CN104658251B - 一种基于定向天线的十字路口车流检测方法 - Google Patents

一种基于定向天线的十字路口车流检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于定向天线的十字路口车流检测方法与装置，利用车载广播单元发送信号，信号被信标接收装置接收，完成车辆信标消息的采集；将采集到的车辆信标消息传输到数据处理模块,并对车辆信标消息进行分析处理，实现车流统计和车辆行驶方向的识别；将数据处理模块得到的交通检测信息通过无线传输模块传输到远程监控系统，实现交通流的统计以及远程监控；监控系统中的信息由数据存储模块进行存储。本发明利用定向天线检测车流，克服传统蓝牙设置等方法易出现的相互干扰且检测范围狭窄的情况；定向天线其覆盖范围广，使得车流检测更加准确，且能够针对十字路口区域的车辆行驶转弯等特殊性，进行车流量的准确检测。

Description

一种基于定向天线的十字路口车流检测方法
技术领域
本发明涉及电子自动检测装置与方法，具体涉及一种基于定向天线的十字路口车流检测方法与装置。
背景技术
车流检测历来是获取交通信息的一个重要手段，人们通过对车流信息进行分析，判定道路的设计是否合理，道路的调度手段是否可行。特别是对于交通状况复杂，事故频发的十字路口而言，进行更简单易行，高效精准的车流检测，为减少十字路口交通事故，设置合理红绿灯间隔时间提供了更可靠的依据。
在现有的研究成果中，车流检测的方法主要有两类：一类是接触式测量，包括压电，压力管检测，环形线圈检测和磁力式检测。这种测量方法是将检测设备埋藏在路面之下，采集汽车经过采集装置上方时引起的相应的压力，电场或磁场的变化，再将这些力和场的变化转换为所需要的交通信息。据此计算出的车流量，速度等交通参数则可上传给中央控制系统。这类方法在技术领域已经非常成熟，便于实际操作。然而，由于检测器处于地下，不仅会受到诸如路基下沉，水冻等地质问题的影响，维护时也面临极大的困难，维护费用昂贵且对交通的正常运行影响时间长；第二类是非接触式测量，主要包括波频检测和视频检测两大类。其中，波频检测可分为微波，超声波和红外三种；视频检测则主要依靠于视频图像处理技术。尽管这类检测方法在使用中更为方便，然而，其成本和日常的维护费用却远远高出其他检测方法。另外，各类辐射，电磁场对波频检测影响，不同气候，光照，阴影对视频检测的影响，都亟待人们为之提供有效的解决办法。
为此，本发明借助车联网信标机制的特征，结合定向天线的固有物理性质，根据不同的道路环境及检测要求，通过选择特定规格的定向天线，设计了基于定向天线的车流检测方法。考虑到定向天线可以更加充分的利用空间资源，提高网络的频率利用率，增大无线通信网络的容量，同时还可以进行远距离通信，被探测概率低，建设成本和日常维护费用低廉，相信会在未来车流检测的应用中发挥更重要的作用。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种基于定向天线的十字路口车流检测方法与装置。
为实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种基于定向天线的十字路口车流检测方法，具体包括如下步骤：
步骤一，车流检测区域设置：信标接收装置A、B、C和D分别安装在十字路口的四个红绿灯上，每个信标接收装置都配备一定规格的定向天线，在十字路口的四个不同的方向上，分别形成四个矩形区域，每个矩形区域的形成方式如下：定向天线的主瓣在垂直方向上的覆盖下界切面与道路路面的交线设为BC，定向天线的主瓣在垂直方向上的覆盖上界切面与道路路面的交线设为DE，与道路路沿CE和BD所形成的矩形区域为BDEC；这四个矩形区域即构成十字路口整体的车流检测区域；
步骤二，信标消息采集：信标接收装置A、B、C和D完成车辆信标消息采集工作，并传送到数据处理模块；
步骤三，信标消息处理：利用数据处理模块将步骤二采集到的车辆信标消息进行分析处理，完成车流统计、车辆行驶方向的识别；
步骤四，无线数据传输：将步骤三中得到的交通检测信息通过无线传输模块传送至远程监控系统；
步骤五，远程监控系统利用步骤四中上传的交通检测信息完成交通流统计以及远程监控；监控系统中的信息由数据存储模块进行存储，车辆检测过程结束。
进一步地，所述步骤一的具体实现方法如下：
步骤101，信标接收装置A、B、C和D分别安装在十字路口的四个红绿灯上；设十字路口某一方向道路处定向天线的下倾角为α，水平波瓣宽度为β，定向天线的挂高高度为H，道路宽度为Width，四者之间的关系满足：
Width＝2*H*sin(β/2)/sinα
步骤102，每个信标接收装置都配备一定规格的定向天线，所述一定规格的定向天线的确定过程如下：
首先，选择满足条件1)-2)的定向天线：
1)天线覆盖范围D大于十字路口处天线的最小覆盖范围Dmin：
Dmin＝10*T*vmax
其中，T为信标消息的发送周期，vmax为十字路口最高车速，Dmin为十字路口处定向天线的最小覆盖范围；
D＝H/tan(α-θ/2)-H/tan(α+θ/2)≥H/tanα-H/tan(α+θ/2)
其中，α为天线下倾角，θ为垂直波瓣宽度，H为天线的挂高高度，D为天线覆盖范围；
2)通信功率-路径损耗≥接收灵敏度下限，路径损耗FSPL的计算公式如下：
FSPL＝20lg dmax+20lg f+32.44-Gtx-Grx
其中，f为信号频率，Gtx为发射天线的增益，Grx为接收天线的增益，dmax为天线信号的最远路径，即：
dmax＝H/(sinα*cos(β/2))
其次，选择最优的定向天线
计算满足步骤101条件的天线的塔下黑现象影响的范围DT，选取DT最小的天线；
DT＝H/tan(α+θ/2)；
步骤103，定向天线的主瓣在垂直方向上的覆盖下界切面与道路路面的交线设为BC，定向天线的主瓣在垂直方向上的覆盖上界切面与道路路面的交线设为DE，道路路沿为CE和BD，则形成的矩形区域为BDEC即构成了十字路口一个方向上的车流检测区域；
步骤104，十字路口四个方向上的矩形区域，构成了十字路口车流检测的整体检测区域。
进一步地，所述步骤二的具体实现方法如下：
步骤201，信标接收装置的输入端连接同步标定模块的输出端，对接收到的信标消息设置时间戳；
步骤202，信标接收装置的输出端通过RS485总线连接数据处理模块；每个车载广播单元都设定有一个唯一的64位MAC地址，记作EUI-64；信标接收装置接收车载广播单元广播的信标消息并将车辆标识信息EUI-64、信标消息接收时对应的时间戳以及信标接收装置名称通过RS458总线传输至数据处理模块。
进一步地，所述步骤三的具体实现方法如下：
步骤301，数据处理模块使用一个特殊的数据结构记录驶过检测区域车辆的相关信息；该数据结构是由若干条记录组成的一张表T，每辆车对应一条记录，每条记录由7个数据项组成，具体包括车辆的标识信息EUI-64、第一次接收到信标消息的信标接收装 置EnterDevice、第一次接收到信标消息的时间戳FirstTime、当前接收到信标消息的信标接收装置CurrentDevice、当前接收到信标消息的时间戳LastTime、车辆行驶方向信息Direction、信标接收装置接收到的相同EUI-64的信标消息总数Count；表T初始状态为空，对表中的EUI-64统计，对车辆进行计数；
步骤302，数据处理模块通过RS485总线传输到的信息动态地对表T进行维护；具体方法如下：
①增加记录操作，根据RS485总线收到的信息中的EUI-64信息，查询表T中的每条记录；若无该EUI-64信息，代表一辆新的车辆驶入检测区域，则在表T中增加一条新的记录，并设置该记录相应的数据项；其中，EUI-64项为相应的车辆MAC地址值；EnterDevice项和CurrentDevice项置为接收此信标消息的信标接收装置名称；FirstTime项和LastTime置为接收到此信标消息的时间戳，Count项置1，Direction项记为Null，完成增加记录操作；
②更新记录操作，根据RS485总线收到信标消息中的EUI-64信息，以一定周期查询表T中已有的每条记录，若已存在该EUI-64信息，则在数据结构中更新该EUI-64信息对应的数据项，主要包括：CurrentDevice项置为当前信标消息的信标接收装置名称；LastTime置为当前信标消息的时间戳值；Count值为计数值，进行加1操作；Direction项包括两种情况：若CurrentDevice与EnterDevice项相同，则Direction项记为空；若CurrentDevice与EnterDevice项不同，则Direction项记为EnterDevice-CurrentDevice；
③删除记录操作，数据处理模块以一定周期对表T中的每一条记录进行遍历，定义车辆等待三个红灯所需的时间即为遍历周期；若当前遍历时间与某条记录的LastTime的差值大于该遍历周期，则认为车辆已经离开检测区域，将该条记录通过无线方式上传至远程监控系统，传输成功后删除数据结构中对应的表项。
进一步地，所述步骤五的具体实现方法如下：
步骤501，每条记录中的LastTime作为车辆通过观测点的时间，远程监控系统可以根据需要利用上传记录对特定时段内的EUI-64进行统计得到虚拟检测区域总体或某一特定方向上的交通流量，同时，利用EUI-64信息向交管部门查询车辆的车型信息，进行车流统计时还可根据车型加入一定的修正系数；
步骤502，监控系统中的信息由数据存储模块进行存储，用于日后的离线数据分析等工作。
一种基于定向天线的十字路口车流检测装置，包括车载广播单元、信标接收装置A、 信标接收装置B、信标接收装置C、信标接收装置D、同步标定模块、RS485总线、数据处理模块、无线传输模块、远程监控系统和数据存储模块；
所述的车载广播单元分别与信标接收装置A、信标接收装置B、信标接收装置C、信标接收装置D实现信息互通，每个信标接收装置都配备一定规格的定向天线；同步标定模块分别与信标接收装置A、信标接收装置B、信标接收装置C、信标接收装置D相连通；信标接收装置A、信标接收装置B、信标接收装置C、信标接收装置D通过RS485总线与数据处理模块相连通；数据处理模块通过无线传输模块与远程监控系统相连通；远程监控系统和数据存储模块相连通；
所述的车载广播单元用于发射信标消息，每个信标信息包含唯一的64位MAC地址信息；
所述的信标接收装置用于接收车载广播单元发射的信标消息，并传输到数据处理模块；
所述的同步标定模块用于对信标接收装置接收到的信标消息的时间同步标定，对信标消息设置时间戳；
所述的数据处理模块对信标接收装置采集到的信标消息进行分析处理，进行车流统计、车辆行驶方向识别；
所述的无线传输模块将分析处理后的交通检测信息，传送至远程监控模块；
所述的远程监控模块利用无线传输模块上传的交通检测信息进行交通流统计以及远程监控；
所述数据存储模块对监控系统中的信息进行存储。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、本发明通过在十字路口建立检测区域，实现在检测区域内接收信标信息的功能，完成对十字路口交通流的检测和道路实时交通状况的监控。
2、本发明利用定向天线检测车流，克服传统蓝牙设置等方法易出现的相互干扰且检测范围狭窄的情况；定向天线其覆盖范围广，使得车流检测更加准确，且能够针对十字路口区域的车辆行驶转弯等特殊性，进行车流量的准确检测。
3、本发明所设计的系统数据处理过程简便，搭建成本低廉，维护升级快捷，可以实现全天候的交通流检测，准确度高，必将为道路规划，交通规划，可行性研究，道路设计等方面提供可靠依据，实现车流更为准确的检测。
4、本发明用于高效、精确的监测交通状况，实现低成本、高性能、便于维护的路况信息采集和监控。
附图说明
图1为本发明的结构框架示意图；
图2为波瓣宽度示意图；
图3为下倾角，水平波瓣宽度，天线的挂高高度与道路宽度之间计算公式的关系演示图；
图4为定向天线覆盖范围计算公式的三角关系演示图；
图5为十字路口一个方向上的车流检测区域示意图；
图6为十字路口整体车流检测区域示意图；
图7为信标消息处理流程图。
下面结合附图和实施例对本发明的方案做进一步的解释和说明。
具体实施方式
遵从上述技术方案，本发明的基于定向天线的十字路口车流检测装置，包括车载广播单元、信标接收装置A、信标接收装置B、信标接收装置C、信标接收装置D、同步标定模块、RS485总线、数据处理模块、无线传输模块、远程监控系统和数据存储模块；
所述的车载广播单元分别与信标接收装置A、信标接收装置B、信标接收装置C、信标接收装置D实现信息互通，每个信标接收装置都配备一定规格的定向天线；同步标定模块分别与信标接收装置A、信标接收装置B、信标接收装置C、信标接收装置D相连通；信标接收装置A、信标接收装置B、信标接收装置C、信标接收装置D通过RS485总线与数据处理模块相连通；数据处理模块通过无线传输模块与远程监控系统相连通；远程监控系统和数据存储模块相连通；
所述的车载广播单元用于发射信标消息，每个信标信息包含唯一的64位MAC地址信息；所述的信标接收装置用于接收车载广播单元发射的信标消息，并传输到数据处理模块；所述的同步标定模块用于对信标接收装置接收到的信标消息的时间同步标定，对信标消息设置时间戳；所述的数据处理模块对信标接收装置采集到的信标消息进行分析处理，进行车流统计、车辆行驶方向识别；所述的无线传输模块将分析处理后的交通检测信息，传送至远程监控模块；所述的远程监控模块利用无线传输模块上传的交通检测信息进行交通流统计以及远程监控；所述数据存储模块对监控系统中的信息进行存储。
参见图1，本发明的基于定向天线的十字路口车流检测方法，利用车载广播单元发送信号，信号被信标接收装置A、B、C和D接收，完成车辆信标消息的采集；通过RS485 总线，将采集到的车辆信标消息传输到数据处理模块，并对车辆信标消息进行分析处理，实现车流的统计和车辆行驶方向的识别；将数据处理模块得到的交通检测信息通过无线传输模块传输到远程监控系统，实现交通流的统计以及远程监控；监控系统中的信息由数据存储模块进行存储：其具体实现方法如下：
步骤一，车流检测区域设置：参见图5和6，信标接收装置A、B、C和D分别安装在十字路口的四个红绿灯上，每个信标接收装置都配备一定规格的定向天线，在十字路口的四个不同的方向上，分别形成四个矩形区域，每个矩形区域的形成方式如下：定向天线的主瓣在垂直方向上的覆盖下界切面与道路路面的交线为BC，定向天线的主瓣在垂直方向上的覆盖上界切面与道路路面的交线为DE，与道路路沿CE和BD形成的矩形区域为BDEC。这四个矩形区域即构成十字路口整体的车流检测区域；
上述步骤一中车流检测区域的设置方法如下：
步骤101，信标接收装置A、B、C和D分别安装在十字路口的四个红绿灯上；图2给出了垂直波瓣宽度与水平波瓣宽度的简易图，波瓣宽度为无线电波辐射形成的扇形张开的角度，它被定义为比最大辐射方向上的功率下降3dB的两个方向之间的夹角。在竖直面上的波瓣宽度为垂直波瓣宽度θ，在水平面上的波瓣宽度为水平波瓣宽度β，二者确定了天线在某一方向上的覆盖区域。图3给出了十字路口某一方向道路处下倾角α，水平波瓣宽度β，天线的挂高高度H与道路宽度Width之间的关系，可知四者关系满足：
Width＝2*H*sin(β/2)/sinα (1)
由式(1)可知，在道路宽度Width、天线的挂高高度H一定时，对应不同的水平波瓣宽度β可算出相应下倾角α。
步骤102，天线型号和下倾角α设置的合理性验证。考虑到天线的选型关系到无线网络的覆盖范围和服务质量，需要针对天线的电气性能进行合理的选择和设置。定向天线参数选择和设置主要包括以下几个方面：本发明从三个方面对天线型号和下倾角α的设置在本发明所述场景中的合理性进行判定，具体包括：
1)根据天线覆盖范围进行验证。车载移动终端行驶在十字路口信标接收装置的覆盖范围内，信标接收装置应至少接收到一个来自车载移动终端的信标消息。定义天线最小覆盖范围Dmin为接收到信标消息所需的最短距离。文献“城市车载Adhoc网络中丢包率和丢包因素的仿真分析”中给出了不同节点密度下网络丢包率始终保持在40％以上， 节点数目为190时丢包率升至77.4％，同时，丢包率随着节点密度的增加而增加。考虑到十字路口处车辆密度较大，信标消息在广播过程中容易发生报文重传以致造成网络拥塞，报文发送队列队满以及接收到重复报文的情况，本发明假设信标消息在广播过程中的丢包率为90％，即车载移动终端行驶在十字路口处信标接收装置的覆盖范围中时至少需要发送10个信标消息。结合信标消息的发送周期T，十字路口最高车速vmax，可知，本发明中的十字路口处定向天线的最小覆盖范围Dmin为：
Dmin＝10*T*vmax (2)
参见图3和4，本发明中定义天线覆盖范围D为天线水平方向上最远的覆盖范围与塔下黑范围的差值，可得下倾角α与垂直波瓣宽度θ，天线的挂高高度H，天线覆盖范围D的满足如下关系：
D＝H/tan(α-θ/2)-H/tan(α+θ/2)≥H/tanα-H/tan(α+θ/2) (3)
记H/tanα-H/tan(α+θ/2)为D′，易得，若D′≥Dmin成立，则D≥Dmin必成立，则认为此时天线的覆盖范围满足车载移动终端对最小天线覆盖范围的要求，也就是该型号天线与设置的下倾角满足本发明所述十字路口场景中对覆盖范围的要求；
2)根据接收灵敏度进行验证。参见图3，定义定向天线的信号在十字路口场景下的最远路径为dmax，定向天线安装位置为A点，平分定向天线的主瓣在垂直方向上的覆盖下界切面与下界切面形成的夹角即垂直波瓣宽度θ平面，其与道路横断面的交线为BC，则AC或AB即为最远路径dmax，则最远路径dmax与天线的挂高高度H，下倾角α，水平波瓣宽度β满足：
dmax＝H/(sinα*cos(β/2)) (4)
对一定的接收设备而言，为了成功接收到信号，接收设备的灵敏度的下限、天线的发射功率以及传播过程中的路径损耗应满足：
通信功率(dBm)-路径损耗(dB)≥接收灵敏度下限(dBm) (5)
其中的通信功率包括两部分，即天线的发射功率和增益，这两部分构成了天线发射电磁波的总能量，本发明天线发射通信功率满足：发射功率≤500mW，增益≤27dBm；路径损耗(单位：dB)反映了信号在环境中传播时的损耗，空气中的损耗可近似看成理想无干扰无障碍的自由空间路径损耗FSPL，考虑发射天线增益和接收天线增益，则：
FSPL＝20lgdmax+20lgf+32.44-Gtx-Grx (6)
其中，f为信号频率，本发明中信号频率为5.8GHz，故f为5.8GHz，Gtx为发射天线的增益，本发明中发射天线为安装在移动车载终端的全向天线，可以认为是理想的全向天线，其增益为1dBi，Grx为接收天线的增益，dmax为最远路径；根据电气和电子工程师协会发布的IEEEStd802.11p协议标准，频道间隔为10MHz时最小的接收灵敏度为-68dB，故若式(5)左端计算结果大于-68dB，则可以认为该型号天线与设置的下倾角满足本专利所述十字路口场景中对灵敏度的要求；
根据天线塔下黑现象影响的范围进行优选。参见图3，塔下黑是指在基站正下方没有信号覆盖，天线下方出现覆盖空洞的现象，记塔下黑现象影响的范围为DT，则其与天线垂直波瓣宽度θ和下倾角α之间满足：
DT＝H/tan(α+θ/2) (7)
由于是针对十字路口的车流检测，四个方向上每条道路上的检测区域在设置时应尽可能的接近十字路口的中点。由式(7)可以得到天线塔下黑范围，天线选型时，在同等条件下，选取塔下黑的范围最小的那个天线。
步骤103，参见图5，定向天线的主瓣在垂直方向上的覆盖上下界切面和道路横断面的交线与道路两侧路沿所构成的矩形区域，即构成了十字路口一个方向上的车流检测区域；
步骤104，参见图6，十字路口四个方向上的矩形区域，即构成了十字路口车流检测的整体检测区域。
步骤二，信标消息采集：信标接收装置A、B、C、D完成车辆信标消息采集工作，并传送到数据处理模块；具体包括以下步骤：
步骤201，信标接收装置的输入端连接同步标定模块的输出端，同步标定模块可采用GPRS定位系统，所述同步标定模块用于信标消息的接收时间同步标定，对接收到的信标消息设置时间戳；
步骤202，信标接收装置的输出端通过RS485总线连接数据处理模块，所述的数据处理模块可采用PC机对数据进行处理。每个车载广播单元都设定有一个唯一的64位MAC地址，记作EUI-64；信标接收装置接收车载广播单元广播的信标消息并将车辆标识信息EUI-64、信标消息接收时对应的时间戳以及信标接收装置名称(A、B、C、D)通过RS458总线传输至数据处理模块；
步骤三，信标消息处理：利用数据处理模块将步骤二采集到的车辆信标消息进行分析处理，完成车流统计、车辆行驶方向识别；具体步骤如下：
步骤301，数据处理模块使用一个特殊的数据结构记录驶过检测区域车辆的相关信息。该数据结构是由若干条记录组成的一张表T，每辆车对应一条记录，每条记录由7个数据项组成，具体包括车辆的标识信息EUI-64、第一次接收到信标消息的信标接收装置名称EnterDevice、第一次接收到信标消息的时间戳FirstTime、当前接收到信标消息的信标接收装置名称CurrentDevice、当前接收到信标消息的时间戳LastTime、车辆行驶方向信息Direction、信标接收装置接收到的相同EUI-64的信标消息总数Count。表T结构如表1所示，表1初始状态为空，对表中的EUI-64统计，实现车辆计数；
步骤302：数据处理模块通过RS485总线传输到的信息动态地对表T进行维护；具体方法如下：
①增加记录操作。根据RS485总线收到的信息中的EUI-64信息，查询表T中的每条记录。若无该EUI-64信息，代表一辆新的车辆驶入检测区域，则在表T中增加一条新的记录，并设置该记录相应的数据项。其中，EUI-64项为相应的车辆MAC地址值；EnterDevice项和CurrentDevice项置为接收此信标消息的信标接收装置名称(A、B、C、D)；FirstTime项和LastTime置为第一次以及当前次接收到此信标消息的时间戳，Count项置1，Direction项记为Null，完成增加记录操作；
②更新记录操作。根据RS485总线收到信标消息中的EUI-64信息，查询表T中已有的每条记录，查询周期为10～20s，若已存在该EUI-64信息，则在数据结构中更新该EUI-64信息对应的数据项，主要包括：CurrentDevice项置为当前信标消息的信标接收装置名称(A、B、C、D中的一个)；LastTime置为当前信标消息的时间戳值；Count值为计数值，进行加1操作；Direction项包括两种情况：若CurrentDevice与EnterDevice项相同，则Direction项记为空；若CurrentDevice与EnterDevice项不同，则Direction项记为EnterDevice-CurrentDevice(A-B、A-C、A-D、B-A、B-C、B-D、C-A、C-B、C-D、D-A、D-B、D-C中的一个)，由此即可得到车辆不同的行驶方向，从而可对不同行驶方向上车辆进行分类别的车流检测。
③删除记录操作。数据处理模块以一定周期对表T中的每一条记录进行遍历。若当前遍历时间与某条记录的LastTime的差值大于该遍历周期，则认为车辆已经离开检测区域，将该条记录通过无线方式上传至远程监控系统，传输成功后删除数据结构表T中对应的表项。本发明中假设遍历周期为车载移动终端驶过十字路口所需的时间，记为Tv， 则Tv在计算过程中主要包括两方面：一是等待红绿灯的时间，二是通过整个检测区域所需时间，考虑到车辆行驶在十字路口处经过检测区域的时间远小于等待红绿灯的时间，本发明定义车辆等待三个红灯所需的时间即为遍历周期。
步骤四，无线数据传输：将步骤三中得到的交通检测信息，即车流统计结果以及车辆行驶方向识别结果，通过无线传输模块,传送至远程监控系统；
步骤五，远程监控系统利用步骤四中上传的交通检测信息完成交通流统计以及远程监控；监控系统中的信息由数据存储模块进行存储。
车辆检测过程结束。具体包括如下步骤：
步骤501，据中华人民共和国公共安全行业标准《GA/T 299-2001道路交通流量调查》，十字路口当量交通流量换算，换算系数应乘以十字路口类型修正系数及十字路口流向修正系数；本发明中涉及的十字路口类型为灯管平交，其修正系数为2，交通组织方式为有分隔与路口定向车道，其左转修正系数为1.5，直行修正系数为1，右转修正系数为1—即数据结构中记录的左转车辆(对应表T中Direction表项为D-C，C-B，B-A,，A-D)修正系数为3，对应三辆车；直行及右转(对应表T中Direction表项为A-C，C-A，B-D，D-B，A-B，B-C，C-D，D-A)车辆修正系数为2，对应两辆车。每条记录中的LastTime可以当作车辆通过观测点的时间，因此远程监控系统可以根据需要利用上传记录对特定时段内(如5分钟，15分钟，30分钟，1小时等)的EUI-64进行统计得到虚拟检测区域总体或某一特定方向上的交通流量，同时，利用EUI-64信息向交管部门查询车辆的车型信息，进行车流统计时还可根据车型加入一定的修正系数。
步骤502，监控系统中的信息由数据存储模块进行存储，用于日后的离线数据分析等工作。
实施例：
本实施例的基于定向天线的十字路口车流检测方法，其具体实现方法如下：
步骤一，车流检测区域设置，其具体设置方法如下：
步骤101，信标接收装置A、B、C和D分别架设在十字路口的四个红路灯上，每个信标接收装置都配备一定规格的定向天线。定向天线参数选择和设置主要包括以下几个方面：
①计算下倾角α。分别对表1中型号为AIR-ANT5114-P2M-N、TL-ANT5823B、TL-ANT5830B的天线进行参数验证。根据国家《城市规划定额指标暂行规定》的有关规定，道路可划分为四级，城市主干道隶属二级道路，道路总宽范围为30～60m，此实施 例中假设道路宽度Width为45m；根据道路交通信号灯设置与安装规范(国标GBGB14886-2006)要求，悬臂式信号灯的安装高度为5.5米～7米，此实施例中天线的挂高高度H为6m，依据公式(1)，可以得到下倾角α与水平波瓣宽度β满足：
45＝2*6*sin(β/2)/sinα (8)
表2给出了对应不同型号天线，水平波瓣宽度β所对应的下倾角α的值。
表1常见定向天线产品参数表
Product Name Frequency Range/GHz Gain/dBi β/H° θ/V°
AIR-ANT5114P2M-N 5.15-5.9 14 30 30
TL-ANT5823B 5.15-5.85 23 12 12
TL-ANT5830B 5.15-5.85 30 4 6
②天线型号和下倾角α设置的合理性验证。本实施例从两个方面对天线型号和下倾角α的设置在本实施例所述场景中的合理性进行判定，具体包括：
1)根据天线覆盖范围进行验证。根据欧洲电信标准化协会(ETSI)发布的车路协同系统标准，协同感知消息(CAM，Cooperative Awareness Message)的最小生成时间间隔为100ms，本实施例中设信标消息发送周期T为100ms；城市道路限速为70Km/h，根据式(2)，可得天线的最小覆盖范围Dmin为19.4m；表2给出了不同型号的天线在垂直波瓣宽度θ、下倾角α一定时，根据式(3)所计算的D′的值，可以看到，所讨论的三种型号的天线均满足D≥Dmin，即这三种型号的天线和对应设置的下倾角均满足本发明所述十字路口场景中对覆盖范围的要求；
2)根据灵敏度进行验证。根据式(4)，表2给出了三种型号天线在已知下倾角和水平波瓣宽度的情况下所计算的天线的最远路径dmax，再结合三种型号天线对应的不同增益，根据式(6)，计算出了对应的自由空间路径损耗，再根据式(5)左端可得对应灵敏度下限，三种型号天线的灵敏度下限均大于-68dB，认为这三种型号的天线与设置的下倾角满足本专利所述十字路口场景中对灵敏度的要求；
步骤102，根据天线塔下黑现象影响的范围进行优选。根据式(7)，表2给出了在垂直波瓣宽度θ、下倾角α一定时塔下黑现象影响的范围，可知型号为AIR-ANT5114-P2M-N的天线相比另外的两个定向天线塔下黑现象的影响范围最小，因而认为型号为AIR-ANT5114-P2M-N的天线与设置的下倾角更符合本专利所述十字路口场景中对塔下黑影响的要求。
也就是说，适合于本专利所述场景的天线型号为AIR-ANT5114-P2M-N，其下倾角应设为3.96°。
表2实施例中对应不同型号天线所得的参数验证计算结果表
Product Name α/° D′/m dmax/m FSPL/dB 灵敏度下限/dBi 塔下黑距离/m
ATR-ANT5114P2M-N 3.96 69.25 89.9 71.78375 -44.78375 17.46
TL-ANT5823B 1.597 170.2 216.47 70.41651 -43.41651 44.98
TL-ANT5830B 0.533 547 645.1 72.9011 -45.9011 97.18
步骤103，参见图5，定向天线的主瓣在垂直方向上的覆盖上界切面与道路横断面的交线DE，定向天线的主瓣在垂直方向上的覆盖下界切面与道路横断面的交线BC，与道路路沿CE和BD所构成的矩形区域BDEC即构成了十字路口一个方向上的车流检测区域；
步骤104，参见图6，四个车流检测区域A1，B1，C1，D1即构成十字路口整体的车流检测区域。
步骤二，信标消息采集：信标接收装置A、B、C、D完成车辆信标消息采集工作，并传送到数据处理模块，得到交通检测信息；参见图1，具体包括以下步骤：
步骤201，信标接收装置A、信标接收装置B、信标接收装置C、信标接收装置D的输入端连接同步标定模块的输出端，所述同步标定模块用于信标消息接收时间同步标定，对接收到的信标信息设置时间戳；所述的同步标定模块可采用GPRS定位系统。
步骤202，信标接收装置A、信标接收装置B、信标接收装置C、信标接收装置D的输出端通过RS485总线连接数据处理模块。每个车载广播单元都设定有一个唯一的64位MAC地址，记作EUI-64；信标接收装置(A、B、C、D)接收车载广播单元广播的信标消息并将车辆标识信息EUI-64、信标消息接收时对应的时间戳以及信标接收装置名称(A、B、C、D)通过RS485总线传输至数据处理模块；
步骤三，信标消息处理：利用数据处理模块将步骤二中信标接收装置A、B、C、D采集的车辆信标消息进行分析处理，完成车流统计、车辆行驶方向识别；所述的数据处理模块可采用PC机。
具体包括以下步骤：
步骤301，数据处理模块使用一个特殊的数据结构记录驶过检测区域车辆的相关信息。该数据结构是由若干条记录组成的一张表T，每辆车对应一条记录，每条记录由7个数据项组成，具体包括车辆的标识信息EUI-64、第一次接收到信标消息的信标接收装置名称EnterDevice、第一次接收到信标消息的时间戳FirstTime、当前接收到信标消息的信标接收装置名称CurrentDevice、当前接收到信标消息的时间戳LastTime、车辆行驶方 向信息Direction、信标接收装置接收到的相同EUI-64的信标消息总数Count。表T结构如表3所示，表3初始状态为空；
表3数据结构表T
步骤302，参见表4，参数据处理模块通过RS485总线传输到的信息动态地对表T进行维护：具体方法如下：
①增加记录操作。假设信标接收装置A在202.46297s时接收到了EUI-64为02:0C:85:FF:FE:AB:03:73的车载移动终端消息，由于在表T中没有检查到相应的EUI-64记录，判定该移动终端正在驶入检测区域，则在表T中增加一条新的记录，并设置其EUI-64项为02:0C:85:FF:FE:AB:03:73，EnterDevice项和CurrentDevice项均置为“A”，FirstTime项和LastTime均置为202.46297，Count项置“1”，Direction项置为Null。
②更新记录操作。以10s～20s为周期对表T进行更新，更新记录操作包含两种情况：
a.假设信标接收装置B在202.82946s时接收到了EUI-64为02:0C:85:FF:FE:AB:03:42的车载移动终端消息，查询表T可知该EUI-64信息已存在，且EnterDevice项亦为“B”，则EUI-64项、EnterDevice项、FirstTime项和Direction项保持不变，CurrentDevice项置为“B”，LastTime项置为202.82946，Count项加1；
b.假设信标接收装置C在202.46923s时接收到了EUI-64为02:0C:85:FF:FE:AB:03:27的车载移动终端消息，查询表T可知该EUI-64信息已存在，其EnterDevice项为“B”，则表T中EUI-64项、EnterDevice项、FirstTime项保持不变，LastTime项置为202.46923，CurrentDevice项置为“C”，Direction项置为“B-C”，Count项加1。
③删除记录操作。假设红灯时长60s，绿灯时长30s，则等待三个红灯的时间为240s；故而遍历周期Tv为240s。数据处理模块以240s为周期对表T中的每一条记录进行遍历。若某条记录的LastTime与FirstTime的差值的大于240，则认为车辆已经离开检测区域，将该条记录通过无线方式上传至远程监控系统，传输成功后删除数据结构中对应表项。
表4实施例中的数据结构表
EUI-64 EnterDevice FirstTime CurrentDevice LastTime Count Direction
02:0C:85:FF:FE:AB:03:73 A 202.46297 A 202.46297 1 Null
02:0C:85:FF:FE:AB:03:42 B 178.42964 B 202.82946 102 Null
02:0C:85:FF:FE:AB:03:27 B 104.64189 C 202.46923 472 B-C
步骤四，无线数据传输：将步骤三得到的交通检测信息，即车流统计结果以及车辆行驶方向识别结果，通过无线传输模块传送至远程监控系统；所述的无线传输模块包括发射器、接收器和控制器。
步骤5，远程监控系统利用步骤四中上传的交通检测信息完成交通流统计以及远程监控；监控系统中的信息由数据存储模块进行存储，车辆检测过程结束。所述的远程监控模块包括交通流量监测中心的视频监控系统的操作主机。所述的数据存储模块包括电脑硬盘。
具体包括以下步骤：
步骤501，根据中华人民共和国公共安全行业标准《GA/T 299-2001道路交通流量调查》，十字路口当量交通流量换算，换算系数应乘以十字路口类型修正系数及十字路口流向修正系数，本实施例中涉及的十字路口类型为灯管平交，其修正系数为2，交通组织方式为有分隔与路口定向车道，其左转修正系数为1.5，直行修正系数为1，右转修正系数为1——即数据结构中记录的左转车辆(对应表3中的Direction表项为D-C，C-B，B-A,，A-D)修正系数为3，对应三辆车；直行及右转(对应表3中的Direction表项为A-C，C-A，B-D，D-B，A-B，B-C，C-D，D-A)车辆修正系数为2，对应两辆车。每条记录中的LastTime可以当作车辆通过观测点的时间，因此远程监控系统可以根据需要利用上传记录对特定时段内(如5分钟，15分钟，30分钟，1小时等)的EUI-64进行统计得到虚拟检测区域总体或某一特定方向上的交通流量，同时，利用EUI-64信息向交管部门查询车辆的车型信息，进行车流统计时还可根据车型加入一定的修正系数；
步骤502，监控系统中的信息由数据存储模块进行存储，用于日后的离线数据分析等工作。

Claims (4)

1.一种基于定向天线的十字路口车流检测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一，车流检测区域设置：信标接收装置A、B、C和D分别安装在十字路口的四个红绿灯上，每个信标接收装置都配备一定规格的定向天线，在十字路口的四个不同的方向上，分别形成四个矩形区域，每个矩形区域的形成方式如下：定向天线的主瓣在垂直方向上的覆盖下界切面与道路路面的交线设为BC，定向天线的主瓣在垂直方向上的覆盖上界切面与道路路面的交线设为DE，与道路路沿CE和BD所形成的矩形区域为BDEC；这四个矩形区域即构成十字路口整体的车流检测区域；
步骤二，信标消息采集：信标接收装置A、B、C和D完成车辆信标消息采集工作，并传送到数据处理模块；
步骤三，信标消息处理：利用数据处理模块将步骤二采集到的车辆信标消息进行分析处理，完成车流统计、车辆行驶方向的识别；
步骤四，无线数据传输：将步骤三中得到的交通检测信息通过无线传输模块传送至远程监控系统；
步骤五，远程监控系统利用步骤四中上传的交通检测信息完成交通流统计以及远程监控；监控系统中的信息由数据存储模块进行存储，车辆检测过程结束；
所述步骤二的具体实现方法如下：
步骤201，信标接收装置的输入端连接同步标定模块的输出端，对接收到的信标消息设置时间戳；
步骤202，信标接收装置的输出端通过RS485总线连接数据处理模块；每个车载广播单元都设定有一个唯一的64位MAC地址，记作EUI-64；信标接收装置接收车载广播单元广播的信标消息并将车辆标识信息EUI-64、信标消息接收时对应的时间戳以及信标接收装置名称通过RS458总线传输至数据处理模块。
2.如权利要求1所述的基于定向天线的十字路口车流检测方法，其特征在于，所述步骤一的具体实现方法如下：
步骤101，信标接收装置A、B、C和D分别安装在十字路口的四个红绿灯上；设十字路口某一方向道路处定向天线的下倾角为α，水平波瓣宽度为β，定向天线的挂高高度为H，道路宽度为Width，四者之间的关系满足：
Width＝2*H*sin(β/2)/sinα
步骤102，每个信标接收装置都配备一定规格的定向天线，所述一定规格的定向天线的确定过程如下：
首先，选择满足条件1)-2)的定向天线：
1)天线覆盖范围D大于十字路口处天线的最小覆盖范围Dmin：
Dmin＝10*T*vmax
其中，T为信标消息的发送周期，vmax为十字路口最高车速，Dmin为十字路口处定向天线的最小覆盖范围；
D＝H/tan(α-θ/2)-H/tan(α+θ/2)≥H/tanα-H/tan(α+θ/2)
其中，α为天线下倾角，θ为垂直波瓣宽度，H为天线的挂高高度，D为天线覆盖范围；
2)通信功率-路径损耗≥接收灵敏度下限，路径损耗FSPL的计算公式如下：
FSPL＝20lgdmax+20lgf+32.44-Gtx-Grx
其中，f为信号频率，Gtx为发射天线的增益，Grx为接收天线的增益，dmax为天线信号的最远路径，即：
dmax＝H/(sinα*cos(β/2))
其次，选择最优的定向天线
计算满足步骤101条件的天线的塔下黑现象影响的范围DT，选取DT最小的天线；
DT＝H/tan(α+θ/2)；
步骤103，定向天线的主瓣在垂直方向上的覆盖下界切面与道路路面的交线设为BC，定向天线的主瓣在垂直方向上的覆盖上界切面与道路路面的交线设为DE，道路路沿为CE和BD，则形成的矩形区域为BDEC即构成了十字路口一个方向上的车流检测区域；
步骤104，十字路口四个方向上的矩形区域，构成了十字路口车流检测的整体检测区域。
3.如权利要求1所述的基于定向天线的十字路口车流检测方法，其特征在于，所述步骤三的具体实现方法如下：
步骤301，数据处理模块使用一个特殊的数据结构记录驶过检测区域车辆的相关信息；该数据结构是由若干条记录组成的一张表T，每辆车对应一条记录，每条记录由7个数据项组成，具体包括车辆的标识信息EUI-64、第一次接收到信标消息的信标接收装置EnterDevice、第一次接收到信标消息的时间戳FirstTime、当前接收到信标消息的信标接收装置CurrentDevice、当前接收到信标消息的时间戳LastTime、车辆行驶方向信息Direction、信标接收装置接收到的相同EUI-64的信标消息总数Count；表T初始状态为空，对表中的EUI-64统计，对车辆进行计数；
步骤302，数据处理模块通过RS485总线传输到的信息动态地对表T进行维护；具体方法如下：
①增加记录操作，根据RS485总线收到的信息中的EUI-64信息，查询表T中的每条记录；若无该EUI-64信息，代表一辆新的车辆驶入检测区域，则在表T中增加一条新的记录，并设置该记录相应的数据项；其中，EUI-64项为相应的车辆MAC地址值；EnterDevice项和CurrentDevice项置为接收此信标消息的信标接收装置名称；FirstTime项和LastTime置为接收到此信标消息的时间戳，Count项置1，Direction项记为Null，完成增加记录操作；
②更新记录操作，根据RS485总线收到信标消息中的EUI-64信息，以一定周期查询表T中已有的每条记录，若已存在该EUI-64信息，则在数据结构中更新该EUI-64信息对应的数据项，主要包括：CurrentDevice项置为当前信标消息的信标接收装置名称；LastTime置为当前信标消息的时间戳值；Count值为计数值，进行加1操作；Direction项包括两种情况：若CurrentDevice与EnterDevice项相同，则Direction项记为空；若CurrentDevice与EnterDevice项不同，则Direction项记为EnterDevice-CurrentDevice；
③删除记录操作，数据处理模块以一定周期对表T中的每一条记录进行遍历，定义车辆等待三个红灯所需的时间即为遍历周期；若当前遍历时间与某条记录的LastTime的差值大于该遍历周期，则认为车辆已经离开检测区域，将该条记录通过无线方式上传至远程监控系统，传输成功后删除数据结构中对应的表项。
4.如权利要求3所述的基于定向天线的十字路口车流检测方法，其特征在于，所述步骤五的具体实现方法如下：
步骤501，每条记录中的LastTime作为车辆通过观测点的时间，远程监控系统根据需要利用上传记录对特定时段内的EUI-64进行统计得到虚拟检测区域总体或某一特定方向上的交通流量，同时，利用EUI-64信息向交管部门查询车辆的车型信息，进行车流统计时还根据车型加入一定的修正系数；
步骤502，监控系统中的信息由数据存储模块进行存储，用于日后的离线数据分析工作。
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