公交车辆检测技术研究进展

摘要：公交车辆检测技术是公交优先系统的重要组成部分，是提升公交车辆运行效率、提高公交服务水平的基本依据。针对交通信号控制系统中公交车辆检测的实际需要，介绍了线圈检测、GPS定位检测、RFID射频检测和视频检测四种公交车辆检测技术的工作原理、使用效果及存在的缺陷，并得出了在未来的交通监控系统和公交优先系统中视频检测器的发展趋势。
关键词：公交优先；公交车辆检测；线圈检测；GPS检测；RFID射频传输检测；视频检测

0 引言
    随着城市化进程的不断加快，机动车保有量迅速上涨，城市道路交通所面临的压力与日俱增。在城市设计规划基本定型和土地资源有限的情况下，不可能通过大规模的改建道路、扩建路网的方式来解决交通拥堵。因此，优化智能交通系统的运行策略、提高公共交通系统的服务效率，成为改善道路交通运行水平的有效措施。
    众所周知，公共交通运营能力是私人交通的十几倍甚至几十倍，可以充分利用城市道路资源，是减少道路交通流量、缓解交通拥挤、节约自然资源的有效措施。然而，在多种交通工具并存的情况下，由于公交车辆的运行时间长、准时性差等弊端使得人们不愿意选择公交车辆出行，造成公交车辆的出行分担率很低。因此，发展城市的公交运行系统、提高公共交通的服务水平、落实“公交优先”战略，对缓解城市交通拥堵、促进市民选择公共交通工具出行具有重要的意义。
    公交优先技术的实现是以公交车辆检测技术提供的信息为基础，因而，准确有效的公交车辆检测技术是公交优先的先决条件。

1 研究现状
    公交车辆的检测技术是智能公共交通系统的基础。美国、日本、加拿大、英国、法国、韩国等国家都已在智能交通系统的研究中取得了显著的成绩。相比之下，我国的智能公共交通事业的发展起步较晚，但实施速度较快。杭州、上海、北京、大连、广州等大城市已在部分公交线路上建成了公交车辆跟踪调度系统，并安装了电子站牌，车载定位设备，实现了对车辆的实时跟踪和定位、公交车与调度室的双向通信等功能。公交车辆检测技术的应用大幅度提高了智能公交系统的发展速度，提高了公交车辆的运行效率。

2 国内公交车辆检测现状
    车辆检测方式依据被检测车辆是否装有被检测设备可分为被动式检测与主动式检测。被动式检测指公交车辆上无需安装任何装置，只在路口安装检测设备的检测方式，它包括环形线圈检测方式、视频检测方式等；主动式检测指公交车辆上装有被检测或主动传输设备，同时路口装有检测设备的检测方式，包括：GPS定位检测方式，RFID射频检测方式等。
2．1 环形线圈
    线圈检测技术属于被动式检测，是国内应用最早、适用范围较广的车辆检测方式，主要由环形线圈、线圈调谐回路和检测电路组成，如图1所示。环形线圈与检测处理单元组成初级调谐电路，环形线圈相当于电感元件，在线圈周围的空间产生电磁场。当主要由铁质材料组成的车体进入线圈磁场范围时，车身金属感应出涡流，此涡流又产生与原有磁场方向相反的新磁场，使线圈的总电感量随之降低，调谐频率偏离原有数值；偏离的频率值被送到相位比较器，与压控振荡器频率相比较，确认其偏离值，从而发出车辆通过或存在的信号；相位比较器输出信号控制压控振荡器，使振荡器频率跟踪线圈谐振频率的变化，从而产生脉冲信号；该脉冲信号经过放大器、数模处理模块后，可以以数字、模拟和频率等形式输出。频率输出可以用来测速，数字信号便于车辆计数，模拟量输出用于计算车长和车型识别。

    线圈检测器的测速精度和交通量计数精度高，且工作稳定性好，不易受天气和交通变化的影响，抗干扰能力强。但是由于线圈检测器需要在车道下埋设，在安装的过程中会对路面有一定的破坏作用，影响道路的正常使用寿命；同时，线圈检测器的安装和维修过程中会影响交通的正常通行，因此，线圈检测器已基本不被采纳。
2．2 GPS检测
    GPS系统主要由空间星座、地面检测系统和用户接收设备三大部分组成，GPS可以为用户提供实时三维导航与定位功能，广泛地应用于航空航天、军事、交通运输、资源勘探、通信、气象等领域中。随着全球定位系统的不断改进，其应用领域已经开始逐步深入人们的日常生活。在公交系统的车辆定位导航和交通数据采集中，GPS的应用较为广泛。
    公交车辆定位系统共分4部分：GPS差分站、总凋中心、区域监控站、车载设备。
    车载设备由定位模块(GPS接收机和DR传感器)、通信控制器、收发信机(即集群电台)、驾驶员接口和电源模块组成。GPS接收机接收GPS卫星所发射的导航电文，经处理后形成一定格式的综合数据流(包括位置、时间、速度等)，经串口送至通信控制器。通信控制器将综合数据流和本车的车号及其他运营数据按照通信协议重构，经收发信机发射到监控中心站；并将差分GPS基站发来的差分修正信息经解调后送至GPS接收机；调度中心发来的调度信息也由通信控制器解调后以语音提示。驾驶员接口提供驾驶员与调度中心之间进行联络和短信息传送、车辆快慢提示、语言提示等的接口。车载设备模块框架如图2所示。

    区域监控中心站由DDN接口、通信控制器、收发信机(即集群电台)、GIS显示系统组成。通信控制器将接收到的各车辆数据处理后按一定的格式送往GIS显示系统，并将差分修正信息和调度命令进行编码和调制，经收发信机发送到各车载设备。
    总调度中心主要由大屏幕显示和计算机网络组成。接收各个区域监控中心传输的车辆定位和状态数据，实现对所有车辆的监控。
    差分GPS基准站主要由基准GPS接收机和计算机组成。基准GPS接收机接收GPS信号，形成差分修正信息，并发送到各监控中心。
    GPS公交车辆检测定位技术在实际应用中维护方便，不会对道路交通产生影响；检测和定位的准确度高，使用扩展GPS差分站后，能获得准确定位信息。车载GPS装置安装于各种类型的公交车中，可以实现对不同公交车类别进行识别，同时能得到车辆的运营信息；但是，GPS检测系统的信号的接收容易受到道路周边密集的、体积较大的建筑物的遮挡，可能影响检测设备的正常工作，因此在实际的公交车辆检测装置的设计中应考虑周边环境对GPS信号传输的影响。
2．3 超高射频检测技术
    射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID发送的频率称为RFID系统的工作频率或载波频率，基本有四个范围：低频(30～300 kHz)；高频(3～30 MHz)；超高频(300 MHz～2．45 GHz)和微波系统(2．45～5．8 GHz)。目前市场上常用的载波频率有低频125 kHz与133 kHz、高频13，56 MHz以及超高频902 928 MHz和微波2．45 GHz与5．8 GHz等。
    基于射频的公交车辆检测系统主要由车载射频卡、近端信息采集传输设备、远端数据库服务器、后台数据分析管理服务器和应用客户端五个主要部分组成。
    车载射频卡安装在公交车辆上，用于存储运营车辆的ID信息，它是由天线、电源、微处理器和存储器组成。车载卡用于存储固定的ID编码信息，工作频率为2．45～2．483 GHz，当车载卡进入收发天线感应区后，不间断的发送卡号信息。当车载射频卡工作电压低于正常使用电压时，数据交换同时主动向远端服务器发送低压报警信息。
    近端信息采集传输设备主要由RFID无线射频读卡器装置、前置通信模块、室外设备机箱等部分组成。RFID无线射频读卡器装置由收发天线及射频读卡器构成。其工作原理是：当车载射频卡进入收发天线区域后，车载射频卡发出的加密载波信号被天线接收，经射频读卡器装置接收处理后，向前置通信模块发送获取的车载射频卡信息；前置通信模块将接收到的卡号时间、地址信息通过无线方式与远端的读卡服务器建立通信连接。
    远端数据库服务器拥有固定的、永久性的ID地址，并通过Intemet接入，实现和GPRs的内嵌TCP／IP协议栈与地面识别设备的前置通信模块建立通信连接，其主要任务是接收、存储地面识别设备无线传送来的车载卡数据信息。
    后台数据分析／管理／发布服务器用于对多个地面识别设备进行集中管理，提供读卡记录和通信异常记录的设备。可以为公众提供公交信息服务。为管理者提供实时系统状态查询、历史数据分析服务，同时也为管理者制定交通发展策略及提供数据基础。
    应用客户端采用成熟的Web技术，提供公交站场营运公交车辆进出信息的记录、查询、统计、检索、分析等功能的操作平台。
    RFID技术具有以下特点：全双工稳定可靠的无线数据通信，误码率几乎为零；载波信号穿透力和绕射力极强，标签可固定安装在车辆的任何物体的表面，包括金属、非金属、玻璃的表面等；射频卡读写区域无方向性，接收和发射天线无需对准被读取的射频卡；具有信息防冲撞功能，可同时识别多辆并排、串道、跨线等不按规定行走的车载卡，无论车道上前后左右的车辆大小、高低、彼此遮挡，各车均能可靠识别，单套设备可同时读取10个车道通行的车载射频卡信息；射频卡超低能耗设计，高能锂电可反复、连续读写高达700万次；射频卡具有低压检测及低压信号报送后台计算机的管理功能；射频卡的感应范围(可达300 m左右)和通过速度(可达120 km／h)可根据管理需要进行灵活调整，而无需增加设备投资。
    文献提出了利用RFID技术帮助盲人自助乘车。公交车辆中安装含有车辆信息的标签，盲人携带RFID读卡器，读卡器和计算机以及天线相连。通过信号的传输，公交车辆的路线和终点站等信息便可以通过声讯系统告知盲人。
    目前国内很多城市的公交优先系统、公交到离站信息管理系统以及不停车收费系统(Electronic Toll Collection，ETC)均使用了RFID技术。但是，国内在RFID的标准化方面还有待深入和完善，以便被更多的企业所接受，使不同生产商的生产系统及模块的替代性更好，使RFID的应用更为普及。
2．4 视频检测
    视频检测方式也是智能交通系统先进的监控和检测技术之一，视频检测器可以大范围的对公交车辆进行检测和识别。视频检测的基本原理是对摄像机得到的图像进行计算机处理，进而对视频中的运动物体进行检测。
    视频车辆检测器主要由外场摄像机、数据传输设备和视频处理器组成。外场摄像机将道路上的交通视频图像拍摄下来，经数据传输设备传给视频处理器。视频处理器通过相应的算法检测得到车辆的速度和数量。视频处理方法主要包括虚拟线圈法和特征识别法。
    虚拟线圈法是指通过相应程序在交通图像上设置虚拟线圈和粗线条，作为速度检测器和计数检测器，如图3所示。

    虚拟线圈的尺寸、位置和数量可以根据具体的道路情况进行调整。当车辆通过虚拟线圈和计数检测器时，会产生检测信号，经过视频处理软件的分析和处理，可得到车速、流量等参数。
    基于特征识别的公交车辆检测方法主要包括基于几何和颜色特征、基于车型特征等方法。
    基于几何和颜色特征的公交车辆检测的基本思想为：公交车辆的车牌一般为黄底黑字，且公交车辆的车体都比较大，有别于其他机动车辆的车身特征，因此，可以选择其中一种特征结合车牌颜色做公交车辆的识别检测算法。以公交车的保险杠和黄色车牌为例，其检测算法的流程图如图4所示。这种方法的应用有一定的局限性，在公交车场站等一些公交车辆集中、车型单一的场所，此方法的精确度较高；但是此方法不能判别大货车和公交车区别，因此在道路中的公交车辆的检测过程中，该方法有待改善。

    基于车型特征的公交车辆识别算法主要应用的是模式识别的方法，其框架图如图5所示。

    其中，特征的提取和选取是指对研究对象固有的、本质的主要特征或属性进行测量并将结果数值化，或对目标进行分解产生基元并对其符号化，形成特征矢量或符号串、关系图，从而产生代表对象的模式。另外，在进行特征提取之前还需要对目标的信息载体进行必要的预处理。目前常用的特征识别方法包括Haar特征、HOG特征等。
    为了有效地让机器具有分类识别功能，首先对它进行训练，产生分类识别的规则和分析程序，这也相当于机器进行学习。这个过程一般要反复进行多次，不断地修正错误，改进不足，最后使系统正确识别率达到设计要求。目前，机器的学习常需要人工干预，这个过程通常是人机交互的。
    视频检测器安装调试方便，对路面和土木设施不产生破坏，但是虚拟线圈检测器的位置是固定的，如果视频检测器的位置调整，程序则无法准确的进行检测。同时，此方式需要对检测道路进行虚拟线圈预设置，在实际的使用过程中步骤较繁琐，没有良好的移植性。并且此方法存在公交车辆漏检或错检的现象，因此在实际工程中此方法还有待完善。
    基于车型特征的公交车辆识别算法在实际应用过程中也会存在一定的漏检或错检现象，且对分类器的训练效果要求较高，同时由于特征点的提取和匹配需要一定的时间，因此，此方法在应用时对检测准确度和实时性的要求较高。
    文献采用车载卡与通信基站信息交互的公交车辆识别方法。在主要站点或加油站附近指定的STD电话亭或加油站安装信号检测装置；同时，公交车辆安装车载卡。车载卡中含有的信息通过声讯系统后转化为本地电话号码，通过网站邮件更新的方式将更新的信息发送到终端中转站。从而实现公交车辆跟踪。
    这种方法会涉及到较多的人为因素干预，因此，这种方法仅适用于小范围的车辆跟踪系统，对大范围的实时车辆跟踪效果不理想。
2．5 近红外辐射光流检测公交车辆
    提出了利用近红外辐射技术，通过光流检测器检测道路上的公交车辆。车辆检测器安装在高处，连续不断的向道路上发射近红外光，通过光线反射回发射器的时间长度判别车型。
    近红外发射机根据按照一定信号发射光线，光线接收器接收反射光线，并把反射光线输入到光流路径差比较电路中。反射信号的阻抗元件会因光流路径差的不同而变化，发射机的信号作为光流路径差的参考信号输入到发射机。通过路径差比较电路中阻抗元件的变化识别公交车辆。

3 常用检测方式比较
    几种常用的检测方式及应用环境如表1所示。

    环形线圈检测能够精准地确定出交通信号控制系统中道路占有率、车辆行驶速度和车间距等重要参数，但是这种被动的检测方式不能准确的区分车辆类型，且对道路的使用寿命有重要影响。因此，随着智能交通的不断发展，被动式检测的缺陷日益明显。
    RFID检测在公交场站和公交车辆的到站预报系统中发挥了主要的作用，且目前广泛应用于ETC系统中，该技术的应用大大提高了道路及公交车的通行效率。但该方法需在车辆和道路安装超高射频发射和收发装置，在某些较特殊区域中使用时会受到一定的限制。并且，设备的安装和维护需要大量的投入且不利于系统的升级改造，因此该方法并非是公交车辆检测的最佳方法。GPS方法也同样需要考虑设备的安装、维护
的成本。
    视频检测是智能交通系统中不可缺少的一部分，用视频设备的输出作为公交车辆检测的输入，可以提高资源的利用率，因此，在公交车辆识别中视频检测技术有更大的发展空间。

4 结语
    视频检测可以代替人对道路检测系统中的视频图像画面进行综合分析，不仅可以得到流量、占有率等常规的道路交通服务信息，还可以对视频图像中的所有车辆进行锁定、跟踪，并描述其运行轨迹，同时，对道路上发生的交通事件还有识别功能。随着计算机视觉技术的不断发展以及媒体处理、数字信号处理及图像识别领域的软硬件技术的提高，视频检测器运行的准确度和实时性都得到了较大的提高，可以想象，在公交识别系统中，视频检测技术将有更大的发展空间。