CN101034496A - 一种交流流量的检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交通流量的检测方法，包括：预处理操作，包括将一个用于判断车辆是否为机动车的变量的初始值设为零，以及对参考信号的选择；周期性地采集地磁场信号；采用参考信号对地磁场信号做基于匹配滤波的信号处理；从滤波处理后的信号中提取用于检测车辆的信息，根据检测结果判断是否有车辆通过；若有车辆通过，则将车辆检测的结果输出，重新采集地磁场信号，等待新的采集数据的到来。本发明还公开了一种交通流量检测装置，该装置包括传感模块、信号调理模块、无线通信模和电源模块，还包括交通信息检测模块。本发明提高了交通流量检测精度；便于布设和维护，并且可以和其它交通装置和设备进行无线通信，构成特定的信息采集和控制系统。

Description

一种交流流量的检测方法和装置

技术领域

本发明涉及道路参数监测系统，特别涉及一种交通流量检测的方法和装置。

背景技术

道路车辆监测系统是智能交通系统重要的组成部分，它可以实时地提供道路状态参数，如车流量、车速等。其中，车流量是单位时间内通过监测路段的车辆总数，可以通过交通流量检测装置来实现。

目前，常见的交通流量检测装置有：地磁线圈交通流量检测器，视频交通流量监测系统等。其中，地磁线圈检测器是比较传统的交通流量检测器，如天津大学研发的多功能交通信息检测器等。它由地磁线圈传感器、振荡电路和处理电路组成。地磁线圈通常安装在地面下，车辆经过时引起线圈电感值的变化，从而影响振荡电路的频率，据此可以检测出车辆。它的检测原理简单，检测精度不受天气状况的影响，因此得到广泛应用。但是在安装和维护时都需要切割路面，影响车辆的正常行驶，且给路面带来不同程度的破坏。

视频交通流量监测系统是由安装在路旁或桥梁上的摄像头和终端的计算机组成，如日本东京株式会社日立制作所研制的交通流量监测设备等。它的检测原理是摄像头拍摄道路状况，并将图片传送到终端，由运行在计算机上的图像处理软件来提取车辆信息。它的检测区域广，可以同时监测多个车道，获取多个交通参数，但它易受背景环境(如天气、光照度)变化的影响，镜头需要经常擦拭。而且目前的大部分交通流量检测装置都是通过有线进行信号的传输，不利于布设和维护，且不利于监测系统的扩展。

发明内容

本发明的目的是克服现有的交通流量检测装置安装、维护困难的缺陷，从而提供一种检测精度高、安装维护方便的交通流量检测方法和检测装置。

本发明提供了一种交通流量的检测方法，包括以下步骤：

步骤00)、预处理操作，包括将一个用于判断车辆是否为机动车的变量的初始值设为零，以及对参考信号的选择；

步骤10)、周期性地采集地磁场信号；

步骤20)、采用步骤00)中所选择的参考信号对步骤10)所采集到的地磁场信号做基于匹配滤波的信号处理；

步骤30)、从滤波处理后的信号中提取用于检测车辆的信息，根据检测结果判断是否有车辆通过；

步骤40)、根据步骤30)的检测结果，若有车辆通过，则将车辆检测的结果输出，重新执行步骤10)，等待新的采集数据的到来。

上述技术方案中，在所述的步骤00)中，所述的对参考信号的选择具体包括：

从原始信号中选择若干个点，用一条曲线对所选择的点进行拟合，根据最小二乘原则确定曲线的系数。

所述的曲线为多项式曲线或高斯曲线或包括正弦和正比例曲线组合的非线性曲线。

在选择参考信号时，根据原始信号的响应时间范围选择至少一个参考信号。

在选择具有不同响应时间的参考信号时，同时满足以下标准：

a、响应时间最长的原始信号与响应时间最长的参考信号的互相关函数的峰值大于阀值；

b、响应时间最短的原始信号与响应时间最短的参考信号的互相关函数的峰值大于阀值；

c、相邻的两个参考信号的互相关函数的峰值大于阀值。

上述技术方案中，在所述的步骤10)中，采取地磁场信号的采样周期在10～50毫秒之间选取。

上述技术方案中，在所述的步骤20)中，所述的信号处理是将参考信号与地磁场信号做互相关运算。

上述技术方案中，所述的步骤30)的具体实现步骤如下：

步骤31)、判断所述变量是否为零，若为零，执行下一步，否则执行步骤34)；

步骤32)、将步骤20)所得到的信号处理结果与阀值做比较，根据比较结果判断当前信号是否属于信号的上升沿，若是，执行下一步，若不是，重新执行步骤10，等待新的采集数据的到来；

步骤33)、将所述变量的值设为1，然后执行步骤40)；

步骤34)、将步骤20)所得到的信号处理结果与阀值做比较，根据比较结果判断当前信号是否属于信号的下降沿，若是，执行下一步，若不是，重新执行步骤10，等待新的采集数据的到来；

步骤35)、将所述变量的值设为0，然后重新执行步骤10)，等待新的采集数据的到来。

所述的阀值在(0.6～1)之间。

本发明还提供了一种采用所述的交通流量检测方法的交通流量检测装置，该装置包括传感模块301、信号调理模块302；还包括交通信息检测模块303；其中，所述的交通流量检测模块303包括用于对信号做滤波处理的信号处理单元3032，用于提取与交通流量检测有关信息的信息提取单元3033，以及用于控制、协调装置中其他模块工作的控制单元3031；所述的传感模块301用于采集地磁场信号，所述的信号调理模块302用于放大信号并对信号做模数转换；

所述的传感模块301采集地磁场信号后，将所采集到的信号传输到信号调理模块302中，由信号调理模块302对信号做放大处理，并实现模数转换，模数转换后的信号输入到交通流量检测模块303，所述的交通流量检测模块303从输入信号中提取用于检测车辆的信息，根据检测结果判断是否有车辆通过。

上述技术方案中，所述装置还包括用于发送交通流量检测结果的无线通信模块304。

所述的传感模块301为磁阻传感器或磁感应线圈或霍尔效应磁场传感器或磁敏二极管或磁敏三极管。

所述的信号调理模块302包括放大器3021、A/D转换部件3023和复位部件3022。

所述的车辆分类模块303在可编程逻辑芯片上实现。

本发明的优点在于：

1、本发明的交通流量检测方法中采用基于匹配滤波的信号处理方法，可以大大改善信噪比，有利于提高交通流量检测精度；

2、本发明的交通流量检测方法中选用曲线拟合后的信号作为匹配滤波的参考信号，可以改善匹配滤波的处理效果；

3、本发明的交通流量检测方法中选用多个参考信号进行匹配滤波，提高信号处理的精度；

4、本发明的交通流量检测方法中的信息提取方法非常简单，易于实现；

5、本发明的交通流量检测装置体积小，只需放置于路边就可监测交通流，便于布设和维护；

6、本发明的交通流量检测装置通过无线进行数据传输，无需铺设线路，便于系统布设和扩展；

7、本发明的交通流量检测装置之间可以通过无线通信并采用自组织多跳方式形成网络；

8、本发明的交通流量检测装置可以和其它交通装置和设备进行无线通信，构成特定的控制系统。

附图说明

图1为车辆经过一个区域时引起地磁场变化的示意图；

图2为本发明中交通流量检测方法的流程图；

图3为本发明中交通流量检测装置的结构图；

图4为本发明中一个实施例的匹配滤波器框图；

图5A为本发明中一个实施例的波形的原始信号

图5B为本发明中一个实施例的波形拟合后的高斯曲线波形；

图6为本发明中一个实施例的交通流量检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

由于车辆包含铁磁性物质，当车辆经过一个区域时，会对周围的地磁场产生扰动，借助于检测地磁场的变化情况，可以检测车辆的存在。如图1中所示，车辆101的运动会引起区域102地磁场的扰动。从图1中可以看出，车辆101周围的地磁场与其余区域的地磁场强度不同，本发明通过分析地磁场强度的变化，检测车辆的存在，从而获得交通流量信息。

如图2所示，本发明的交通流量检测方法具体包括以下步骤：

步骤00、预处理操作。在预处理操作过程中，需要对交通流量检测操作的实现做必要的准备，具体包括：

步骤01、设定一个用于判断车辆是否为机动车的变量，将该变量的值设为0，该变量用IsAVehicle表示；

步骤02、选择参考信号。在后续的步骤中，需要采用基于匹配滤波的方法对采集的地磁场信号进行处理，而在匹配滤波操作过程中，需要预先选择参考信号。参考信号是与原始信号进行互相关操作的信号，如何选择参考信号将在后续的描述中做具体说明。

步骤10、周期性地采集地磁场信号，地磁场信号的采样周期可以根据需要在10～50毫秒之间选取。

步骤20、采用步骤02所选择的参考信号对步骤10所采集到的地磁场信号做基于匹配滤波的信号处理。

在道路上，除了汽车会带来地磁场的扰动外，还有很多其它因素会引起地磁场的变化，如电磁辐射等。因此步骤10所采集到的原始信号中掺杂着很多噪音，如果不对原始信号进行处理的话，很有可能会影响车辆的检测。这种对车辆检测的不良影响对位于第二车道的汽车尤为突出。为了降低噪音对车辆检测的影响，本发明对所采集的信号做基于匹配滤波的信号处理，该信号处理方法可在较大程度上滤除干扰信号，提高信号的信噪比。

2000年高等教育出版社出版的《信号与系统》的第358页中，郑君里在“匹配滤波器”一节中叙述了匹配滤波器的原理。图4所示的匹配滤波器401是一种“最佳检测器”，402为原始信号，403为滤波后的信号。其中，有用信号为s(t)，噪音为n(t)，原始信号402是有用信号s(t)与噪音信号n(t)的叠加。有用信号滤波后得到s_o(t)，噪音滤波后得到n_o(t)。匹配滤波器能使有用信号s(t)增强，同时对噪声n(t)具有抑制作用。匹配滤波器401可以表示为k*s(τ-t)，原始信号402通过匹配滤波器401时，相当于与有用信号s(t)进行互相关运算，因此滤波后的信号403可以看成s(t)的自相关运算和n(t)与s(t)的互相关运算结果之和。s(t)的自相关运算结果CorrRes(s(t)，s(t))，在判决时刻取得自相关函数的峰值；而噪声n(t)与信号s(t)的互相关运算结果CorrRes(s(t)，n(t))，在判决时刻取值很小，因此在判决时刻可以得到最大的信噪比。

由于有用信号s(t)是一种理想的信号状态，并不能够从检测到的原始信号中直接得到，因此匹配滤波运算的一个关键是如何选择有用信号。只有选择适当的有用信号才能得到较好的相关运算结果。所选择的有用信号又被称为参考信号，因此在步骤02中需要完成参考信号的选择。选择参考信号时，应当选择与噪声相关度不大的信号，因此要尽量选择没有噪声的信号作为参考信号。在本发明中采用曲线拟合的方式求得参考信号，最大限度地减少噪声的干扰。图5A所示的501是交通流量检测装置检测到的原始信号，代表一辆汽车经过时引起的地磁场的变化，纵轴为归一化之后的磁场强度，横轴为时间，尖峰的宽度为响应时间。从该原始信号中均匀地取出(10～15)个点，记为(xdata_i，ydata_i)，xdata_i为该点的时间，ydata_i为归一化后该点的磁场强度。通过高斯曲线 $F\left(x\right)=a*e^{-{((x-b)/c)}^2}$ 进行拟合，拟合的目标是得到

使 $\frac{1}{2}\×\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{(F(\stackrel{\→}{x},\mathrm{xdat}{a}_i)-{\mathrm{ydata}}_i)}^2$ 最小，

是高斯曲线的系数a，b，c组成的向量，根据 可以求得系数a，b，c的精确值。在应用时，a的取值范围是(-1～-100)，b的取值范围是(0.8～1.2)，c依照下面的参考信号选择标准在(0.2～0.6)之间选取。图5B中的502是采用高斯曲线拟合之后的波形，纵轴为归一化之后的磁场强度，横轴为时间。从501和502中可以看出，拟合之后的高斯曲线可以代表原始的车辆信息，而且滤除了噪声信号，即与噪声相关度不大，可以作为匹配滤波器的参考信号。此外，还可以采用多项式曲线F(x)＝p₁×x^m+p₂×x^m-1+...+p_m×x+p_m+1(其中，m的取值为(5～11)，p₁～p_m+1是该曲线的系数)，或非线性曲线，如正弦曲线和正比例曲线的组合F(x)＝a×sin(bx+c)+d×x(其中，a，b，c，d是该曲线的系数)来进行曲线拟合。要在交通信息检测模块中实现滤波处理，需要将参考信号离散化，在本发明中根据原始信号的采样周期从高斯信号中均匀地选出n个点作为参考信号，n的取值为采样率的四倍。

由于包含地磁场信息的电压信号的响应时间与车型、车速有关，而各个车辆引起的响应时间不同。因此，为了提高检测精度，本发明中采用多个高斯曲线作为参考信号，这些高斯曲线彼此的系数c不同，表示不同的响应时间，c越小，响应时间越短。本发明中确定参考信号响应时间(即确定高斯曲线系数c)的标准如下：

1、响应时间最长的原始信号与响应时间最长的参考信号的互相关函数的峰值大于阀值Threshold；

2、响应时间最短的原始信号与响应时间最短的参考信号的互相关函数的峰值大于阀值Threshold；

3、相邻的两个参考信号的互相关函数的峰值大于阀值Threshold。

上述三个标准必须同时满足，其中的阀值Threshold可以根据需要在(0.6～1)之间选取。由于本发明方法中测量的车辆响应时间在0.7秒和4秒之间，因此在本实施例中选取阀值Threshold为0.8，根据确定参考信号响应时间的标准，最终选取响应时间为0.85秒和3.4秒的高斯曲线作为参考信号。用ref1(1:n)表示参考信号1，它是响应时间为0.85秒的高斯曲线，用ref2(1:n)表示参考信号2，它是响应时间为3.4秒的高斯曲线。

所述的原始信号是当前最新的多个原始信号，用n表示信号的个数，用signal(m-n+1:m)表示当前最新的n个原始信号。将signal(m-n+1:m)分别与ref1(1:n)、ref2(1:n)做互相关运算。

步骤30、从滤波处理后的信号中提取用于检测车辆的信息，根据检测结果判断是否有车辆通过。

步骤31、判断变量IsAVehicle是否为零，若为零，执行下一步，否则执行步骤34；

步骤32、把互相关运算的结果与前面得到的阀值Threshold做比较，根据比较结果判断当前信号是否属于信号的上升沿，若是，执行下一步，若不是，重新执行步骤10，等待新的采集数据的到来；

步骤33、将变量IsAVehicle的值设为1，执行步骤40；

步骤34、把互相关运算的结果与前面得到的阀值Threshold做比较，根据比较结果判断当前信号是否属于信号的下降沿，若是，执行下一步，若不是，重新执行步骤10，等待新的采集数据的到来；

步骤35、将变量IsAVehicle的值设为0，重新执行步骤10，等待新的采集数据的到来。

在上述步骤中，在步骤32判断当前信号是否属于上升沿时，其判断标准如下：(CorrRes1(m-1)＜0.8且CorrRes1(m)＞0.8)或者(CorrRes2(m-1)＜0.8且CorrRes2(m)＞0.8)；在步骤34判断当前信号是否属于下降沿时，其判断标准如下：(CorrRes1(m-1)＞0.8且CorrRes1(m)＜0.8)或者(CorrRes2(m-1)＞0.8且CorrRes2(m)＜0.8)。

步骤40、对步骤30的检测结果，若检测到有车辆通过，即变量IsAVehicle的值为1，则将车辆检测的结果输出，重新执行步骤10，等待新的采集数据的到来。

下面对采用本发明方法的交通流量检测装置进行说明。如图3所示，本发明的交通流量检测装置包括传感模块301、信号调理模块302、交通信息检测模块303、无线通信模块304和电源模块305；其中，电源模块305与装置中的传感模块301、信号调理模块302、交通信息检测模块303、无线通信模块304电连接，交通信息检测模块303还与装置中的传感模块301、信号调理模块302、无线通信模块304电连接，传感模块301还与信号调理模块302电连接。

传感模块301在车辆分类模块303的控制下周期性地采集原始磁场信号，并将地磁场信号转换为其它形式易于处理的信号。在本实施例中，传感模块301将地磁场信号转换为电压信号。传感模块301由磁阻传感器或磁感应线圈或其它类型能够检测地磁场的传感器组成。

信号调理模块302接收传感模块301转换后的信号，在放大器3021中对信号做放大处理，并将放大后的信号在A/D转换部件3022中做A/D转换。放大器3021的选取与传感器的分辨率、传感器的灵敏度和A/D转换的参考电压有关，它的放大倍数一般在(1000～4000)倍之间。信号调理模块302中还有复位部件3022，该部件的复位功能只有在传感器受到强磁场干扰后才起作用，复位部件3022对传感器进行复位，使之恢复正常。

交通信息检测模块303接收调理后的带有地磁场信息的信号，然后在信号处理单元3032中对信号做滤波处理，然后在信息提取单元3033中提取用于检测交通流量的信息，并将检测后的结果发送到无线通信模块304中。交通信息检测模块303中的控制单元3031用于负责传感模块301、信号调理模块302、无线通信模块304和电源模块305的控制工作，使各模块能够协调工作。交通信息检测模块303通过可编程逻辑芯片实现，在实际应用中可以采用例如AVR系列单片机、PIC系列单片机、MSP430系列单片机、Philip51系列单片机、AT51系列单片机、STC51单片机、凌阳51系列单片机、ARM系列微处理器、Xilinx FPGA(Spartan系列，Virtex系列)、Altera FPGA(Cyclone系列，CycloneII系列，Startix系列，StratixII系列)、TI DSP(TMS320C2000系列，TMS320C5000系列，TMS320C6000系列)、ADI DSP(Blackfin系列，ADSP系列，TS系列)、Motorola DSP(DSP系列，MSC系列，MC系列)、杰尔DSP(SC1000系列，SC2000系列)等多种类型的芯片。

交通信息检测模块303得到对车辆流量的检测结果后，将结果发送到无线通信模块304，无线通信模块304通过无线接收/发送单元3041将表示“有一辆汽车经过”的消息发送出去，这些消息被服务器或监控主机接收。

电源模块305在DC/DC转换单元3051中执行电压转换任务，并由电池3052为传感模块301、信号调理模块302、交通信息检测模块303和无线通信模块304提供能量。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (14)

1、一种交通流量的检测方法，包括以下步骤：

步骤00)、预处理操作，包括将一个用于判断车辆是否为机动车的变量的初始值设为零，以及对参考信号的选择；

步骤10)、周期性地采集地磁场信号；

步骤20)、采用步骤00)中所选择的参考信号对步骤10)所采集到的地磁场信号做基于匹配滤波的信号处理；

步骤30)、从滤波处理后的信号中提取用于检测车辆的信息，根据检测结果判断是否有车辆通过；

步骤40)、根据步骤30)的检测结果，若有车辆通过，则将车辆检测的结果输出，重新执行步骤10)，等待新的采集数据的到来。

2、根据权利要求1所述的交通流量的检测方法，其特征在于，在所述的步骤00)中，所述的对参考信号的选择具体包括：

从原始信号中选择若干个点，用一条曲线对所选择的点进行拟合，根据最小二乘原则确定曲线的系数。

3、根据权利要求2所述的交通流量的检测方法，其特征在于，所述的曲线为多项式曲线或高斯曲线或包括正弦和正比例曲线组合的非线性曲线。

4、根据权利要求2所述的交通流量的检测方法，其特征在于，在选择参考信号时，根据原始信号的响应时间范围选择至少一个参考信号。

5、根据权利要求4所述的交通流量的检测方法，其特征在于，在选择具有不同响应时间的参考信号时，同时满足以下标准：

a、响应时间最长的原始信号与响应时间最长的参考信号的互相关函数的峰值大于阀值；

b、响应时间最短的原始信号与响应时间最短的参考信号的互相关函数的峰值大于阀值；

c、相邻的两个参考信号的互相关函数的峰值大于阀值。

6、根据权利要求1所述的交通流量的检测方法，其特征在于，在所述的步骤10)中，采取地磁场信号的采样周期在10～50毫秒之间选取。

7、根据权利要求1所述的交通流量的检测方法，其特征在于，在所述的步骤20)中，所述的信号处理是将参考信号与地磁场信号做互相关运算。

8、根据权利要求1所述的交通流量的检测方法，其特征在于，所述的步骤30)的具体实现步骤如下：

步骤31)、判断所述变量是否为零，若为零，执行下一步，否则执行步骤34)；

步骤32)、将步骤20)所得到的信号处理结果与阀值做比较，根据比较结果判断当前信号是否属于信号的上升沿，若是，执行下一步，若不是，重新执行步骤10，等待新的采集数据的到来；

步骤33)、将所述变量的值设为1，然后执行步骤40)；

步骤34)、将步骤20)所得到的信号处理结果与阀值做比较，根据比较结果判断当前信号是否属于信号的下降沿，若是，执行下一步，若不是，重新执行步骤10，等待新的采集数据的到来；

步骤35)、将所述变量的值设为0，然后重新执行步骤10)，等待新的采集数据的到来。

9根据权利要求5或8所述的交通流量的检测方法，其特征在于，所述的阀值在(0.6～1)之间。

10、一种应用于权利要求1所述的交通流量检测方法的交通流量检测装置，该装置包括传感模块(301)、信号调理模块(302)；其特征在于，还包括交通信息检测模块(303)；其中，所述的交通流量检测模块(303)包括用于对信号做滤波处理的信号处理单元(3032)，用于提取与交通流量检测有关信息的信息提取单元(3033)，以及用于控制、协调装置中其他模块工作的控制单元(3031)；所述的传感模块(301)用于采集地磁场信号，所述的信号调理模块(302)用于放大信号并对信号做模数转换；

所述的传感模块(301)采集地磁场信号后，将所采集到的信号传输到信号调理模块(302)中，由信号调理模块(302)对信号做放大处理，并实现模数转换，模数转换后的信号输入到交通流量检测模块(303)，所述的交通流量检测模块(303)从输入信号中提取用于检测车辆的信息，根据检测结果判断是否有车辆通过。

11、根据权利要求10所述的交通流量的检测装置，其特征在于，所述装置还包括用于发送交通流量检测结果的无线通信模块(304)。

12、根据权利要求10或11所述的交通流量的检测装置，其特征在于，所述的传感模块(301)为磁阻传感器或磁感应线圈或霍尔效应磁场传感器或磁敏二极管或磁敏三极管。

13、根据权利要求10或11所述的交通流量的检测装置，其特征在于，所述的信号调理模块(302)包括放大器(3021)、A/D转换部件(3023)和复位部件(3022)。

14、根据权利要求10或11所述的交通流量的检测装置，其特征在于，所述的车辆分类模块(303)在可编程逻辑芯片上实现。

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