CZ33827U1

CZ33827U1 - Portable grid sensor for detecting vehicles

Info

Publication number: CZ33827U1
Application number: CZ2020-37217U
Authority: CZ
Inventors: Michael Fridrich
Original assignee: Vysoká Škola Báňská-Technická Univerzita Ostrava
Priority date: 2020-02-06
Filing date: 2020-02-06
Publication date: 2020-02-27

Description

Mřížkový přenosný senzor pro detekci vozidelPortable grid sensor for vehicle detection

Oblast technikyField of technology

Zařízení je určeno pro oblast dopravy, zejména pro detekci osobních i nákladních automobilů v dopravním provozu. Zařízení představuje senzor založený na vláknově optické Braggovské mřížce (FBG), která je součástí standardního jednovidového optického vlákna s polyamidovou ochranou, a dále enkapsulované v sekundární ochraně z polyuretanové zalévací hmoty. Senzor je určen pro implementaci na vozovku v jednom jízdním pruhu.The device is designed for transport, especially for the detection of cars and trucks in traffic. The device is a sensor based on a fiber optic Bragg grating (FBG), which is part of a standard single-mode optical fiber with polyamide protection, and further encapsulated in a secondary protection of polyurethane potting compound. The sensor is designed for implementation on the road in one lane.

Dosavadní stav technikyPrior art

V současnosti se detekce vozidel, zejména u silniční dopravy provádí různými prostředky, které využívají magnetické senzory, senzory tlaku, kamery, mikrovlnná záření apod. Rozdělit je můžeme na:At present, vehicle detection, especially in road transport, is performed by various means, which use magnetic sensors, pressure sensors, cameras, microwave radiation, etc. We can divide them into:

a) Indukční smyčky pracující na principu změny indukce v elektromagnetickém poli. Jedná se o v dopravě nepoužívanější senzory. Umisťují se pod povrch vozovky. Je možné je využít pro měření rychlosti, klasifikaci dopravního proudu, sběr dopravních dat apod. Výhodou zařízení je jeho snadná instalace, přesnost a spolehlivost. Vzhledem k tomu, že je toto zařízení instalováno uvnitř vozovky, pak mezi jeho nevýhody patří omezená možnost použití v oblasti železobetonových konstrukcí, vyšší náklady na opravy apod.a) Induction loops working on the principle of changing the induction in an electromagnetic field. These are the most commonly used sensors in transport. They are placed under the road surface. It is possible to use them for speed measurement, traffic flow classification, traffic data collection, etc. The advantage of the device is its easy installation, accuracy and reliability. Due to the fact that this device is installed inside the road, its disadvantages include the limited possibility of use in the field of reinforced concrete structures, higher repair costs, etc.

b) Magnetické senzory - využívají jevu, který spočívá ve změně elektrického odporu velmi tenké vrstvy magnetického materiálu při jeho vložení do podélného magnetického pole. Tyto senzory jsou vysoce citlivé a mají krátkou reakční dobu. Tento typ senzoru je zabudován do vozovky. Pro měření rychlosti se obvykle používají dva senzory. Nevýhodou je, že výsledky měření mohou být ovlivněny silným vnějším magnetickým polem, vyšší náklady na opravu apod.b) Magnetic sensors - use the phenomenon, which consists in changing the electrical resistance of a very thin layer of magnetic material when it is inserted into a longitudinal magnetic field. These sensors are highly sensitive and have a short reaction time. This type of sensor is built into the road. Two sensors are usually used to measure speed. The disadvantage is that the measurement results can be affected by a strong external magnetic field, higher repair costs, etc.

c) Pneumatické senzory - princip činnosti spočívá v měření změny tlaku v trubce položené na vozovce. Tento typ senzorů slouží k měření intenzity provozu, obsazenosti jednotlivých jízdních pruhů, případně k měření rychlosti (dva senzory). Jedná se o přenosnou technologii s velmi jednoduchou instalací. Mezi její nevýhody patří citlivost na změnu teploty, nepřesné počítání náprav při vyšší intenzitě dopravy, technologie neumí rozeznat vozidla stojící či pomalu jedoucí.c) Pneumatic sensors - the principle of operation consists in measuring the change in pressure in a pipe laid on the road. This type of sensors is used to measure the intensity of traffic, occupancy of individual lanes, or to measure speed (two sensors). It is a portable technology with very simple installation. Its disadvantages include sensitivity to temperature changes, inaccurate axle counting at higher traffic intensities, technology cannot detect vehicles that are standing or moving slowly.

d) Piezoelektrické senzory - fungují na principu stlačení měřicí sondy, které je způsobeno nápravou projíždějícího vozidla. Senzory se umisťují do podélné drážky vyfrézované do vozovky a zalévají se epoxidem. Tento typ senzoru je citlivý na instalaci (zarovnání jeho polohy s úrovní vozovky). Výhodou je, že piezoelektrický efekt má dynamický charakter, tedy že elektrický náboj je generován pouze při změně vnějších sil působících na umístěný senzor. Senzor nelze využít pro měření rychlostí nižších než je 20 km/h, což je jedna z jeho nevýhod, může být citlivý na teplotu a jeho účinnost značně klesá při nižších teplotách okolí.d) Piezoelectric sensors - operate on the principle of compression of the measuring probe, which is caused by the axle of a passing vehicle. The sensors are placed in a longitudinal groove milled into the road and encapsulated with epoxy. This type of sensor is sensitive to installation (alignment of its position with the road level). The advantage is that the piezoelectric effect has a dynamic character, ie that the electric charge is generated only when the external forces acting on the placed sensor change. The sensor cannot be used to measure speeds lower than 20 km / h, which is one of its disadvantages, it can be temperature sensitive and its efficiency decreases considerably at lower ambient temperatures.

e) Mikrovlnné senzory - pracují na principu šíření elektromagnetických vln. Mohou být mobilní i stacionární. Nevýhodou těchto zařízení je jejich citlivost na elektromagnetické interference. Radarové vlny se totiž odrážejí od kovových částí karosérií a některých terénních překážek (betonové konstrukce, sloupy veřejného osvětlení apod.).e) Microwave sensors - work on the principle of electromagnetic wave propagation. They can be mobile or stationary. The disadvantage of these devices is their sensitivity to electromagnetic interference. Radar waves are reflected from metal parts of the body and some terrain obstacles (concrete structures, public lighting poles, etc.).

f) Technologie CCTV (Closed Circuit Television) - je založena na digitalizaci statického obrazu, kdy průjezd vozidla změní hodnoty barev a jasu. Součástí systému je soubor jedné a více propojených videokamer a výkonný počítač pro zpracování a analýzu dat. Tento systém je schopen rozpoznávat i státní poznávací značky a na základě doby průjezdu vozidla měřenýmf) CCTV (Closed Circuit Television) technology - is based on the digitization of a still image, where the passage of the vehicle changes the values of color and brightness. The system includes a set of one or more interconnected video cameras and a powerful computer for data processing and analysis. This system is also able to recognize state license plates and based on the time of passage of the vehicle measured

- 1 CZ 33827 U1 úsekem a známé vzdálenosti mezi bodem vjezdu a výjezdu vypočítat i rychlost vozidla. Zařízení nelze oklamat změnou jízdního pruhu.- 1 CZ 33827 U1 section and the known distance between the point of entry and exit to calculate the speed of the vehicle. The device cannot be fooled by changing lanes.

g) Technologie RFID (Radio Frequency Identification) jedná se o technologii identifikace objektů pomocí radiofrekvenčních vln. V rámci dopravních systémů je tvořen RFID čtečkou a štítky. Štítky se dělí na aktivní nebo pasivní. U aktivních štítků lze využít dosah až stovek metrů. Výhodou systému je velmi rychlé a přesné zpracování informací a okamžitý přenos načtených dat k analýze a dalšímu zpracování. Systém lze využít pro měření rychlosti.g) RFID (Radio Frequency Identification) technology is a technology for identifying objects using radio frequency waves. Within transport systems, it consists of an RFID reader and tags. Labels are divided into active or passive. A range of up to hundreds of meters can be used for active labels. The advantage of the system is very fast and accurate processing of information and immediate transfer of read data for analysis and further processing. The system can be used for speed measurement.

h) Optické senzory a aktivní infračervené senzory - principem je vyslání a příjem optického paprsku mezi dvěma referenčními body. Lze je použít pro měření rychlosti (nutnost dvou senzorů). Mohou být mobilní nebo stacionární.h) Optical sensors and active infrared sensors - the principle is to send and receive an optical beam between two reference points. They can be used for speed measurement (need for two sensors). They can be mobile or stationary.

i) Senzory využívající k monitorování optovláknové technologie tzv. Braggovské mžížky (FBG) Tyto senzory lze umístit na vozovku, jak je popsáno například v článku KUNZLER, Marley, Eric UDD, Tad TAYLOR a Wesley KUNZLER. Traffic monitoring using fiber optic grating sensors on the 1-84 freeway and future uses in WIM. In: Proceedings of SPIE 5278, 2003. s. 122 až 127. DOI: 10.1117/12.544456, nebo mohou být umisťovány do vozovky CZ 307510 B6 - Zařízeni pro měření hmotnosti a způsob měření, rovněž tak může být při jejich výrobě použita technologie 3D tisku CN 108615368 - Road traffic flow monitoring systém based on 3D printing and FBG technologies, případně může technologie obsahovat i více než jen jednu FBG mřížku CN 201780688 - Road traffic flow monitoring device with fiber grating insensitive to temperature.i) Sensors using so-called Bragg grating (FBG) to monitor fiber optic technology These sensors can be placed on the road, as described, for example, in the article by KUNZLER, Marley, Eric UDD, Tad TAYLOR and Wesley KUNZLER. Traffic monitoring using fiber optic grating sensors on the 1-84 freeway and future uses in WIM. In: Proceedings of SPIE 5278, 2003. pp. 122 to 127. DOI: 10.1117 / 12.544456, or they can be placed in the roadway CZ 307510 B6 - Devices for measuring weight and method of measurement, also 3D printing technology can be used in their production CN 108615368 - Road traffic flow monitoring system based on 3D printing and FBG technologies, or the technology may contain more than just one FBG grid CN 201780688 - Road traffic flow monitoring device with fiber grating insensitive to temperature.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Výše uvedené nevýhody odstraňuje zařízení, které představuje měřicí pás, využitelný pro detekci hustoty provozu - tedy počty vozidel (jednostopých, dvoustopých, osobních, nákladních) v dopravě.The above-mentioned disadvantages are eliminated by the device, which represents a measuring tape, usable for detecting the density of traffic - ie the number of vehicles (single-track, two-track, passenger, truck) in transport.

Jedná se o měřicí pás založený na vláknově optické Braggovské mřížce (FBG), která je součástí standardního jednovidového optického vlákna (standard G.652.D) s polyimidovou ochranou a sekundární ochranou, jehož oba konce jsou fixovány. Tento celek je pak enkapsulován polyuretanovou zalévací hmotou - PU430-PH30, přičemž jeden z konců vlákna je vyveden do konektoru. FBG mřížka je uložena uprostřed pásu (z hlediska délky pásu), ideálně 1 cm od okraje pásu z hlediska jeho šířky, přičemž hloubka uložení vlákna s FBG mřížkou je ideálně 1,5 cm. FGB mřížka má rozsah Braggovy rezonanční vlnové délky 1510 až 1585 nm aodrazivost nejméně 55 %, přičemž šířka spektra je v rozsahu 0,1 až 1 nmIt is a measuring tape based on a fiber optic Bragg grating (FBG), which is part of a standard single-mode optical fiber (standard G.652.D) with polyimide protection and secondary protection, both ends of which are fixed. This unit is then encapsulated with a polyurethane potting compound - PU430-PH30, while one of the ends of the fiber is led to the connector. The FBG grid is placed in the middle of the belt (in terms of belt length), ideally 1 cm from the edge of the belt in terms of its width, while the depth of placement of the fiber with the FBG grid is ideally 1.5 cm. The FGB grating has a Bragg resonant wavelength range of 1510 to 1585 nm and a reflectance of at least 55%, with a spectrum width of 0,1 to 1 nm.

Pro zjištění hustoty dopravy, pak je výše uvedený pás umístěn na povrch pozemní komunikace (silnice, cyklostezka, vjezd/výjezd z parkoviště apod.) bez nutnosti další jeho fixace. Projíždějící vozidlo pak mechanicky působí na FBG mřížku uloženou uvnitř pásu. Toto mechanické působení má za následek vznik deformací, které vedou ke změně geometrických vlastností mřížkové struktury a ty se projevují ve změně spektra odraženého světla od mřížky, a tedy změnou Braggovské vlnové délky (pm). Takto získané informace jsou následně přenášeny do vyhodnocovací jednotky, a to buď přímo na místě a/nebo s využitím telekomunikačních sítí podél cest.To determine the density of traffic, the above belt is placed on the surface of the road (road, bike path, entry / exit from the parking lot, etc.) without the need for further fixation. The passing vehicle then mechanically acts on the FBG grid placed inside the belt. This mechanical action results in deformations which lead to a change in the geometric properties of the grating structure and these are reflected in a change in the spectrum of the reflected light from the grating, and thus in a change in the Bragg wavelength (pm). The information thus obtained is then transmitted to the evaluation unit, either directly on site and / or using telecommunication networks along the roads.

Mezi výhody tohoto zařízení patří jeho mobilita, jednoduchost. Dále je zařízení rychle použitelné bez nutnosti zásahu do povrchu pozemní komunikace. Vzhledem k použitým materiálům je zařízení odolné i vůči elektromagnetickému rušení. Informace získané ze zařízení je možné přenášet i na velké vzdálenosti. V případě, že jsou na předem známou vzdálenost na komunikaci umístěny dva takovéto pásy, je možné za jejich pomocí měřit i rychlost. Zařízení nijak neomezuje pohyb vozidel po komunikaci (netvoří překážku - hrbol).The advantages of this device include its mobility, simplicity. Furthermore, the device is quickly usable without the need to interfere with the road surface. Due to the materials used, the device is also resistant to electromagnetic interference. Information obtained from the device can be transmitted over long distances. If two such belts are placed at a predetermined distance on the road, it is possible to measure the speed with their help. The device does not restrict the movement of vehicles on the road (it does not form an obstacle - a bump).

-2 CZ 33827 U1-2 CZ 33827 U1

Objasnění výkresůExplanation of drawings

Na obr. 1 se nachází zařízení, tedy měřicí pás v řezu, a obr. 2 představuje měřicí pás při pohledu shora. Obr. 3 pak reprezentuje grafický záznam měření - detekovaný průjezd osobního vozidla. Obr. 4 pak představuje grafický záznam z reálného měření.Fig. 1 shows the device, i.e. the measuring strip in section, and Fig. 2 shows the measuring strip seen from above. Giant. 3 then represents a graphical record of the measurement - the detected passage of the passenger car. Giant. 4 then represents a graphical record from a real measurement.

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solution

Příklad 1Example 1

Na komunikaci v blízkosti základní školy je zapotřebí zjistit hustotu provozu silničních vozidel, a to z důvodu jeho budoucí regulace. Na silniční komunikaci je položen měřicí pás 1 lichoběžníkového tvaru z polyuretanové zalévací hmoty PU430-PH 30 uvnitř kterého se nachází jedno vidové optické vlákno 2 s polyimidovou ochranou a sekundární ochranou. V tomto vláknu 2 je uložena FBG mřížka 3. Celková délka vlákna je 275 cm. Vlákno 2 je uvnitř pásu 1 fixováno ve dvou bodech 4, přičemž fixačním prvkem je v tomto případě sekundové lepidlo. Vlákno 2 je uloženo tak, že jeden jeho konec je umístěn uvnitř zalévací hmoty, zatímco jeho druhý konec ústí na povrch pásu laje ukončen konektorem 5 pro připojení přímo k vyhodnocovací jednotce nebo k telekomunikační síti.On the road near the primary school, it is necessary to determine the traffic density of road vehicles, due to its future regulation. A trapezoidal-shaped measuring strip 1 made of polyurethane potting compound PU430-PH 30 is placed on the road, inside which there is a single-mode optical fiber 2 with polyimide protection and secondary protection. An FBG grid 3 is stored in this fiber 2. The total length of the fiber is 275 cm. The fiber 2 is fixed inside the strip 1 at two points 4, the fixing element in this case being a second adhesive. The fiber 2 is arranged so that one end is located inside the potting compound, while its other end opens onto the surface of the lath strip terminated by a connector 5 for connection directly to the evaluation unit or to the telecommunication network.

Pro výše uvedené měření má pás 1 délku 300 cm a je jedné straně široký 7 cm a na straně druhé 5 cm, jeho celková výška je pak 3 cm. Vlákno 2 je uloženo v hloubce 1,5 cm. FBG mřížka 3 je umístěna uprostřed pásu 1, což v tomto případě znamená 150 cm od jeho okraje.For the above measurements, the strip 1 has a length of 300 cm and is 7 cm wide on one side and 5 cm on the other, its total height is then 3 cm. Fiber 2 is stored at a depth of 1.5 cm. The FBG grid 3 is located in the middle of the strip 1, which in this case means 150 cm from its edge.

Ověření funkcionality bylo provedeno v rámci dlouhodobého měření v časovém intervalu 700 minut a 2 sekund, během kterých je zaznamenáno 1685 vozidel. Výsledky měření jsou zaznamenány na obr. 4. Jako referenční systém byl využit kamerový systém, který rovněž detekoval všech 1685 vozidel. Velikost amplitudy je závislá na váze vozidla, respektive jeho nápravy.The functionality was verified as part of a long-term measurement at a time interval of 700 minutes and 2 seconds, during which 1685 vehicles are recorded. The results of the measurements are recorded in Fig. 4. A camera system was used as a reference system, which also detected all 1685 vehicles. The size of the amplitude depends on the weight of the vehicle or its axle.

Příklad 2Example 2

Příklad 2 se od příkladu 1 odlišuje tím, že jsou užity dva měřicí pásy, které byly umístěny v nebezpečném úseku vozovky a monitorují rychlost průjezdu. Monitorovány jsou časové rozdíly odezvy obou zařízení umístěných v předem známé vzdálenosti na vozovce při průjezdu automobilu. Signály z obou zařízení jsou rozlišeny metodou vlnového multiplexu. Každý senzor moduluje světlo o jiné vlnové délce.Example 2 differs from Example 1 in that two measuring strips are used, which have been placed in a dangerous section of the road and monitor the speed of passage. The time differences of the response of both devices located at a previously known distance on the road during the passage of the car are monitored. The signals from both devices are distinguished by the wave multiplex method. Each sensor modulates light of a different wavelength.

Příklad 3Example 3

Příklad 3 se od předchozích příkladů odlišuje tím, že jsou užita tři zařízení pro monitorování více úseků najednou.Example 3 differs from the previous examples in that three devices are used to monitor several sections at once.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Zařízení je využitelné ve všech oblastech dopravy, kde je třeba monitorovat hustotu provozu například na pozemních komunikacích - monitorování osobních i nákladních vozidel případně motocyklů. Zařízení je možné použít i pro monitorování hustoty provozu na cyklostezkách, při výjezdech/vjezdech z parkovišť apod. Rovněž je možné zařízení využít pro měření rychlosti, ale v tomto případě je nutné užít více než jeden měřicí pás.The device can be used in all areas of transport, where it is necessary to monitor the density of traffic, for example on roads - monitoring of cars and trucks or motorcycles. The device can also be used to monitor the density of traffic on bike paths, at exits / entrances from parking lots, etc. It is also possible to use the device to measure speed, but in this case it is necessary to use more than one measuring strip.

Claims

CLAIMS FOR PROTECTION

A grid transmission sensor for detecting vehicles, comprising an optical fiber with a Bragg grating, characterized in that it consists of a shaped measuring tape (1), which consists of two layers of polyurethane potting compound, between which a single-mode optical fiber is placed and fixed. (2) with an FBG grid (3) so that one end of the fiber (2) is located inside the potting compound and the other end of the fiber (2) is terminated by a connector (5) for connection to an evaluation unit or to a telecommunication network.

Grid transmission sensor for vehicle detection according to claim 1, characterized in that the measuring strip (1) has the shape of a trapezoid, the length of which is 300 cm, the height is 3 cm and the width on one side is 7 cm and on the opposite side 5 cm.

Grid transmission sensor for vehicle detection according to claims 1 and 2, characterized in that the single-mode optical fiber (2) with the FBG grating (3) is arranged at half the height of the measuring strip (1) and at the same time the FBG grating (3) is centered exactly to half the length of the measuring strip (1).

Grid transmission sensor for vehicle detection according to claim 1, characterized in that the single-mode optical fiber (2) with the FBG grating (3) is fixed on the first layer of polyurethane potting compound at two points (4).