基于二值检测器的交通异常事件传感器设计

1 引言

交通异常事件检测是高速公路运管部门进行运营管控、路况信息发布和交通诱导的基础，对减少交通事故造成的人身伤亡、财产损失和避免二次交通事故等方面具有重要的作用。随着智能交通技术的发展和交通信息检测手段的增加，利用交通信息检测手段进行异常事件自动识别对于提升高速公路管理水平和服务水平具有非常重要的理论和现实意义。

交通信息是刻画和反映交通状态正常与否的关键，获取交通信息则是交通异常事件识别过程中最为基本和重要的一个环节。对于高速公路这样分布范围广的现场环境，获取交通信息除了要考虑它的直观（图像）因素外，还必须考虑它的价格，传输成本等诸多经济因素。研究表明，经典的California算法（又称加州算法）作为评估新交通状态判别算法性能的参考算法，其状态判别原理为：比较相邻检测站间的交通状态参数判别交通状态，主要交通状态参数为占有率。可以看出，利用这个交通状态参数，通过合适的算法就可以实现高速公路交通异常事件的检测。为了提高检测的准确性，检测算法所需要的交通状态参数还可以有交通流量、平均速度等，同样经典的MacMaster算法就需要多个交通状态参数的支持。为了提高高速公路管控水平，各国都在研究更为准确的智能交通异常事件检测算法。这样就对获取交通信息的传感器提出了更高的要求。能够获取多个交通状态参数、传输方法灵活、价格低廉成为这种传感器的研究方向。二值检测器是相对于一般模拟检测器而提出的，反映现场的信息仅有“有无”两种状态，而不必考虑“大小”的问题（如：激光、远红外、取用二值特性的其它检测器件等等），因此这种检测器所构成的传感器具有结构简单、抗干扰能力强、价格低廉等特点，特别适合高速公路这样分布范围广的交通信息的检测。这里就介绍一种基于二值检测器的，可以分别获取交通流量和时间占有率的传感器设计方法。该设计适合于所有二值检测器的使用，可以灵活地响应管控中心异常事件检测算法对所需交通状态参数的选择。

1 传感器所处系统整体架构描述

由三个二值检测器作为检测器件构成的传感器均匀地布设在测试路段，检测器I、III分别处于单向两车道的两侧；检测器I和II在道路同侧的上、下空间位置布设，如图1所示。

图1 测试路段多个传感器单元布设示意图

每个传感器都使用串口（TTL或RS232）通过由ISM频段通信模块（无线串口服务器、ZigBee、433M等）构成的无线传输网络与管控中心PC构成网络连接，每个传感器可以设置自己的ID，方便组网，管控中心管理软件（包含异常事件检测算法）可以根据各传感器的ID与其交换数据。整体架构图2所示。

图2 高速公路异常事件检测系统整体架构

2 传感器硬件系统设计

SCM采用AT89S52，它是一种低功耗、高性能CMOS微控制器，具有8K系统可编程Flash存储器，完全可以满足设计要求。提供TTL和RS232两种串口方式引出，采用UM3221E实现TTL电平到标准RS232电平的转换，以方便各种无线传输模块接驳。二值检测器分别通过AT89S52的P0.0、P0.1、P0.2输入到AT89S52，拨码开关SW1和SW2分别通过P1.0～P1.7和P2.0～P2.7输入到AT89S52来实现传感器ID的设置和串口波特率的设置。具体电路如图3所示。

图3 传感器电路图

3 传感器软件设计

整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的。当硬件基本定型后，软件的功能也就基本确定下来。根据传感器的功能要求，结合硬件电路结构，系统的软件部分资源定义如下：

定时器0用于记录占有时间（遮挡时间）。

定时器1用于串口波特率发生器。

那么就有：

式中：Q为车流量；O为占有率；P为车辆计数变量；T为占有时间变量；T0为取数时间间隔；由管控中心异常事件检测算法确定。

软件主要由系统初始化、二值状态识别算法和串口数据传输三部分构成。

3.1 系统初始化

初始化部分主要完成计时器的构建。二值状态识别算法中所使用的有关寄存器、中间变量、计时器的清零操作；读取拨码开关数值，设置串口数据传输中的波特率以及设置响应管控中心管理软件的身份辨别ID等。

3.2 二值状态识别算法

二值状态识别算法是传感器设计的核心部分，它通过对三个二值检测器电平的状态的判断，结合其位置等逻辑关系，可以有效的排除各种干扰（飞虫等），准确地获得所需要的交通状态参数。具体算法流程如图4所示。

图4 算法流程图

3.3 串口数据传输

串口数据传输主要分两部分，一部分是读取指令数据，指令由管控中心统一发送，两个字节，分别代表：ID和何种交通状态参数（只用两位，后六位预留）；另一部分为发送数据，只要读取到的指令数据中的ID和自己的ID相等，就将指定的交通状态参数发送给管控中心。串口数据传输程序结构如图5所示。

图5 串口数据传输程序结构图

不难看出，最终的交通状态参数是在管控中心形成的，因为T0是由管控中心异常事件检测算法确定的。这样的设计可以进一步提高异常事件检测算法设计的灵活性。如果想要传感器直接提供最终的交通状态参数或者在传感器上实时显示交通状态参数，可以将T0放在预留位传输给传感器使用。不仅如此，在扩充功能方面也非常方便。

4 仿真实验与数据分析

将传感器硬件电路及其软件的Hex文件导入SCM电路仿真软件Proteus，分别在三个二值检测器处接入不同频率，不同占空比、不同相位的方波信号以模拟两个车道各种车辆通过的情况；用VC++编写一串口通信软件来模拟管控中心向Proteus虚拟串口发送10个字节的包含相应ID和参数类型的取数据指令，同时读取由Proteus虚拟串口反馈的仿真数据。仿真信号波形和车辆通过情况的对应关系如图6所示。

图6 仿真信号波形图

那么，车流量和时间占有率就可以分别由仿真波形的频率和占空比来表示。

选取不同频率、占空比和相位（并行时）的信号按图6的三种情况（（3）又分三种）进行仿真实验。下面就通过对表1的这组随机数据（T0=60秒）的分析来对仿真结果进行说明。

表1 仿真数据

单一车道情况，T0与频率之积为计数的理论值、占空比为时间占有率的理论值；双车道情况，T0与各频率之积的和为计数的理论值、各个占空比只和为时间占有率的理论值。把从虚拟串口读到的数据与它对应的理论值比较，即可完成传感器的数据仿真。从表1的仿真数据可以看出，在一定的精度范围内，实际数值和理论值是完全相同的。

5 结语

本文提出了一种异常事件检测传感器的设计方法。该设计方法基于二值检测器，具有结构简单、抗干扰能力强、价格低廉等特点。二值状态识别算法可以提供多种交通状态参数，由于采用标准串口传输数据，可以方便地与市面主流的无线通信模块配接，传感器自身ID的设置可以使数据无线传输网络的拓扑结构更加灵活多样。该设计还具有体积小、安装方便、对路面破坏小、易于维护等优点。如果在实际道路中大规模地安装使用，将会大大提高高速公路异常事件检测的准确性。