感器时，根据从A到B，再从B到C，终从A到C的时间，计算出车速。然后对这几个车速进行对比，它们都应在规定的范围内，通常不超过2％。如果车辆超过了规定的时速，前轮经过一个传感器时，立刻给车辆拍照，并计算出车速。在张照片拍摄后的固定时间进行第二次拍照，这样观测仪可以校验车速。即使在车流量很高的情况下，也可得到各个车道的信息。传感器可以交错安装，以便照相机有稳定的焦点，从而使得照片清晰可读。

　　通过车速监测既可以对超速车辆罚款，又可以根据车流量建立可变限速标志和可变情报板。在车流量较高时，设置较低的限速；流量较低时，设置较高的限速，建立动态的管理系统，从而实现路面管理智能化。

　　四。收费站地磅

　　设置在地面上的大磅秤，通常用来称卡车的载货吨数。地磅也被称为汽车衡，英文为： scale 。是厂矿、商家等用于大宗货物计量的主要称重设备。地磅按秤体结构可分为：u型钢地磅、槽钢地磅、工字钢地磅、钢筋混凝土地磅；按传感 器可分为数字式地磅、模拟式地磅、全地磅；地磅俗称地磅。他们的基本配置是一样的。 都需要传感器、接线盒、打印机、称重仪表，现如今的地磅可以配上电脑和称重软件。

　　压电轴传感器的一个应用就是收费站地磅。传感器可以记录高速行驶中车辆的数据。车速较低时，轴传感器与电路的接口很关键，压电传感器对低频信号会衰减，低频衰减由传感器的电容和电路输入阻抗决定。压电轴传感器电路部分的另一个改进就是允许传感器在10米／分钟（0.6公里／小时）的速度时应用。

　　尽管压电轴传感器能探测出压上传感器然后从传感器上移开的轮胎，但它不能检测静止在传感器上的车辆。在一个非常小的距离内可以同时应用多个传感器。以防止错误的计数，芹改善计数的校验。压电传感器十分适合在收费站自动分类车道上使用，因为在那里车速的变化很大。

　　压电轴传感器为收费站地磅提供了一个非常有效的优势，压电轴传感器的寿命比普通的电阻式地磅要长得多。由于传感器的固态结构，压电轴传感器没有可移动部分。传感器中可见的变形在微米（um）范围内，而电阻式地磅通常在橡胶套中有几毫米的变形，因此而引入了一个疲劳元件。电阻式传感器寿命为100-500万轴次，而压电传感器却超过1亿轴次。

　　五。闯红灯拍照

　　压电轴传感器也可作为闯红灯照相机的触发器。在交叉路口的红灯线前安装两个传感器，传感器与红灯线的距离一般为2米。两条传感器的间距为1米或小于1米，可安装在地感线圈的上方，所有数据由前轮采集，在车辆移动6‘‘（150mm）以前完成信号采集，信号采集与速度无关，与车辆类型无关，可在高密度交通流量时使用，照相机控制器与红绿灯控制器相连，以便只在红灯时完成动作。

　　用两条传感器确定停车线前的车速，如果红灯亮并且车速大于预置值，就会自动拍下张照片。张照片证明红灯已亮，而且车辆在红灯亮时未超越停车线，并可证明车速及已亮红灯的时间。第二张照片根据车速在这以后固定的时间内拍出，一般来说为1至2秒。第二张照片证明事实上车辆越过了停车线进入交叉路口并闯了红灯。

　　在美国，因为隐私的缘故，大部分照片都是在汽车尾部拍摄的，然后给车辆开罚单，方式与停车罚单类似。注册的车主会收到罚单，其中包括两张照片，并把车牌照号的部分放大。虽然数码相机已被接受，但大部分系统还是采用35毫米或更大规格的湿胶片来拍摄的。初步证据在采用湿胶片或写入多次读取的数码影像方式时对违章者是不利的。这样就防止了对证据进行数码串改。

　　六、触发器

　　触发器（trigger）是个特殊的存储过程，它的执行不是由程序调用，也不是手工启动，而是由事件来触发，比如当对一个表进行操作（ insert，delete， update）时就会激活它执行。触发器经常用于加强数据的完整性约束和业务规则等。 触发器可以从 DBA_TRIGGERS ，USER_TRIGGERS 数据字典中查到。

　　选择压电传感器作闯红灯照相机触发器的原因与它们在速度照相机中的应用相同。在照片中可以看到车辆仍在传感器的上方。传感器以有线方式连接到照相机上，将信息具体到某一车道。即使在两条相邻车道上，两辆车紧挨着，传到照相机控制器的数据将是该传感器所在车道的数据。传感器不象固定的雷达装置那样很难区分相邻车辆，因此，压电传感器适用于多车道。收到罚单的人被再确认他们确实是闯了红灯或违反了车速规定，因为他们可以很清楚地看到展现在他们眼前的证据。

　　七、 交通信息采集和统计（道路监控）

　　目前，由于我国的高速公路建设尚在起步阶段，有些路段由于超载严重，在设计使用年限之前就过早损坏，造成养护费用上升，多数管理部门将主要精力集中在收费（尤其是不停车收费）标准的制定和系统的技术问题方面。这在目前是必需的，但是随着车流量的增加，道路负荷的加重，交通事故将增加，道路的塞车时间将加长，对道路的破损修复期将缩短，次数将增加，对道路状态的监测将变得越来越重要。

　　如果将网络技术、视频技术及埋在路面下的地感线圈和压电轴传感器相结合，实现交通信息的短周期采集，将车流量、车轴数、车速、轴距、分类信息，载重量等信息收集并加以分析，由自动化交通信息调查系统对路面负荷给业主提供维护方案，同时也为公路规划、设计、维护和决策提供可靠、全面的数据，加拿大多伦多401高速公路交通管理系统就是一个典型的例子。

　　在近五年里，压电轴传感器在性能方面显着地提高，而价格却不断降低。以安装价格来说，它只比感应线圈稍高一些，却比感应线圈多提供许多有效信息，诸如改善了的速度信息，车辆分类等。另外增加了行驶中称重能力以确定和监控车辆的重量。它与感应线圈相结合，将使交通信息的采集更更全面。显然，压电轴传感器作为一种技术，应该考虑将其广泛应用于智能运输系统（ITS）中。