交通監(jiān)控系統(tǒng)課件

1、第二章 交通監(jiān)控系統(tǒng)第1頁，共75頁。本章內(nèi)容 高速公路交通監(jiān)控系統(tǒng)的分類1自動控制基本原理概述2交通干擾分析3交通監(jiān)控系統(tǒng)的常用控制方法4第2頁，共75頁。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)分類 高速公路監(jiān)控系統(tǒng)收費監(jiān)控道路監(jiān)控第3頁，共75頁。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)分類收費監(jiān)控系統(tǒng)主要是對收費站的車道、收費廣場、收費亭的收費情況。收費車道通過的車輛類型、收費員的操作過程。收費過程中的突發(fā)事件和特殊事件進行觀察和記錄，實施有效的監(jiān)督。第4頁，共75頁。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)分類道路監(jiān)控系統(tǒng)主要是對監(jiān)視高速公路干線、互通立交、隧道等高速公路重點路段掌握高速公路交通狀況，及時發(fā)現(xiàn)交通阻塞路段、違章車輛及時給予引導(dǎo)，保證高速公

2、路的安全通暢。第5頁，共75頁。高速公路監(jiān)控的特點監(jiān)控對象復(fù)雜監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)雜監(jiān)控手段多樣人的特殊作用第6頁，共75頁。自動控制的自然和人造系統(tǒng) 人體自然系統(tǒng) 體溫控制系統(tǒng) 心跳控制系統(tǒng) 眼球聚焦系統(tǒng) 新陳代謝系統(tǒng) 血液系統(tǒng) 呼吸系統(tǒng) 腎肝肺系統(tǒng) 這些系統(tǒng)持續(xù)的自動控制是我們保持健康的基本條件 這些系統(tǒng)是在我們非有意識干預(yù)的情況下自動運行的 第7頁，共75頁。自動控制理論發(fā)展經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論 大系統(tǒng)理論智能控制理論第8頁，共75頁。自動控制理論發(fā)展經(jīng)典控制理論 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ),研究單輸入單輸出一類定常控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。 如：調(diào)節(jié)電壓改變電機的速度； 調(diào)整方向盤改變汽車的運動軌跡等

3、。 這些理論發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟?，F(xiàn)代控制理論 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入多輸出、時變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。 如：汽車看成是一個具有兩個輸入（駕駛盤和加速踏 板）和兩個輸出（方向和速度）的控制系統(tǒng)。 計算機科學(xué)地發(fā)展，極大地促進了控制科學(xué)地發(fā)展。第9頁，共75頁。經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較 項目經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論研究對象線性定常系統(tǒng)（單輸入、單輸出）線性、非線性、定常、時變系統(tǒng)（多輸入、多輸出）描述方法傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）向量空間（狀態(tài)空間描述）研究辦法根軌跡法和頻率法狀態(tài)空間法研究目標(biāo)系統(tǒng)分析及給定輸入、輸出情況下的系統(tǒng)綜合揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實現(xiàn)在一定意

4、義下的最優(yōu)控制與設(shè)計第10頁，共75頁。自動控制理論發(fā)展大系統(tǒng)控制理論 大系統(tǒng)控制理論是一種過程控制與信息處理相結(jié)合的動態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對象具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點。它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。 如：人體，我們就可以看作為一個大系統(tǒng)，其中有體溫的控制、情感的控制、人體血液中各種成分的控制等等。 大系統(tǒng)控制理論目前仍處于發(fā)展階段。 第11頁，共75頁。開環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 復(fù)合控制系統(tǒng) 第12頁，共75頁。穩(wěn)定的擺不穩(wěn)定的擺穩(wěn)定中性穩(wěn)定不穩(wěn)定第13頁，共75頁。1940年11月7日，一陣風(fēng)引起了橋的晃動，而且晃動

5、越來越大，直到整座橋斷裂?？缭饺A盛頓州塔科馬峽谷的首座大橋，開通于1940年7月1日。只要有風(fēng)，這座大橋就會晃動。第14頁，共75頁。自動控制中的常用術(shù)語受控對象 被控制的機器、設(shè)備或過程稱為受控對象或?qū)ο?。被控?被控制的物理量稱為被控量或輸出量。被控量是表征受控對象工作狀態(tài)的物理量，即速度、濕度、濃度、爐溫、電壓等。給定量 決定被控量的物理量稱為給定量或參考輸入。給定量表征被控量的期望值或受控對象的期望狀態(tài)。擾動量 妨礙給定量對被控量進行正?？刂频乃幸蛩胤Q為擾動量。（內(nèi)擾和外擾）給定量和擾動量都是自動控制系統(tǒng)的輸入量。第15頁，共75頁。反饋控制原理 第16頁，共75頁。交通監(jiān)控的過程第

6、17頁，共75頁。交通流特性易變變化幅度大隨機性第18頁，共75頁。交通流參數(shù)交通量平均車速交通密度車頭間距車輛占有率第19頁，共75頁。交通干擾分析干擾：引起交通流狀態(tài)發(fā)生變化的外部因素氣象環(huán)境道路環(huán)境交通環(huán)境第20頁，共75頁。高速公路氣象環(huán)境 氣象檢測的意義 濃霧、暴雨、大雪、強烈側(cè)風(fēng)和雷擊等氣象環(huán)境都將嚴(yán)重地影響交通流，導(dǎo)致高速公路上的交通擁擠甚至交通事故，在這些因素中，不同的氣象環(huán)境對交通的影響方式和影響程度是不同的。 第21頁，共75頁。高速公路氣象檢測對象濃霧 第22頁，共75頁。高速公路氣象檢測對象大雪、大雨 第23頁，共75頁。高速公路氣象檢測對象側(cè)向風(fēng) 強烈的側(cè)向風(fēng)會使車輛

7、在行駛過程中產(chǎn)生不可控制的側(cè)向移動。例如：側(cè)向風(fēng)速為22m/s時，車輛向前行駛60m，可能產(chǎn)生1.21.5m側(cè)向移動。 這個數(shù)值可是車輛不由自主的從一個車道轉(zhuǎn)移到另外一個車道，導(dǎo)致交通混亂和誘發(fā)交通事故。第24頁，共75頁。主要檢測對象 以上分析說明，有必要對高速公路沿線地區(qū)進行常規(guī)氣象檢測，特別是對大氣能見度、相對濕度和降雪量更應(yīng)實施不間斷監(jiān)測。 第25頁，共75頁。設(shè)計思想 第26頁，共75頁。濕度檢測系統(tǒng) 第27頁，共75頁。風(fēng)速檢測系統(tǒng)第28頁，共75頁。風(fēng)向檢測系統(tǒng) 第29頁，共75頁。雨量檢測系統(tǒng)第30頁，共75頁。能見度檢測系統(tǒng)第31頁，共75頁。氣象檢測系統(tǒng)的設(shè)計 第32頁，共

8、75頁。道路狀態(tài)、環(huán)境檢測車輛能夠行止自如，取決于汽車能依靠制動產(chǎn)生制動力，起最大制動力受與地面附著力的約束，其最大值等于附著力，可用下式表示： Fb=G式中Fb 最大制動力； G 車輛重量； 車輪與路面的附著系數(shù)第33頁，共75頁。各種路面狀態(tài)的附著系數(shù) 第34頁，共75頁。路面狀態(tài)檢測意義 以上分析說明：需要對路面表溫度、相對濕度、積雪厚度、路面冰凍等參數(shù)進行經(jīng)常監(jiān)測，并將檢測結(jié)果實時傳輸給監(jiān)控中心，以便于進行交通管制。 第35頁，共75頁。環(huán)境檢測的意義 汽車排放的一氧化碳、氮氧化物，總烴、總懸浮顆粒物和柴油車排放的可吸入顆粒物對人體身體健康造成損害。并且，在隧道中，一氧化碳濃度過高，很

9、容易造成火災(zāi)，從而導(dǎo)致大型事故的發(fā)生。所以，有必要對道路環(huán)境進行檢測。目前，公路部門主要檢測的大氣質(zhì)量項目是一氧化碳。 第36頁，共75頁。道路狀態(tài)、環(huán)境檢測對象第37頁，共75頁。設(shè)計思想 第38頁，共75頁。路面干/濕狀態(tài)檢測系統(tǒng)第39頁，共75頁。路面冰凍狀態(tài)檢測第40頁，共75頁。路面積雪厚度檢測系統(tǒng)第41頁，共75頁。道路狀態(tài)、環(huán)境檢測系統(tǒng)第42頁，共75頁。交通環(huán)境檢測引起交通事件的原因駕駛員：違章駕車，超載，搶道，疲勞駕駛，酒后開車。車輛故障：爆胎，制動失靈，油路，電路故障。交通事故：撞車，翻車、火災(zāi)等。第43頁，共75頁。高速公路交通事件第44頁，共75頁。交通事件檢測的意義第

10、45頁，共75頁。交通事件檢測方法 交通事件檢測的基本思路是將川流不息的交通過程數(shù)字化，用交通狀態(tài)參數(shù)描述交通流的變化過程。其主要的參數(shù)為：交通量、車輛速度、交通密度。通過交通狀態(tài)參數(shù)的變化判斷是否有交通事件發(fā)生。 在事件檢測過程中主要包含檢測設(shè)備和檢測算法兩部分內(nèi)容。 第46頁，共75頁。本章內(nèi)容 高速公路交通監(jiān)控系統(tǒng)的分類1自動控制基本原理概述2交通干擾分析3交通監(jiān)控系統(tǒng)的常用控制方法4第47頁，共75頁。檢測設(shè)備 超聲檢測器環(huán)形線圈紅外檢測器車輛磁映像檢測器微波交通檢測器視頻車輛檢測器第48頁，共75頁。檢測算法 基于區(qū)間平均速度的擁擠檢測基于占有率的擁擠檢測基于檢測器的脈沖數(shù)據(jù)的擁擠檢

11、測檢測算法第49頁，共75頁?；趨^(qū)間平均速度的擁擠檢測 該方法是把高速公路分成若干個區(qū)間，分別計算每個區(qū)間的平均速度。如果此區(qū)域的平均速度低于某個值就認(rèn)為發(fā)生了擁擠，否則正常。 根據(jù)所介紹的檢測器，選取適合的設(shè)備，設(shè)計出基于區(qū)間平均速度的擁擠檢測系統(tǒng)，要求能夠檢測出擁擠長度。第50頁，共75頁。設(shè)計思想第51頁，共75頁?；谡加新实膿頂D檢測 根據(jù)一段路長時間的交通流量與占有率之間的關(guān)系數(shù)據(jù)，可繪制其流量占有率關(guān)系圖。并標(biāo)示出其臨界狀態(tài)。如果超越了臨界狀態(tài)則為擁擠，如果沒有超越，則為正常。 根據(jù)所介紹的檢測器，選取適合的設(shè)備，設(shè)計基于占有率的擁擠檢測系統(tǒng)。 第52頁，共75頁。設(shè)計思想 第5

12、3頁，共75頁?；跈z測器的脈沖數(shù)據(jù)的擁擠檢測 交通運行狀態(tài)和車輛檢測器傳感器輸出的脈沖寬度是密切相關(guān)的。當(dāng)運行處于自由流時，車流速度快，車經(jīng)過檢測區(qū)時間短，脈沖寬度窄；同理可得，擁擠時，脈沖寬度寬。選取適合的設(shè)備，設(shè)計出基于檢測器脈沖寬度的擁擠檢測系統(tǒng)。 第54頁，共75頁。設(shè)計思想第55頁，共75頁。環(huán)形線圈 目前，高速公路檢測交通流狀態(tài)用的最多的傳感器件是環(huán)形線圈。它可以檢測交通量、車速、占有率、車頭時距、車長和車輛存在等多個項目。 第56頁，共75頁。環(huán)形線圈的特點適應(yīng)性強?？筛淖兙€圈形狀，適應(yīng)不同的需要。檢測精度高。檢出率90%以上?？垢蓴_能力強。使用壽命長。10年施工要求高。破壞路

13、面，維修和更換需封閉車道。第57頁，共75頁。紅外檢測器 主動式：將紅外光發(fā)射器和接收器對中，水平安裝在車道兩旁。無車時，接收器接收細(xì)束線狀紅外光，車輛通過時，遮斷光束，接收器無輸出。通/斷的轉(zhuǎn)換即是對車輛的檢測信號。 第58頁，共75頁。紅外檢測器被動式(p54)：在路面相隔一定距離的地方，以特種涂料畫出兩個明顯的區(qū)域，使他們在給定的環(huán)境溫度下，輻射出比較穩(wěn)定的能量。并安裝好紅外接受器。無車時，接收器分別感受兩個特定區(qū)域的輻射能量，有車時，感受車輛的能量。第59頁，共75頁。紅外檢測器第60頁，共75頁。紅外檢測器特點抗干擾性強。路面溫度變化對檢測精度無影響。靜態(tài)檢測和動態(tài)檢測。工作環(huán)境：-

14、40度70度，濕度95%。第61頁，共75頁。車輛磁映像檢測器 磁映像檢測器利用車輛通過時對地磁場的影響，檢測車輛交通參數(shù)。它利用高靈敏度的磁材料，將地磁磁通線集中約束在比較小的空間，當(dāng)車輛停駐、慢速接近或通過時，被約束的磁力線發(fā)生形變，產(chǎn)生原始信號，經(jīng)處理輸出一個隨時間變化的曲線，從而檢測出交通量、速度、車頭時距、車場以及路面狀況等信息。第62頁，共75頁。視頻車輛檢測器視頻車輛檢測器是運用視頻圖像處理和計算機圖形識別技術(shù)的檢測器，可進行高效益的廣域視頻監(jiān)視并現(xiàn)場實時采集各種交通參數(shù)。在需要檢測的路段，安裝一臺或多臺數(shù)字式攝像機，將一定范圍的交通圖像，經(jīng)過圖像處理軟件分析處理，可得到交通量、

15、平均車速、占有率、車頭間距和排隊長度等參數(shù)。第63頁，共75頁。視頻車輛檢測器特點功能強大。圖像直觀，軟件控制，便于升級。多車道檢測。6條車道/臺攝像機使用方便。不破壞路面，不封閉車道。受環(huán)境影響干擾。受惡劣氣候影響，夜間需輔助照明。第64頁，共75頁。微波交通檢測器組成：微波發(fā)射探頭、微波接收探頭、控制器、調(diào)制解調(diào)器和電源。安裝方式：前視安裝和俯視安裝。見P55圖2-20第65頁，共75頁。微波交通檢測器特點多車道檢測。全天候工作。不受風(fēng)、雨、霧、雪的影響。使用方便。不破壞路面檢測精度高。正確率90%漏檢率低。2%左右第66頁，共75頁。超聲檢測器 超聲檢測器由波束發(fā)射器、接收器和時控電路組成。發(fā)射器和接收器主要用于波束的發(fā)射與接收，時控電路主要控制發(fā)射間隔，并計算發(fā)射接受時間差。將檢測到的時間差與正常值進行比較，從而得出結(jié)果。 超聲檢測器可對車速、時間占有率、交通量等變量做出檢測。第67頁，共75頁。超聲檢測器特點優(yōu)點：價格便宜。安裝方便。使用壽命長。缺點：檢測精度不高?？垢蓴_能力不強。第68頁，共75頁。交通控制系統(tǒng) 交通控制的意義 在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中，檢測與監(jiān)視都是為控制服務(wù)的，通過前端設(shè)備將高速公路上的交通信息采集到監(jiān)控系統(tǒng)后，如何分析處理這些數(shù)據(jù)，用什么方法改善交通流狀態(tài)，就成為監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)。第69頁，共75頁。控制方法常發(fā)性的擁擠，