DE3902582A1 - Verfahren zur lokalen verkehrsdatenerfassung und -auswertung - Google Patents
Verfahren zur lokalen verkehrsdatenerfassung und -auswertungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokalen Verkehrsdatenerfassung
und -auswertung gemäß Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Verfahren bzw. Vorrichtungen dieser Art werden beispielsweise
zur Überwachung bzw. Steuerung oder statistischen
Erfassung des Verkehrsflusses auf Autobahnen, Überlandstraßen
und/oder im innerstädtischen Bereich eingesetzt.
Möglich ist auch ihr Einsatz im Bereich des spurgebundenen
Verkehrs, beispielsweise für Eisenbahnen, oder in der automatisierten
Lagerhaltung oder im Bereich der industriellen
Fertigung, beispielsweise zur Überwachung und Steuerung von
automatisierten Fertigungsstraßen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der
eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem eine möglichst
zuverlässige, genaue und schnelle Verkehrsdatenerfassung und
-auswertung möglich ist.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch
1 beschrieben. In den übrigen Ansprüchen sind vorteilhafte
Aus- und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens sowie bevorzugte Anwendungen beschrieben.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren am Beispiel
eines überregionalen Systems zur Überwachung bzw.
Steuerung des Verkehrsflusses im Straßenverkehr, insbesondere
auf Autobahnen, näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Übersichtsbild eines solchen überregionalen
Systems zur Überwachung bzw. Steuerung des Verkehrsflusses
auf Autobahnen.
Fig. 2 ein Übersichtsbild einer vorteilhaften Ausführungsform
einer Vorrichtung zum
Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei
der mehrere dieser Vorrichtungen gleicher
Art miteinander kombiniert sind.
Fig. 3 ein detaillierteres Blockschaltbild einer der
kombinierten Vorrichtungen gemäß
Fig. 2.
Fig. 4 einen Straßenausschnitt mit einem Fahrzeug und
einer Schilderbrücke und mit einer Vorrichtung
gemäß Fig. 3.
Fig. 5 einen vertikalen Schnitt durch das Strahlungsfeld
des Radarsensors der Vorrichtung gemäß Fig. 4.
Fig. 6 ein detaillierteres Blockschaltbild der Einrichtung
zur Digitalen Signalverarbeitung der
Vorrichtung gemäß Fig. 3.
Fig. 7 eine vorteilhafte weitere Ausführungsform der
Vorrichtung gemäß Fig. 3, bei der zusätzlich
Informationen über die Bewegungsrichtung der
überwachten Objekte übertragen und ausgewertet
werden.
Das überregionale System zur Überwachung bzw. Steuerung des
Verkehrsflusses, beispielsweise auf Autobahnen in Fig. 1,
enthält eine Reihe von Vorrichtungen 1, die auf ausgewählten
Punkten des Autobahnnetzes (beispielsweise im
Bereich von Autobahnkreuzen oder -dreiecken oder im Bereich
von Autobahnauf- und -abfahrten) verteilt sind und dort den
lokalen Verkehrsfluß überwachen, und zwar vorteilhafterweise
für jede Fahrspur gesondert. Hierbei kann es sich um
konventionelle Überwachungsvorrichtungen in, wie z. B.
Induktionsschleifen, oder aber vorteilhafterweise um Vorrichtungen
1 a gemäß einer früher angemeldeten, aber zum
Zeitpunkt der Anmeldung noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung
P 38 10 357.5 des Anmelders handeln, die neben
der Überwachungsfunktion im Prinzip auch die Übertragung
von Informationen an die Verkehrsteilnehmer übernehmen
können.
Die in einem bestimmten örtlichen Teilbereich des Autobahnnetzes
stationierten Überwachungsvorrichtungen 1 sind über
eine Datenübertragungseinrichtung 2, in dem Beispiel in Form
eines Busses (RS 485) mit Protokoll gemäß IEC/TC 57, mit
einer für diesen Teilbereich zuständigen lokalen Streckenstation
3 verbunden, die im wesentlichen aus einem Steuermodul
30 besteht, das beispielsweise über eine V.24-Schnittstelle
mit einem Modem 31 verbunden ist und an das zu Konfigurations-
oder Testzwecke z. B. über eine weitere V.24-
Schnittstelle ein Computer (z. B. ein Personalcomputer) bzw.
Terminal 32 anschließbar ist.
An die Datenübertragungseinrichtung 2 können weiterhin
Wechsel-Verkehrszeichen 8 angeschlossen sein, die z. B.
aufgrund der von der Vorrichtungen 1 erfaßten und ausgewerteten
Verkehrsinformationen von der zuständigen lokalen
Streckenstation 3 über die Datenübertragungseinrichtung 2
die der Verkehrssituation angepaßten amtlichen Verkehrszeichen
und/oder Informationen für die Verkehrsteilnehmer
anzeigen. Weiterhin können an diese Datenübertragungseinrichtung
2 weitere Sensoren 9 angeschlossen sein, die die
meteorologischen Daten für diesen Teilbereich des Autobahnnetzes
erfassen und der Streckenstation 3 weitermelden, wie
z. B. Angaben über die Sichtweite, Temperatur, Wind, Niederschlag,
Schnee, Glatteis, Nässe usw.
Die Streckenstationen 3 der einzelnen Teilbereiche des Autobahnnetzes
sind in der nächsthöheren Stufe über eine weitere
Datenübertragungseinrichtung 4, z. B. über das bereits installierte
Autobahn-Telefonnotrufnetz, mit regionalen Unterzentralen
5 verbunden, die ihrerseits in der nächsthöheren
Stufe über eine weitere Datenübertragungseinrichtung, z. B.
das öffentliche Telefonnetz, mit einer Zentrale 7 verbunden
ist.
Durch diese hierarchische Gliederung in mehrere Stufen ist
sichergestellt, daß bei Ausfall einzelner Komponenten oder
Übertragungsleitungen des Systems die anderen Komponenten
ungestört oder nur mit geringen Beeinträchtigungen weiterarbeiten
können.
In einer ersten Ausbaustufe wird mit einem solchen überregionalen
System zur Überwachung bzw. Steuerung im wesentlichen
bezweckt:
- - den Verkehrsfluß (Durchschnittsgeschwindigkeit, Zahl und Art der Fahrzeuge) und die meterologischen Verhältnisse (Sichtweite, Temperatur, Wind, Niederschlag/ Schnee, Glatteis/Nässe usw.) insbesondere an kritischen Punkten des Autobahnnetzes zu überwachen;
- - die erfaßten Daten sofort an die zuständige regionale Unterzentrale 5 weiterzuleiten, beispielsweise über das parallel zum Autobahnnetz verlegte Autobahn-Telefonnotrufnetz;
- - aufgrund der Auswertung dieser Daten die Wechsel-Verkehrszeichen in den betreffenden Teilbereichen des Autobahnnetzes entsprechend durch die zuständige regionale Unterzentrale anzupassen bzw. über die die Verkehrszeichen erzeugenden Anlagen zusätzliche Hinweise und Informationen für die Verkehrsteilnehmer zu geben, wie z. B. Hinweise auf Verkehrsstaus, Baustellen, Unfälle usw.
Darüber hinaus können die regionalen Unterzentralen aktuelle
Verkehrszustandsberichte an die Rundfunkstationen senden,
die diese über den Verkehrsrundfunk unverzögert an die
Verkehrsteilnehmer weitergeben. In einer weiteren Ausbaustufe
könnten diese Informationen über die lokalen Vorrichtungen
1 direkt an die Verkehrsteilnehmer übermittelt werden.
Die Kommunikationsprozeduren zwischen den einzelnen Teilen
des Systems und die Protokolle sind dabei zweckmäßigerweise
in Übereinstimmung mit der IEC/TC 57 definiert.
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung 1 a gemäß P 38 10 357.5 zur lokalen
Überwachung des Verkehrsflusses. Sie besteht aus mehreren
Einzelvorrichtungen 10₁, 11₁, 12₁ -
10₈, 11₈, 12₈ jeweils zum Durchführen des erfindungsgemäßen
Verfahrens, wobei die Indizes 1 und 8 beispielhaft acht
solche Einzelvorrichtungen andeuten sollen. Eine solche
Einzelvorrichtung überwacht jeweils eine Fahrspur und besteht
jeweils aus
- - einem Radarsensor 10₁ bzw. 10₈, der in einer Höhe h beispielsweise an einem Mast an der Seite der Autobahn oder an einer Verkehrsschilderbrücke angebracht sein kann und unter einem bestimmten vertikalen Anstellwinkel α herab auf die Verkehrsteilnehmer gerichtet ist (vgl. auch Fig. 4);
- - einer Übertragungseinrichtung 11₁ bzw. 11₈, die einerseits die Stromversorgungsleitungen für den Radarsensor 10₁ bzw. 10₈ führt und andererseits die Ausgangssignale D₁ bzw. D₈ des Radarsensors 10₁ bzw. 10₈ an eine Auswerteeinheit 12₁ bzw. 12₈ überträgt, wobei die Auswerteeinheit 12₁ bzw. 12₈ die Ausgangssignale D₁ bzw. D₈ des Radarsensors 10₁ bzw. 10₈ auswertet und daraus die aktuellen Verkehrsdaten bestimmt (Geschwindigkeit, Durchschnittsgeschwindigkeit, Fahrzeuglänge, Fahrzeugabstand, Fahrzeugart usw.).
In dem Ausführungsbeispiel sind acht solcher Einzelvorrichtungen
10-12 1-8 ausgangsseitig über einen gemeinsamen
Standard-ECB-Bus 13 (zusätzlich sind auch die jeweiligen
Übertragungseinrichtungen 11₁-11₈ direkt an diesen Bus 13
angeschlossen) mit einem Datenkollektor 14, beispielsweise
einem Mikrocomputer, verbunden, dessen Aufgabe neben der
Datenspeicherung vor allem in der Steuerung bzw. Überwachung
der acht Einzelvorrichtungen (Datenüberwachung, Fehlerkontrolle
usw.) und in der Kommunikation mit dem Steuermodul
(30 in Fig. 1) der zugehörigen Streckenstation (3 in Fig. 1)
besteht. Außerdem kommen die regionalen Unterzentralen (5 in
Fig. 1) oder die Zentrale (7 in Fig. 1) über die zuständige
Steuereinrichtung (3 in Fig. 1) Befehle, neue Parameterwerte
usw. an den Datenkollektor 14 senden, der diese Informationen
analysiert und sie entsprechend an eine, mehrere oder
alle Einzelvorrichtungen 10₁, 11₁, 12₁ . . . 10₈, 11₈, 12₈
weiterleitet.
In einer weiteren Ausführungsstufe können darüber hinaus
lokal oder zentral erzeugte Informationen über die
Einzelvorrichtungen 10₁ . . . 12₈ direkt an die
Verkehrsteilnehmer weitergeleitet werden (beispielsweise
Informationen über Verkehrsstaus, Umleitungsmöglichkeiten,
Gefahrenstellen, Baustellen usw.).
Außerdem kann an den ECB-Bus 13 ein zusätzlicher Speicher 15
angeschlossen werden, in dem die in den Einzelvorrichtungen
10₁ . . . 12₈ erzeugten Daten gespeichert werden können. Dies
ist besonders dann von Vorteil, wenn eine solche Vorrichtung
1 a nicht als Teil eines überregionalen Systems, sondern als
unabhängiges "autarkes" mobiles Einzelsystem eingesetzt
wird, beispielsweise zur Verkehrszählung an einer innerstädtischen
Straßenkreuzung.
Fig. 3 zeigt als Blockschaltbild den prinzipiellen Aufbau
einer vorteilhaften Einzelvorrichtung 10₁
. . . 12₁ gemäß Fig. 2 im Detail.
Als Radarsensor 10 ist ein Millimeterwellen-Sende/Empfangsgerät
vorgesehen, das aus einem lokalen Oszillator 100₁,
einem Kopplungsnetzwerk 101₁, einem Duplexer 102₁, einem
Mischer 103₁ sowie einer Sende/Empfangsantenne 104₁ besteht.
Das Gerät sendet über die Antenne 104₁ ein kontinuierliches
unmoduliertes sinusförmiges Millimeterwellensignal des
lokalen Oszillators 100₁ mit der Frequenz f₀=61,25 GHz aus
und empfängt über die Antenne 104₁ einen Teil der von den
den Radarstrahl passierenden Fahrzeugen reflektierten Signale,
die wegen des Dopplereffekts eine Frequenzverschiebung
erfahren haben. Durch direktes Mischen eines solchen
Signals mit einem über das Kopplungsnetzwerk 101₁ ausgekoppelten
Teils des ausgesandten Signals wird in dem Mischer
ein erstes Ausgangssignal D₁ mit der Differenzfrequenz, ein
sog. Dopplerecho oder Dopplersignal, erzeugt.
Die Frequenz f₀=61,25 GHz ermöglicht es, auf besonders
vorteilhafte Weise eine hohe Absorption durch die Atmosphäre
(20 dB/km) mit der Kompaktheit von Millimeterwellenbauteilen
zu kombinieren. So paßt der gesamte Radarsensor 10₁
zusammen mit einem Teil 110₁ der Übertragungseinrichtung in
ein würfelförmiges Gehäuse mit der Kantenlänge von etwa 15 cm.
Sender und Empfänger sind unterschiedlich polarisiert, um
Cluttereffekte infolge Regen oder Schnee zu verringern. Die
Sendeleistung beträgt weniger als 10 mW. Die Strahlcharakteristik
hat vorzugsweise einen horizontalen bzw. vertikalen
Öffnungswinkel von 3° bzw. 13° (vgl. hierzu Fig. 5, in der
ein vertikaler Schnitt durch das Strahlungsfeld des Sensors
gezeigt ist).
Wie Fig. 4 zeigt, ist der Sensor beispielsweise an einer
Verkehrssignalbrücke in einer Höhe h (beispieslweise h≈
5,5 m) über der zu überwachenden Fahrspur angeordnet und ist
mit seinem Strahlungsfeld unter einem Anstellwinkel α (gemessen
zur Vertikalen) auf die zugehörige Fahrspur gerichtet.
Ein in Fig. 4 als "Objekt" bezeichnetes Fahrzeug mit
der Geschwindigkeit v reflektiert einen Teil der vom Sensor
10₁ ausgesandten Strahlung in Richtung des Sensors. Im
Idealfall ergibt sich die Frequenz f des Dopplerechos zu
wobei c für die Lichtgeschwindigkeit steht. Der Anstellwinkel
α entspricht dabei nach den Gesetzen der Geometrie dem
Winkel zwischen Radarstrahl und dem Geschwindigkeitsvektor v
des den Radarstrahl passierenden Fahrzeugs.
In der Praxis ergeben sich allerdings Abweichungen von dem
hier geschilderten Idealfall, z. B. in Form meßbarer Frequenzverschiebungen,
die nicht auf dem Dopplereffekt beruhen,
oder Amplitudenfluktuationen bis hin zur vollständigen Absorption
des Signals durch die den Radarstrahl passierenden
Fahrzeuge. Verursacht werden diese Effekte vor allem durch
Überlappung von reflektierten Signalen, die an unterschiedlichen
Stellen des Fahrzeugs mit unterschiedlicher Geometrie
bzw. Reflexionscharakteristik reflektiert worden sind, bzw.
durch die endliche Ausdehnung des Radarstrahlungsfeldes in
Bewegungsrichtung der Fahrzeuge.
Bei der Auswahl des Anstellwinkels α müssen zwei Effekte
beachtet werden, die nicht gleichzeitig optimiert werden
können: eine hohe Genauigkeit für die Messung der Fahrzeuglänge
und eine zuverlässige Trennung aufeinanderfolgender
Fahrzeuge wird mit großen Anstellwinkeln a (Grenzfall:
Strahlungsfeld ist senkrecht nach unten gerichtet) erreicht.
Jedoch ist die Breite des Frequenzspektrums eines Dopplerechos
i. a. umso größer (und damit die Ungenauigkeit der
Frequenzmessung), je größer a ist. Dies hat nach Gleichung
(1) zur Folge, daß die Genauigkeit bei der Bestimmung der
Geschwindigkeit des Fahrzeugs umso geringer ist, je größer
der Anstellwinkel α gewählt ist oder, mit anderen Worten,
je genauer die Messung der Fahrzeuglänge erfolgt.
Eine Optimierung dieser beiden gegenläufigen Effekte führt
zu einem Anstellwinkel von etwa 53°. Hierbei kann das Strahlungsfeld
des Radarsensors 10₁ entweder - wie in Fig. 4
dargestellt - auf die Vorderseite der Fahrzeuge gerichtet
sein (positiver α-Wert) oder auf die Rückseite der Fahrzeuge
(negativer α-Wert (gestrichelt in Fig. 4)). Aufgrund unterschiedlicher
Abschattungsgrade durch die Fahrzeuge ergeben
sich für diese beiden Ausrichtungsmöglichkeiten unterschiedliche
Fehler in der Längenmessung der Fahrzeuge.
Die Übertragseinheit 11₁ in Fig. 3 besteht aus einem sensorseitigen
Teil 110₁, der in Fig. 4 zusammen mit dem Radarsensor
10₁ in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht ist,
einem Übertragungskabel 111₁, dessen Länge sich bis zu 1 -
2 km bemessen kann und das den sensorseitigen Teil 110₁ der
Übertragungseinheit 11₁ mit einem auswerteeinheitsseitigen
Teil 112₁ der Übertragungseinheit 11₁ verbindet (vgl. auch
Fig. 4). Hierdurch ist es z. B. möglich, auch ausgedehntere
Teilbereiche des Autobahnnetzes, wie z. B. Autobahnkreuze
oder -dreiecke oder großräumige Auf- und Abfahrten, bei
denen jeweils mehr als acht Fahrspuren überwacht werden
müssen und die insgesamt somit den Einsatz von mehr als acht
erfindungsgemäßen Vorrichtungen erfordern, mit einer einzigen
lokalen Streckenstation (3 in Fig. 1 und 4) zu überwachen.
Vorzugsweise wird über die Übertragungseinheit 11₁
auch die zum Betrieb des Radarsensors 10₁ erforderliche
Betriebsgleichspannung (typ. +24 V) von der lokalen Steuerstation
geliefert.
Um bei der Übertragung des Dopplerechos Dämpfungs-, Rausch-
und/oder Netzbrumm-Einflüsse zu minimieren, wird das zu
übertragende Dopplerecho im sensorseitigen Teil 110₁, der
Übertragungseinheit mit einem Modulator 1103₁ frequenzmoduliert
und nach der Übertragung im auswerteeinheitsseitigen
Teil 112₁ mit Hilfe eines Demodulators 1120₁ demoduliert.
Darüber hinaus wird in einer vorteilhaften Ausführungsform in
dem sensorseitigen Teil 110₁ ein Pilotsignal P₁ z. B. der
Frequenz f=16 kHz den Dopplerechos D₁ hinzuaddiert und
mit übertragen. In dem auswerteeinheitsseitigen Teil 112₁ der
Übertragungseinrichtung 11₁ befindet sich entsprechend eine
Auswerteschaltung 1121₁, die die korrekte Übertragung des
Pilotsignals P₁ überprüft und im Falle eines Fehlers diesen
über einen direkten Anschluß 16₁ an den zugehörigen ECB-Bus
13 dem Datenkollektor 14 meldet. Vorzugsweise wird das
Pilotsignal P₁ an den vom Sensor 10₁ erzeugten Rauschsignalpegel
angekoppelt, so daß bei Ausfall des Sensors 10₁ und
dem damit verbundenen fehlenden Rauschsignal auch kein
Pilotsignal P₁ übertragen wird und die Auswerteschaltung
1121₁ sofort eine Fehlermeldung an den Datenkollektor 14
senden kann.
Bevorzugt sind
jeweils die auswerteeinheitsseitigen Teile von vier der acht
zu einem Datenkollektor 14 gehörenden Übertragungseinrichtungen
11₁ . . . 11₈ auf einer Karte zusammengefaßt.
Die Auswerteeinheit 12₁ in Fig. 3 schließlich besteht aus
einem Antialiasing-Tiefpaßfilter 121₁ zur Vermeidung von
spektralen Überfaltungen, einem Analog/Digital-Wandler 123₁
und einer Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung 124₁.
In bevorzugten Ausführungsformen ist dem Analog/Digital-
Wandler 123₁ zusätzlich ein Verstärker 122₁ mit einstellbarem
Verstärkungsfaktor vorgeschaltet, dessen Verstärkungsfaktor
so eingestellt wird, daß trotz unterschiedlicher
Anbringungshöhen der Radarsensoren 10₁ . . . 10₈ die Dopplersignale
auf eine Standardhöhe normalisiert werden können.
Weiterhin ist dem Antialiasing-Tiefpaßfilter 121₁ zusätzlich
ein Schalter 120₁ vorgeschaltet, der es ermöglicht, anstelle
der Dopplerechos D₁ ein Testsignal T₁ in die Auswerteeinheit
12₁ einzuspeisen, das vorteilhaft in der Einrichtung zur
digitalen Signalverarbeitung 124₁ erzeugt wird, und mit dem
die Auswerteeinheit 12₁ einem Selbsttest unterzogen werden
kann. Der Ausgang der Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung
124₁ ist mit dem ECB-Standardbus verbunden.
Die vorteilhafte Ausführungsform der Auswerteeinheit 12₁ in
Fig. 6 schließlich enthält neben dem Umschalter 120₁ zur
Einspeisung des Testsignals T₁ anstelle des Dopplerechos D₁
das Antialiasing-Tiefpaßfilter 121₁, vorzugsweise in Form
eines Digitalfilters (z. B. Schalter/Kondensatorfilter),
sowie den Verstärker 122₁ mit einstellbarem Verstärkungsgrad,
den Analog/Digitalwandler 123₁ und die Einrichtung zur
digitalen Signalverarbeitung 124₁. Die Besonderheit dieser
Anordnung liegt zum einen darin, daß über einen Taktgeber
125₁ die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 121₁ und die
Abtastrate des Analog/Digitalwandlers 123₁ an den vorherrschenden
Geschwindigkeitsbereich angepaßt werden kann, und
zum anderen darin, daß ein zusätzliches Signal R₂ in die
Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung 124₁ eingespeist
wird, das aus einem weiteren Dopplerecho R₁ abgeleitet
wird und als Information die Bewegungsrichtung der
Fahrzeuge enthält.
Die Einrichtung 124₁ zur digitalen Signalverarbeitung besteht
aus vier miteinander vernetzten, digitalen Signalprozessoren
1240-1243 (z. B. NEC 7720), die parallel arbeiten,
sowie einem Adapter 1244 für den Anschluß der Signalprozessoren
1240-1243 an den ECB-Standardbus 13, einem Taktgeber
1245 zur Erzeugung eines Testsignals, einem Alarmgeber 1246
zum Melden von Fehlern z. B. an eine Leuchtdiode auf der
Frontplatte der Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung
und/oder an den Datenkollektor (14 in Fig. 2) und eine
Schaltung 1247 zur Kompensation der Abweichung des tatsächlich
eingestellten Anstellwinkels α von dem optimalen Anstellwinkel
von etwa 53°.
Die Vorrichtung gemäß P 38 10 357.5 in Fig. 7 unterscheidet
sich von der Vorrichtung in Fig. 3 dadurch,
daß
- 1) der Mischer im Radarsensor zwei Dopplersignale D₁ und R₁ liefert, deren Phasenlage zueinander Auskunft gibt über die Fahrt- bzw. Bewegungsrichtung des Objekts. Dazu wird für jede Schwingung des Dopplersignals D₁ in einem Phasenvergleicher 1105₁ ein Phasenvergleich mit R₁ durchgeführt und das Ergebnis ("voreilend" bzw. "nacheilend") als 1-Bit-Signal codiert und über eine zusätzliche Ader 1111₁ im Übertragungskabel 111₁ zu der Auswerteeinheit 12₁ übermittelt;
- 2) das zu übertragende und auszuwertende Dopplersignal durch Summation aus den beiden phasenverschobenen Dopplersignalen D₁ und R₁ gewonnen wird (D₁ + R₁).
Das Verfahren läuft wie folgt ab:
Das im Radarsensor 10₁ erzeugte (analoge) Dopplerecho wird
in dem sensorseitigen Teil der Übertragungseinheit 110₁ zunächst
in einem Verstärker 1100₁ verstärkt, in einem Bandpaßfilter
1101₁ gefiltert, in einem Addierer 1104₁ mit dem
Pilotsignal P₁ versehen und im Modulator 1103₁ frequenzmoduliert.
Nach der Übertragung wird das frequenzmodulierte
Signal demoduliert und im Tiefpaßfilter 121₁ von den übrigen
Signalen (z. B. dem Pilotsignal P₁) separiert bzw. nach
Verstärkung im Verstärker 122₁ im Analog/Digitalwandler 123₁
digitalisiert und in die Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung
124₁ eingespeist.
Erfindungsgemäß wird in dieser Einrichtung 124₁ aus diesen
digitalisierten Dopplerechos D₁ das Frequenzspektrum entweder
durch Autokorrelation des Dopplerechos D₁ mit anschließender
Spektraltransformation oder durch Relaiskorrelation
des Dopplerechos D₁ mit anschließender Spektraltransformation
und vorteilhaft durch direkte Spektraltransformation
gebildet, wobei die Spektraltransformation mit
einem nichtlinearen Schätzverfahren, durchgeführt wird.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, ein nichtlineares
Schätzverfahren einzusetzen, das auf einem AR-Modell oder
ARMA-Modell basiert.
Anschließend wird in diesem Spektrum die Frequenz mit maximaler
Amplitude bestimmt und aus dieser Frequenz unter
Zuhilfenahme der Gleichung (1) die Geschwindigkeit des
Fahrzeugs abgeleitet.
In der Praxis ergeben sich mit f₀=61,25 GHz, c=300 000 km/h
und Geschwindigkeit v<207 km/h ein Frequenzbereich
der Dopplerechos D₁ von 0 bis etwa 14,25 kHz,was nach dem
Abtasttheorem eine Mindest-Abtastrate des Analog/Digital-
Wandlers 123₁ von 28,5 kHz erfordert (vorzugsweise 32 kHz).
Die Dynamik des Dopplerechos hängt von der Entfernung zwischen
Radarsensor und dem reflektierenden Gegenstand ab,
also dem Fahrzeug, und vom effektiven radarempfindlichen
Wirkungsquerschnitt der zu registrierenden Fahrzeuge. Typisch
kann ein Dynamikbereich von ca. 60 dB erwartet werden.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, wie z. B. dem Zählen
von Nulldurchgängen beim Dopplerecho oder dem Messen der
Periodendauer über mehrere Schwingungen hinweg, ist durch
die hier verwendeten Verfahren sichergestellt, daß Signalbereiche
mit relativ kleinem Signal/Rausch-Verhältnis nicht
das Meßergebnis verschlechtern, da z. B. eine Korrelation
berechnet wird und die tatsächliche Dopplerfrequenz diejenige
Frequenz mit der maximalen Amplitude im Spektrum ist,
woraus mit Gleichung (1) die Geschwindigkeit des Fahrzeugs
abgeleitet werden kann.
Für den Fall, daß der tatsächliche Winkel α des installierten
Radarsensors von dem optimalen Winkel α=53° abweicht,
muß die berechnete Geschwindigkeit entsprechend
korrigiert werden (mit ca. 2,3% für eine Abweichung von ca.
1°). Um dies berücksichtigen zu können, wird die Abweichung
vorteilhafterweise nach der Installation des Sensors gemessen
und durch entsprechende Einstellung der Winkelkompensationsschaltung
1247 in der Einrichtung 124₁ zur digitalen
Signalverarbeitung kompensiert.
In einer vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens wird zur
Bestimmung der Bewegungsrichtung der Fahrzeuge ein zusätzliches
Dopplerecho erzeugt, das gegenüber dem ersten Dopplerecho
phasenverschoben ist. Für jede Periode der beiden
Signale wird die Phasenlage der beiden Signale verglichen
und die für jede Periode ermittelte Phasenlage anschließend
jeweils mit einem Bit codiert. In der Einrichtung 124₁ zur
digitalen Signalverarbeitung wird anschließend aus der Folge
der einzelnen Bits in dem Signalprozessor 1240 die Bewegungsrichtung
der Fahrzeuge abgeleitet.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden außerdem der
Anfang und das Ende der einzelnen Dopplerechos bestimmt,
u. a. um aus der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und aus der
Dauer des damit verbundenen Dopplerechos die Länge des
Fahrzeugs abzuleiten.
Die Signaldauermessung basiert auf der Messung der Einhüllenden
des Dopplersignals, wobei vorteilhaft in einem zeitlich
sich verschiebenden Fenster der Betragsmittelwert des
Dopplerechos bestimmt wird und dieser Wert jeweils mit einem
ersten und zweiten Schwellenwert verglichen wird. Überschreitet
der Wert zu einem Zeitpunkt erstmalig den ersten
Schwellenwert, so wird damit der Beginn des Dopplerechos
festgelegt bzw. definiert; unterschreitet der Wert zu einem
späteren Zeitpunkt den zweiten Schwellwert, so wird damit
das Ende des Dopplerechos festgelegt bzw. definiert.
Zwischenzeitliche kurzzeitige Unterschreitungen des zweiten
Schwellenwertes innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer Ta
infolge ungünstiger Reflexionsbedingungen beim Fahrzeug
(kein Reflexionsanteil in Richtung Sensor; vollständige
Absorption der Radarstrahlung durch den
Gegenstand usw.) werden in einer vorteilhaften Fortbildung des Verfahrens
nicht als Signalende gewertet. Besonders vorteilhaft ist es, die
erlaubte Unterschreitungsdauer Ta an die bis dahin ermittelten mittleren
Werte der Geschwindigkeit und/oder Signaldauer und/oder Signalamplitude
anzupassen. Darüber hinaus kann die Höhe der Schwellenwerte an den
jeweils vorherrschenden Rauschpegel angepaßt werden (beispielsweise
Erhöhung der Schwellenwerte bei starkem Regen oder bei Schneefall), um
die Zahl der Fehldetektionen zu verringern. Auch können die beiden
Schwellenwerte in ihrer Höhe unterschiedlich gewählt werden. Anstelle
des Betragsmittelwertes des Dopplerechos kann auch die in dem Fenster
anfallende Energie als Bezugsgröße gewonnen werden.
Wie weiter oben bereits erwähnt, ist es möglich, aus Geschwindigkeit des
Fahrzeugs und Signaldauer des damit verbundenen Doppelerechos gemäß der
Gleichung
L = v · T (2)
die Länge des Fahrzeugs zu bestimmen, wobei L die Länge, v die
Geschwindigkeit des Fahrzeugs und T die Signaldauer des Dopplerechos D₁
ist. Dieses Ergebnis berücksichtigt allerdings nicht die endliche
Ausdehnung des Radarflecks in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs. Der
tatsächlich vorliegende Radarfleck hängt u. a. von der Höhe des Fahrzeugs
und von der Höhe der Schwellenwerte ab. Statistische Messungen an einer
Vielzahl von Fahrzeugen führten zu einem Mittelwert von 80 cm, der sich
im wesentlichen mit dem theoretischen Wert gemäß Fig. 4 deckt. Diese
Radarfleckausdehnung (experimentell und/oder theoretisch bestimmt) wird
in einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens bei der Bestimmung der
Länge L und der Signaldauer T berücksichtigt.
Aufgrund der bisher bestimmten Werte (v, T, L) und weiterer Informationen
(momentaner Rauschpegel, Signalenergie, statistische
Parameter zum bisherigen Signalverlauf) kann anschließend
eine Klassifikation der Signale durchgeführt
werden, um Fehldetektionen, z. B. infolge von starkem Regen
oder Schneefall, auf ein Mindestmaß zu reduzieren.
Um in einem weiteren Schritt eine Unterscheidung zwischen
LKW und PKW auf der Basis der Fahrzeuglänge und/oder Signalamplitude
treffen zu können, ist es von Vorteil, die unterschiedlichen
Installations- oder Anbringungshöhen der einzelnen
Radarsensoren mit Hilfe der Verstärker 122₁ in den
Auswerteeinheiten 12 zu kompensieren und die Berechnungen
auf der Basis einer normalisierten Installationshöhe durchzuführen.
Der schräge Einfall des Radarstrahlungsfeldes führt zu einem
unerwünschten Abschattungseffekt bei den Fahrzeugen (insbesondere
bei LKWs), der die tatsächliche Länge des Fahrzeugs
verfälscht. Dieser Effekt kann in den Berechnungen
durch einen Korrekturwert kompensiert werden, der zweckmäßigerweise
empirisch aus Messungen an einer möglichst großen
Zahl von Fahrzeugen statistisch ermittelt wird und der
vorteilhaft mit dem Korrekturwert für die endliche Ausdehnung
des Radarflecks zu einem gemeinsamen Korrekturwert
zusammengefaßt wird.
Zur Verbesserung der Signalauswertung können beim verwendeten
nichtlinearen Schätzverfahren die Eingangsdaten zusätzlich
mit einer Fensterfunktion gewichtet werden, beispielsweise
um die im mittleren Bereich des Fensters liegenden
Stützpunkte gegenüber den am Rand liegenden Stützpunkten bei
der Berechnung stärker zu berücksichtigen ("Windowing").
Im einzelnen nehmen die vier Signalprozessoren 1240-1243
in Fig. 6 folgende Aufgaben wahr:
- a) Signalprozessor 1240:
- Auswertung des Rauschpegels
- Messung der Einhüllenden des Dopplerechos
- Bestimmung der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs - b) Signalprozessor 1241:
- Spektraltransformation des Dopplerechos
- "Windowing" durch ein nichtlineares Schätzverfahren - c) Signalprozessor 1242:
- spektrale Mittelung der durch die FFT Spektraltransformation erhaltenen Frequenzspektren
- Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit
- Bestimmung der Fahrzeuglänge
- Unterdrückung von Clutter infolge Regen und/oder Schnee
- Kompensation der Abweichung des eingestellten Anstellwinkels α vom optimalen Anstellwinkel (α=53°) - d) Signalprozessor 1243:
- Fahrzeugklassifizierung
- mittlere Geschwindigkeit der Fahrzeuge
- Testfunktionsgewinnung mit Auswertung des Selbsttests der Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung.
Die Verwendung eines Radarsensors beinhaltet folgende Vorteile
gegenüber konventionellen Lösungen (Induktionsschleifen
etc.):
- 1) Installation ohne Arbeiten am Fahrbahnbelag (vgl. Schleifen) möglich;
- 2) höhere Lebensdauer, da keinerlei Abnutzung durch Verkehr;
- 3) mobile Verkehrsdatenerfassung möglich (Anbringung an Peitschenmasten bzw. Einstrahlung von der Fahrbahnseite usw.);
- 4) Einsatzmöglichkeit an Baustellen, insbesondere wenn im Zuge der Bauarbeiten die Fahrbahnbeläge zerstört bzw. die Fahrspuren verlegt werden müssen;
- 5) kein Abgleich im Betrieb ("Einmessen") bzw. keine spätere Nachjustierung erforderlich;
- 6) Erweiterbarkeit um die Kommunikation zum Fahrzeug.
Aus der vollständig digitalen Realisierung der Dopplersignal-
Auswertung ergeben sich folgende Vorteile:
- 1) sehr hohe Genauigkeit bei der Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit;
- 2) sichere Signalklassifikation durch Einbeziehung von Zeit-, Frequenz- und Amplitudenkriterien;
- 3) Reproduzierbarkeit der Ergebnisse;
- 4) keinerlei Justierungsarbeiten infolge Alterung oder Temperaturdrift und somit geringer Wartungsaufwand;
- 5) Einbeziehung von intelligenten Überwachungs- und Kontrollfunktionen;
- 6) einfache Anpassung an spezielle Anwendungen durch Modifikation der Abtastrate und Änderung von Auswerte- oder Ausgabeprogrammen; keine Hardware-, ggf. nur Softwareänderungen erforderlich;
- 7) Möglichkeit zur Übernahme von Steuerparametern oder Entscheidungskriterien der übergeordneten Instanzen in die Auswertung.
Aus der gewählten und beschriebenen Systemkonfiguration,
bestehend aus Radarsensor, Übertragungseinheit, digitaler
Signalverarbeitungseinheit und Datenkollektor, ergeben sich
weiterhin folgende Vorteile:
- 1) Einsetzbarkeit als autarkes System (mit lokalem Speicher) oder als Teil eines Netzes;
- 2) große Entfernungen von der Streckenstation zum Anbringungsort des Sensors sind erlaubt, d. h. die Anzahl erforderlicher Streckenstationen mit Netzversorgung kann verringert werden;
- 3) Überwachung und Kontrolle aller Systemkomponenten vom Datenkollektor aus.
Es versteht sich, daß mit fachmännischem Können und Wissen
die Erfindung aus- und weitergebildet sowie an die unterschiedlichen
Anwendungen angepaßt werden kann, ohne daß dies
hier an dieser Stelle näher erläutert werden müßte.
So ist es z. B. denkbar, mit anderen Signalprozessoren eine
andere Signalprozessorkonfiguration zu schaffen, die die
gleichen Aufgaben löst wie die in Fig. 6 gezeigte Konfiguration.
Weiterhin ist es möglich, zur Unterdrückung von Clutter
und/oder anderen Rauschsignalen in regelmäßigen Abständen
Dopplerechos auszuwerten, die nicht aufgrund von Reflexionen
an Fahrzeugen erzeugt worden sind, und die erhaltenen Frequenzspektren
von den Frequenzspektren zu substrahieren, die
aufgrund von Reflexionen an Fahrzeugen gewonnen worden sind.
Schließlich ist es denkbar, für gängige Fahrzeugtypen den
zeitlichen Verlauf der zugehörigen Dopplerechos ("Pattern")
in einem zusätzlichen Speicher der Einrichtung 124₁ zur
digitalen Signalverarbeitung zu speichern und die gemessenen
zeitlichen Verläufe der Dopplerechos mit diesen gespeicherten
Pattern zu vergleichen, um zum einen eine Fahrzeugtypidentifikation
zu ermöglichen und um zum anderen die Zahl
der Fehldetektionen infolge kurzzeitiger Einbrüche des
Dopplerechos innerhalb der Signaldauer weiter zu vermindern.
Claims (9)
1. Verfahren zur lokalen Verkehrsdatenerfassung und -auswertung
mittels einer Vorrichtung, welche einen Radarsensor,
eine Übertragungseinrichtung und eine Auswerteeinheit
enthält, wobei der Radarsensor und die Auswerteeinheit über
die Übertragungseinrichtung miteinander verbunden sind, und
wobei der Radarsensor ein kontinuierliches Signal konstanter
Frequenz und Amplitude unter einem festen vertikalen
Anstellwinkel α aussendet und, sobald ein sich
bewegendes Objekt den Radarstrahl mit einer Geschwindigkeitskomponente
in Strahlrichtung passiert, einen
Teil des am Objekt reflektierten und aufgrund des Dopplereffektes
frequenzverschobenen Signals empfängt und durch
Mischung der beiden Signale ein erstes Ausgangssignal mit
der Differenzfrequenz erzeugt, und wobei die Auswerteeinheit
ein vorgeschaltetes Tiefpaßfilter zur Vermeidung
von spektralen Überfaltungen, einen Analog/Digital-Wandler
und eine nachgeschaltete Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung
enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in der
Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung (124₁) das
Frequenzspektrum des ersten Ausgangssignals (D₁) durch
direkte Spektraltransformation des Ausgangssignals (D₁)
oder durch Auto- oder Relaiskorrelation des Ausgangssignals
(D₁) und sich davon anschließender Spektraltransformation
gebildet wird und anschließend in diesem Spektrum
die Frequenz mit maximaler Amplitude bestimmt wird und aus
dieser Frequenz die Geschwindigkeit des Objekts abgeleitet
wird, und daß die Spektraltransformation mit einem nichtlinearen
Schätzverfahren durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Schätzverfahren auf einem AR- oder ARMA-Modell
basiert.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Einrichtung zur digitalen
Signalverarbeitung (124₁) der Betragsmittelwert des ersten
Ausgangssignals (D₁) in einem zeitlich sich verschiebenden
Fenster bestimmt wird und dieser Betragsmittelwert jeweils
mit einem vorgegebenen ersten und zweiten Schwellenwert
verglichen wird und daß ein erstmaliges Überschreiten des
ersten Schwellenwertes durch den Betragsmittelwert als
Beginn des ersten Ausgangssignals (D₁) und ein nachfolgendes
Unterschreiten des zweiten Schwellenwertes durch den
Betragsmittelwert als Ende des ersten Ausgangssignals (D₁)
festgelegt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
ein ein- oder mehrmaliges kurzzeitiges Unterschreiten des
zweiten Schwellenwertes durch den Betragsmittelwert innerhalb
einer vorgegebenen Zeitdauer Ta bei der Festlegung des
Endes des ersten Ausgangssignals (D₁) nicht berücksichtigt
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die erlaubte Unterschreitungszeitdauer Ta an die bis dahin
ermittelten mittleren Werte der Geschwindigkeit und/oder
Signaldauer und/oder Signalamplitude angepaßt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Höhe der beiden Schwellenwerte an
den jeweils vorherrschenden mittleren Rauschpegel angepaßt
wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Schwellenwerte in ihrer Höhe
unterschiedlich gewählt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet
durch die Anwendung in einem regionalen, nationalen
oder multinationalen Verkehrserfassungs- und/oder -leitsystem
(2-9) oder in einem autonomen, lokalen Verkehrserfassungs-
und/oder -leitsystem.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß im sensorseitigen Teil der
Übertragungseinrichtung dem ersten Ausgangssignal (D₁) ein
Pilotton überlagert wird, sofern der Rauschpegel am Sensorausgang
einen bestimmten dritten Schwellenwert überschreitet,
und im auswerteeinheitsseitlichen Teil der Übertragungseinrichtung
die Anwesenheit des Pilottons überprüft
wird und das Ergebnis dieser Prüfung an die Auswerteeinheit
weitergeleitet wird.
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