CN103593984A - 基于地磁的环境自适应车流量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地磁的环境自适应车流量检测方法，该方法通过周期性检测来采集地磁数据，对采集的地磁数据进行滤波，消除随机噪声，并将消除随机噪声后的地磁数据与其对应的基准值进行比较，更新当前状态机的状态，最后根据状态机状态的变化，对车流量进行计数。其中对于基准值根据环境的变化进行自适应调整，从而有效降低环境变化对车流量检测方法精确度的影响。本发明提高了道路车流量检测的精确度。

Description

基于地磁的环境自适应车流量检测方法

技术领域

本发明属于交通监测技术领域，尤其涉及采用地磁传感器来进行道路车流量检测的方法。

背景技术

随着科技和经济的高速发展，城市中的机动车保有量也与日俱增。交通问题如交通拥堵、停车位紧张等纷至沓来，这些交通问题困扰着城市交通管理者。城市交通管理者需要通过各种交通信息来进行相应的决策，交通信息主要包括车流量、车速等信息，车流量信息的获取对优化交通组织起着相当大的作用。

因此如何准确、方便、快捷地获得这些交通信息是目前研究的热点，国内外针对车流量检测使用过多种不同传感器，如使用感应线圈、超声波、视频、地磁传感器等。感应线圈传感器是交通信息检测中应用最广泛的传感器，它利用环形电流线圈采集地磁场信息。其缺点是施工量较大。超声波检测是根据声波的反射原理，通过对发射波和反射波的时差测量实现检测，超声波检测的准确性比较容易受到天气条件的干扰。20世纪80年代开始，视频检测就开始受到研究者的关注，并将其用于车流量检测，它通常用CCD或CMOS摄像机在交通现场采集视频图像信息，再通过算法进行检测。视频检测由于数据量较大且检测算法大多较为复杂，其可靠性还有待提高。同时该方法的准确性还易受到下雪、大雨、雾霾等恶劣天气条件的影响。

地磁传感器可以通过检测地磁场强度的变化来判断是否有车辆经过。其工作原理是：当车辆经过附近的地磁传感器时，车辆中的铁磁物质对传感器周围的地磁场产生了扰动。通过检测磁场变化，即可获知是否有车辆经过。地磁传感器的优点是体积小巧，成本廉价，功耗低，寿命长，安装部署方便，缺点是地磁场易受环境变化和邻近车道车辆影响。

目前基于地磁的车流量检测方法，有固定阈值检测法和状态机检测法。其中固定阈值检测法，将检测到的磁场强度与固定阈值进行比较，若连续若干个值大于阈值，则判定为有车；状态机检测法通过设定一个或多个中间状态来达到降低环境噪声或周围车道中车辆的干扰，从而增加检测的鲁棒性。其状态转换仍然是通过阈值比较触发的，并且阈值仍然是固定的。在实际的环境中，由于环境干扰，地磁数据并不稳定，同时由于气温及其他环境因素的改变，阈值本身也会随着时间的变化会发生缓慢的改变。这种影响关系比较复杂，同时这种缓慢的影响会产生累积而导致较大误差。目前的检测方法均不能很好的消除这种环境影响，精确度还有待提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于地磁的环境自适应车流量检测方法，以克服现有技术中由于环境变化导致检测精确度不高的问题。

为了实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于地磁的环境自适应车流量检测方法，用于采用地磁传感器检测道路车流量，该方法包括步骤：

步骤1、通过周期性检测来采集地磁数据；

步骤2、对采集的地磁数据进行滤波，消除随机噪声，并根据采集的地磁数据调整其对应的当前基准值；

步骤3、将消除随机噪声后的地磁数据与所述当前基准值进行比较，更新当前状态机的状态；

步骤4、根据状态机状态的变化，对车流量进行计数。

进一步地，所述状态机的状态包括四种状态，分别为第一状态、第二状态、第三状态和第四状态，其初始状态为第一状态。

进一步地，对于第n次采集到的地磁数据s_n，其对应的消除随机噪声后的地磁数据记为m_n，则消除随机噪声的方法包括步骤：

设置初始值m₀=s₀；

对于采集的地磁数据s_n，其对应的消除随机噪声后的地磁数据m_n=α*s_n+(1-α)*m_n-1；

其中，s₀为初始化时设置的初始地磁数据，s_n表示第n个采集到的地磁数据，m_n表示s_n对应的消除随机噪声后的地磁数据，m_n-1表示s_n-1对应的消除随机噪声后的地磁数据，s_n-1是第n-1个采集到的地磁数据，α表示当前采集到的地磁数据的权重。

进一步地，对于第n次采集到的地磁数据s_n，其对应的基准值记为B_n，所述根据采集的地磁数据调整其对应的当前基准值，包括步骤：

设置初始基准值B₀=s₀；

当|s_n-s_n-1|<δ且当前状态为第一状态时，基准值B_n=β*s_n+(1-β)*B_n-1，否则B_n=B_n-1；

其中s₀为初始化时设置的初始地磁数据，β表示当前采集到的地磁数据的权重，s_n表示第n个采集到的地磁数据，B_n表示s_n对应的基准值，B_n-1表示s_n-1对应的基准值，s_n-1是第n-1个采集到的地磁数据，δ为地磁数据变化参数。通过基准值自适应调整，可以有效减小环境变化对检测精确度的影响。

其中所述初始地磁数据s₀是通过连续读取K个地磁数据，并进行平均得到的初始地磁数据。

进一步地，状态机状态转换方法如下：

当所述状态机当前状态为第一状态时，并且|m_n-B_n|小于第一阈值，则保持原状态；如果|m_n-B_n|大于等于第一阈值，则将当前状态更新为第二状态，同时记m_n-B_n的符号为sign；

当所述状态机当前状态为第二状态时，并且|m_n-B_n|小于第一阈值或者m_n-B_n的符号与sign相同，则保持原状态；如果|m_n-B_n|大于等于第一阈值而且m_n-B_n的符号与sign相反，则将当前状态更新为第三状态，同时将sign更新为当前m_n-B_n的符号；如果始终保持在当前状态下的时间超过超时时限t_timeout，则将当前状态更新为第一状态；其中超时时限t_timeout为设定的超时时间参数；

当所述状态机当前状态为第三状态时，如果|m_n-B_n|大于等于第一阈值，而且m_n-B_n的符号与sign相反亦或是|m_n-B_n|小于第一阈值，则保持原状态；如果始终保持在当前状态下的时间超过超时时限t_timeout，则将当前状态更新为第一状态；如果|m_n-B_n|在时间t_enter内始终大于等于第一阈值，并且在这段时间内m_n-B_n的符号与sign始终相同，则将当前状态更新为第四状态；其中时间t_enter为设定的保持在第三状态下的时限；

当所述状态机当前状态为第四状态时，若|m_n-B_n|大于等于第一阈值，则保持原状态，若|m_n-B_n|在时间t_count内始终小于第一阈值，则将当前状态更新为第一状态，其中时间t_count为设定的保持在第四状态下的时限。

进一步地，所述根据状态机状态的变化，对车流量进行计数，具体包括步骤：

若当前状态机状态为第四状态时，并且|m_n-B_n|在时间t_count内始终小于第一阈值，则将当前状态更新为第一状态，同时车流量计数器加1。

本发明提出了一种基于地磁的环境自适应车流量检测方法，对采集的地磁数据经过消除噪声后，与基准值进行比较确定状态机的状态，当状态机的状态由第四状态转变为第一状态时，判定为有车辆经过，并进行计数，从而对车流量进行统计。其中基准值随环境变化进行自适应调整，提高了检测的精确度。

附图说明

图1为地磁传感器采集地磁数据的波形图示意图；

图2为本发明基于地磁的环境自适应车流量检测方法流程图；

图3为本发明状态机状态转换关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。

当车辆从地磁传感器正上方经过时，由于车辆本身所含铁磁物质产生的磁场会干扰经过区域的磁场分布，地磁传感器所采集到的地磁数据如图1所示，从该图中可以看出，当车辆完全经过时，该区域的地磁场强度又会恢复到车辆经过前的水平。地磁传感器能够检测到这种磁场的变化，因而能够使用地磁传感器进行车流量的检测。

本发明基于地磁的环境自适应车流量检测方法正是运用了上述原理，基于地磁传感器来检测道路车流量，如图2所示，包括步骤：

步骤201、通过周期性检测来采集地磁数据。

埋于道路地基中的地磁传感器通过周期性采样，能够自动采集地磁数据s_n并上传。如图1所示，横坐标是采样序号，纵坐标为传感器数据，即地磁传感器采集的地磁数据，图1示出了一次车辆经过时产生的地磁数据变化曲线。

步骤202、对采集的地磁数据进行滤波，消除随机噪声，并根据采集的地磁数据调整其对应的当前基准值。

对于地磁传感器采集的地磁数据s_n，由于背景磁场中存在高频噪声，需要进行必要的滤波处理，消除噪声干扰。本实施例滤波处理采用如下公式：

m₀=s₀

m_n=α*s_n+(1-α)*m_n-1

其中s₀为初始化时设置的地磁数据，通常是通过连续读取K个地磁数据，并进行平均得到的初始地磁数据，例如取K=256，初始采集256个地磁数据并进行平均得到s₀；s_n表示第n个采集到的地磁数据，m_n表示s_n对应的消除随机噪声后的地磁数据，m_n-1表示s_n-1对应的消除随机噪声后的地磁数据，s_n-1是第n-1个采集到的地磁数据，α表示当前采集到的地磁数据的权重。

α的取值范围在0～1之间。如果α为1，则意味着不滤除任何噪声，α越接近于0，则意味着历史数据所占权重相比于当前观测数据而言越大，能够滤除更多的噪声，同时，这也意味着所得数据对当前目标的描述更加不准确。本实施例采用α为1/4，试验证明对于同一个地磁传感器，在该设置下获取的地磁数据抖动很小，并且对于长期变化的跟随特性较好。

在实际的环境中，由于气温及其他环境因素的改变，使得基准地磁数据随着时间的变化会发生缓慢的改变。这种影响关系比较复杂，同时这种缓慢的影响会产生累积，导致基准值在看似稳定的环境中发生显著的改变。本实施例采用基准值来衡量地磁数据的变化，同时该基准值根据历史数据和当前地磁数据进行自适应调整，以适应环境的变化。

因此本实施例采用和噪声修正类似的方法对基准值进行自适应调整。基准值B_n的自适应调整公式为：

B₀=s₀；

若|s_n-s_n-1|<δ且当前状态为第一状态，则B_n=β*s_n+(1-β)*B_n-1，否则B_n=B_n-1。

其中β表示当前采集到的地磁数据的权重，s_n表示第n个采集到的地磁数据，B_n表示s_n对应的基准值，B_n-1表示s_n-1对应的基准值，s_n-1是第n-1个采集到的地磁数据，δ为地磁数据变化参数，例如取3。

可见基准值B_n会跟随环境的变化而变化。β的取值范围在0～1之间。如果β越大，则意味着所得基准值对环境干扰越敏感，但同时，当β越接近于0时，也意味着所得基准值越不能适应环境的改变。本实施例采用β为1/64，试验证明对于同一个地磁传感器，在该设置下基准值B_n可以有效跟随环境变化，同时不会对瞬间干扰过于敏感。

通过上述滤波和基准值自适应调整方法，可以有效减小环境噪声和变化对车流量检测方法精确度的影响。同时，在本实施例中当状态机的状态为第一状态（NO_VEHICLE）时进行基准值调整，其他状态则保持不变。

步骤203、将消除随机噪声后的地磁数据与当前基准值进行比较，更新当前状态机的状态。

本实施例根据地磁传感器在车辆经过时如图1所示的波形图，定义了状态机，状态机有4种状态，分别为第一状态（NO_VEHICLE）、第二状态（ENTER_1）、第三状态（ENTER_2）和第四状态（VEHICLE_COUNT）。其初始状态为NO_VEHICLE状态。

图3示出了本实施例状态机的当前状态转化关系，具体地，将消除随机噪声后的地磁数据与当前基准值进行比较，更新当前状态机的状态，包括如下步骤：

若当前状态为NO_VEHICLE时，如果|m_n-B_n|小于第一阈值，则保持原状态；如果|m_n-B_n|大于等于第一阈值，则将当前状态更新为ENTER_1，同时记m_n-B_n的符号为sign（sign为符号）；

若当前状态为ENTER_1时，如果|m_n-B_n|小于第一阈值或者m_n-B_n的符号与sign相同，则保持原状态；如果|m_n-B_n|大于等于第一阈值而且m_n-B_n的符号与sign相反，则将当前状态更新为ENTER_2，同时将sign更新为当前m_n-B_n的符号；如果始终保持在当前状态下的时间超过超时时限t_timeout，则将当前状态更新为NO_VEHICLE状态；

若当前状态为ENTER_2时，如果|m_n-B_n|大于等于第一阈值，而且m_n-B_n的符号与sign相反亦或是|m_n-B_n|小于第一阈值，则保持原状态；如果始终保持在当前状态下的时间超过超时时限t_timeout，则将当前状态更新为NO_VEHICLE状态；如果|m_n-B_n|在时间t_enter内始终大于等于第一阈值，并且在这段时间内m_n-B_n的符号与sign始终相同，则将当前状态更新为VEHICLE_COUNT；

若当前状态为VEHICLE_COUNT时，若|m_n-B_n|大于等于第一阈值，则保持原状态，若|m_n-B_n|在时间t_count内始终小于第一阈值，则将当前状态更新为NO_VEHICLE。

需要说明的是，这里的第一阈值是当车辆从地磁传感器上方经过时造成的地磁数据变化的最小值。当车辆从地磁传感器上方经过所引起的地磁数据变化与车辆从侧面经过、其他物体经过或者环境改变所导致的地磁数据变化程度不同。可以根据这个特征设定第一阈值，以此判断是否有车辆从地磁传感器上方经过，第一阈值可以通过多次实验得出，例如取140。而超时时限t_timeout是保持某个状态较长时间的时限，由于车辆经过地磁传感器上方的过程是一个连续的过程，不可能一直保持同一状态，故设置超时时限，该超时时限可以根据经验获得，例如10秒。同理t_enter为保持在ENTER_2状态的时限，例如设置为0.07秒；t_count为保持在VEHICLE_COUNT状态的时限，例如设置为0.07秒。

步骤204、根据状态机状态的变化，对车流量进行计数。

若当前状态为VEHICLE_COUNT时，|m_n-B_n|在时间t_count内始终小于第一阈值，则将当前状态更新为NO_VEHICLE，同时车流量计数器加1。可见在状态机的状态由VEHICLE_COUNT更新为NO_VEHICLE时，车流量计数器加1，从而完成一次车流量的统计。

需要说明的是，本实施例附图3中，将|m_n-B_n|称为测量值的绝对值，实际是指测量到的地磁数据经过消除噪声后与基准值的差值的绝对值。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于地磁的环境自适应车流量检测方法，用于采用地磁传感器检测道路车流量，其特征在于，该方法包括步骤：

步骤1、通过周期性检测来采集地磁数据；

步骤2、对采集的地磁数据进行滤波，消除随机噪声，并根据采集的地磁数据调整其对应的当前基准值；

步骤3、将消除随机噪声后的地磁数据与所述当前基准值进行比较，更新当前状态机的状态；

步骤4、根据状态机状态的变化，对车流量进行计数。

2.根据权利要求1所述的车流量检测方法，其特征在于，所述状态机的状态包括四种状态，分别为第一状态、第二状态、第三状态和第四状态，其初始状态为第一状态。

3.根据权利要求2所述的车流量检测方法，其特征在于，对于第n次采集到的地磁数据s_n，其对应的消除随机噪声后的地磁数据记为m_n，则消除随机噪声的方法包括步骤：

设置初始值m₀=s₀；

对于采集的地磁数据s_n，其对应的消除随机噪声后的地磁数据m_n=α*s_n+(1-α)*m_n-1；

其中，s₀为初始化时设置的初始地磁数据，s_n表示第n个采集到的地磁数据，m_n表示s_n对应的消除随机噪声后的地磁数据，m_n-1表示s_n-1对应的消除随机噪声后的地磁数据，s_n-1是第n-1个采集到的地磁数据，α表示当前采集到的地磁数据的权重。

4.根据权利要求3所述的车流量检测方法，其特征在于，对于第n个采集到的地磁数据s_n，其对应的基准值记为B_n，所述根据采集的地磁数据调整其对应的当前基准值，包括步骤：

设置初始基准值B₀=s₀；

当|s_n-s_n-1|<δ且当前状态为第一状态时，基准值B_n=β*s_n+(1-β)*B_n-1，否则B_n=B_n-1；

其中s₀为初始化时设置的初始地磁数据，β表示当前采集到的地磁数据的权重，s_n表示第n个采集到的地磁数据，B_n表示s_n对应的基准值，B_n-1表示s_n-1对应的基准值，s_n-1是第n-1个采集到的地磁数据，δ为地磁数据变化参数。

5.根据权利要求3或4所述的车流量检测方法，其特征在于，所述初始地磁数据s₀是通过连续读取K个地磁数据，并进行平均得到的初始地磁数据。

6.根据权利要求4所述的车流量检测方法，其特征在于，当所述状态机当前状态为第一状态时，并且|m_n-B_n|小于第一阈值，则保持原状态；如果|m_n-B_n|大于等于第一阈值，则将当前状态更新为第二状态，同时记m_n-B_n的符号为sign。

7.根据权利要求6所述的车流量检测方法，其特征在于，当所述状态机当前状态为第二状态时，并且|m_n-B_n|小于第一阈值或者m_n-B_n的符号与sign相同，则保持原状态；如果|m_n-B_n|大于等于第一阈值而且m_n-B_n的符号与sign相反，则将当前状态更新为第三状态，同时将sign更新为当前m_n-B_n的符号；如果始终保持在当前状态下的时间超过超时时限t_timeout，则将当前状态更新为第一状态；其中超时时限t_timeout为设定的超时时间参数。

8.根据权利要求7所述的车流量检测方法，其特征在于，当所述状态机当前状态为第三状态时，如果|m_n-B_n|大于等于第一阈值，而且m_n-B_n的符号与sign相反亦或是|m_n-B_n|小于第一阈值，则保持原状态；如果始终保持在当前状态下的时间超过超时时限t_timeout，则将当前状态更新为第一状态；如果|m_n-B_n|在时间t_enter内始终大于等于第一阈值，并且在这段时间内m_n-B_n的符号与sign始终相同，则将当前状态更新为第四状态；其中时间t_enter为设定的保持在第三状态下的时限。

9.根据权利要求8所述的车流量检测方法，其特征在于，当所述状态机当前状态为第四状态时，若|m_n-B_n|大于等于第一阈值，则保持原状态，若|m_n-B_n|在时间t_count内始终小于第一阈值，则将当前状态更新为第一状态，其中时间t_count为设定的保持在第四状态下的时限。

10.根据权利要求9所述的车流量检测方法，其特征在于，所述根据状态机状态的变化，对车流量进行计数，具体包括步骤：

若当前状态机状态为第四状态时，并且|m_n-B_n|在时间t_count内始终小于第一阈值，则将当前状态更新为第一状态，同时车流量计数器加1。

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