地磁交通流信息采集系统设计方案.docx
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地磁交通流信息采集系统设计方案
地磁交通流信息采集系统
技
术
方
案
1.总体设计
1.1.概述
随着国内外交通建设步伐的加快，智能交通已是城市交通管理的必然发展方向，是缓解交通拥堵、提高交通运输和管理效率的重要方面。
建设智能交通系统的基础是道路交通信息采集，优良的道路交通信息采集方式是道路交通信息发布的坚强后盾，也是智能交通系统的基石。
交通信息采集系统建设的目的，是为了达到对城市道路交通状况的宏观监控，提高现代化城市交通管理水平；对交通拥堵等事件进行自动检测并在指挥中心报警，由中心值机人员合理调度警力资源，缓解交通拥堵；为城市交通组织优化、交通诱导等提供交通流量基础数据。
交通流数据是公安交通指挥系统的重要信息来源，交通流的采集为指挥调度、交通流量控制、交通诱导等提供决策依据。
±交通管理部门需要了解整个城市各个时间段的交通流量，宏观了解整个城市的交通态势，微观分析每条路的实时交通流量、历史流量分析为交通管理决策提供基础数据。
±交通流量数据是交通基础设施规划建设的重要设计依据。
±交通流数据是公安交通指挥系统的重要信息来源，交通流的采集为指挥调度、交通流量控制、交通诱导等系统提供基础信息。
流量采集系统是最准确的交通流量数据来源，只有安装了交通流量检测系统，才能够准确掌握交通流量，最科学最合理的流量检测。
车辆检测系统用于路段交通流量采集及为交通控制器提供检测数据，利用这些数据改善城市交通状况并积累历史数据为交通管理者决策提供服务。
总结如下：
±交通数据回传中心并存储；
±交通数据展示与利用。
目前常用的检测技术主要有：
环形线圈检测、微波检测、视频检测及无线地磁检测，无线地磁检测是目前先进的车辆检测系统。
1.2.目标
采集交通信息将用于：
一是交警部门和监控部门用，二是区域自适应控制，三就是通过媒体和信息中心给所有交通参与者共享，进行交通诱导。
其意义如下：
±建立交通信息采集平台
通过采集路口或路段的交通信息，为交通决策部门提供依据，优化本地交通控制策略。
±强化交通意识
鉴于前期系统的良好效果，本次继续加大智能交通的科技投入，将会缓解交通拥堵、整治秩序混乱等问题。
±提高路口或路段通行能力
交通信号系统通过接收车辆检测的交通参数，采用自适应控制方式，最大满足车辆通行的要求，缩短车辆在路口或路段的等候时间，将减少车辆排放、节省能源。
±改善交通环境
交通事件采集系统的建立能自动监测各种交通信息、通过将这些信息的发布，使得交通参与者及时了解道路阻塞情况，制定自己适宜的出行计划，宏观上实现了和谐交通，减少城市污染和节约能源的目的，也是为民服务的体现。
±可对路段、区域交通流、道路交通流饱和度等交通信息以多级诱导的方式进行道路状态信息发布。
±可对车辆违法超速等交通信息及时发布在交通诱导屏上，对驾驶员违法行为及时告知。
±通过采集的数据实时通过多种信息平台（广播电台、电视等）将道路拥堵状态信息告知驾驶员，减轻交通警察现场交通疏导的压力。
±采集的数据及时传至交警执法人员，使交警能及时掌握路面的交通情况，及时处理道路的交通事件。
±利用这些数据改善城市交通状况并积累历史数据为交通管理者决策提供服务。
1.3.建设依据
《公路交通安全设施设计技术规范》（JTJ074-2003）
《公路车辆智能监测记录系统通用技术条件》GA/497-2004
《机动车测速仪通用技术条件》GA297-2001
《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》GB50619
《公安交通指挥系统工程建设通用程序和要求》GA/T651-2006
《公安交通管理外场设备基础施工通用要求》GA/T652-2004
《交通电视监视系统工程验收规范》GA/T514-2004
《计算机信息系统防雷保安器》GA173-1998
《计算机信息系统雷电电磁脉冲安全防护规范》GA267-2000
《安全防范系统雷电浪涌防护技术要求》GA/T670-2006
《工业与民用电力装置的接地设计规范》GBJ65-83
《城市道路交通信号控制方式适用规范》GA/T527—2005
1.4.交通流量采集技术
交通信息采集技术的研究已经开展多年。
时至今日，已有多种交通信息采集技术在实际中应用。
通过这些技术采集到的交通信息主要包括各车道的车流量、车道占有率，车速、车型、车头时距等。
最先开始发展的是接触式的交通信息采集技术，其主要代表是压电、压力管探测、环行线圈探测和磁力式探测。
这些采集装置都有共同特点，就是埋藏在路面之下，当汽车经过采集装置上方时会引起相应的压力、电场或磁场的变化，最后采集装置将这些力和场的变化转换为所需要的交通信息。
经过多年发展，路面接触式的交通信息采集技术已经很成熟，其测量精度高，易于掌握，一直在交通信息采集领域中占有主要地位。
但是这种路面接触式的交通采集装置有着不可避免的缺点。
首先是安装维护困难，必须中断交通、破坏路面；其次随着车辆增多，车辆对道路的压力导致这类装置的使用寿命也越来越短；现在道路扩张很快，各种环境下的道路日益增多，而路基下沉、盐碱和冰冻等条件将严重影响路面接触式交通信息采集装置的使用。
所有这些都带来了其使用成本的上升。
新近发展起来的路面非接触式交通信息采集装置不存在安装维护困难、使用寿命短等缺点，主要分为波频探测和视频探测两大类。
波频探测又可分为微波、超声波和红外三种，其中除了超声波探测只能进行单车道交通信息采集外，其余都可同时进行多车道交通信息采集。
由于安装维护简单，路面非接触式交通信息采集技术发展非常迅速。
视频探测是利用车辆进入检测区域导致背景灰度变化的原理来进行检测，直观可靠，但受光度，气候条件的影响很大。
而波频探测则是利用车辆经过检测区域时引起的电磁波的返回时间或频率的变化进行检测，其中红外检测对车型分辨清晰，但受天气的影响很大，而超声检测对于车速和车型的判定准确，但受安装条件限制只能顶部正向安装，只能采集一个车道的信息。
但微波检测在车辆低速行驶时检测精度不高。
无线传感器网络是一种融合短程无线通讯技术、微电子传感器、嵌入式系统的新技术，逐渐被用于智能交通系统等需要数据采集与检测的相关领域基于IEEE802.15.4规范的ZigBee技术，具备以下良好特性：
C功耗低，电池寿命至少5年；
C组网能力强，网络最多可达多个节点，可任意增加或减少节点；
C传输距离远，两节点室外传输距离可达几百米；
C可靠性高，具备多级安全模式；
C成本低，开放的简化ZigBee协议栈，工作在2.4GHz免执照的ISM频段
利用上述网络和磁阻传感器制成的车辆探测器外形小巧且不易变形，这使安装变得简单，维修起来也很方便。
且因为AMR磁阻传感器是利用地球磁场在铁磁物体通过时的变化来检测，所以它受气候的影响较小。
1.5.几种主要交通流检测手段比较
对比项目
无线磁阻检测器
地感线圈
视频检测器
微波
安装
安装过程只需挖掘直径102mm、深度为80mm的安装孔，对路面破坏小；无需穿线，施工方便；施工过程占用路面时间短；
安装过程需要切割路面，对路面破坏严重，影响路面寿命；每个线圈均需穿线，施工烦；施工过程占用路面时间长，另外
特殊路段如桥梁、隧道等难以安装。
需要借助或者单独立杆，穿线。
需要立杆，特别是正向安装需要龙门架或L型杆。
使用
路面变形或不平整不会影响测量效果，减少维护工作量；路面维修等原因，可以取出后重复使用；没有馈线问题；路面重新渠化，只需取出原设备，重新安装继续使用；
重型车辆通过、路面维修、高纬度开冻期及低纬度夏季等原因造成的路面变形或不平整会影响检测效果，增加维护工作量；无法重复使用；馈线断损影响使用；路面重新渠化需重新切割安装；
视频检测对光照度要求较高，风、雨、雪、雾、等天气及逆光会影响检测精度。
对于车速小于20公里时，无法检测。
维护
维护过程占用路面时间短；如单个检测器损坏，只需取出维修，无需重新切割路面，可继续使用原安装孔；
维护过程占用路面时间长；如单个线圈损坏，不能在原位置切割引线槽，造成路面损伤，影响美观及寿命；平均维护次数多（年平均损坏率20%）；
维护过程占用路面时间长，需高空作业。
因为需要正向安装于龙门架或者L型横梁上而使得维修变得很复杂。
兼容性
具有多种接口，如：
RS485/RS232、以太网口、电平量/开关量，极大地满足了现有交通接口需求和很好地融入各种系统和平台。
基于其它技术的交通信息采集系统的兼容性较差。
除RJ45接口外，可满足其余系统的需求，多用于路段。
除RJ45接口外，可满足其余系统的需求，多用于路段。
1.6.技术路线
关键技术如下：
C使用先进的磁阻传感器，三轴（X,Y,Z）同时采集数据，有效排除干扰；
C使用2.4GHz传输数据，无需申请无线执照；
C低功耗的通信协议，大大提高检测器的使用寿命；
C定制安装附件，使得检测器、中继器和接收器安装快捷、便利；
C构建无线传感器网络，降低维护成本；
C多种接口，既可以通过多功能数据转换器输出信号，又可以通过RS485，还可以通过以太网口进入网络；
C远程固件更新，方便升级系统；
C中心管理模式，无需去路口或路段设置前端设备；
C采用可靠的核心技术实现检测和上端数据采集。
1.7.系统实现
地磁交通流信息采集系统使用埋入路面的检测器检测车辆的存在和通过。
通过低功率无线电技术将检测数据实时传送至附近的数据接收器，接收器继而将数据传送至一个或多个本地或远程的交通管理控制器/交通管理系统。
系统各组成部分作用如下：
±地磁检测器：
置于车道内，检测车辆存在和通过；
±终端数据处理机：
接收检测器检测数据，并将数据进行处理后向上传送；
±中继器：
用于支持安装在接入点无线范围之外的检测器，拓展无线数据传输范围；
±
1.8.系统组成与结构
系统总体结构分数据采集和数据接收两部分。
这两部分之间采用无线通信。
收集数据的设备称之为接收器，接收器有两种接口：
以太网口和RS485。
RS485为总线制，接多功能数据转换器；通过以太网口连接网络，在此网络中可连接交通管控中心、交通信息发布系统等。
系统结构如下：
1.9.前端设备配置及布局
1.9.1.交通信号控制
为交通控制器提供检测数据，如流量、车辆存在时间。
可以实现多种控制方式，如：
感应控制、优化时间表等。
检测器埋设位置依据不同信号控制器厂家要求指定（如下图），型号可选通过型或存在型，一般每个车道一个，如需测速需要埋设两个检测器。
对于一些已建系统，信号控制器运转正常，所依赖的检测设备由于修路、交通组织变化、车辆碾压和安装工艺等原因部分或全部损坏，对部分损坏的可选用车辆无线检测网络和现有系统两者同时并存实现既经济又能快速修复系统。
1.9.2.路段检测
（1）光纤网络的连接：
通过接收器的以太网端口连接光端机通过光纤上联至中心IP网络。
系统结构如下：
（2）3G网络的连接：
通过接收器的以太网端口连接3G无线上网模块上联至中心IP网络。
系统结构如下：
通过3G模块将数据传输到指挥中心服务器中，系统结构如下：
（3）同路段现有网络的连接：
路段与路口网络相距300米以内，将接收器安装于路口，通过接收器的以太网端口连接路口现有网络上联至中心IP网络。
系统结构如下：
1.10.系统功能
±提供交通信号所需的开关量信号；
±提供流量、占有率、速度等交通数据；
±远程更新固件，远程配置前端设备；
±系统互联性：
该系统是采用网络协议（IP）上传数据，因而很容易与当前或未来的交通管理系统融合。
1.11.与第三方接口
系统接口形式：
±通过RS485输出事件数据，可转换成开关量信号及电平信号；
±通过多功能数据转换器直接输出开关量；
±通过以太网口直接输出事件数据或历史数据。
1.12.系统指标
±具有三轴（X,Y,Z）检测，不受相邻车辆干扰；
±采用2.4GISM波段无线传输；
±兼容欧洲标准DIN系列连接器；
±接口形式：
RS485/RS232、以太网口、电平量/开关量；
±流量准确率不小于97%；
±平均车速准确率±5%，检测速度范围0～180km/h，；
±16级灵敏度可调
±恢复时间小于10ms；
±电磁干扰保护等级：
IEC801；
±平均故障间隔时间（MTBF）>10000小时；
±平均无故障率不低于100万次；
±检测器具有自动断电重启的功能；
±系统各设备具有远程固件升级；
±检测器具有依据当地情况自校准功能；
±检测点至停车线230米内依据业主要求布设；
±工作环境温度：
-40℃～＋80℃，相对湿度：
0到93%；
±供电：
48V±4V，DC；
2.主要设备功能与技术指标
地磁交通流信息采集系统由车辆检测器、中继器、接收器和多功能数据转换器组成。
本节将各分项设备进行阐述。
2.1.检测器
车辆检测器利用高灵敏的磁阻传感器检测车辆信息，通过检测地球磁场的变化以判断车辆的存在或通过。
将此数据依据低功耗通信协议无线传至接收器或由中继器转至接收器。
2.2.MPD系列检测器
MPD系列检测器主要由：
外壳、电池、定向天线、电路板和填充物组成。
MPD系列检测器经过精密算法可以高质量完成车辆检测，并且能有效排除相邻车道和同一车道的车辆相互干扰，同时延时报告车辆离开事件避免检测大型卡车重复计数。
每个无线检测器安装之后，依据不同的用途可对检测器灵敏度进行设置，一般高速公路或主干道要求低灵敏度，相反用于路口的检测器其灵敏度会要求高些。
为了设置方便共分为16个级别。
车辆检测数据产生之后，每个检测器利用低功耗无线通信技术传递带有时间戳的时间数据至接收器或中继器。
两者之间的通信为双向，既可以上传上述数据和设备状态信息也可以接收上端命令。
如果没有车辆检测数据时通信模块就会进入休眠状态（即：
低功耗模式），为了分辨实际是没有车辆还是检测器本身故障，即使没有车辆监测数据也在规定的时间内要与上端通信。
默认值为30秒。
每个检测器事件包含两个数据：
车辆进入和车辆离开。
各自带有时间戳，因而数据处理非常方便，单个检测器就能计算出流量、车道占有率等。
同一车道埋设两个检测器配对使用可检测速度，并且可以排除车辆变更车道产生的不配对数据。
速度知道之后可以估算车辆长度、占有率等。
检测器使用寿命长，这主要体现在如下几方面：
检测器体积小，工作温度-40ºC至+80ºC，埋设在车道中间，车辆轮胎一般不会碾压；另外在设计上采用降低功耗的技术，选用使用寿命长的电池和灵活的设置；还有远程固件更新功能，在检测器安装之后在中心就可下载新的固件。
2.2.1.组成部分
检测器主要由：
外壳、电池、定向天线、电路板和填充物组成。
2.2.2.性能特点
±车辆速度和长度
一般的交通管理系统中，在一个车道中间安置一个检测器，就可以检测存在或通过的车辆，如在同一车道上安装两个检测器，软件中设定两者之间的精确距离，就可以测量车辆的速度和长度。
±安装快速且简易
每个检测器可在5-10分钟之内安装完成，安装过程中仅需要在指定位置钻一个直径10厘米、深8厘米的洞，将检测器置入洞内，适当调整使其与交通方向一致，最后用沥青或速干环氧树脂等封住洞口。
±自校准功能
每个检测器会不断测量背景磁场，估出一个参照值。
各检测器会根据其安装地点的磁场和本地磁场的任何长期变化自动进行校准，参照值可随时间而改变。
每个检测器内的精密信号处理算法则提供高度的精确车辆检测，且具备区分邻近车道内的车辆或同车道内相互紧靠车辆的功能。
±可配置探测区域和灵敏度
每个检测器一旦在车道安装，就可设定多级车辆检测区域和非检测区域，这些车辆探测区域的实际大小取决于各检测器的参数设置，通过配置可根据需要进行进一步微调。
±远程固件更新
在管理中心通过无线网络可对前端检测器进行固件更新，这样发行新的版本固件时及时更新前端检测器，保证系统的先进性。
2.2.3.技术参数
品牌：
MeritPlusData
型号：
MPD031S
外观及尺寸：
81mmX81mmX52mm
技术参数：
±无线频道：
2.4GHz；
±通道带宽：
2M；
±通道：
16；
±接收/传输速率：
250kbps；
±天线类型：
块状微带天线；
±天线范围：
±60°；
±输出功率：
0dBm；
±接收灵敏度：
-95dBm;
±检测模式：
存在/通过；
±检测灵敏度：
0-15级
±电源：
3.6V；
±保护等级：
IP57；
±环境温度：
-40ºCto+80ºC。
2.3.中继器
如果一个或多个已安装的检测器处于最近的接入点范围之外，那么可使用一个或多个中继器在接收器范围之外的检测器和接收器之间进行双向传送。
一个检测器和接入点之间最多可安装两个串联立中继器。
为简化安装，中继器通过电池供电，无需电线或电缆。
为了使安装灵活性达到最大化，中继器通过电池供电，通常安装在一根柱子上3米或更高处，或安装在天桥或其它建筑上。
众所周知，雷达或视频车辆探测系统要求考虑路面凹陷程度、安装点的稳定性、太阳的相对角度和其它等因素，相比之下大大简化了安装过程。
2.3.1.组成部分
中继器主要有：
外壳、电池、定向天线、集成电路板、连接件和万向节。
2.3.2.性能特点
±扩大的幅度和覆盖范围：
一个中继器可扩大一个装置的接入器的信号幅度和覆盖范围。
中继器安装在路边的杆子或其它建筑上，其安装位置必须能使该中继器支持的检测器或串联中继器或接入器所在视野和幅度范围之内。
中继器和接入器或另一个中继器之间的最大距离为310米，因此可明显延伸一个接入点的覆盖范围；
±无线信号质量检测，可检测与检测器或串联中继器连接的信号强度、线路连接质量；
±固件远程升级；
±安装简单。
±无需调节和校准。
2.3.3.技术参数
品牌：
MeritPlusData
型号：
MPD031R
外形及尺寸：
108mmX108mmX63mm
技术参数：
±无线频道：
2.4GHz；
±通道带宽：
2M；
±通道：
16；
±接收/传输速率：
250kbps；
±天线类型：
块状微带天线；
±天线范围：
±60°；
±输出功率：
0dBm；
±接收灵敏度：
-95dBm;
±电源：
Li-SOCl23.6V电池，57Ah；
±保护等级：
IP66；
±环境温度：
-40ºCto+80ºC。
2.4.接收器
接入器与检测器和中继器维持双向无线连接，建立时间同步，发送配置命令和确认信息，并接收汇总来自检测器的数据。
然后，接入器通过有线或无线连接（或两者）将检测器探测数据传递至附近的交通控制器或远程服务器、交通管理系统或其它设备。
接入器除了向检测器和中继器提供无线通信，还支持10Base-T以太网通信。
接入器使用一个外部直流电源输入，电源一般由一个附近PoE电源或太阳板提供，也可选择使用一个额定48VDC独立电源。
电源通过以太网供电（PoE）双绞电缆输送至接入器，可用标准（提供48VDC）的PoE设备。
接入器可安装在任何路边位置，以便向附近的检测器和中继器提供充足的信号覆盖。
接入器不间断地监控其与每个检测器和中继器的无线连接，提供可在现场检查的RSSI和LQI值，如果该接入点有IP连接，且受到远程监控。
2.4.1.组成部分
接收器主要有：
外壳、定向天线、集成电路板、连接件和万向节。
2.4.2.功能特点
±接口：
RS232/485，以太网口，支持IP协议和485总线；
±数据处理：
可对检测器的数据处理形成不同的数据格式满足不同设备的需要；
±同步下端所有设备；
±无线信号质量检测，可检测链路的信号强度、线路连接质量；
±固件远程升级；
±安装简单。
±无需调节和校准。
2.4.3.技术参数
品牌：
MeritPlusData
型号：
MPD031A
外观及尺寸：
160cmX160cmX45cm
技术参数：
±无线频道：
2.4GHz；
±通道带宽：
2M；
±通道：
16；
±接收/传输速率：
250kbps；
±天线类型：
块状微带天线；
±天线范围：
±60°；
±输出功率：
0dBm；
±接收灵敏度：
-95dBm；
±检测模式：
存在/通过；
±电源：
48VDC；
±保护等级：
IP66；
±环境温度：
-40ºCto+80ºC。
2.5.节点数据处理器
节点数据处理器通过以太网接口与接收器连接，并通过接入路口的交换机或者通过无线网络通信设备（如3G路由器）与平台端服务器连接。
主要用于接收、存储、统计路口交通信息。
接口协议开放，可以为各种平台数据库提供数据。
从而实现交通数据实时回传，和多平台数据共享。
前端数据存储时间可达180天。
2.5.1.组成部分
节点数据处理器主要有：
外壳、集成电路板、大数据存储单元、通信单元、接口附件等。
2.5.2.功能特点
±接口：
以太网口，支持IP协议；
±数据处理：
连接接收器，用于数据的前端采集存储，并将数据回传或者拷贝至中心的设备；
2.5.3.技术参数
品牌：
MeritPlusData
型号：
MPD-ND1
外观及尺寸：
173mmX125mmX34mm
技术参数：
±存储类型：
SD卡或存储芯片；
±接口类型：
以太网口；
±电源：
220V；
±保护等级：
IP66；
±湿度：
93%；
±温度：
-40ºCto+80ºC；
2.6.多功能数据转换器
2.6.1.功能特点
多功能数据转换器用于将接收到来自接收器的检测数据转换为三种类型输出：
RS232/RS485、开关量、电平量、以太网口。
共4个接口，24个通道。
多功能数据转换器可通过网络管理软件进行管理。
以太网接口直接接入电脑，用于操作人员设置或调试接收器。
当接口输出开关量时，没有车存在则对应的通道与公共端断开；有车存在则该车道对应的通道与公共端导通。
当接口输出电平量，没有车存在则输出高电平；有车存在则输出低电平。
232/485接口可输出各种协议数据，也可通过该接口配置多功能数据转换器相应参数。
2.6.2.技术参数
品牌：
MeritPlusData
型号：
MPD031CE-V1
外观及尺寸：
173mmX125mmX34mm
技术参数：
±接口：
RS485/RS232，以太网口，开关量，电平量；
±通道：
24；
±检测模式：
存在/通过；
±通道失败检测；
±电源：
220V；
±最大功耗：
5W；
±环境温度：
-40ºCto+80ºC。
3.设备安装与调试
本文档为无线车辆检测器、中继器、接收器的安装设计手册。
3.1.安装前准备
1.首先要进行一个整体的系统规划。
准备预安装地区地图一份。
并把相关信息记录其上；
2.对安装点进行实地考察：
根据检测需求，标记检测器安装位置（保证在距检测器安装点60米内有可安装中继器的立杆），考察信号机机箱位置，并选择合适的立杆用于安装接收器（要考虑到穿线施工的难易）。
3.安装前要对施工队伍进行必要的培训；
4.工具准备
i.检测器安装时要进行钻孔和填封作业，因此需准备水钻一把，￠102mm钻头若干。
清理钻孔用的锤子和錾子。
清理和干燥钻孔毛巾一条。
足够量的干沙子。
清水若干，安装完检测器后，需用融化的沥青或环氧树脂封填封检测器安装孔。
ii.接收器安装过程中要穿线，登高作业，需要用到网线、水晶头、网线钳以及测线器。
穿线用穿线器。
破土作业用的工具。
钻孔用的电钻一把。
准备固定接收器用的各型号抱箍若干。
条件允许准备高车一台，用于安装接收器和中继器。
（有脚扣等爬高工具亦可。
）
iii.中继器不需要穿线，其余作业需求与接收器相同。
3.2.安装
在施工过程中，必须详细标记各设备的ID号、安装数量、安
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