CZ34137U1

CZ34137U1 - Chain sensor for monitoring road traffic

Info

Publication number: CZ34137U1
Application number: CZ2020-37552U
Authority: CZ
Inventors: Michael Fridrich
Original assignee: Vysoká Škola Báňská-Technická Univerzita Ostrava
Priority date: 2020-05-18
Filing date: 2020-05-18
Publication date: 2020-06-23

Description

Řetízkový snímač pro provádění monitorování silniční dopravyChain sensor for monitoring road traffic

Oblast technikyField of technology

Zařízení je primárně určeno pro oblast dopravy, konkrétně pro detekci provozu silničních vozidel. Snímač je schopen měřit rychlost vozidel, detekovat směr jejich jízdy nebo monitorovat hustotu dopravního provozu v jednom jízdním pruhu.The device is primarily intended for the area of transport, specifically for detecting the operation of road vehicles. The sensor is able to measure the speed of vehicles, detect the direction of their travel or monitor the density of traffic in one lane.

Dosavadní stav technikyPrior art

Současný stav techniky v oblasti monitoringu dopravy lze rozdělit do několika oblastí, které se liší použitým senzorem/zařízením pro monitorování.The current state of the art in the field of traffic monitoring can be divided into several areas, which differ in the sensor / monitoring device used.

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 changes in temperature, inaccurate counting of axles at higher traffic intensities, technology cannot detect vehicles that are stationary or slow-moving.

d) Piezoelektrické senzory - fungují na principu stlačení měřící 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 elektromagnetickckých 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 bodies 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 měřeným úsekem a známé vzdálenosti mezi bodem vjezdu a výjezdu vypočítat i rychlost vozidla. Zařízení nelze oklamat změnou jízdního pruhu.f) 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 through the measured section and the known distance between the point of entry and exit, also calculate the speed of the vehicle. The device cannot be fooled by changing lanes.

- 1 CZ 34137 U1- 1 CZ 34137 U1

g) Technologie RFID (Rádio 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 stacionárníh) 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) pro tuto konkrétní oblast jsou známy následující články - Ke Wang, Zhanxiong Wei, Bingquan Chen, and Hong-Liang Cui: A fiber-optic weigh-in-motion sensor using fiber Bragg gratings, Proč. SPIE 6004, Fiber Optic Sensor Technology and Applications IV, 60040S; kde je popisován systém pro monitorování na mostech, který tvoří 4 vertikální ocelové trubky s FBG senzory.i) Sensors using the so-called Bragg grating (FBG) fiber optic technology for this specific area The following articles are known - Ke Wang, Zhanxiong Wei, Bingquan Chen, and Hong-Liang Cui: A fiber-optic weigh-in-motion sensor using fiber Bragg gratings, Why. SPIE 6004, Fiber Optic Sensor Technology and Applications IV, 60040S; where a system for monitoring on bridges is described, which consists of 4 vertical steel pipes with FBG sensors.

Další článek z této oblasti představuje Hongtao Zhang, Zhanxiong Wei, Lingling Fan, Shangming Yang, Pengfei Wang, and Hong-Liang Cui A high speed, portable, multifunction, weigh-in-motion (WIM) sensing systém and a high performance optical fiber Bragg grating (FBG) demodulator, Proč. SPIE 7647, Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mechanical, and Aerospace Systems 2010, 76473D; kde se popsaný systém vyznačuje svou mobilitou. Skládá se ze 4 senzorických přenosných podložek.Another article in this area presents Hongtao Zhang, Zhanxiong Wei, Lingling Fan, Shangming Yang, Pengfei Wang, and Hong-Liang Cui A high speed, portable, multifunction, weigh-in-motion (WIM) sensing system and a high performance optical fiber Bragg grating (FBG) demodulator, Why. SPIE 7647, Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mechanical, and Aerospace Systems 2010, 76473D; where the described system is characterized by its mobility. It consists of 4 sensory portable pads.

FBG problematikou se zabývá i článek autorů Malla, Ramesh B.; Sen, Amlan; Garrick, Norman W. 2008. A Speciál Fiber Optic Sensor for Measuring Wheel Loads ofVehicles on Highways. Sensors 8, no. 4: 2551-2568. Ve kterém je popsán systém založený na změně intenzity světla v optickém vlákně. Senzor není součástí vozovky a zasahuje částečně nad povrch.The article by Malla, Ramesh B .; Sen, Amlan; Garrick, Norman W. 2008. A Special Fiber Optic Sensor for Measuring Wheel Loads ofVehicles on Highways. Sensors 8, no. 4: 2551-2568. In which a system based on changing the light intensity in an optical fiber is described. The sensor is not part of the road and extends partially above the surface.

Monitorovací systém, který vyžaduje větší zásah do vozovky pak popsali autoři Weilai Li, Bo Jiang, Qingshan Zhang, and Fenfang Zhu v článku FBG load cell technology and WIM application, Proč. SPIE 6830, Advanced Sensor Systems and Applications III, 683023. Senzor se skládá ze 4 FBG senzorů přilepených na kovový prvek. Nebo autoři Bumos, Piotr; Gajda, Janusz. 2016. Thermal Property Analysis of Axle Load Sensors for Weighing Vehicles in Weigh-in-Motion System Sensors 16, no. 12: 2143, kde je rovněž popsán senzor, který vyžaduje větší zásah do vozovky.The monitoring system, which requires more intervention in the roadway, was then described by Weilai Li, Bo Jiang, Qingshan Zhang, and Fenfang Zhu in the FBG article load cell technology and WIM application, Proc. SPIE 6830, Advanced Sensor Systems and Applications III, 683023. The sensor consists of 4 FBG sensors glued to a metal element. Or the authors Bumos, Piotr; Gajda, Janusz. 2016. Thermal Property Analysis of Axle Load Sensors for Weighing Vehicles in Weigh-in-Motion System Sensors 16, no. 12: 2143, which also describes a sensor that requires more intervention in the roadway.

Monitorování pomocí indukčních smyček s FBG senzory pak je zmiňováno ve článků autorů J. Dubovan, J. Litvik, M. Markovic and M. Fmiak, Utilization of FBG's in experimental weighing in motion systems, 2018 ELEKTRO, Mikulov, 2018, pp. 1-4.Monitoring using induction loops with FBG sensors is then mentioned in the articles by J. Dubovan, J. Litvik, M. Markovic and M. Fmiak, Utilization of FBG's in experimental weighing in motion systems, 2018 ELEKTRO, Mikulov, 2018, pp. 1-4.

Kde se měřící systém skládá ze 2 indukčních smyček, 40 FBG senzorů pro monitorování provozu a 1 FBG senzoru pro snímání teploty.Where the measuring system consists of 2 induction loops, 40 FBG sensors for operation monitoring and 1 FBG sensor for temperature sensing.

Z patentové literatury je pak znám spis č. 307510. Vynález popisuje senzorický systém pro vážení vozidla za jízdy, měření šířky vozidla, detekci podhuštění pneumatik a počítání náprav. Optovláknová část systému je tvořena kovovou konstrukcí s Braggovskými mřížkami, která se instaluje do vyfrézované části vozovky.Document No. 307510 is known from the patent literature. The invention describes a sensor system for weighing a vehicle while driving, measuring the width of the vehicle, detecting underinflation of the tires and counting the axles. The fiber optic part of the system consists of a metal structure with Bragg grids, which is installed in the milled part of the road.

-2 CZ 34137 U1-2 CZ 34137 U1

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Výše uvedené nevýhody odstraňuje částečně či zcela zařízení, které představuje PDMS-FBG řetízkový snímač, který je tvořen pěti PDMS-FBG senzory, přičemž každý z nich je tvořen Braggovskou mřížkou (FBG) zapouzdřenou do polymerové hmoty Polydimethylsiloxane (PDMS). Jak již bylo výše řečeno uvedený snímač je tvořen pěti PDMS-FBG senzory v jednom optickém vlákně standardu G.652.D. Vzdálenost mezi jednotlivými Braggovskými mřížkami senzorů je přesně 60 cm. Zapouzdření Braggovských mřížek je provedeno v polymeru polydimethylsiloxane s rozměry přesně 60x30x5 mm (délka x šířka x výška). Volné konce optického vlákna (G.652.D) mají ochranné PVC opláštěním o vnějším průměru 3 mm. Přívodní optický kabel o délce 1 až 50 m je zakončen konektorem typu FC/APC.The above-mentioned disadvantages are partially or completely eliminated by the device, which is a PDMS-FBG chain sensor, which consists of five PDMS-FBG sensors, each of which is formed by a Bragg lattice (FBG) encapsulated in a Polydimethylsiloxane (PDMS) polymer mass. As mentioned above, the sensor consists of five PDMS-FBG sensors in one optical fiber of the G.652.D standard. The distance between the individual Bragg gratings of the sensors is exactly 60 cm. The encapsulation of the Bragg gratings is made in a polydimethylsiloxane polymer with dimensions of exactly 60x30x5 mm (length x width x height). The free ends of the optical fiber (G.652.D) have a protective PVC sheath with an outer diameter of 3 mm. The optical supply cable with a length of 1 to 50 m is terminated with an FC / APC type connector.

PDMS-FBG senzory se implementují do svrchní části vozovky do max hloubky 1 cm. Tento snímač je určen pro detekci automobilů v městském provozu v jednom jízdním pruhu o šíři od 3 m do 3,6 m. V případě použití dvojice PDMS-FBG řetízkových snímačů instalovaných v předepsané vzdálenosti mezi sebou od 1 m do 3 m je možné realizovat měření rychlosti automobilů, určovat směr jízdy vozidel nebo realizovat monitorování hustoty dopravního provozu v jednom jízdním pruhu. Pro potřeby monitorování více pruhů současně, je možné použít další dvojice PDMS-FBG řetízkových snímačů, pro každý pruh jedna dvojice PDMS-FBG snímačů.PDMS-FBG sensors are implemented in the upper part of the road to a maximum depth of 1 cm. This sensor is designed for the detection of cars in urban traffic in one lane with a width of 3 m to 3.6 m. In the case of using a pair of PDMS-FBG chain sensors installed at a prescribed distance from each other from 1 m to 3 m speed of cars, determine the direction of travel of vehicles or monitor the density of traffic in one lane. For the purpose of monitoring multiple lanes simultaneously, it is possible to use another pair of PDMS-FBG chain sensors, for each lane one pair of PDMS-FBG sensors.

Objasnění výkresůExplanation of drawings

Na obr. 1 se nachází PDMS-FBG senzor s přívodními optickými kabely (pohled shora), obr. 2 představuje tentýž senzor při pohledu z boku a obr. 3 představuje tentýž senzor v řezu. Na obr. 4 se nachází schéma prototypu PDMS-FBF řetízkového snímače a obr. 5 představuje 3D model PDMS-FBG senzoru s přívodními kabely. Na obr. 6 se nachází záznam nezpracovaných signálů z pěti PDMS-FBG senzorů odpovídající průjezdu osobního automobilu a obr. 7 pak představuje zpracovaný signál odpovídající průjezdu osobního automobilu s detekovanou přední a zadní nápravou NI, N2. Obr. 8 znázorňuje příklad uskutečnění 1.Fig. 1 shows a PDMS-FBG sensor with optical fiber cables (top view), Fig. 2 shows the same sensor in a side view and Fig. 3 shows the same sensor in section. Fig. 4 is a diagram of a prototype PDMS-FBF chain sensor, and Fig. 5 is a 3D model of a PDMS-FBG sensor with supply cables. Fig. 6 shows a record of the raw signals from the five PDMS-FBG sensors corresponding to the passage of the passenger car, and Fig. 7 then shows the processed signal corresponding to the passage of the passenger car with the detected front and rear axles N1, N2. Giant. 8 shows an example of embodiment 1.

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solution

Příklad 1Example 1

Pro pokusné měření průjezdu vozidel, byl řetízkový snímač implementován do vozovky do hloubky 1 cm. Základní senzor 7 řetízkového snímače, je znázorněn na obrázku 1 a skládá se z obdélníku o rozměrech 30x60x5 mm z polymerové hmoty 3 PDMS, kterým prochází jednovidové optické vlákno 1 standardu G.652.D a je propojeno s Braggovskou mřížkou 4 uloženou uprostřed obdélníku. Volné konce jednovidového optického vlákna 1 jsou uloženy v ochranném PVC opláštění 2, přičemž toto opláštění 2 je částečně zapuštěno do obdélníku základního článku 7. Opláštění 2 má vnější průměr 3 mm. Pro tento případ je zřetězeno pět základních senzorů 7 za sebou. Zřetězení je provedeno tak, že na konektor 5 typu FC/APC je prostřednictvím optického kabelu 6 sériově propojeno pět vzájemně propojených základních senzorů 7, přičemž pátý základní senzor 7 ukončuje celý řetízkový snímač. Vzdálenost mezi jednotlivými Braggovskými mřížkami senzorů 7 je přesně 60 cm. Toto zřetězení je znázorněno na obrázku 4. Měření probíhalo po dobu 12 minut a během měření bylo detekováno celkem 33 průjezdů. Grafický výsledek tohoto měření je znázorněn na obrázku 8.For experimental measurement of vehicle passage, a chain sensor was implemented in the roadway to a depth of 1 cm. The basic sensor 7 of the chain sensor is shown in Figure 1 and consists of a rectangle measuring 30x60x5 mm of polymer mass 3 PDMS, through which a single-mode optical fiber 1 of the G.652.D standard passes and is connected to a Bragg grating 4 placed in the middle of the rectangle. The free ends of the single-mode optical fiber 1 are housed in a protective PVC sheath 2, this sheath 2 being partially embedded in the rectangle of the base member 7. The sheath 2 has an outer diameter of 3 mm. For this case, five basic sensors 7 are chained in series. The concatenation is performed in such a way that five interconnected basic sensors 7 are connected in series to the FC / APC type connector 5 by means of an optical cable 6, the fifth basic sensor 7 terminating the entire chain sensor. The distance between the individual Bragg gratings of the sensors 7 is exactly 60 cm. This concatenation is shown in Figure 4. The measurement was run for 12 minutes and a total of 33 passes were detected during the measurement. The graphical result of this measurement is shown in Figure 8.

-3 CZ 34137 U1-3 CZ 34137 U1

Příklad 2Example 2

Příklad 2 se od příkladu 1 odlišuje tím, že jsou do vozovky, v hloubce 0,5 uloženy dva řetízkové snímače, které jsou od sebe vzdáleny 2 metry. V tomto případě je měřena rychlost vozidel.Example 2 differs from Example 1 in that two chain sensors are placed in the road at a depth of 0.5, which are 2 meters apart. In this case, the speed of the vehicles is measured.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Zařízení je možné využít pro detekci průjezdu vozidel, počítání náprav, monitorování hustoty dopravy a měření rychlosti. Dále je možné toto zařízení využít v zabezpečovacích systémech železničních přejezdů, kde je zařízením možno detekovat uvízlé vozidlo.The device can be used for vehicle passage detection, axle counting, traffic density monitoring and speed measurement. Furthermore, it is possible to use this device in security systems of railway crossings, where the device can detect a stuck vehicle.

Claims

CLAIMS FOR PROTECTION

Chain sensor for monitoring road traffic, characterized in that it consists of at least five sensors (7) which are connected in series by a fiber optic cable (6), at one end of which there is an FC / APC type connector (5). and at the opposite end the sensor (7).

Chain sensor according to claim 1, characterized in that each sensor (7) consists of a Bragg grating (4) with a single-mode optical fiber (1) which is encapsulated in a polymer mass (3) of PDMS, one mode optical fiber (1) passes through the polymer mass (3) and its free ends are housed in a protective PVC sheath (2).

Chain sensor according to the preceding claims, characterized in that the polymer mass (3) is in the shape of a rectangle with dimensions of 60x30x5mm.

Chain sensor according to the preceding claims, characterized in that the distance between the individual Bragg gratings (4) of the sensors (7) is exactly 60 cm.

Chain sensor according to the preceding claims, characterized in that the protective PVC sheath (2) has an outer diameter of 3 mm.

Chain sensor according to the preceding claims, characterized in that the single-mode optical fiber (1) together with the protective PVC sheath (2) forms an optical cable (6).

Chain sensor according to the preceding claims, characterized in that the optical supply cable (6) has a length of 1 to 50 m.