CN111815964B - 一种基于地磁传感式道钉的车流检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于智能交通技术领域，具体涉及一种基于地磁传感式道钉的车流检测系统及方法，包括若干在道路区段中按照道路横断面分组预埋设置的道钉，每一组的道钉包括设置在道路区段的每一条通道两边边界上的灯光诱导式道钉、以及设置在每一条通道中间用于感应车辆通过的地磁传感式道钉；每一组的道钉均通过其配属的中继器连入服务器系统的网关中，且每一个中继器与所述网关之间均采用分时发送的方式连接，中继器根据其对应组的地磁传感式道钉的感应数据计算车速、流量、车型并打包上传至网关。
Description
技术领域
本发明属于智能交通技术领域，具体涉及一种基于地磁传感式道钉的车流检测系统及方法。
背景技术
车流量，是由单位时间内通过某路段的车辆为标准，在一定的时间内，某条公路点上所通过的车辆数，用公式表示车流量公式为：车流量=通过车辆数/时间。
车流量数据是评价道路交通情况的最核心的数据，也是最直观反应道路当前交通状态的参数之一，因此在对道路交通情况进行检测的时候，往往都需要进行车流量数据的采集。
在现有技术中，最常用的车流量数据采集技术包括基于视频的车流量器检测器、基于红外检测的车流量检测系统、基于雷达的车流量检测系统以及基于超声波的车流量检测系统等，但是这些方法都存在不同程度的缺陷，比如视频的车流量器检测器，通过摄像头图像识别的缺点在于需要能执行图像识别的专业芯片，这样的话成本高、功耗高并且只能安装有市电供电的地方，视觉识别的方式在夜晚等光照条件不佳的场景下也无法完全避免摄像失效的风险，并且在如雨、雪、雾等的特殊天气下也无法清晰摄像；同样的，基于红外检测的车流量检测系统受车辆本身热源和工作环境的影响，抗噪声的能力弱；而基于超声波的车流量检测系统的检测精度本身不高，且检测距离短，容易受到外界环境因素影响；基于雷达的车流量检测系统则价格昂贵，且不适于车流密度大、速度低的路段。
如现有技术中公开号为CN102063795B，名称为“一种密集交通流信息采集系统及方法、装置”的中国发明专利文献，公开了一种密集交通流信息采集系统，通过在两套激光探测器之间的测量范围内，在每次车身遮挡与离开两套激光探测器的时间间隔内，获取车身运行速度和各组车轮的运行速度，并比较车身运行速度和各组车轮的运行速度，对被监测道路的交通量和车速进行获取，能够提高交通信息的测量准确性，辨别车辆遮挡和跨车道行驶情况，提高了测量精度，但是这种激光探测类型需要激光发射器、激光接收器，像市区内马路中间没有隔离带不好安装，并且在多车并行的情况下，由于车辆对激光形成了遮挡便判断有车，则在车辆并行对激光器同时形成遮挡时则不好区分，就需要额外的检测装置作为检测导致成本高、功耗高，而且部分卡车、货车中间结构有空隙，也能透过激光，使得激光重复计算造成误检。
而现在新兴了一种基于地磁传感器的交通流量检测方法，如公开号为CN110310495A，名称为“协作式交通流量检测方法及交通流量检测系统”的发明专利文献，公开了一种交通流量检测系统，包括数据采集单元和与所述数据采集单元通信连接的数据处理单元，所述数据采集单元包括铺装于行车道路中同一断面内的多个智能道钉，每一所述智能道钉用于检测检测行驶车辆的位置数据，从而构成一个车辆检测点；所述数据采集单元接收每一所述智能道钉发送的行驶车辆的位置数据，通过在行车道路上设置用于检测车辆位置的多个车辆检点、判断车道中每一行驶车辆与对应的所述车辆检测点的相对位置，并结合所述行车道路的车道数量进行协作式综合判断，进而获得所述行车道路的车流量。但是在这种方案中的地磁传感器测量方法，其传感器要与道路有特定的方向，施工安装不方便，对施工要求高，一旦装错方向便不能正常工作，而且安装后传感器的外壳经常受车辆碾压，可能会改变方向。而且这种方案很多细节没考虑到，使用双窗口法判别，窗口的长度不会自动调节，阈值怎么选取一个合理的值也没说，一个检测车来的窗口和一个检测车走的窗口，根据窗口内数据的变化是否超过阈值，并且持续有一定的时间，判断是车走和车来。在高速上，不同的路段车速是不同的，即使同一路段货车卡车可以以很低的速度行驶（如40km/h），小车会以很高的速度行驶（如110km/h），窗口如果设置的很小，传感器容易被干扰（电源波动、传感器或芯片异常工作、部分车辆结构干扰）误触发；如果设置的太大，会导致车速很快的车检测不到，紧密跟车误判为一辆车，卡车货车，不仅长度很长，车辆中间有一些连接的结构，这部分会使地磁传感器变化很小，自身走的又比较慢，窗口设置的太小就会误判为车走，连接结构过后的车厢，又会误判为一次车来车走，并且也没有自动恢复的机制，比如传感器只检测到一次车来，但后面一直没检测到车走，传感器就会卡在这个环节而一直失效，比如车来并停在了传感器上方、或开始传感器上方有车辆或其他金属物，然后又移开了，传感器自身姿态发生了变化也会导致采集到的数据出现一次大的变化，并且无法恢复到阈值以下，导致失效，如装置受到了大型车辆的一次碾压倾斜或是转向了。
此外现有技术的方案地域通用性不强，在不同纬度、不同海拔，地球磁场不是固定不变的，及不同温度、长时间工作后传感器灵敏度减弱等都会导致测量值不同。不同的公路有各种各样的朝向，地磁传感器安装下去也是不同朝向，测量出来的地球磁场是不同的。地球磁场不一样，在车辆经过时的磁场变化的方向和大小就不一样，阈值及窗口固定不合理。
在两个车道的分隔线上安装地磁传感器就不合理。经过实际测试，当小车从地磁传感器上方经过时，约能造成近3000幅值的变化（不同传感器这个值不同），当小车从隔壁车道经过时，仅造成约200幅值的变化。再远一点的车道，有大型车经过时，也可能会造成200幅值的变化，造成多检。前面一辆小车后面紧跟一辆大车就可能造成持续的200幅值变化，也会多检造成误判。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的问题和不足，本发明旨在于提供一种基于地磁传感式道钉分布式排列、通过磁场强度变化状态判断车辆通行状态、数量的的车流检测系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于地磁传感式道钉的车流检测系统，其特征在于：包括若干在道路区段中按照道路横断面分组预埋设置的道钉，每一组的道钉包括设置在道路区段的每一条通道两边边界上的灯光诱导式道钉、以及设置在每一条通道中间用于感应车辆通过的地磁传感式道钉，即，以灯光诱导式道钉和地磁传感式道钉作为基本单元，按照分组分布的方式在道路上布置；每一组的道钉均通过其配属的中继器连入服务器系统的网关中，且每一个中继器与所述网关之间均采用分时发送的方式连接，则在工作状态下，网关可以按照设定的时间间隔和顺序以“分时复用”的方式触发中继器以及中继器后续连接控制的道钉组进行工作，这种方式可以根据需求启动或关闭道钉，起到良好的节能效果，而中继器则根据其对应组的地磁传感式道钉的感应数据计算车速、流量、车型并打包上传至网关。
进一步的，所述道钉、中继器和网关通电后，网关组建应用于短距离和低速率下的无线通信的ZigBee网络并将通电的每一组的道钉和中继器加入ZigBee网络，入网的每一组的道钉和中继器向网关获取网关当前时间并应用为每一组的道钉和中继器自身的当前时间，此时整个网络内得所有设备的时间就大致相同了。
但是由于数据传输的延迟，设备之间可能会存在10ms~30ms的延迟，这可能会导致在道钉根据自身时间亮灯时产生不一致的效果，因此在道钉和中继器向网关获取网关当前时间并应用为道钉和中继器自身的当前时间后，还需要减少时间的延迟的影响，具体的，这种消除时间延迟的方法是以先完成当前时间应用的中继器为标准，将其当前时间赋予距离最近的另一个中继器；而所述每一组的道钉则以其中最先完成当前时间应用的道钉为标准，将其当前时间赋于改组所有的道钉。
优选地，所述灯光诱导式道钉和地磁传感式道钉均包含带有唯一ID的道钉标签信息，每个唯一ID为一个字节，即8位，每一位都有其特殊含义，表示其属性，属性包括高速方向、断面号、是否带地磁、是否为应急车道和道钉该断面位置属性。
对应上述检测系统，本发明还公开了一种基于地磁传感式道钉的车流检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
初始化步骤，将每一组的道钉、中继器、网关和服务器，以及其相互之间的协议栈初始化；
地磁车辆检测步骤，服务器通过看门狗定时器向各个网关发送时间信号，每个网关解析并判断该时间信号是否为其工作时间，若时间信号对应网关工作时间，则网关同样也通过看门狗定时器向其连接的各个中继器发送该时间信号；中继器收到时间信号后也需解析并判断时间信号是否为其工作时间，若时间信号对应中继器的工作时间，则中继器控制其对应组内的地磁传感式道钉按照设定的工作顺序和工作时长检测车辆通过信号；
车辆通过判定步骤，地磁传感式道钉将车辆通过时采集到的地磁波动强度值和对应的波动时长信息反馈至其对应的中继器，中继器根据设定的车辆通过地磁波动强度阈值和波动时长阈值判断地磁传感式道钉采集的地磁波动强度值和对应的波动时长是否符合车辆通过的标准，并将判定为符合车辆通过标准的信号记为车辆通过信号，并汇同时间信息和道钉标签信息通过网关上传至服务器，服务器根据收到的所有车辆通过信号以及其对应的时间信息和道钉标签信息生成对应道路区段的车流检测结果。
具体的，所述地磁车辆检测步骤中，服务器通过看门狗定时器向各个网关发送的时间信号是按照100ms的间隔断续发送的；所述时间信号中包括每一个中继器中对应的每一组地磁传感式道钉的时序激活信号，中继器收到时间信号后需解析并判断时间信号为其工作时间，则根据所述时序激活信号控制其对应组内的地磁传感式道钉按照设定的工作顺序和工作时长检测车辆通过信号。
而所述车辆通过判定步骤中，中继器根据设定的车辆通过地磁波动强度阈值和波动时长阈值判断地磁传感式道钉采集的地磁波动强度值和对应的波动时长是否符合车辆通过的标准，具体的，设定判定车辆通过时地磁传感式道钉的地磁波动强度应当不小于阈值Bst，并且为了防止飞砾等对地磁传感式道钉的误触发，根据车辆通过时对地磁传感式道钉触发作用时间经典先验值，设定判定车辆通过时地磁传感式道钉的地磁波动强度不小于阈值Bst的时长应当不小于Tst；地球磁场在一小片区域几乎是稳定不变的，当周围有铁、镍、钴等磁性金属影响时，会发生磁场扭曲，地磁传感器就是通过感知这种磁场变化以判断车辆经，每个地磁传感式道钉的磁场B（x，y，z）为三维的空间矢量，不仅有大小属性，还有方向属性，即地磁传感式道钉的模，即磁场强度大小为|B| =
，在工作状态下，设定地磁传感式道钉在无车经过时磁场基准值Bbase（xbase，ybase，zbase），地磁传感式道钉当前工作时刻的磁场为B0（x0，y0，z0），则
记磁场变化ΔBbase=B0-Bbase，即磁场变化强度为|ΔBbase|，
当磁场变化强度|ΔBbase|超过设定阈值Bst，且磁场变化强度|ΔBbase|超过设定阈值的时长t超过了设定的时长阈值Tst时，则判断为车辆通过。由于道路走向、纬度、海拔、系统误差、器件老化等，可能导致不同道路应设定的阈值不一样，所以磁场变化强度阈值Bst以及磁场变化触发时长Tst能自动设置。且由于系统电路误差、温漂、器件老化等原因，长年累月可能会发生很大的变化所以磁场变化强度阈值Bst以及磁场变化触发时长Tst能自动更新。
然而进一步的，当设定的磁场变化强度阈值Bst较大时，在遇到卡车货车等结构为车头拉车厢这种两节或多节式车辆，则由于其中间连接结构通过过程会造成前后两次的磁场变化很小，这类车辆自身又走的较慢，中间连接结构通过就会让磁场变化有一段时间持续低于磁场变化强度阈值Bst，让系统默认是车辆通过了，而后续货箱通过时又会重新触发磁场变化强度超过阈值Bst，导致误判为多辆车辆通过，但如果单纯的把阈值Bst调小，又会因为隔壁车道在经过的大车导致误触发检测的几率增大。
因此，优选地，在所述车辆通过判定步骤中，地磁传感式道钉检测车辆通过信号，具体的：
步骤1，在工作状态下，地磁传感式道钉启动后会以设定的时间间隔Time（10ms）采集所在通道的磁场数据并进行预处理，预处理是取当前时刻前最新采集的N个（5个）磁场数据的平均值作磁场基准值Bbase；
步骤2，计算当前时刻的磁场B0和磁场基准值Bbase之间的磁场波动强度|ΔBbase|，若磁场波动强度|ΔBbase|小于设定阈值Bst且持续时间超过设定时长Tst，则记录下当前时刻的磁场B0作为磁场基准值，并根据此刻磁场强度的大小调整磁场波动强度阈值ΔB0、时长阈值T0和磁场基准值Bbase，然后将当前检测区段变为无车状态，地磁传感式道钉正式开始车辆检测，否则重新回到步骤1。
步骤3，计算正式开始车辆检测后，地磁传感式道钉的当前工作时刻的磁场B1，并与作为基准值的磁场基准值Bbase的算场波动强度|ΔB|：
若磁场波动强度|ΔB|超过阈值ΔB0、且持续时间超过T0则确认为一辆车正在接近并通过；
若磁场波动强度|ΔB|超过阈值ΔB0、且持续时间小于T0则确认为是误触发；
若磁场波动强度|ΔB|未超过阈值ΔB0则认为是无车辆通过，并执行执行基准值跟随，即以当前作为基准值的磁场Bbase与当前工作时刻的磁场B1按照权重再求均值作为新的磁场基准值Bbase。
所述步骤3中，若判断一辆车正在接近并通过时，此后车要么会通过后离开，要么停下来，或者由于车型区别该触发是被临道大型车辆误触发的，则还需要通过该车辆通过的过程中地磁传感式道钉的磁场B2与所述以当前作为基准值的磁场Bbase与当前工作时刻的磁场B1按照权重再求均值作为新的磁场基准值Bbase之间的磁场波动强度|ΔB`|来进一步判断当前车辆是正常通过还是车辆停止，或者为相邻通道大型车辆通过导致误触发，具体的：
若磁场波动强度|ΔB`|超过设定的磁场波动强度阈值ΔB1且持续时间超过设定时长T1但小于设定时长T2，则认为车辆正常通过，会上报车辆经过，并回到无车状态；若|ΔB`|超过设定的磁场波动强度阈值ΔB1且持续时间超过设定时长T2则认为车辆停止，判定车辆进入停车状态，车先停再走、传感器被转动了是同样效果；优选地，若时长T1内，中途又短暂出现了磁场变化大于ΔB0，也认为车辆还在正常通过，变化可能是拖挂车辆通过过程中车辆的中空结构导致的，而这个短暂的时间则可以根据实际路况结合经典车速设定；
若磁场波动强度|ΔB`|在设定时长T1内超过设定的磁场波动强度阈值ΔB2但小于阈值ΔB1的次数也达到或超过设定次数N，则判断为相邻通道大型车辆通过导致误触发；
其中，其中阈值 ΔB2<ΔB1<ΔB0，ΔB1为一般小型车辆在正常通过过程当前时刻与上一时刻的磁场波动强度变化的经典值，ΔB2为相邻道路大型车辆通过过程中导致误触发状态时磁场波动强度变化的经典值。即ΔB0用于判定车来的过程，ΔB1用于判定车走的过程，而ΔB2用于判定是否是隔壁车道的车辆的干扰数据；其中，部分车辆有中间结构中空的的特性，这种结构对地球磁场的扰动较小，阈值ΔB1用一个较小的阈值进行判断车走，不会出现误判，若用了较大的阈值，就可能在中空结构这部分认为是车离开了，然后又判断后续连接的车厢为一辆车，导致多判；而隔壁车道出现大型车辆或是车身含铁量很高的车接近并通过时，也会导致判定时磁场变化超过阈值ΔB0而被判定为有车通过，由于磁场扰动具有随距离增大急剧衰减的特性，磁场变化即使超过ΔB0，但干扰通过过程中的磁场变化ΔB2还是远小于传感器正上方过车导致的磁场变化ΔB1，所以设定阈值ΔB1和ΔB2来判断是否是隔壁的车道过车干扰，如果判定一辆车接近并通过，但通过的过程中现磁场变化大于ΔB2的但小于ΔB1情况，且超过ΔB2的次数超过设定次数N，则认为是隔壁车道过了一辆车导致了误触发。
所述车辆通过判定步骤中，还包括车辆通过的车速和车辆长度计算步骤，具体的，设定中继器的一组道钉中，相邻两个道钉的布设间距为L，当中继器判断车辆在道路行驶方向上接近并通过该组第一个地磁传感式道钉时记录当前时间t1、以及该车辆通过第一个地磁传感式道钉的时长T，并接受道路行驶方向上该组的第二个地磁传感式道钉的车辆通过检测信号，当判断到车辆接近并通过时记录当前时间t2，则当前车速V=L/（t2-t1），当前车辆长度S=T*V。
有益效果：
与现有技术方案相比，本发明所提供的这种技术方案，通过在行驶道路上布设多组基于磁感应功能的只能道钉并通过中继器和网关对其进行组网，根据使用环境和需求对道钉组进行分时复用的控制，地磁感应式的道钉感应到车辆通过时磁场会产生波动，则通过监测其磁场波动强度值即可进行车辆通过状态的判定，在道路中间安装，传感器数据变化明显，更容易区别干扰信号和真实过车信号，提高准确度，并且安装固定便利，不用固定朝向，任何安装方向都行，方便施工安装，适应不同地域。
通过设定阈值的方式，判定每个道钉磁场波动强度下对应的车辆通过状态是否为有车辆从检测道路上通过，并且为了进一步的增加精度，还设置了对单个道钉判断的判定阈值自适应调整和多重阈值判定的处理方式，可以有效避免误触发计算错误等情况，使用多个阈值，过滤特殊车型的干扰，过滤隔壁车道车辆干扰， 采用状态机编程，逻辑跳转清晰，识别更多特殊情况，如停车、数据抖动等，以及设定自动恢复机制，即使一时的检测出错，或数据异常，或暂时的传感器芯片失效等，均能快速恢复，这种自动恢复的机制，出现停车事件、传感器被转向的事件，只会导致这一次测不准、几秒后又会自动跳转至无车状态，然后又能正常工作，磁感应的设计白天夜晚特殊天气均能工作。
并且本方案还设计了基准值跟随刷新、阈值自适应和自动恢复机制，其中：
基准值跟随刷新：在从上电复位状态跳转到无车状态时，基准值是完全刷新，即就直接以当前时刻的磁场数据代替旧基准值，在无车状态时刷新，就是以权重比进行更新。如：新基准值=（旧基准值*7+此刻磁场数据）/8，就是按7:1的权重进行基准值跟随刷新，这样如果偶尔出现一次干扰，干扰数据对新基准值的影响程度只能占八分之一，影响很小，如果是正常变化，随着多次基准值跟随刷新，旧的基准值数据对新基准值的影响程度会不断较小，最终是不断趋近与新基准值。如果磁场变化很大，就会进行车来判断，基准值就不刷新了。
阈值自适应：磁场波动强度阈值、时长阈值和磁场基准值三个阈值，他们组成都是有经验值加当前磁场强度大小的权重比组成；因为同一个地带，地球磁场的大小和方向几乎就是相同的，不同的传感器因为系统误差、温度、方向等测出来的磁场强度越大，则说明传感器约灵敏，测出来约小，则越迟钝。如在磁场强度为20000的时候根据多次实验测出来ΔB设定为400较合适，那么一些传感器较迟钝，测出来的磁场强度为15000，则阈值ΔB应为15000/20000*400=300较合适。
自动恢复机制：正如状态机，本车辆检测方案有自动恢复机制；识别到传感器数据一直有很大抖动，会重启传感器并上报，车来并停车，先停车在车走、传感器被转动了等特殊事件，能检测到并上报，然后又回归无车状态开始的正常。基准值阈值等是会自动刷新的，不会担心温度变化导致。
附图说明
本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：
图1为本发明地磁传感式道钉的分布示意图；
图2为本发明车辆接近并通过检测的一种逻辑关系示意图；
图3为本发明车辆通过过程中的一种逻辑关系示意图；
图4为本发明接近并通过时地磁波强度变化波形示意图；
图5为本发明车辆通过过程中地磁波强度变化波形示意图。
具体实施方式
下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
实施例1
作为本发明车流检测系统一种具体的实施方案，如图1，本实施例提供了一种基于地磁传感式道钉的车流检测系统，包括若干在道路区段中按照道路横断面分组预埋设置的道钉，每一组的道钉包括设置在道路区段的每一条通道两边边界上的灯光诱导式道钉、以及设置在每一条通道中间用于感应车辆通过的地磁传感式道钉，即，以灯光诱导式道钉和地磁传感式道钉作为基本单元，按照分组分布的方式在道路上布置，优选地如：灯光诱导式道钉在道路上沿着道路边界以及每一条车道的标线布置，起到一个灯光诱导和提示的作用，而地磁传感式道钉则根据检查对象和检测需求直接布置在车辆会通行的车道中间；每一组的道钉均通过其配属的中继器连入服务器系统的网关中，且每一个中继器与所述网关之间均采用分时发送的方式连接，则在工作状态下，网关可以按照设定的时间间隔和顺序以“分时复用”的方式触发中继器以及中继器后续连接控制的道钉组进行工作，这种方式可以根据需求启动或关闭道钉，起到良好的节能效果，而中继器则根据其对应组的地磁传感式道钉的感应数据计算车速、流量、车型并打包上传至网关。
这种技术方案，通过在行驶道路上布设多组基于磁感应功能的只能道钉并通过中继器和网关对其进行组网，根据使用环境和需求对道钉组进行分时复用的控制，地磁感应式的道钉感应到车辆通过时磁场会产生波动，则通过监测其磁场波动强度值即可进行车辆通过状态的判定，在道路中间安装，传感器数据变化明显，更容易区别干扰信号和真实过车信号，提高准确度，并且安装固定便利，不用固定朝向，任何安装方向都行，方便施工安装，适应不同地域。
进一步的，所述道钉、中继器和网关通电后，网关组建ZigBee网络并将通电的每一组的道钉和中继器加入ZigBee网络，入网的每一组的道钉和中继器向网关获取网关当前时间并应用为每一组的道钉和中继器自身的当前时间，此时整个网络内得所有设备的时间就大致相同了；
但是由于数据传输的延迟（主要为请求时间同步的发送延时t1及回复时间产生的延时t2），设备之间可能会存在10ms~30ms的延迟，这可能会导致在道钉根据自身时间亮灯时产生不一致的效果，因此在道钉和中继器向网关获取网关当前时间并应用为道钉和中继器自身的当前时间后，还需要减少时间的延迟，具体的，以先完成当前时间应用的中继器为标准，将其当前时间赋予距离最近的另一个中继器；而所述每一组的道钉则以其中最先完成当前时间应用的道钉为标准，将其当前时间赋于改组所有的道钉。
所述灯光诱导式道钉和地磁传感式道钉均包含带有唯一ID的道钉标签信息，每个唯一ID为一个字节，即8位，每一位都有其特殊含义，表示其属性，包括高速方向、断面号、是否带地磁、是否为应急车道和道钉该断面位置属性。
即，用过ID信号即可完成系统对每一组道钉的分时控制。传感器埋到路面上，启动后会以设定时间间隔（如10ms）隔开始采集磁场数据。
实施例2
作为本发明车流检测方法一种具体的实施方案，本实施例提供了一种基于地磁传感式道钉的车流检测方法，包括初始化步骤、地磁车辆检测步骤和车辆通过判定步骤，具体的：
所述初始化步骤，将每一组的道钉、中继器、网关和服务器，以及其相互之间的协议栈初始化，初始化后系统状态归零即可开始通讯和控制；
所述地磁车辆检测步骤，服务器通过看门狗定时器向各个网关发送时间信号，每个网关解析并判断该时间信号是否为其工作时间，若时间信号对应网关工作时间，则网关同样也通过看门狗定时器向其连接的各个中继器发送该时间信号；中继器收到时间信号后也需解析并判断时间信号是否为其工作时间，若时间信号对应中继器的工作时间，则中继器控制其对应组内的地磁传感式道钉按照设定的工作顺序和工作时长检测车辆通过信号；具体的，所述地磁车辆检测步骤中，服务器通过看门狗定时器向各个网关发送的时间信号是按照100ms的间隔断续发送的；所述时间信号中包括每一个中继器中对应的每一组地磁传感式道钉的时序激活信号，中继器收到时间信号后需解析并判断时间信号为其工作时间，则根据所述时序激活信号控制其对应组内的地磁传感式道钉按照设定的工作顺序和工作时长检测车辆通过信号。
所述车辆通过判定步骤，如图2，地磁传感式道钉将车辆通过时采集到的地磁波动强度值和对应的波动时长信息反馈至其对应的中继器，中继器根据设定的车辆通过地磁波动强度阈值和波动时长阈值判断地磁传感式道钉采集的地磁波动强度值和对应的波动时长是否符合车辆通过的标准，并将判定为符合车辆通过标准的信号记为车辆通过信号，并汇同时间信息和道钉标签信息通过网关上传至服务器，服务器根据收到的所有车辆通过信号以及其对应的时间信息和道钉标签信息生成对应道路区段的车流检测结果。
进一步的，所述车辆通过判定步骤中，中继器根据设定的车辆通过地磁波动强度阈值和波动时长阈值判断地磁传感式道钉采集的地磁波动强度值和对应的波动时长是否符合车辆通过的标准，具体的，如图3，设定判定车辆通过时地磁传感式道钉的地磁波动强度应当不小于阈值Bst，并且为了防止飞砾等对地磁传感式道钉的误触发，根据车辆通过时对地磁传感式道钉触发作用时间经典先验值，设定判定车辆通过时地磁传感式道钉的地磁波动强度不小于阈值Bst的时长应当不小于Tst；地球磁场在一小片区域几乎是稳定不变的，当周围有铁、镍、钴等磁性金属影响时，会发生磁场扭曲，地磁传感器就是通过感知这种磁场变化以判断车辆经，每个地磁传感式道钉的磁场B（x，y，z）为三维的空间矢量，不仅有大小属性，还有方向属性，即地磁传感式道钉的模，即磁场强度大小为|B| =
，在工作状态下，设定地磁传感式道钉在无车经过时磁场基准值Bbase（xbase，ybase，zbase），地磁传感式道钉当前工作时刻的磁场为B0（x0，y0，z0），则
记磁场变化ΔBbase=B0-Bbase，即磁场变化强度为|ΔBbase|，
如图4，当磁场变化强度|ΔBbase|超过设定阈值Bst，且磁场变化强度|ΔBbase|超过设定阈值的时长t超过了设定的时长阈值Tst时，则判断为车辆通过。由于道路走向、纬度、海拔、系统误差、器件老化等，可能导致不同道路应设定的阈值不一样，所以磁场变化强度阈值ΔBst以及磁场变化触发时长Tst能自动设置。且由于系统电路误差、温漂、器件老化等原因，长年累月可能会发生很大的变化所以磁场变化强度阈值Bst以及磁场变化触发时长Tst能自动更新。
然而，当设定的磁场变化强度阈值Bst较大时，在遇到卡车货车等结构为车头拉车厢这种两节或多节式车辆，则由于其中间连接结构通过过程会造成前后两次的磁场变化很小，这类车辆自身又走的较慢，中间连接结构通过就会让磁场变化有一段时间持续低于磁场变化强度阈值Bst，让系统默认是车辆通过了，而后续货箱通过时又会重新触发磁场变化强度超过阈值Bst，导致误判为多辆车辆通过，但如果单纯的把阈值Bst调小，又会因为隔壁车道在经过的大车导致误触发检测的几率增大。
因此，优选地，传感器埋到路面上，启动后会以设定时间间隔（如10ms）隔开始采集磁场数据，对磁场数据进行预处理，预处理方式为总是以最新的5个磁场数据取平均值。总是以当前的磁场数据相比设定的间隔时间（如50ms）前的磁场数据计算磁场波动，如果波动不大，且持续时间超过1s（如果中途出现一次波动大就会重新计时），记录下此刻的磁场数据，作为基准值，也会根据此刻磁场强度的大小调整三个阈值，即如图5，然后变为无车状态，正式开始车辆检测，传感器持续采集数据，计算此刻磁场数据相比基准值的磁场变化。
具体的，在所述车辆通过判定步骤中，地磁传感式道钉检测车辆通过信号，包括以下步骤：
步骤1，在工作状态下，地磁传感式道钉启动后会以设定的时间间隔Time（10ms）采集所在通道的磁场数据并进行预处理，预处理是取当前时刻前最新采集的N个（5个）磁场数据的平均值作磁场基准值Bbase；
步骤2，计算当前时刻的磁场B0和磁场基准值Bbase之间的磁场波动强度|ΔBbase|，若磁场波动强度|ΔBbase|小于设定阈值Bst且持续时间超过设定时长Tst，则记录下当前时刻的磁场B0作为磁场基准值，并根据此刻磁场强度的大小调整磁场波动强度阈值ΔB0、时长阈值T0和磁场基准值Bbase，然后将当前检测区段变为无车状态，地磁传感式道钉正式开始车辆检测，否则重新回到步骤1。磁场波动强度阈值、时长阈值和磁场基准值三个阈值，他们组成都是有经验值加当前磁场强度大小的权重比组成；因为同一个地带，地球磁场的大小和方向几乎就是相同的，不同的传感器因为系统误差、温度、方向等测出来的磁场强度越大，则说明传感器约灵敏，测出来约小，则越迟钝。如在磁场强度为20000的时候根据多次实验测出来ΔB设定为400较合适，那么一些传感器较迟钝，测出来的磁场强度为15000，则阈值ΔB应为15000/20000*400=300较合适。
步骤3，计算正式开始车辆检测后，地磁传感式道钉的当前工作时刻的磁场B1，并与作为基准值的磁场基准值Bbase的算场波动强度|ΔB|：
若磁场波动强度|ΔB|超过阈值ΔB0、且持续时间超过T0则确认为一辆车正在接近并通过；
若磁场波动强度|ΔB|超过阈值ΔB0、且持续时间小于T0则确认为是误触发；
若磁场波动强度|ΔB|未超过阈值ΔB0则认为是无车辆通过，并执行执行基准值跟随，即以当前作为基准值的磁场Bbase与当前工作时刻的磁场B1按照权重再求均值作为新的磁场基准值Bbase。在从上电复位状态跳转到无车状态时，基准值是完全刷新，即就直接以当前时刻的磁场数据代替旧基准值，在无车状态时刷新，就是以权重比进行更新。如：新基准值=（旧基准值*7+此刻磁场数据）/8，就是按7:1的权重进行基准值跟随刷新，这样如果偶尔出现一次干扰，干扰数据对新基准值的影响程度只能占八分之一，影响很小，如果是正常变化，随着多次基准值跟随刷新，旧的基准值数据对新基准值的影响程度会不断较小，最终是不断趋近与新基准值。如果磁场变化很大，就会进行车来判断，基准值就不刷新了。
优选地，所述步骤3中，若判断一辆车正在接近并通过时，此后车要么会通过后离开，要么停下来，或者由于车型区别该触发是被临道大型车辆误触发的，则还需要通过该车辆通过的过程中地磁传感式道钉的磁场B2与所述以当前作为基准值的磁场Bbase与当前工作时刻的磁场B1按照权重再求均值作为新的磁场基准值Bbase之间的磁场波动强度|ΔB`|来进一步判断当前车辆是正常通过还是车辆停止，或者为相邻通道大型车辆通过导致误触发，具体的：
若磁场波动强度|ΔB`|超过设定的磁场波动强度阈值ΔB1且持续时间超过设定时长T1但小于设定时长T2，则认为车辆正常通过，会上报车辆经过，并回到无车状态；若|ΔB`|超过设定的磁场波动强度阈值ΔB1且持续时间超过设定时长T2则认为车辆停止，判定车辆进入停车状态，车先停再走、传感器被转动了是同样效果；优选地，若时长T1内，中途又短暂出现了磁场变化大于ΔB0，也认为车辆还在正常通过，变化可能是拖挂车辆通过过程中车辆的中空结构导致的，而这个短暂的时间则可以根据实际路况结合经典车速设定；
若磁场波动强度|ΔB`|在设定时长T1内超过设定的磁场波动强度阈值ΔB2但小于阈值ΔB1的次数也达到或超过设定次数N，则判断为相邻通道大型车辆通过导致误触发；
其中，其中阈值 ΔB2<ΔB1<ΔB0，ΔB1为一般小型车辆在正常通过过程当前时刻与上一时刻的磁场波动强度变化的经典值，ΔB2为相邻道路大型车辆通过过程中导致误触发状态时磁场波动强度变化的经典值。即ΔB0用于判定车来的过程，ΔB1用于判定车走的过程，而ΔB2用于判定是否是隔壁车道的车辆的干扰数据；其中，部分车辆有中间结构中空的的特性，这种结构对地球磁场的扰动较小，阈值ΔB1用一个较小的阈值进行判断车走，不会出现误判，若用了较大的阈值，就可能在中空结构这部分认为是车离开了，然后又判断后续连接的车厢为一辆车，导致多判；而隔壁车道出现大型车辆或是车身含铁量很高的车接近并通过时，也会导致判定时磁场变化超过阈值ΔB0而被判定为有车通过，由于磁场扰动具有随距离增大急剧衰减的特性，磁场变化即使超过ΔB0，但干扰通过过程中的磁场变化ΔB2还是远小于传感器正上方过车导致的磁场变化ΔB1，所以设定阈值ΔB1和ΔB2来判断是否是隔壁的车道过车干扰，如果判定一辆车接近并通过，但通过的过程中现磁场变化大于ΔB2的但小于ΔB1情况，且超过ΔB2的次数超过设定次数N，则认为是隔壁车道过了一辆车导致了误触发。
所述车辆通过判定步骤中，还包括车辆通过的车速和车辆长度计算步骤，具体的，设定中继器的一组道钉中，相邻两个道钉的布设间距为L，当中继器判断车辆在道路行驶方向上接近并通过该组第一个地磁传感式道钉时记录当前时间t1、以及该车辆通过第一个地磁传感式道钉的时长T，并接受道路行驶方向上该组的第二个地磁传感式道钉的车辆通过检测信号，当判断到车辆接近并通过时记录当前时间t2，则当前车速V=L/（t2-t1），当前车辆长度S=T*V。
具体的，根据使用需求，车辆接近并通过的检测时间，由最快车速和最小车长及采样频率决定。如车长4m，车速120km\h，那车来经过道钉大概只要120ms，以10ms的采样频率采样，传感器只能采集到12次数据，车辆接近并通过的检测时间应比计算出的最小时间再小一些，才能保证最小的车也能检测到。
车辆通过的时间则由最快车速和最小跟车距离及采样频率。如最小跟车距离20m，最大车速120km\h，那么无车的时间约600ms，车辆通过的时应比这个值更小，才能保证不会把连续跟车误判为一辆车。
而有车持续通过的时间，这个根据最长车型和最慢车速决定，如车长20m，车速40km\h，那么车辆经过传感器的时间约1.8s，在高速路上不能随意停车，方案里停车检测时间就设定的4s。如果按照在一些可以停车的路段，就应以比能停车的最长时间更大的来设定。
Claims (4)
1.一种基于地磁传感式道钉的车流检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
初始化步骤，将每一组的道钉、中继器、网关和服务器，以及其相互之间的协议栈初始化；
地磁车辆检测步骤，服务器通过看门狗定时器向各个网关发送时间信号，每个网关解析并判断该时间信号是否为其工作时间，若时间信号对应网关工作时间，则网关同样也通过看门狗定时器向其连接的各个中继器发送该时间信号；中继器收到时间信号后也需解析并判断时间信号是否为其工作时间，若时间信号对应中继器的工作时间，则中继器控制其对应组内的地磁传感式道钉按照设定的工作顺序和工作时长检测车辆通过信号；
车辆通过判定步骤，地磁传感式道钉将车辆通过时采集到的地磁波动强度值和对应的波动时长信息反馈至其对应的中继器，中继器根据设定的车辆通过地磁波动强度阈值和波动时长阈值判断地磁传感式道钉采集的地磁波动强度值和对应的波动时长是否符合车辆通过的标准，并将判定为符合车辆通过标准的信号记为车辆通过信号，并汇同时间信息和道钉标签信息通过网关上传至服务器，服务器根据收到的所有车辆通过信号以及其对应的时间信息和道钉标签信息生成对应道路区段的车流检测结果；
在所述车辆通过判定步骤中，地磁传感式道钉检测车辆通过信号，具体的：
步骤1，在工作状态下，地磁传感式道钉启动后会以设定的时间间隔Time采集所在通道的磁场数据并进行预处理，预处理是取当前时刻前最新采集的N个磁场数据的平均值作磁场基准值Bbase；
步骤2，计算当前时刻的磁场B和磁场基准值Bbase之间的磁场波动强度|ΔBbase|，若磁场波动强度|ΔBbase|小于设定阈值Bst且持续时间超过设定时长Tst，则记录下当前时刻的磁场B作为新的磁场基准值Bbase，并根据此刻磁场强度的大小调整磁场波动强度阈值ΔB0、时长阈值T0和磁场基准值Bbase，然后将当前检测区段变为无车状态，地磁传感式道钉正式开始车辆检测，否则重新回到步骤1；
步骤3，计算正式开始车辆检测后，地磁传感式道钉的当前工作时刻的磁场B1，并与作为基准值的磁场基准值Bbase的磁场波动强度|ΔB|：
若磁场波动强度|ΔB|超过阈值ΔB0、且持续时间超过T0则确认为一辆车正在接近并通过；
若磁场波动强度|ΔB|超过阈值ΔB0、且持续时间小于T0则确认为是误触发；
若磁场波动强度|ΔB|未超过阈值ΔB0则认为是无车辆通过，并执行基准值跟随，即以当前作为基准值的磁场Bbase与当前工作时刻的磁场B1按照权重再求均值作为新的磁场基准值Bbase；
所述步骤3中，若判断一辆车正在接近并通过时，还需要通过该车辆通过的过程中地磁传感式道钉的磁场B2与所述以当前作为基准值的磁场Bbase与当前工作时刻的磁场B1按照权重再求均值作为新的磁场基准值Bbase之间磁场波动强度|ΔB`|来进一步判断当前车辆是正常通过还是车辆停止，或者为相邻通道大型车辆通过导致误触发，具体的：
若磁场波动强度|ΔB`|超过设定的磁场波动强度阈值ΔB1且持续时间超过设定时长T1但小于设定时长T2，则认为车辆正常通过，会上报车辆经过，并回到无车状态；
若|ΔB`|超过设定的磁场波动强度阈值ΔB1且持续时间超过设定时长T2则认为车辆停止，判定车辆进入停车状态；
若磁场波动强度|ΔB`|在设定时长T1内超过设定的磁场波动强度阈值ΔB2但小于阈值ΔB1的次数也达到或超过设定次数N，则判断为相邻通道大型车辆通过导致误触发；
其中，其中阈值 ΔB2<ΔB1<ΔB0，ΔB1为一般小型车辆在正常通过过程当前时刻与上一时刻的磁场波动强度变化的经典值，ΔB2为相邻道路大型车辆通过过程中导致误触发状态时磁场波动强度变化的经典值。
2.如权利要求1所述的一种基于地磁传感式道钉的车流检测方法，其特征在于：所述地磁车辆检测步骤中，服务器通过看门狗定时器向各个网关发送的时间信号是按照100ms的间隔断续发送的；所述时间信号中包括每一个中继器中对应的每一组地磁传感式道钉的时序激活信号，中继器收到时间信号后需解析并判断时间信号为其工作时间，则根据所述时序激活信号控制其对应组内的地磁传感式道钉按照设定的工作顺序和工作时长检测车辆通过信号。
3.如权利要求1所述的一种基于地磁传感式道钉的车流检测方法，其特征在于：所述车辆通过判定步骤中，中继器根据设定的车辆通过地磁波动强度阈值和波动时长阈值判断地磁传感式道钉采集的地磁波动强度值和对应的波动时长是否符合车辆通过的标准，具体的，设定判定车辆通过时地磁传感式道钉的地磁波动强度应当不小于阈值Bst，根据车辆通过时对地磁传感式道钉触发作用时间经典先验值，设定判定车辆通过时地磁传感式道钉的地磁波动强度不小于阈值Bst的时长应当不小于Tst；每个地磁传感式道钉的磁场B（x，y，z）为三维的空间矢量，即地磁传感式道钉的磁场强度大小为|B| =
，在工作状态下，设定地磁传感式道钉在无车经过时磁场基准值Bbase（xbase，ybase，zbase），地磁传感式道钉当前工作时刻的磁场为B0（x0，y0，z0），则
记磁场变化ΔBbase=B0-Bbase，即磁场变化强度为|ΔBbase|，
当磁场变化强度|ΔBbase|超过设定的阈值Bst，且磁场变化强度|ΔBbase|超过设定阈值的时长t超过了设定的时长阈值Tst时，则判断为车辆通过。
4.如权利要求1所述的一种基于地磁传感式道钉的车流检测方法，其特征在于，所述车辆通过判定步骤中，还包括车辆通过的车速和车辆长度计算步骤，具体的，设定中继器的一组道钉中，相邻两个道钉的布设间距为L，当中继器判断车辆在道路行驶方向上接近并通过该组第一个地磁传感式道钉时记录当前时间t1、以及该车辆通过第一个地磁传感式道钉的时长T，并接受道路行驶方向上该组的第二个地磁传感式道钉的车辆通过检测信号，当判断到车辆接近并通过时记录当前时间t2，则当前车速V=L/（t2-t1），当前车辆长度S=T*V。
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Denomination of invention: A vehicle flow detection system and method based on geomagnetic sensing road studs Effective date of registration: 20231207 Granted publication date: 20201229 Pledgee: Zhejiang Mintai Commercial Bank Co.,Ltd. Sichuan Tianfu New Area Sub branch Pledgor: Sichuan Jiutong Zhilu Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2023980069559 |