壓電交通傳感器在ITS中的應(yīng)用

隨著全球智能交通技術(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)的壓電傳感器在過去數(shù)年里取得了長足的發(fā)展。它為用戶提供的不僅僅是良好的性能，高度的可靠性，簡易的安裝方法，還有逐步降低的價(jià)格。它獨(dú)一無二的特性使其在日益擴(kuò)展的應(yīng)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(cè)靜止在傳感器上的車輛。只能檢測(cè)動(dòng)態(tài)信號(hào),內(nèi)阻很高,在低頻時(shí)信號(hào)衰減很大,低速時(shí)應(yīng)考慮采用較高的電路輸入阻抗,速度范圍取決于電路設(shè)計(jì),一般為5公里/小時(shí)到200公里/小時(shí),較成功的系統(tǒng)達(dá)到10米/分鐘(0.6公里/小時(shí))。

無源傳感器:可在前置放大器前長距離傳送而不需要供電。
壽命長: 超過4千萬次ESAL(等效單軸負(fù)載)安裝質(zhì)量好可達(dá)一億次(ESAL)。
大信號(hào): 200公斤輪載,在55英里速度行駛時(shí),輸出最小250mV信號(hào)。
動(dòng)態(tài)特性好: 可測(cè)自行車,摩托車,小汽車及重型貨車。
高信噪比:傳感器的扁平結(jié)構(gòu)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道車輛的躁聲最小。
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(yùn):盤卷在600mmx600mm的紙盒內(nèi), 卷曲直徑不小于300mm就不會(huì)損壞。

一次安裝獲取多種信號(hào):如軸數(shù),重量,車速,軸距,與電感線圈配合,從而實(shí)現(xiàn)行駛中稱重(WIM),車輛分類統(tǒng)計(jì),車速監(jiān)測(cè),闖紅燈拍照。

壓電傳感器應(yīng)用范圍

壓電傳感器主要應(yīng)用于行駛中稱重(WIM)，車輛分類統(tǒng)計(jì)，計(jì)軸數(shù)，測(cè)軸距，車速監(jiān)測(cè)，闖紅燈拍照，泊車區(qū)域監(jiān)控，收費(fèi)站地磅，交通信息采集和統(tǒng)計(jì)(道路監(jiān)控)以及機(jī)場滑行道。

一. 行駛中稱重(WIM)

在美國、巴西、德國、日本和韓國有大量應(yīng)用，其主要用途是高速公路車輛超重超載監(jiān)測(cè)的預(yù)選和橋梁超載警告系統(tǒng)，既判斷正在高速行駛中的車輛，尤其是駛過橋梁的車輛是否超載，由視頻系統(tǒng)拍下車牌號(hào)記錄在案，然后再由執(zhí)法機(jī)構(gòu)用精度較高的低速稱重系統(tǒng)判斷超載量并根據(jù)超載量罰款。

性能符合ASTME1318-94動(dòng)態(tài)稱重標(biāo)準(zhǔn)，傳感器長度方向上的輸出一致性小于±7％，埋設(shè)在路面下永久性安裝時(shí)，總重精度在±10％以內(nèi)，適用于ASTM—E1318-94標(biāo)準(zhǔn)I類動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)；臨時(shí)安裝在路面時(shí)，總重精度在±15％以內(nèi)，適用于ASTMEl318-94標(biāo)準(zhǔn)II類動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)。

傳感器精度與車輛振動(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(bǔ)償。尤其是道路質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)精度影響很大，用在水泥路面較好，壽命長于瀝青路面，用于動(dòng)態(tài)稱重的道路質(zhì)量應(yīng)符合ASTM的有關(guān)規(guī)定。通?？梢员ＷC的精度是±10％，個(gè)別成功的系統(tǒng)精度可達(dá)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(tǒng)在低速端達(dá)到10米／分鐘(0.6公里／小時(shí))。重量下限是自行車，上限經(jīng)受了50萬次60KN單輪胎實(shí)驗(yàn)，等效于70噸(美國標(biāo)準(zhǔn)的9類車輛)，實(shí)測(cè)中水泥實(shí)驗(yàn)路段被壓壞。

二、 車輛分類統(tǒng)計(jì)

壓電傳感器的主要用途是車型分類，車速數(shù)據(jù)可被轉(zhuǎn)換為可靠的分類數(shù)據(jù)。不同的國家使用不同的分類表對(duì)車輛分類。在美國，F(xiàn)HWA把車輛定義為從摩托車到多用途拖車的13種類型(見高速公路動(dòng)態(tài)稱重(WIM)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及用戶要求與試驗(yàn)方法ASTMl318-94)。車輛的類型是根據(jù)軸數(shù)和軸距確定的。
軸距：由于車速在3米或小于3米的距離內(nèi)基本上是均速，用車軸經(jīng)過傳感器時(shí)建立的信號(hào)時(shí)間差乘以車速，就得出軸距。

軸數(shù)：由于傳感器是檢測(cè)壓過輪胎的力，因此即使在車量靠得很近時(shí)也很容易測(cè)出軸數(shù)，但在車流密集、低速及車型相似時(shí)，不能區(qū)分所計(jì)軸數(shù)是同一輛車還是兩輛車，而電感線圈不能計(jì)軸數(shù)，因而用電感線圈+壓電傳感器的方案既可測(cè)得軸數(shù)又可測(cè)得車數(shù)。配置方案既可以是傳感器+線圈+傳感器，也可以是線圈十傳感器十線圈，為獲取車速信號(hào)芹進(jìn)行其它計(jì)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，車輛的分類需要檢測(cè)輪距，我國車輛的種類很多，存在同軸距不同輪距的問題，如解放車和黃河車，其載重能力的差別很大。如果檢測(cè)器能分辨輪距，將增加系統(tǒng)的覆蓋率和準(zhǔn)確性。將傳感器以一定角度斜埋就可解決這個(gè)問題。

輪胎數(shù)：其他國家車輛分類的標(biāo)準(zhǔn)，如巴西是以雙輪胎作為等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)的。為了探測(cè)雙輪胎，通常在與車流方向成一定角度(一般是30度到45度)再加裝一個(gè)傳感器。當(dāng)雙輪胎經(jīng)過斜埋的傳感器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)雙峰脈沖，通過電路的處理可識(shí)別雙輪胎信號(hào)。垂直車流安裝的傳感器仍用來正常探測(cè)車速，軸數(shù)，并與斜埋傳感器計(jì)數(shù)進(jìn)行比較。根據(jù)交通部發(fā)布的“超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定”，動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)應(yīng)具備識(shí)別單、雙輪胎的能力，通過斜埋壓電軸傳感器就可解決這個(gè)問題。

由于車流量的快速增長，ETC(電子不停車收費(fèi)系統(tǒng))成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。我國一直采用的是按噸位和按客車座位數(shù)分類，現(xiàn)在國內(nèi)行駛的車輛種類復(fù)雜，按這種分類法在ETC系統(tǒng)中引入自動(dòng)分類十分困難。按軸距和軸數(shù)分類，再考慮載重，應(yīng)是比較合理的方法。建立合理的分類標(biāo)準(zhǔn)是解決ETC問題的關(guān)鍵。

制定標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)是檢測(cè)手段。應(yīng)結(jié)合視頻技術(shù)，壓電軸傳感器及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)針對(duì)車輛的軸數(shù)、軸距、輪數(shù)、長、寬、高等物理特性設(shè)計(jì)車型識(shí)別系統(tǒng)。這需要管理部門，系統(tǒng)集成商及器件供應(yīng)商的有機(jī)組合才能實(shí)現(xiàn)。

三、車速監(jiān)測(cè)

通常在每條車道上安裝兩條傳感器，這便于分別地采集每條車道的數(shù)據(jù)。使用兩個(gè)傳感器可計(jì)算出車輛的速度。當(dāng)輪胎經(jīng)過傳感器A時(shí)，啟動(dòng)電子時(shí)鐘，當(dāng)輪胎經(jīng)過傳感器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(jù)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兩個(gè)傳感器信號(hào)的時(shí)間周期，就可得出車速。根據(jù)德國PTB的報(bào)告，在汽車以200公里／小時(shí)的勻速行駛時(shí)，測(cè)量精度可達(dá)到1％。

壓電傳感器可以區(qū)分差別很小的車輛，這一點(diǎn)使其可與速度相機(jī)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(yàn))。當(dāng)輪胎經(jīng)過傳感器時(shí)，根據(jù)從A到B，再從B到C，最終從A到C的時(shí)間，計(jì)算出車速。然后對(duì)這幾個(gè)車速進(jìn)行對(duì)比，它們都應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)，通常不超過2％。如果車輛超過了規(guī)定的時(shí)速，前輪經(jīng)過最后一個(gè)傳感器時(shí)，立刻給車輛拍照，并計(jì)算出車速。在第一張照片拍攝后的固定時(shí)間進(jìn)行第二次拍照，這樣觀測(cè)儀可以校驗(yàn)車速。即使在車流量很高的情況下，也可得到各個(gè)車道的信息。傳感器可以交錯(cuò)安裝，以便照相機(jī)有穩(wěn)定的焦點(diǎn)，從而使得照片清晰可讀。

通過車速監(jiān)測(cè)既可以對(duì)超速車輛罰款，又可以根據(jù)車流量建立可變限速標(biāo)志和可變情報(bào)板。在車流量較高時(shí)，設(shè)置較低的限速；流量較低時(shí)，設(shè)置較高的限速，建立動(dòng)態(tài)的管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)路面管理智能化。

四.收費(fèi)站地磅

壓電軸傳感器的一個(gè)應(yīng)用就是收費(fèi)站地磅。傳感器可以記錄高速行駛中車輛的數(shù)據(jù)。車速較低時(shí)，軸傳感器與電路的接口很關(guān)鍵，壓電傳感器對(duì)低頻信號(hào)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(yīng)用。

盡管壓電軸傳感器能探測(cè)出壓上傳感器然后從傳感器上移開的輪胎，但它不能檢測(cè)靜止在傳感器上的車輛。在一個(gè)非常小的距離內(nèi)可以同時(shí)應(yīng)用多個(gè)傳感器。以防止錯(cuò)誤的計(jì)數(shù)，芹改善計(jì)數(shù)的校驗(yàn)。壓電傳感器十分適合在收費(fèi)站自動(dòng)分類車道上使用，因?yàn)樵谀抢镘囁俚淖兓艽蟆?

壓電軸傳感器為收費(fèi)站地磅提供了一個(gè)非常有效的優(yōu)勢(shì)，壓電軸傳感器的壽命比普通的電阻式地磅要長得多。由于傳感器的固態(tài)結(jié)構(gòu)，壓電軸傳感器沒有可移動(dòng)部分。傳感器中可見的變形在微米(um)范圍內(nèi)，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100-500萬軸次，而壓電傳感器卻超過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(jī)的觸發(fā)器。在交叉路口的紅燈線前安裝兩個(gè)傳感器，傳感器與紅燈線的最小距離一般為2米。兩條傳感器的間距為1米或小于1米，可安裝在地感線圈的上方，所有數(shù)據(jù)由前輪采集，在車輛移動(dòng)6’’(150mm)以前完成信號(hào)采集，信號(hào)采集與速度無關(guān)，與車輛類型無關(guān)，可在高密度交通流量時(shí)使用，照相機(jī)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線前的車速，如果紅燈亮并且車速大于預(yù)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，而且車輛在紅燈亮?xí)r未超越停車線，并可證明車速及已亮紅燈的時(shí)間。第二張照片根據(jù)車速在這以后固定的時(shí)間內(nèi)拍出，一般來說為1至2秒。第二張照片證明事實(shí)上車輛越過了停車線進(jìn)入交叉路口并闖了紅燈。

在美國，因?yàn)殡[私的緣故，大部分照片都是在汽車尾部拍攝的，然后給車輛開罰單，方式與停車罰單類似。注冊(cè)的車主會(huì)收到罰單，其中包括兩張照片，并把車牌照號(hào)的部分放大。雖然數(shù)碼相機(jī)已被接受，但大部分系統(tǒng)還是采用35毫米或更大規(guī)格的濕膠片來拍攝的。初步證據(jù)在采用濕膠片或一次寫入多次讀取的數(shù)碼影像方式時(shí)對(duì)違章者是不利的。這樣就防止了對(duì)證據(jù)進(jìn)行數(shù)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(tǒng)，在一年內(nèi)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(jī)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(tái)像機(jī)，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(jī)觸發(fā)器的原因與它們?cè)谒俣日障鄼C(jī)中的應(yīng)用相同。在照片中可以看到車輛仍在傳感器的上方。傳感器以有線方式連接到照相機(jī)上，將信息具體到某一車道。即使在兩條相鄰車道上，兩輛車緊挨著，傳到照相機(jī)控制器的數(shù)據(jù)將是該傳感器所在車道的數(shù)據(jù)。傳感器不象固定的雷達(dá)裝置那樣很難區(qū)分相鄰車輛，因此，壓電傳感器適用于多車道。收到罰單的人被再確認(rèn)他們確實(shí)是闖了紅燈或違反了車速規(guī)定，因?yàn)樗麄兛梢院芮宄乜吹秸宫F(xiàn)在他們眼前的證據(jù)。

七、 交通信息采集和統(tǒng)計(jì)(道路監(jiān)控)

壓電軸傳感器的應(yīng)用已擴(kuò)展成一門技術(shù)，并更可靠，價(jià)格合理。這項(xiàng)技術(shù)起源于美國的聯(lián)邦高速公路署(FHWA)長期道路性能工程(LTPP)。在這個(gè)項(xiàng)目下，部分道路的交通負(fù)載，類型和重量被監(jiān)控，以確定道路的磨損、類型和等級(jí)。在這種方式下，通常采用的是周期信息采集，而幾乎沒有實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集。

目前，由于我國的高速公路建設(shè)尚在起步階段，有些路段由于超載嚴(yán)重，在設(shè)計(jì)使用年限之前就過早損壞，造成養(yǎng)護(hù)費(fèi)用上升，多數(shù)管理部門將主要精力集中在收費(fèi)(尤其是不停車收費(fèi))標(biāo)準(zhǔn)的制定和系統(tǒng)的技術(shù)問題方面。這在目前是必需的，但是隨著車流量的增加，道路負(fù)荷的加重，交通事故將增加，道路的塞車時(shí)間將加長，對(duì)道路的破損修復(fù)期將縮短，次數(shù)將增加，對(duì)道路狀態(tài)的監(jiān)測(cè)將變得越來越重要。

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圈和壓電軸傳感器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)交通信息的短周期采集，將車流量、車軸數(shù)、車速、軸距、分類信息，載重量等信息收集并加以分析，由自動(dòng)化交通信息調(diào)查系統(tǒng)對(duì)路面負(fù)荷給業(yè)主提供維護(hù)方案，同時(shí)也為公路規(guī)劃、設(shè)計(jì)、維護(hù)和決策提供可靠、全面的數(shù)據(jù)，加拿大多倫多401高速公路交通管理系統(tǒng)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地提高，而價(jià)格卻不斷降低。以安裝價(jià)格來說，它只比感應(yīng)線圈稍高一些，卻比感應(yīng)線圈多提供許多有效信息，諸如改善了的速度信息，車輛分類等。另外增加了行駛中稱重能力以確定和監(jiān)控車輛的重量。它與感應(yīng)線圈相結(jié)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(yīng)該考慮將其廣泛應(yīng)用于智能運(yùn)輸系統(tǒng)(ITS)中。