CN108961774A - 一种基于地磁线圈的交通数据采集设备、方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地磁线圈的交通数据采集设备、方法和系统。其中，交通数据采集设备包括地磁感应模块、检测模块、数据传输模块和控制模块；地磁感应模块对交通数据进实时检测并产生相关的磁感信息，检测模块实时检测磁感信息并反馈给控制模块，由控制模块对磁感信息进行处理并作出响应得出交通状态数据，通过数据传输模块将交通状态数据传输至数据服务器；所述地磁感应模块包括地磁线圈和高频电流生成单元；由高频电流生成单元产生高频交变电流，并控制高频交变电流通过地磁线圈，地磁线圈在高频交变电流作用下产生交变的电磁场。本发明通过地磁感应来获取交通数据，从而更准确的获取道路的车流量、车型比例等信息，从而实现智能交通控制。

Description

一种基于地磁线圈的交通数据采集设备、方法和系统

技术领域

本发明涉及智能交通控制技术领域，特别涉及一种基于地磁线圈的交通数据采集设备、方法和系统。

背景技术

目前的公路行业在交通数据采集时，普遍采用卡口视频检测系统。卡口视频检测系统通过在高速公路上架设高清摄像机组，来抓拍车辆行驶信息，车辆行驶信息包括车速、交通数据、车牌号码等，将抓拍到图像或视频通过有线网络传输到后台硬盘录像机。卡口视频检测系统在统计交通数据方面，存在以下缺点:交通数据检测精度低，并且受天气影响比较大，雨雪雾天经常检测失效；在交通数据方面无提前预警功能；检测范围小，只能检测某一点的交通数据，不能因工作需要随意变换位置；施工复杂，系统的硬件和软件投入成本高。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于地磁线圈的交通数据采集设备和系统，旨在解决现有技术中交通数据采集系统成本高，检测精度低的问题。

为解决以上技术问题，本发明采取了以下技术方案：

一种基于地磁线圈的交通数据采集设备，包括地磁感应模块、检测模块、数据传输模块和控制模块；

所述地磁感应模块对交通数据进行实时检测并产生相关的磁感信息，所述检测模块实时检测所述磁感信息并反馈给所述控制模块，由所述控制模块对所述磁感信息进行处理并作出响应得出交通状态数据，通过所述数据传输模块将所述交通状态数据传输至数据服务器；

其中，所述地磁感应模块包括地磁线圈和高频电流生成单元；由所述高频电流生成单元产生高频交变电流，并控制所述高频交变电流通过地磁线圈，所述地磁线圈在所述高频交变电流作用下产生交变的电磁场。

作为本发明的改进，所述控制模块具体用于对磁感信息进行数据预处理获得磁场变化曲线，并对磁场变化曲线进行特征提取得到特征值。

作为本发明进一步的改进，所述数据传输模块具体用于对特征值进行模式识别，并通过神经网络进行并行处理和非线性转化处理，获得交通状态参数。

作为本发明进一步的改进，所述磁感信息为通过地磁线圈中的高频电流的频率。

作为本发明更进一步的改进，所述检测模块用于检测地磁线圈中的高频电流的频率变化。

作为本发明更进一步的改进，所述数据预处理包括：对磁感信息数据进行数据抽取，再进行数据压缩。

作为本发明又进一步的改进，所述特征值包括曲线峰值、曲线时间序列宽度、同一磁场变化值持续时间。

作为本发明又进一步的改进，所述高频电流生成单元包括：光耦芯片、电感器件、第一三极管、第二三极管、第一稳压二极管、第二稳压二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和第五电容，所述光耦芯片的VCC脚连接VCC供电端、还通过第一电阻连接光耦芯片的OUT脚，光耦芯片的OUT脚连接主控模块、也通过第二电阻连接光耦芯片的-脚，光耦芯片的+脚通过第三电阻连接8V供电端，所述第一三极管的基极通过依次第四电阻和第一电容接地、也通过第六电阻接地，所述第一三极管的发射极连接第八电阻的一端、第三电容的一端和第五电容的一端，第三电容的另一端连接第一三极管的集电极、电感器件的第2端和第一稳压二极管的正极、也通过第九电阻连接第二三极管的基极，第五电容的另一端接地，第一三极管的集电极连接第七电阻的一端和第二电容的一端，第七电阻的另一端和第二电容的另一端通过第五电阻连接第四电容的一端和第八电阻的另一端，所述第二三极管的基极通过第十电阻接地，第二三极管的集电极通过第十一电阻连接8V供电端，第二三极管的发射极接地。

作为本发明再进一步的改进，所述交通数据采集设备，还包括显示屏，所述显示屏与所述控制模块连接，用于显示控制模块响应的交通数据。

本发明还提供一种基于地磁线圈的交通数据处理系统，包括数据服务器和如上所述的交通数据采集设备，所述数据服务器与交通数据采集设备。

相较于现有技术，本发明提供的基于地磁线圈的交通数据采集设备和系统，其交通数据采集设备包括地磁感应模块、检测模块、数据传输模块和控制模块；所述地磁感应模块对交通数据进实时检测并产生相关的磁感信息，所述检测模块实时检测所述磁感信息并反馈给所述控制模块，由所述控制模块对所述磁感信息进行处理并作出响应得出交通状态数据，通过所述数据传输模块将所述交通状态数据传输至数据服务器；其中，所述地磁感应模块包括地磁线圈和高频电流生成单元；由所述高频电流生成单元产生高频交变电流，并控制所述高频交变电流通过地磁线圈，所述地磁线圈在所述高频交变电流作用下产生交变的电磁场。本发明通过地磁感应来获取交通数据，从而更准确的获取道路的车流量、车型比例等信息，从而实现智能交通控制。

附图说明

图1为本发明提供的基于地磁线圈的交通数据采集设备的结构框图。

图2为本发明提供的基于地磁线圈的交通数据采集设备的高频电流生成单元的电路图。

图3为本发明提供的基于地磁线圈的交通数据采集设备的交通数据采集方法的流程图。

图4为本发明提供的基于地磁线圈的交通数据采集设备的在路口应用实施例的示意图。

图5为本发明提供的基于地磁线圈的交通数据采集方法的路口实例的车辆识别准确率的统计表。

图6为本发明提供的交通数据处理系统的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当部件被称为“装设于”、“固定于”或“设置于”另一个部件上，它可以直接在另一个部件上或者可能同时存在居中部件。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者可能同时存在居中部件。

还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

请参阅图1，本发明提供的基于地磁线圈的交通数据采集设备，包括地磁感应模块11、检测模块12、数据传输模块13和控制模块14；所述控制模块14通过检测模块12与地磁感应模块11连接，所述控制模块14连接数据传输模块13。

其中，所述地磁感应模块11用于对交通数据进实时检测并产生相关的磁感信息。所述检测模块12用于实时检测所述磁感信息并反馈给所述控制模块14。所述控制模块14用于对所述磁感信息进行处理并作出响应得出交通状态数据，通过所述数据传输模块13将所述交通状态数据传输至数据服务器。

本实施例中，所述地磁感应模块11包括地磁线圈111和高频电流生成单元112；由所述高频电流生成单元112产生高频交变电流，并控制所述高频交变电流通过地磁线圈111，所述地磁线圈111在所述高频交变电流作用下产生交变的电磁场。其中，所述磁感信息为通过地磁线圈111中的高频电流的频率，所述检测模块12用于检测地磁线圈111中的高频电流的频率变化。

具体实施时，所述交通数据为道路交通流量、车型比例等信息。当地磁感应模块11感应到车辆信息时，会发生对应的磁感信息变化，即其高频电流的频率会发生变化。检测模块12检测到磁感信息变化后，将检测到的磁感信息变化发送至控制模块14，控制模块14对接收到的磁感信息进行响应，并将响应的磁感信息通过数据传输模块13传输到数据服务器。数据服务器可根据采集到的交通数据，对道路交通流量、车型比例进行判断，从而更准确的获取道路的车流量、车型比例等信息，从而实现智能交通控制。

请一并参阅图2，所述高频电流生成单元112包括：光耦芯片U1、电感器件L1、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一稳压二极管D1、第二稳压二极管D2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4和第五电容C5。所述第一三极管Q1采用PNP三极管，当其基极为低电平时导通，第二三极管Q2采用NPN三极管，当其基极为高电平时导通。

所述光耦芯片U1的VCC脚连接VCC供电端、还通过第一电阻R1连接光耦芯片U1的OUT脚，光耦芯片U1的OUT脚连接主控模块、也通过第二电阻R2连接光耦芯片U1的-脚，光耦芯片U1的+脚通过第三电阻R3连接8V供电端，所述第一三极管Q1的基极通过依次第四电阻R4和第一电容C1接地、也通过第六电阻R6接地，所述第一三极管Q1的发射极连接第八电阻R8的一端、第三电容C3的一端和第五电容C5的一端，第三电容C3的另一端连接第一三极管Q1的集电极、电感器件L1的第2端和第一稳压二极管D1的正极、也通过第九电阻R9连接第二三极管Q2的基极，第五电容C5的另一端接地，第一三极管Q1的集电极连接第七电阻R7的一端和第二电容C2的一端，第七电阻R7的另一端和第二电容C2的另一端通过第五电阻R5连接第四电容C4的一端和第八电阻R8的另一端，所述第二三极管Q2的基极通过第十电阻R10接地，第二三极管Q2的集电极通过第十一电阻R11连接8V供电端，第二三极管Q2的发射极接地。

所述控制模块14可采用AT89C51系列单片机。AT89C51系列单片机是带4K字节FLASH存储器的高性能CMOS8位微处理器，且成本低。AT89C51系列单片机I/O口(如单片机的P0.0-P0.30口)与地磁感应模块11、检测模块12和数据传输模块13连接。

进一步地，所述的基于地磁线圈的交通数据采集设备还包括显示屏，所述显示屏与所述控制模块14连接，用于显示控制模块14响应的交通数据。所述显示屏采用LCD1602液晶显示屏可以显示车辆的响应数据，所述响应的数据可以是车辆的形状或是数量。

本发明的基于地磁线圈的交通数据采集设备中，交通数据采集终端还包括电源模块(图中未示出)，电源模块分别与高频电流生成单元112、数据传输模块13、控制模块14连接，为高频电流生成模块、数据传输模块13、控制模块14提供工作所需要的电压。

进一步地，所述地磁线圈111采用环形线圈，其埋设于地下，用于实时检测交通数据。地磁感应模块11的检测原理为：通过高频电流生成单元112产生的高频交变电流输送到地磁线圈111，此时地磁线圈111周围产生交变的电磁场，当车辆从地磁线圈111上方经过时，由于车体一般由铁磁材料构成的。一方面，铁磁车体的介入使线圈周围空间的导磁率发生变化，使线圈的电感量增加；另一方面，交变的电磁场使车体内产生涡流效应，使线圈的电感量减少。当检测模块12的激励频率为20KHz～100KHz时，涡流效应应起主导因素。导磁率和电感的变化都会使线圈的振荡频率发生变化，车辆经过线圈的整个过程中，经过线圈上方的车体形状以及车体与线圈的相对位置是不断变化的，从而使环形线圈中的高频电流的频率发生变化。

高频电流生成单元112生成高频电流是相对于工频50HZ交流电而言的电流。具体地，高频电流可以为400HZ以上的电流。比如，通信的信号里的载波电流就是高频电流。因此高频电流生成单元112包括变频模块用于将电源模块输出的工频电流经整流滤波后得到直流电，再经振荡电路得到高频交流电。振荡电路为现有技术，此处不再赘述。

所述检测模块12为频率检测仪，用于检测地磁线圈111中的高频电流的频率变化。当检测到高频电流的频率变化，则说明当前有车辆经过，并将获取的频率变化发送至控制模块14。例如，频率检测仪可采用GPC－6型钢弦频率测定仪。检测模块12布点优化配置方法原理：主要运用图论方法对检测模块12的布点进行优化，通过将交通网络抽象得到的抽象图，建立起检测模块12最优布点的数学模型，求解该模式并得到最优布点的规模和布点的点位。

所述数据传输模块13为WIFI模块或是蓝牙模块，也可以是网络宽带，通过网络宽带与数据服务器连接。控制模块14根据控制模块14反馈的车辆基本信号，对车辆基本信号进行的数据预处理、特征提取、模式识别三个关键环节完成，在各个关键环节中，将利用信号抽取及插值算法、数据压缩方法，形态特征及数值特征计算处理，正确识别出车辆的类别、基本状态等信息。

所述控制模块14具体用于对磁感信息进行数据预处理获得磁场变化曲线，并对磁场变化曲线进行特征提取得到特征值。所述特征值包括曲线峰值、曲线时间序列宽度、同一磁场变化值持续时间。所述数据传输模块13具体用于对特征值进行模式识别，并通过神经网络进行并行处理和非线性转化处理，获得交通状态参数。

进一步地，本发明采用的交通数据采集设备中，地磁感应模块11可采用多个(如3车道道路的监测为6个)，检测模块12、数据传输模块13和控制模块14可只需一个，同时实现对一个路口几条车道的交通数据采集，在提高识别精确率高的同时，其设备成本低。

所述数据预处理包括：对磁感信息数据进行数据抽取，再进行数据压缩。

基于上述的交通数据采集设备，本发明还提供一种基于地磁线圈的交通数据采集设备的交通数据采集方法，请参阅图3，其包括如下步骤：

S10、由地磁感应模块对交通数据进实时检测并产生相关的磁感信息；

S20、由检测模块实时检测磁感信息并反馈给控制模块；

S30、由控制模块对磁感信息进行处理并作出响应得出交通状态数据，通过数据传输模块将交通状态数据传输至数据服务器；

其中，步骤S10包括：S101、由高频电流生成单元112产生高频交变电流，并控制高频交变电流通过地磁线圈；S102、地磁线圈在高频交变电流作用下产生交变的电磁场。具体请参阅上述交通数据采集设备对应的实施例。

所述步骤S30具体包括：由控制模块对磁感信息进行数据预处理获得磁场变化曲线，并对磁场变化曲线进行特征提取得到特征值。具体请参阅上述交通数据采集设备对应的实施例。

为了更好的理解本发明的交通数据采集设备及其方法，以下结合附图举具体实施例，对本发明的技术方案进行详细说明：

图4为广东省中山市兰桂路南段的同一车道的道路路基段埋设一组(2个)地磁线圈，每组地磁线圈与多通道车辆的检测模块相连。具体如何埋设地磁线圈，图4中明示，在此不详述。图5是广东省中山市兰桂路南段人工记录的往来数据，时间是5月11日早高峰(7：30-8：30)晚高峰(17:30-18:30)的数据，及本发明交通数据采集设备智能采集交通数据的统计及准确率。

当车辆分别经过两个线圈时，由于线圈电感量的变化，车辆的通过状态将被检测到，同时状态信号传输给检测模块，由其进行采集和计算。具体步骤如下：

第一步、当有车辆分别经过两个地磁线圈时，埋设在该车道中间的地磁线圈的检测模块检测到磁场周围强度的，向控制模块输出磁场的变化数据信号。

第二步、控制模块对磁场的变化数据信号进行数据预处理得到磁场变化曲线。其中，磁场变化曲线中X轴为时间，Y轴为磁场变化值，所述数据预处理包括对磁感信息数据信号的抽取算法、数据压缩方法。信号的抽取可以在传输的过程中减少传输的数据量，接收端(如数据服务器端)进行恢复时进行插值，将信号恢复成原始抽样率的信号。在数字信号处理过程中可改变数字采样率，在抽取之前先进行预滤波，在插值后进行一个去镜像滤波，即可将数据还原。数据压缩方法主要研究数据的表示、传输和转换方法，其目的是减少数据所占据的存储空间和传输所需要的时间，以提高数据传输效率。本发明的数据压缩方法主要采用哈夫曼压缩编码，使在源数据中出现概率超高的符号，相应码字越短；出现概率较小的符号，其码长越长，从而达到用尽可能少的码符号来表示源数据，达到压缩的效果。

第三步，控制模块对磁场变化曲线进行特征提取得到特征值，在得到特征值后，所述特征值包括曲线峰值、曲线时间序列宽度、同一磁场变化值持续时间。

第四步，由数据传输模块的WIFI模块数据接收器根据特征值，运算得到交通状态参数，通过神经网络算法的双曲函数(tanh)和逻辑函数进行信息的并行处理和非线性转化，神经网络通过调整内部大量节点之间相互连接的关系，从而达到处理信息的目的。所述交通状态参数包括车流量、车速、占有率、车头时距、排队长度等。

例如车流量可以对单位时间内地磁感应模块获取的磁场变化曲线进行统计，而所述磁场变化曲线的最大值超过某个设定的阈值时，表示该磁场变化曲线代表一辆车，也就是统计单位时间内有效的曲线数。

而车头时距的计算，车头时距是和时间来表示车间距，与车型无关，从图4可以看到，地磁感应模块只要提取前后两辆车通过时磁场变化曲线的起始时间Td1和Td2，根据两个时间差Td1-Td2就可以轻易得到车头时距。

两个地磁感应模块间隔一定距离D，只要提取待测车辆通过两个线的起始时间t1和t2，故此，待测车辆经过的速度计算式是：

V＝D/(t2-t1)

第五步、数据服务器端的WIFI模块数据接收器根据得到的交通状态参数中的流量、占有率、排队长度等，再匹配交通状态判别规则数据库进行交通状态判别和预测。

请参阅图5的统计结果可知，在采用本发明的采集方法后，识别率较高。其中产生的误检情况是因为车辆行驶车辆跨线行驶、自行车和电动车经过引起的地磁干扰所致。车辆的行驶方向得到了很好的检测效果，这说明采用本发明的交通数据采集设备的方向检测方法提高了方向识别的准确率。

通过图5车型识别的结果，可以看出小型车和中型车的识别率较高，大型货车和中型客车的识别率较低。这是因为小型车和中型车特征比较明显，容易与中型车和大型货车混淆，导致识别率较低。而大型货车与大型客车在底盘结构和高度上比较类似。总体上，本发明的车辆识别系统识别率为93.27％，其智能化程度高。

本发明还相应提供一种基于地磁线圈的交通数据处理系统，请参阅图6，基包括数据服务器2和交通数据采集设备1，所述数据服务器2与交通数据采集设备1连接，采用上述的交通数据采集方法采集交通数据。由于上文对该交通数据采集设备和其方法进行了详细描述，此处不再赘述。

综上所述，本发明可通过地磁感应对交通数据进行采集，对车辆数据采集精度高，能有效的识别各类车型，从而实现智能交通控制。而且本发明采用的交通数据采集设备中，地磁感应模块可采用多个，检测模块、数据传输模块和控制模块可只需一个，同时实现对一个路口几条车道的交通数据采集，在提高识别精确率高的同时，其设备成本低。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于地磁线圈的交通数据采集设备，其特征在于，包括地磁感应模块、检测模块、数据传输模块和控制模块；

所述地磁感应模块对交通数据进实时检测并产生相关的磁感信息，所述检测模块实时检测所述磁感信息并反馈给所述控制模块，由所述控制模块对所述磁感信息进行处理并作出响应得出交通状态数据，通过所述数据传输模块将所述交通状态数据传输至数据服务器；

其中，所述地磁感应模块包括地磁线圈和高频电流生成单元；由所述高频电流生成单元产生高频交变电流，并控制所述高频交变电流通过地磁线圈，所述地磁线圈在所述高频交变电流作用下产生交变的电磁场。

2.根据权利要求1所述的基于地磁线圈的交通数据采集设备，其特征在于，所述控制模块具体用于对磁感信息进行数据预处理获得磁场变化曲线，并对磁场变化曲线进行特征提取得到特征值。

3.根据权利要求2所述的基于地磁线圈的交通数据采集设备，其特征在于，所述数据传输模块具体用于对特征值进行模式识别，并通过神经网络进行并行处理和非线性转化处理，获得交通状态参数。

4.根据权利要求1所述的基于地磁线圈的交通数据采集设备，其特征在于，所述磁感信息为通过地磁线圈中的高频电流的频率。

5.根据权利要求4所述的基于地磁线圈的交通数据采集设备，其特征在于，所述检测模块用于检测地磁线圈中的高频电流的频率变化。

6.根据权利要求1所述的基于地磁线圈的交通数据采集设备，其特征在于，所述数据预处理包括：对磁感信息数据进行数据抽取，再进行数据压缩。

7.根据权利要求2所述的基于地磁线圈的交通数据采集设备，其特征在于，所述特征值包括曲线峰值、曲线时间序列宽度、同一磁场变化值持续时间。

8.根据权利要求1所述的基于地磁线圈的交通数据采集设备，其特征在于，所述高频电流生成单元包括：光耦芯片、电感器件、第一三极管、第二三极管、第一稳压二极管、第二稳压二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和第五电容，所述光耦芯片的VCC脚连接VCC供电端、还通过第一电阻连接光耦芯片的OUT脚，光耦芯片的OUT脚连接主控模块、也通过第二电阻连接光耦芯片的-脚，光耦芯片的+脚通过第三电阻连接8V供电端，所述第一三极管的基极通过依次第四电阻和第一电容接地、也通过第六电阻接地，所述第一三极管的发射极连接第八电阻的一端、第三电容的一端和第五电容的一端，第三电容的另一端连接第一三极管的集电极、电感器件的第2端和第一稳压二极管的正极、也通过第九电阻连接第二三极管的基极，第五电容的另一端接地，第一三极管的集电极连接第七电阻的一端和第二电容的一端，第七电阻的另一端和第二电容的另一端通过第五电阻连接第四电容的一端和第八电阻的另一端，所述第二三极管的基极通过第十电阻接地，第二三极管的集电极通过第十一电阻连接8V供电端，第二三极管的发射极接地。

9.一种如权利要求1所述基于地磁线圈的交通数据采集设备的交通数据采集方法，其特征在于，包括如下步骤：

由地磁感应模块对交通数据进实时检测并产生相关的磁感信息；

由检测模块实时检测磁感信息并反馈给控制模块；

由控制模块对磁感信息进行处理并作出响应得出交通状态数据，通过数据传输模块将交通状态数据传输至数据服务器；

其中，由地磁感应模块对交通数据进实时检测并产生相关的磁感信息的步骤包括：

由高频电流生成单元产生高频交变电流，并控制高频交变电流通过地磁线圈；

地磁线圈在高频交变电流作用下产生交变的电磁场。

10.一种基于地磁线圈的交通数据处理系统，其特征在于，包括数据服务器和如权利要求1-8任意一项所述的交通数据采集设备，所述数据服务器与交通数据采集设备连接，采用权利要求9所述的交通数据采集方法采集交通数据。