1、第二章 交通监控系统本章内容 高速公路交通监控系统的分类高速公路交通监控系统的分类1自动控制基本原理概述自动控制基本原理概述2交通干扰分析交通干扰分析3交通监控系统的常用控制方法交通监控系统的常用控制方法4高速公路监控系统分类 高速公路监控系统收费监控道路监控高速公路监控系统分类收费监控系统主要是对收费站的车道、收费广场、收费亭的收费情况。收费车道通过的车辆类型、收费员的操作过程。收费过程中的突发事件和特殊事件进行观察和记录，实施有效的监督。高速公路监控系统分类道路监控系统主要是对监视高速公路干线、互通立交、隧道等高速公路重点路段掌握高速公路交通状况，及时发现交通阻塞路段、违章车辆及时给予引导
2、，保证高速公路的安全通畅。高速公路监控的特点监控对象复杂监控系统复杂监控手段多样人的特殊作用自动控制的自然和人造系统 人体自然系统 体温控制系统 心跳控制系统 眼球聚焦系统 新陈代谢系统 血液系统 呼吸系统 肾肝肺系统 这些系统持续的自动控制是我们保持健康的基本条件 这些系统是在我们非有意识干预的情况下自动运行的 自动控制理论发展经典控制理论现代控制理论 大系统理论智能控制理论线性控制理论非线性控制理论采样控制理论自动控制理论发展经典控制理论经典控制理论 以传递函数为基础,研究单输入单输出一类定常控制系统的分析与设计问题。如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。这些理论发展
3、较早，现已臻成熟。现代控制理论现代控制理论 以状态空间法为基础，研究多输入多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。如：汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏 板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。计算机科学地发展，极大地促进了控制科学地发展。经典控制理论与现代控制理论比较经典控制理论与现代控制理论比较 项目经典控制理论现代控制理论研究对象线性定常系统（单输入、单输出）线性、非线性、定常、时变系统（多输入、多输出）描述方法传递函数（输入、输出描述）向量空间（状态空间描述）研究办法根轨迹法和频率法状态空间法研究目标系统分析及给定输入、输出情况下的系统综合揭示系统的内在规律，实现在一
4、定意义下的最优控制与设计自动控制理论发展大系统大系统控制理论控制理论 大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。大系统控制理论目前仍处于发展阶段。开环控制和闭环控制系统开环控制系统闭环控制系统 复合控制系统 稳定的摆不稳定的摆稳定中性稳定不稳定1940年11月7日，一阵风引起了桥的晃动，而且晃动越来越大，直到整座桥断裂。跨越华盛顿州塔科马塔科马峡谷的首座大桥，开
5、通于1940年7月1日。只要有风，这座大桥就会晃动。自动控制中的常用术语受控对象受控对象 被控制的机器、设备或过程称为受控对象或对象。被控量被控量 被控制的物理量称为被控量或输出量。被控量是表征受控对象工作状态的物理量，即速度、湿度、浓度、炉温、电压等。给定量给定量 决定被控量的物理量称为给定量或参考输入。给定量表征被控量的期望值或受控对象的期望状态。扰动量扰动量 妨碍给定量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。（内扰和外扰）给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。反馈控制原理 交通监控的过程交通流特性易变变化幅度大随机性交通流参数交通量平均车速交通密度车头间距车辆占有率交通干扰分析干扰：
6、引起交通流状态发生变化的外部因素气象环境道路环境交通环境高速公路气象环境 气象检测的意义 浓雾、暴雨、大雪、强烈侧风和雷击等气象环境都将严重地影响交通流，导致高速公路上的交通拥挤甚至交通事故，在这些因素中，不同的气象环境对交通的影响方式和影响程度是不同的。高速公路气象检测对象高速公路气象检测对象浓雾 高速公路气象检测对象高速公路气象检测对象大雪、大雨 高速公路气象检测对象高速公路气象检测对象侧向风 强烈的侧向风会使车辆在行驶过程中产生不可控制的侧向移动。例如：侧向风速为22m/s时，车辆向前行驶60m，可能产生1.21.5m侧向移动。这个数值可是车辆不由自主的从一个车道转移到另外一个车道，导致
7、交通混乱和诱发交通事故。主要检测对象 以上分析说明，有必要对高速公路沿线地区进行常规气象检测，特别是对大气能见度、相对湿度和降雪量更应实施不间断监测。设计思想 湿度检测系统 风速检测系统风向检测系统 雨量检测系统能见度检测系统气象检测系统的设计 道路状态、环境检测车辆能够行止自如，取决于汽车能依靠制车辆能够行止自如，取决于汽车能依靠制动产生制动力，起最大制动力受与地面附动产生制动力，起最大制动力受与地面附着力的约束，其最大值等于附着力，可用着力的约束，其最大值等于附着力，可用下式表示：下式表示：Fb=G式中式中Fb 最大制动力；G 车辆重量；车轮与路面的附着系数各种路面状态的附着系数 路面状态
8、检测意义 以上分析说明：需要对路面表温度、相对湿度、积雪厚度、路面冰冻等参数进行经常监测，并将检测结果实时传输给监控中心，以便于进行交通管制。环境检测的意义 汽车排放的一氧化碳、氮氧化物，总烃、总悬浮颗粒物和柴油车排放的可吸入颗粒物对人体身体健康造成损害。并且，在隧道中，一氧化碳浓度过高，很容易造成火灾，从而导致大型事故的发生。所以，有必要对道路环境进行检测。目前，公路部门主要检测的大气质量项目是一氧化一氧化碳碳。道路状态、环境检测对象设计思想 路面干/湿状态检测系统路面冰冻状态检测路面积雪厚度检测系统道路状态、环境检测系统交通环境检测引起交通事件的原因驾驶员：违章驾车，超载，抢道，疲劳驾驶，
9、酒后开车。车辆故障：爆胎，制动失灵，油路，电路故障。交通事故：撞车，翻车、火灾等。高速公路交通事件交通事件检测的意义交通事件检测方法 交通事件检测的基本思路是将川流不息的交通过程数字化，用交通状态参数描述交通流的变化过程。其主要的参数为：交通交通量、车辆速度、交通密度量、车辆速度、交通密度。通过交通状态参数的变化判断是否有交通事件发生。在事件检测过程中主要包含检测设备和检测算法两部分内容。本章内容 高速公路交通监控系统的分类高速公路交通监控系统的分类1自动控制基本原理概述自动控制基本原理概述2交通干扰分析交通干扰分析3交通监控系统的常用控制方法交通监控系统的常用控制方法4检测设备 超声检测器超
10、声检测器环形线圈环形线圈红外检测器红外检测器车辆磁映像检测器车辆磁映像检测器微波交通检测器微波交通检测器视频车辆检测器视频车辆检测器检测算法 基于区间平均速度的拥挤检测基于区间平均速度的拥挤检测基于占有率的拥挤检测基于占有率的拥挤检测基于检测器的脉冲数据的拥挤检测基于检测器的脉冲数据的拥挤检测检测算法检测算法基于区间平均速度的拥挤检测 该方法是把高速公路分成若干个区间若干个区间，分别计算每个区间的平均速度区间的平均速度。如果此区域的平均速度低于某个值就认为发生了拥挤，否则正常。根据所介绍的检测器，选取适合的设备，设计出基于区间平均速度的拥挤检测系统，要求能够检测出拥挤长度。设计思想基于占有率的
11、拥挤检测 根据一段路长时间的交通流量与占有率交通流量与占有率之间的关系数据，可绘制其流量占有率关系图。并标示出其临界状态。如果超越了临界状态则为拥挤，如果没有超越，则为正常。根据所介绍的检测器，选取适合的设备，设计基于占有率的拥挤检测系统。设计思想 基于检测器的脉冲数据的拥挤检测 交通运行状态和车辆检测器传感器输出的脉冲宽度是密切相关的。当运行处于自由流时，车流速度快，车经过检测区时间短，脉冲宽度窄；同理可得，拥挤时，脉冲宽度宽。选取适合的设备，设计出基于检测器脉冲宽度的拥挤检测系统。设计思想环形线圈 目前，高速公路检测交通流状态用的最多最多的传感器件是环形线圈环形线圈。它可以检测交通量、车速
12、、占有率、车头时距、车长和车辆存在等多个项目。环形线圈的特点适应性强。可改变线圈形状，适应不同的需要。检测精度高。检出率90%以上。抗干扰能力强。使用寿命长。10年施工要求高。破坏路面，维修和更换需封闭车道。红外检测器 主动式：将红外光发射器和接收器对中，水平安装在车道两旁。无车时，接收器接收细束线状红外光，车辆通过时，遮断光束，接收器无输出。通/断的转换即是对车辆的检测信号。红外检测器被动式(p54)：在路面相隔一定距离的地方，以特种涂料画出两个明显的区域特种涂料画出两个明显的区域，使他们在给定的环境温度下，辐射出比较稳定的能量。并安装好红外接受器。无车时，接收器分别感受两个特定区域的辐射能
13、量，有车时，感受车辆的能量。红外检测器红外检测器特点抗干扰性强。路面温度变化对检测精度无影响。静态检测和动态检测。工作环境：-40度70度，湿度95%。车辆磁映像检测器 磁映像检测器利用车辆通过时对地磁场车辆通过时对地磁场的影响，检测车辆交通参数。它利用高灵敏度的磁材料，将地磁磁通线集中约束在比较小的空间，当车辆停驻、慢速接近或通过时，被约束的磁力线发生形变，产生原始信号，经处理输出一个随时间变化的曲线，从而检测出交通量、速度、车头时距、车场以及路面状况等信息。视频车辆检测器视频车辆检测器视频车辆检测器是运用视频图像处理图像处理和计算机图形计算机图形识别技术的检测器，可进行高效益的广域视频监视
14、并现场实时采集各种交通参数。在需要检测的路段，安装一安装一台或多台数字式摄像机台或多台数字式摄像机，将一定范围的交通图像，经过图像处理软件分析处理，可得到交通量、平均车速、占交通量、平均车速、占有率、车头间距和排队长度有率、车头间距和排队长度等参数。视频车辆检测器特点视频车辆检测器特点功能强大。图像直观，软件控制，便于升级。多车道检测。6条车道/台摄像机使用方便。不破坏路面，不封闭车道。受环境影响干扰。受恶劣气候影响，夜间需辅助照明。微波交通检测器组成：微波发射探头、微波接收探头、控制器、调制解调器和电源。安装方式：前视安装和俯视安装。见P55图2-20微波交通检测器特点多车道检测。全天候工作
15、。不受风、雨、雾、雪的影响。使用方便。不破坏路面检测精度高。正确率90%漏检率低。2%左右超声检测器 超声检测器由波束发射器、接收器和时控波束发射器、接收器和时控电路电路组成。发射器和接收器主要用于波束的发射与接收，时控电路主要控制发射间隔，并计算发射接受时间差。将检测到的时间差与正常值进行比较，从而得出结果。超声检测器可对车速、时间占有率、交通量等变量做出检测。超声检测器特点优点：价格便宜。安装方便。使用寿命长。缺点：检测精度不高。抗干扰能力不强。交通控制系统 交通控制的意义 在高速公路监控系统中，检测与监视都是为控制服务的，通过前端设备将高速公路上的交通信息采集到监控系统后，如何分析处理分
16、析处理这些数据，用什么方法改善交通流状态改善交通流状态，就成为监控系统的关键任务。控制方法常发性的拥挤，主要是由交通需求超过通常发性的拥挤，主要是由交通需求超过通行能力引起的，在不能增大通行能力的情行能力引起的，在不能增大通行能力的情况下，可以通过控制系统来改善交通状况，况下，可以通过控制系统来改善交通状况，主要有以下方法：主要有以下方法：入口匝道控制 主线控制 通道控制 费率控制入口匝道控制主线控制通道控制 高速公路通道高速公路通道系统由高速公路、匝道以及与高速公路相关的侧道、干道、城市街道等组成。原理 监测通道系统中所有道路及交叉口，将超载道路上的交通转移到通行能力尚有剩余的道路上去。通道控制系统构成通道控制
