CN111696367B - 多地磁传感器测速系统及其测速方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多地磁传感器测速系统及其测速方法，主要解决现有技术测试精度低的问题。其包括地磁车辆检测模块、数据发送模块、数据接收模块和后台数据处理模块。测量时，地磁车辆检测模块收集车辆经过时的地磁数据进行处理得到时间数据；后台处理模块接收数据进行数据清洗；后台处理模块选取参考传感器，并开辟各个时间窗；后台处理模块根据时间窗内时间数据的个数进行相应处理；多检时设置测量阈值δ并根据阈值δ合并时间数据；漏检时对漏检数据使用插值法进行补齐；根据对齐结果使用最小方差法对车辆行驶进行速度估计。本发明解决了单个地磁传感器准确度低，实现困难的问题，实现了高精度、低成本的车辆测速，可用于智能化交通管理。

Description

多地磁传感器测速系统及其测速方法

技术领域

本发明属于智能交通技术领域，更进一步涉及一种地磁传感器测速系统及方法，可用于智能化交通管理。

背景技术

随着汽车保有量增加，交通事故和交通堵塞现象频发，对交通进行智能化管理势在必行。智能交通系统是对交通进行智能化管理的主要手段，信息采集技术广泛应用于智能交通系统中。通过车辆测速系统对道路上行驶的汽车进行测速，为智能交通系统提供交通数据，是智能交通系统中不可缺少的一部分。智能交通系统获取车速信息后可以识别出超速车辆，给予超速车辆警示，进而避免因车辆超速导致的交通事故，从而提高交通安全水平。

目前国内外主要使用的车辆测速系统借由光学、微波雷达、电感线圈和地磁传感器搜集交通数据，控制器分析数据得到车辆的行驶速度。但光学传感器对环境的要求很高，在天气恶劣如有雾霾时会影响测速效果；电感线圈传感器寿命较短；当同一方向并排出现多个行驶车辆时，或者相邻车道有大车经过时，使用微波雷达和传统的地磁传感器的测速系统容易出现没有检测到车辆的情况或者错误检测车辆的情况导致速度测速错误。传统的车辆测速系统缺乏实用性，可靠性，安全性，且局限性大，无法满足大规模部署的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种多地磁传感器测速系统及其测速方法，以提高测速准确度，促进公路的智能化发展。

为实现上述目的，本发明基于多地磁传感器的测速系统，包括地磁车辆检测模块、数据发送模块、数据接收模块和后台数据处理模块，地磁车辆检测模块与数据发送模块有线连接，数据发送模块与数据接收模块无线连接，数据接收模块与后台数据处理模块有线连接。其中，

所述地磁车辆检测模块设为M个，其中每N个地磁车辆检测模块为一组，N＞＝2。每个地磁车辆检测模块由地磁传感器和控制器构成，地磁车辆检测模块沿道路旁分组部署，相邻地磁传感器间隔dm，负责采集道路面磁场数据，控制器接收地磁传感器采集的数据，分析出车辆经过地磁车辆检测模块的时间数据，并每隔一段时间，将时间数据传输给数据发送模块,这段时间根据实际需求可以设为x秒或者y分钟；

所述数据发送模块，使用无线传输器接收时间数据并以无线通信方式发送给数据接收模块；

所述数据接收模块，使用无线传输器接收数据发送模块上报的时间数据并传输给后台数据处理模块；

所述后台数据处理模块，用于对时间数据进行处理，即将获取到的数据进行对齐，将时间数据与对应的车辆相互匹配，并根据对齐后的数据计算出汽车经过这一组地磁传感器的速度。

本发明利用多地磁传感器测速系统进行车辆测速的方法，包括如下步骤：

1)地磁车辆检测模块收集车辆经过时的地磁数据进行阈值检测处理，得到时间数据，即车辆接近和离开地磁传感器的时间数据：

1a)地磁车辆检测模块中的地磁传感器实时采集相应的地磁数据，发送给地磁车辆检测模块中的控制器；

1b)地磁车辆检测模块的控制器对采集完毕的数据通过与设定的阈值进行比较，进而判断车辆是否接近或者离开地磁传感器，得到车辆接近或者离开地磁传感器的时间数据；

2)地磁车辆检测模块将时间数据合并为一组数据，合并后的时间数据借由数据发送模块传给数据接收模块，数据接收模块将时间数据传给后台处理模块：

3)后台处理模块对接收到的时间数据进行数据清洗；

3a)后台处理模块根据上限阈值Th3、数据下限阈值Th4去掉明显异常的数据；

3b)后台处理模块对每相邻两个时间数据根据数据增幅阈值Th判断一辆车经过时有多个数据产生的情况，即多检，并删除这部分的数据；

4)后台处理模块对数据清洗后的时间数据重新分组；

5)后台处理模块对同组时间数据选取参考传感器，并开辟各个时间窗；

6)后台处理模块根据时间窗内时间数据的个数进行相应处理：当时间窗内有一个时间数据对应时，系统认为此时的数据正确，执行9)；当时间窗内有多个时间数据对应时，执行7)；当时间窗内没有时间数据对应时，确认漏检，即车辆经过但没有检测到车辆，执行8)；

7)设置测量阈值δ并根据测量阈值δ合并时间数据；

8)对漏检数据使用插值法进行补齐；

9)根据5)到8)得到数据对齐结果后，判断是否每组数据都已进行数据对齐，若是，执行10)，若否，执行5)。

10)根据对齐结果使用最小方差法对车辆行驶进行速度估计，计算出车辆的行驶速度；

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，可有效避免没有检测到车辆的情况或者将一辆车检测为多辆车的情况导致的车辆测速错误问题。

传统传感器车速测量方案普遍存在弊端，难以满足在交通状况复杂多变的场景中的可靠性和安全性要求，本发明由于进行数据清洗和数据对齐操作，可以有效避免车辆没有检测到车辆的情况或者将一辆车检测为多辆车的情况情况导致的车辆测速错误问题。

第二，本发明使用多地磁传感器采集道路数据，并充分利用多地磁传感器的优势统筹各个传感器的结果使用最小方差法进行速度估计以提高准确度，对车辆测速更具优势和实用性。

第三，本发明采用地磁传感器成本低，易于大规模部署，且地磁传感器对非铁磁性物体没有反应，因此可以有效较少干扰。

第四，本发明系统受环境因素影响小，下雨或者雾霾天气依然可以正常工作。

附图说明

图1为本发明系统的结构框图；

图2为本发明方法的实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的描述。

参照图1，本发明的多地磁传感器测速系统包括地磁车辆检测模块1、数据发送模块2、数据接收模块3和后台数据处理模块4，地磁车辆检测模块1与数据发送模块2有线连接，数据发送模块2与数据接收模块3无线连接，数据接收模块3与后台数据处理模块4有线连接。该地磁车辆检测模块1设为M个，其中每N个地磁车辆检测模块为一组，N＞＝2。每个地磁车辆检测模块由地磁传感器11和控制器12构成，地磁车辆检测模块沿道路旁分组部署，相邻地磁传感器间隔dm，负责采集道路面磁场数据，控制器接收地磁传感器采集的数据，分析出车辆经过地磁车辆检测模块的时间数据，并每隔一段时间，这段时间根据实际需求可以设为x秒或者y分钟，将时间数据传输给数据发送模块2；该数据发送模块2，使用无线传输器接收时间数据并以无线通信方式发送给数据接收模块3；该数据接收模块3，使用无线传输器接收数据发送模块3上报的时间数据并传输给后台数据处理模块4；该后台数据处理模块4，用于对时间数据进行处理，即将获取到的数据进行对齐，将时间数据与对应的车辆相互对应，并根据对齐后的数据计算出汽车经过这一组地磁传感器的速度。

参照图2对本实例利用上述多地磁传感器速测系统进行车辆测速的方法，其实现步骤如下：

步骤1，地磁车辆检测模块收集车辆经过时的地磁数据进行阈值检测处理，得到时间数据，即车辆接近和离开地磁传感器的时间数据。

1.1)地磁车辆检测模块中的地磁传感器实时采集相应的地磁数据，发送给地磁车辆检测模块中的控制器：

当车辆经过地磁传感器检测范围时，地磁传感器检测区域的磁通量会发生急剧变化，磁通量的变化反映为地磁传感器输出数据的相应增减。通过在道路旁部署地磁传感器模块，可以借由地磁传感器输出数据的变化从而实时检测车辆的经过情况。地磁传感器将输出数据传递到车辆检测模块的控制器。

1.2)将传感器传来的地磁数据与高地磁数据阈值Th1进行比较：

如果传感器传来的地磁数据高于高地磁数据阈值Th1时，则持续判断传来的数据是否在一段时间Δt内都高于高地磁数据阈值Th1：若是，则通过定时器记录该时刻时间数据，系统执行1.4)，若不是，则认为是相邻逆向车道的干扰，不记录该时间数据；

如果传感器传来的地磁数据低于高地磁数据阈值Th1时，则认为车辆没有接近地磁传感器，不进行处理；

所述高地磁阈值Th1和时间阈值Δt的值根据现场实际测试得到的波形结果而定；

1.3)将传感器传来的地磁数据与低地磁数据阈值Th2进行比较：

如果传感器传来的地磁数据低于低地磁数据阈值Th2，则续判断传来的数据是否在一段时间Δt内都低于低地磁阈值Th2：若是，则通过定时器记录该时刻时间数据，若不是，则认为车辆还没有离开传感器检测范围，不记录该时间数据；

如果传感器传来的地磁数据高于低地磁数据阈值Th2，则认为车辆还没有离开地磁传感器，系统持续等待，直到传感器传来的地磁数据低于低地磁数据阈值Th2；

所述低地磁阈值Th2的值根据现场实际测试得到的波形结果而定；

步骤2，地磁车辆检测模块将时间数据合并为一组数据，将合并后的时间数据借由数据发送模块传给数据接收模块，数据接收模块将时间数据传给后台处理模块。

所述地磁车辆检测模块将时间数据合并为一组数据，是指将一段时间内，这段时间根据实际需求可以设为x秒或者y分钟的时间数据合并为一组数据。

步骤3，后台处理模块对接收到的时间数据进行数据清洗处理。

3.1)后台处理模块设置数据上限阈值Th3、数据下限阈值Th4和数据增幅阈值Th，当出现地磁传感器汇报的数据高于数据上限阈值Th3以及低于数据下限阈值Th4时舍弃掉该数据，以此去掉明显异常的数据；该数据增幅阈值Th为相邻传感器距离与道路限速之比，该数据上限阈值Th3为一组数据中最后一个时间数据、数据下限阈值Th4为一组数据中第一个时间数据；

3.2)后台处理模块对每相邻两个时间数据进行处理，即后一个数据低于前一个数据加上数据增幅阈值Th时，系统认为此时出现车辆将一辆车检测为多辆车的情况，将相邻两个数据中的后一个数据删除。

步骤4，后台处理模块对数据清洗后的时间数据重新分组。

后台处理模块对数据清洗后的时间数据重新分组，使第a组数据的值依次为每组时间数据中的第a个时间数据。

步骤5，对同组时间数据选取参考传感器，并开辟各个时间窗。

4.1)后台处理模块默认处理第一组时间数据，当再次执行步骤5时处理第二组数据，以此类推，每次处理时将同组时间数据中上传时间数据值最小的地磁传感器设为参考传感器；

4.2)后台处理模块根据公式

对参考传感器开辟各个时间窗，即将同组车辆经过第一个传感器到最后一个传感器的时间差值划分为等距的时间单元，其中

毫秒，d为相邻传感器间隔，ν为道路限速值，其中

为每组中第i个传感器对应第1辆车经过时的测量时间，其中传感器i为传感器j的参考传感器。

步骤6，后台处理模块根据时间窗内时间数据的个数进行相应处理：当时间窗内有一个时间数据对应时，执行步骤9)；当时间窗内有多个时间数据对应时，执行步骤7)；当时间窗内没有时间数据对应时，确认漏检，即车辆经过但没有检测到车辆，执行步骤8)；

步骤7，设置测量阈值δ并根据测量阈值δ合并时间数据：

7.1)已得到测量阈值δ则执行7.2)；未得到测量阈值δ时，在道路旁放置地磁传感器，记录一辆车被检测成多辆车时车辆经过地磁传感器时传感器产生的输出波形，通过波形分析得到相邻检测时间的差值数据，重复该操作数次，根据差值数据建立高斯分布模型

σ为方差，μ为均值，取f(x＝μ-3σ)记为测量阈值δ；

7.2)将各相邻时间数据的差值与测量阈值δ进行比较：

若各相邻时间数据的差值小于测量阈值δ，此时保留值最小的时间数据，删除其他时间数据；

若各相邻时间数据的差值不小于测量阈值δ，此时保留时间数据中数值上最接近参考传感器的时间数据的时间数据，删除其他时间数据；

步骤8，对漏检数据使用插值法进行补齐。

后台处理模块根据时间数据

在车辆列队中的位置进行不同的插值操作：

若

为车辆列队中间段的时间数据时，则补齐操作公式为：

若

为车辆列队末端的时间数据时，则补齐操作公式为：

若

为车辆列队首端的时间数据时，则补齐操作公式为：

其中

为每组中第k辆车经过每组第i个传感器的测量时间，

为每组中第k辆车经过每组第j个传感器的测量时间，

为每组中第1辆车经过每组第j个传感器的测量时间，同理

为每组中第k-1辆车经过每组第j个传感器的测量时间，

为每组中第1辆车经过每组第i个传感器的测量时间，

以此类推。

步骤9，根据步骤5到步骤8得到数据对齐结果后，判断是否每组数据都已进行数据对齐，若是，执行步骤10，若否，执行步骤5。

步骤10，根据对齐结果使用最小方差法对车辆行驶进行速度估计，计算出车辆的行驶速度。

根据对齐结果使用最小方差法对车辆行驶速度进行估计，即通过如下公式计算出车辆速度：

其中v_k是第k辆车的速度，x_k0指第k辆车在0时刻的位置，将每组第一个地磁传感器的位置设置为原点，

为每组中第k个传感器对应第i经过时的测量时间，L_i为第i个地磁传感器到原点的距离。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多地磁传感器测速系统，包括地磁车辆检测模块(1)、数据发送模块(2)、数据接收模块(3)和后台处理模块(4)，地磁车辆检测模块(1)与数据发送模块(2)有线连接，数据发送模块(2)与数据接收模块(3)无线连接、数据接收模块(3)与后台处理模块(4)有线连接，其特征在于：

所述地磁车辆检测模块(1)设为M个，其中每N个地磁车辆检测模块为一组，N＞＝2，且N的数量与测速准确度成正比；每个地磁车辆检测模块由地磁传感器(11)和控制器(12)构成，地磁车辆检测模块沿道路旁分组部署，相邻地磁传感器间隔dm，负责采集道路面磁场数据，控制器接收地磁传感器采集的数据，分析出车辆经过地磁车辆检测模块的时间数据，并每隔一段时间，将时间数据传输给数据发送模块(2),这段时间根据实际需求设为x秒或者y分钟；

所述数据发送模块(2)，用于接收时间数据并使用无线传输器以无线通信方式发送给数据接收模块(3)；

所述数据接收模块(3)，使用无线传输器接收数据发送模块(2)上报的时间数据并传输给后台处理模块(4)；

所述后台处理模块(4)，用于对时间数据进行处理，即将获取到的数据进行对齐，将时间数据与对应的车辆相互对应，并根据对齐后的数据计算出汽车经过这一组地磁传感器的速度；后台处理模块(4)对数据对齐，按如下步骤实现：

a)后台处理模块对接收到的时间数据进行数据清洗；

b)对数据清洗后的时间数据重新分组；

c)对同组时间数据选取参考传感器，并开辟各个时间窗，实现如下：

c1)后台处理模块默认处理第一组时间数据，当再次执行c)时处理第二组数据，以此类推，每次处理时将同组时间数据中上传时间数据值最小的地磁传感器设为参考传感器；

c2)后台处理模块根据公式

对参考传感器开辟各个时间窗，即将同组车辆经过第一个传感器到最后一个传感器的时间差值划分为等距的时间单元，其中

毫秒，d为相邻传感器间隔，ν为道路限速值，其中

为每组中第i个传感器对应第1辆车经过时的测量时间，其中传感器i为传感器j的参考传感器；

d)后台处理模块根据时间窗内时间数据的个数进行相应处理：当时间窗内有一个时间数据对应时，系统认为此时的数据正确，执行g)；当时间窗内有多个时间数据对应时，执行e)；当时间窗内没有时间数据对应时，确认漏检，即车辆经过但没有检测到车辆，执行f)；

e)设置测量阈值δ并根据测量阈值δ合并时间数据；

f)对漏检数据使用插值法进行补齐；

g)根据c)到f)得到数据对齐结果后，判断是否每组数据都已进行数据对齐，若是，执行h)，若否，执行c)；

h)根据对齐结果使用最小方差法对车辆行驶进行速度估计，计算出车辆的行驶速度。

2.一种利用权利要求1所述系统进行测速的方法，其特征在于，包括如下：

1)地磁车辆检测模块收集车辆经过时的地磁数据进行阈值检测处理，得到时间数据，即车辆接近和离开地磁传感器的时间数据：

1a)地磁车辆检测模块中的地磁传感器实时采集相应的地磁数据，发送给地磁车辆检测模块中的控制器；

1b)地磁车辆检测模块的控制器对采集完毕的数据通过与设定的阈值进行比较，进而判断车辆是否接近或者离开地磁传感器，得到车辆接近或者离开地磁传感器的时间数据；

2)地磁车辆检测模块将时间数据合并为一组数据，合并后的时间数据借由数据发送模块传给数据接收模块，数据接收模块将时间数据传给后台处理模块；

3)后台处理模块对接收到的时间数据进行数据清洗；

3a)后台处理模块根据数据上限阈值Th3、数据下限阈值Th4去掉明显异常的数据；

3b)后台处理模块对每相邻两个时间数据根据数据增幅阈值Th判断一辆车经过时有多个数据产生的情况，即多检，并删除部分数据；

4)后台处理模块对数据清洗后的时间数据重新分组；

5)后台处理模块对同组时间数据选取参考传感器，并开辟各个时间窗；实现如下：

5a)后台处理模块默认处理第一组时间数据，当再次执行5)时处理第二组数据，以此类推，每次处理时将同组时间数据中上传时间数据值最小的地磁传感器设为参考传感器；

5b)后台处理模块根据公式

对参考传感器开辟各个时间窗，即将同组车辆经过第一个传感器到最后一个传感器的时间差值划分为等距的时间单元，其中

毫秒，d为相邻传感器间隔，ν为道路限速值，其中

为每组中第i个传感器对应第1辆车经过时的测量时间，其中传感器i为传感器j的参考传感器；

6)后台处理模块根据时间窗内时间数据的个数进行相应处理：当时间窗内有一个时间数据对应时，系统认为此时的数据正确，执行9)；当时间窗内有多个时间数据对应时，执行7)；当时间窗内没有时间数据对应时，确认漏检，即车辆经过但没有检测到车辆，执行8)；

7)设置测量阈值δ并根据测量阈值δ合并时间数据；

8)对漏检数据使用插值法进行补齐；

9)根据5)到8)得到数据对齐结果后，判断是否每组数据都已进行数据对齐，若是，执行10)，若否，执行5)；

10)根据对齐结果使用最小方差法对车辆行驶进行速度估计，计算出车辆的行驶速度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，1a)地磁车辆检测模块中的地磁传感器实时采集相应的地磁数据，是采集车辆经过地磁传感器时输出到地磁车辆检测模块控制器中由磁通量变化而引起地磁数据相应增减的数值。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，1b)地磁车辆检测模块的控制器对采集完毕的数据通过与设定的阈值进行比较，进而判断车辆是否接近或者离开地磁传感器，得到车辆接近或者离开地磁传感器的时间数据，实现如下：

1b1)将传感器传来的地磁数据与高地磁数据阈值Th1进行比较：

如果传感器传来的地磁数据高于高地磁数据阈值Th1时，则持续判断传来的数据是否在一段时间Δt内都高于高地磁数据阈值Th1：若是，则通过定时器记录该时间数据，系统执行1b2)，若不是，则认为是相邻逆向车道的干扰，不记录该时间数据；

如果传感器传来的地磁数据低于高地磁数据阈值Th1时，则认为车辆没有接近地磁传感器，不进行处理；

所述高地磁数据阈值Th1和时间Δt的值根据现场实际测试得到的波形结果而定；

1b2)将传感器传来的地磁数据与低地磁数据阈值Th2进行比较：

如果传感器传来的地磁数据低于低地磁数据阈值Th2，则持续判断传来的数据是否在一段时间Δt内都低于低地磁数据阈值Th2：若是，则通过定时器记录该时间数据，若不是，则认为车辆还没有离开传感器检测范围，不记录该时间数据；

如果传感器传来的地磁数据高于低地磁数据阈值Th2，则认为车辆还没有离开地磁传感器，系统持续等待，直到传感器传来的地磁数据低于低地磁数据阈值Th2；

所述低地磁数据阈值Th2的值根据现场实际测试得到的波形结果而定。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，3)后台处理模块对接收到的时间数据进行数据清洗，实现如下：

3a)后台处理模块设置数据上限阈值Th3、数据下限阈值Th4和数据增幅阈值Th，当出现地磁传感器汇报的数据高于数据上限阈值Th3以及低于数据下限阈值Th4时舍弃掉该数据，以此去掉明显异常的数据；该数据增幅阈值Th为相邻传感器距离与道路限速之比，该数据上限阈值Th3为一组数据中最后一个时间数据、数据下限阈值Th4为一组数据中第一个时间数据；

3b)后台处理模块对每相邻两个地磁传感器数据进行处理，即后一个数据低于前一个数据加上数据增幅阈值Th时，系统认为此时出现车辆将一辆车检测为多辆车的情况，将相邻两个数据中的后一个数据删除。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，7)设置测量阈值δ并根据测量阈值δ合并时间数据：

7a)已得到测量阈值δ则执行7b)；未得到测量阈值δ时，在道路旁放置地磁传感器，记录一辆车被检测成多辆车时车辆经过地磁传感器时传感器产生的输出波形，通过波形分析得到相邻检测时间的差值数据，重复该操作数次，根据差值数据建立高斯分布模型

σ为标准差，μ为均值，取f(x＝μ-3σ)记为测量阈值δ；

7b)将各相邻时间数据的差值与测量阈值δ进行比较：

若各相邻时间数据的差值小于测量阈值δ，此时保留值最小的时间数据，删除其他时间数据；

若各相邻时间数据的差值不小于测量阈值δ，此时保留时间数据中数值上最接近参考传感器的时间数据的时间数据，删除其他时间数据。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，8)对漏检数据使用插值法进行补齐,实现如下：

根据时间数据

在车辆列队中的位置进行不同的插值操作：

若

为车辆列队中间段的时间数据时，则补齐操作公式为：

若

为车辆列队末端的时间数据时，则补齐操作公式为：

若

为车辆列队首端的时间数据时，则补齐操作公式为：

其中

为每组中第k辆车经过每组第i个传感器的测量时间，

为每组中第k辆车经过每组第j个传感器的测量时间，

为每组中第1辆车经过每组第j个传感器的测量时间，同理

为每组中第k-1辆车经过每组第j个传感器的测量时间，

为每组中第1辆车经过每组第i个传感器的测量时间，

以此类推。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，结果使用最小方差法对车辆行驶进行速度估计，是指通过如下公式计算车辆速度：

v_k是第k辆车的速度，x_k0指第k辆车在0时刻的位置，将每组第一个地磁传感器的位置设置为原点，

为每组中第i个传感器对应第k辆车经过时的测量时间；L_i为第i个地磁传感器到原点的距离。

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