信息采集技术在高速公路中的应用研究

范学超　郑成旭

摘 要：作为智能交通系统（ITS）的基础，信息采集技术正在从传统技术向新型智能化发展。该文首先介绍了传统的信息采集技术及其优缺点，然后对新型信息采集技术的工作原理、智能化优势以及存在的问题进行了研究。通过分析各项技术在高速公路应用中的前景，讨论了未来高速公路信息采集技术的应用趋势。

关键词：信息采集技术 智能高速公路 视频 RFID 定位

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（c）-0012-02

随着汽车工业的发展和城市化进程的加快，社会对于交通运输的需求日益增加。高速公路作为城市间的纽带，承担着巨大的交通压力，如何在交通量持续增长的情况下，减少交通拥堵和事故，提高道路的安全性和舒适度，成为智能高速公路发展中亟待解决的问题。而全面、实时的道路交通信息，则是实现高速公路智能化的基础。

如今，传统的道路信息检测技术，正逐渐被新型采集技术所取代。该文简单介绍了传统道路信息采集技术的工作原理，重点对新型信息采集技术进行了研究，并在对比各项技术在高速公路应用中的优劣之后，提出了高速公路信息采集技术的应用趋势。

1 传统信息采集技术

传统的道路信息采集技术出现早，有些已经广泛应用于高速公路的车辆信息采集之中。

1.1 环形线圈采集技术

环形线圈采集技术基于电磁感应原理，由埋设在路面下的环形线圈、馈线和信号检测处理单元组成。当有车辆驶过环形线圈上方时，车辆自身铁质产生的涡流效应起主导作用，造成线圈电感量减小。电路通过检测该电感量的变化，判断是否有车辆存在或通过。结合线圈宽度和线圈间隔，对采集数据进行处理，即可得到道路车流量、瞬时车速及时间占有率等信息。比如，两个线圈之间的距离为，车辆到达线圈的时间间隔为，则车速。

环形线圈采集技术成本低、适应性强，不受恶劣天气及光照条件影响，在全天候、高精度车辆检测方面有其他检测技术无法比拟的优势[1]。目前在高速公路的应用中占据主要地位。不足之处在于，其检测精度受路面状况的影响，安装与维修需要破坏道路、中断交通，极易造成拥堵及交通事故，这将极大地限制其在未来的应用。

1.2 微波雷达采集技术

微波雷达采集技术基于多普勒效应，通过雷达检测器向路面发射线性调频微波，并接收经车辆反射后的回波来检测车辆。在道路应用中，有正向和侧向安装两种方式。正向安装时天线波束发射方向与车辆行驶方向一致，检测精度高，但只能检测单一车道。侧向安装时，检测器在扇形区域内发射连续的低功率调制微波，并在路面上留下一条多分层的投影，如图1所示。由于微波的衍射特性，侧向检测器可以检测被遮挡车辆，完成多车道同时检测。

微波雷达采集技术抗干扰性强、不受天气环境的影响，对车速的检测精度高，尤其适用于长距离、开放、车速相近的道路。因此在高速公路信息的采集中，有着广泛的应用。但其对安装高度、后置距离等有严格的要求，检测精度也受隔离带等因素的影响。

1.3 超声波采集技术

超声波采集技术利用声波的传播和反射原理，通过测量发射波和反射波的时间差实现车辆检测。经过传感器以及信号处理模块的分析和处理，可以得到车型、车速及车流量等信息。

超声波采集技术成本低、使用寿命长、易于安装维护，对车型的识别能力突出。但其检测精度受大风、暴雨天气的影响，探头下通过的人或物也会造成误检。所以其在高速公路信息采集中的应用要比前两种技术少。

1.4 红外采集技术

红外采集技术基于光学原理，一般采用反射式检测。其工作原理是由调制脉冲发生器产生调制脉冲，经红外探头向道路发射脉冲，当车辆通过时，红外脉冲从车体反射并被红外接收管接收，再经解调、选通、放大和整流滤波处理后输出一个检测信号。进而实现车辆类型、车速和流量的信息采集。

红外检测技术具有快速准确、轮廓清晰的检测特点，安装方便。但空气中的烟尘颗粒，以及恶劣天气（如雨、雾、雪等）会影响系统的正常工作。在高速公路车辆检测中，应用较少。

2 新型信息采集技术

近年来，随着传感技术、通信技术、控制技术以及计算机信息处理技术的快速发展，新型的道路交通信息采集技术应运而生。这些新型技术不仅能够完成传统的车辆信息采集工作，还提高了采集信息的实时性、准确性和全面性，极大地推动了高速公路的智能化发展。

2.1 视频采集技术

视频采集技术结合了视频图像和计算机模式识别，是近些年发展起来的一种新型道路信息采集技术。视频检测器由摄像机和视频处理器组成，通过设置虚拟检测区域实现车辆信息的采集。如图2所示。

与传统的采集技术相比，视频采集成本偏高，夜间检测精度低。但视频采集技术不仅能采集车流量、车速、占有率等信息，还能为监控中心提供车牌号和视频画面，检测违章违规及突发事件，实现车辆跟踪。同时，图像处理算法的不断出现和改进，也在不断改善光学噪声、能见度、照明条件及遮挡对视频检测精度的影响。周冬梅等人[2]提出了一种基于区域聚类的阴影消除算法，较好地去除了运动车辆的阴影。刘建伟等人[3]利用车辆底盘阴影和车辆边缘特征，提出了一种因局部遮挡而粘连的车辆分离方法。徐文聪等人[4]设计并实现了一种基于车灯的夜间交通流视频检测系统，检测率达到96%。

伴随硬件成本的下降、图像处理功能的丰富以及道路管理对信息要求的提升，视频采集技术以其安装维护的方便性、检测的实时直观性，必将在高速公路智能化的过程中扮演越来越重要的角色。

2.2 基于RFID的信息采集技术

RFID（Radio Frequency Identification）技术是一种利用无线射频原理实现非接触式自动识别的技术。RFID的基本工作原理如图3所示。电子标签是RFID系统的数据载体，分为有源和无源，可实现与阅读器之间的双向通信。阅读器通过天线发射无线载波信号，当装有RFID电子标签的机动车进入发射天线的工作范围时标签即被激活，此时，标签可以将自身携带的车辆信息编码后发射出去，经过阅读器的解调、解码后，信息最终送到数据库控制中心。endprint

与传统的信息采集技术相比，RFID技术在恶劣天气环境下可全天稳定工作，有识别速度快、识别距离远，数据容量大、寿命长等优点。同时，将车牌号码等车辆信息存储于RFID电子标签中，形成“电子车牌”，能够有效地解决传统车牌易伪造和遮挡的问题。近几年，将RFID技术应用到道路信息采集中的研究层出不穷。胡兴丽等人[5]通过建立交叉口数据存储处理模型，提出了一种基于RFID的交叉路口流量检测的方法。陈武弟等人[6]结合能见度检测仪，设计了一种基于RFID的雾天高速公路车辆实时预警系统。高宁波等人[7]基于RFID采集车辆信息，利用信息融合约简方法计算交通流参数之后，建立了基于模糊层次分析的道路拥堵评价模型。

然而，目前还没有形成RFID技术的国际统一标准，这会导致硬件设备及软件系统的兼容统一性问题。电子标签的安全性和价格也在一定程度上制约着RFID技术的广泛应用。但基于RFID的电子不停车收费系统（ETC）已经在我国许多地方投入使用，国家也在逐步实施统一的ETC标准，预计在“十二五”末，全国高速公路ETC覆盖率将达到60%。

2.3 浮动车信息采集技术

浮动车交通信息采集技术，是基于FCD（Floating Car Data）的一种新型交通信息采集技术。其基本原理是：根据装备车载全球定位系统（GPS）的浮动车在行驶过程中定期记录的车辆位置、方向和速度信息，应用地图匹配、路径推测等相关的计算模型和算法进行处理，使浮动车位置数据和城市道路在时间和空间上关联起来，最终得到浮动车所经过道路的车辆行驶速度以及道路的行车旅行时间等交通信息。流程如图4所示。

基于FCD的信息采集技术，覆盖范围广、投入成本低、采集信息丰富、可实现全天候的实时采集。作为一种低成本、高覆盖率的实时交通信息采集方式，其在世界范围内得到了广泛的关注和推广应用[8]。但GPS卫星信号受楼群等建筑物的影响会造成定位精度下降，导致无法精确地匹配电子地图。为了保证参数估计的精度和可靠性，各种估计方法也都要求道路网络中有足够多安装GPS的车辆，比如城市道路交通中的出租车、公交车。同时，无法获取车辆的车型及车牌号信息，也会在一定程度上影响其在高速公路信息采集中的应用。

2.4 基于手机数据的信息采集技术

随着移动通信网络及终端设备的迅速发展，将手机信息和定位技术应用于交通信息的采集成为一项研究热点。其系统框架如图5所示。

手机定位技术是进行交通数据采集的基础。此技术通常分为两种：模糊定位和精确定位。其中，模糊定位技术主要包括基于小区识别号（CELL-ID）、基于到达时间差（TDOA）、基于小区切换（Handover）等，其安装成本低廉、模型简洁，但精度低（30～2000 m），易受基站分布密度的影响。而精确定位的精度可达5～20 m，但需要考虑定位更新频率、道路匹配率与算法等复杂问题，其主要技术包括增强观测时间差（E-OTD）、上行到达时间差（U-TDOA）、辅助全球定位系统（A-GPS）等[9]。

基于手机数据的信息采集技术，可以采集大空间范围、连续时间的交通信息，获取公众出行轨迹及活动范围等信息。其充分利用了现有无线通信系统基础设施，无需对手机终端进行改造，已经成为国内外智能交通领域的研究热点之一。目前这项技术已经在我国深圳的城市交通信息采集中得到了应用。但总体来讲，手机定位技术的研究还不够成熟，地图和路径匹配相关算法的精度也需要改进。

3 高速公路信息采集技术应用趋势

高速公路具有设计标准高、交通流量大、行车速度快等特点，其道路信息采集方案，不仅应拥有强大的采集性能，还需要综合考虑工程应用实施的要求。

高速公路信息采集技术的应用趋势之一，是多种采集技术的融合。比如，将微波雷达测速精度高的特点，与超声波对车型识别率高的特点结合起来，能够解决机动车分型与地点车速数据采集精度的问题。其技术优势，与单一采集技术相比提升了一个层次。目前，这项技术已成为江苏高速公路数据采集技术方案[10]。同时，新型采集技术功能强大、实时全面，正是为了实现高速公路的智能化而不断发展起来的。随着硬件成本的下降、高速公路管理要求的提高以及采集技术更加成熟，视频采集、基于RFID的采集等技术在高速公路中的应用，将巨大的推动其信息化、智能化的发展。

参考文献

[1] 张永忠，张军强，李颖宏.多路环形线圈车辆检测器设计[J].电子技术应用，2013，39（13）：23-26.

[2] 周冬梅，张明星，代永霞，等.基于纹理的车辆阴影消除新算法[J].自动化与仪器表，2014（1）：133-138.

[3] 刘建伟，王佳锐，曹泉，等.基于车辆底盘阴影的车辆精确分割算法研究[J].现代电子技术，2010，33（5）：154-160.

[4] 徐文聪，刘海.夜间环境交通数据采集系统设计与实现[J].测控技术，2012，31（6）：60-66.

[5] 胡兴丽，刘伟.基于RFID的交叉口流量检测[J].交通信息与全，2013，31（2）：140-143.

[6] 陈武弟，龙伟，丁柱.基于RFID的雾天高速公路车辆实时预警系统[J].中国制造业信息化，2010，39（1）：60-63.

[7] 高宁波，王薇，黄瑛.基于RFID的道路拥堵信息识别模型[J].交通科技与经济，2013，15（5）.

[8] 邹娇，吴坚，高万宝，等.基于FCD和DAB交通信息采集与服务系统研究[J].交通信息与安全，2012，30（4）：104-108.

[9] 关志超，李夏，胡斌，等.基于手机数据的城市交通信息采集技术研究[C]//第九届中国（国际）城市智能交通论坛论文集.2012.

[10] 韩惠亭.高速公路交通数据采集技术方案[J].中国交通信息化，2013（5）：117-119.endprint

与传统的信息采集技术相比，RFID技术在恶劣天气环境下可全天稳定工作，有识别速度快、识别距离远，数据容量大、寿命长等优点。同时，将车牌号码等车辆信息存储于RFID电子标签中，形成“电子车牌”，能够有效地解决传统车牌易伪造和遮挡的问题。近几年，将RFID技术应用到道路信息采集中的研究层出不穷。胡兴丽等人[5]通过建立交叉口数据存储处理模型，提出了一种基于RFID的交叉路口流量检测的方法。陈武弟等人[6]结合能见度检测仪，设计了一种基于RFID的雾天高速公路车辆实时预警系统。高宁波等人[7]基于RFID采集车辆信息，利用信息融合约简方法计算交通流参数之后，建立了基于模糊层次分析的道路拥堵评价模型。

然而，目前还没有形成RFID技术的国际统一标准，这会导致硬件设备及软件系统的兼容统一性问题。电子标签的安全性和价格也在一定程度上制约着RFID技术的广泛应用。但基于RFID的电子不停车收费系统（ETC）已经在我国许多地方投入使用，国家也在逐步实施统一的ETC标准，预计在“十二五”末，全国高速公路ETC覆盖率将达到60%。

2.3 浮动车信息采集技术

浮动车交通信息采集技术，是基于FCD（Floating Car Data）的一种新型交通信息采集技术。其基本原理是：根据装备车载全球定位系统（GPS）的浮动车在行驶过程中定期记录的车辆位置、方向和速度信息，应用地图匹配、路径推测等相关的计算模型和算法进行处理，使浮动车位置数据和城市道路在时间和空间上关联起来，最终得到浮动车所经过道路的车辆行驶速度以及道路的行车旅行时间等交通信息。流程如图4所示。

基于FCD的信息采集技术，覆盖范围广、投入成本低、采集信息丰富、可实现全天候的实时采集。作为一种低成本、高覆盖率的实时交通信息采集方式，其在世界范围内得到了广泛的关注和推广应用[8]。但GPS卫星信号受楼群等建筑物的影响会造成定位精度下降，导致无法精确地匹配电子地图。为了保证参数估计的精度和可靠性，各种估计方法也都要求道路网络中有足够多安装GPS的车辆，比如城市道路交通中的出租车、公交车。同时，无法获取车辆的车型及车牌号信息，也会在一定程度上影响其在高速公路信息采集中的应用。

2.4 基于手机数据的信息采集技术

随着移动通信网络及终端设备的迅速发展，将手机信息和定位技术应用于交通信息的采集成为一项研究热点。其系统框架如图5所示。

手机定位技术是进行交通数据采集的基础。此技术通常分为两种：模糊定位和精确定位。其中，模糊定位技术主要包括基于小区识别号（CELL-ID）、基于到达时间差（TDOA）、基于小区切换（Handover）等，其安装成本低廉、模型简洁，但精度低（30～2000 m），易受基站分布密度的影响。而精确定位的精度可达5～20 m，但需要考虑定位更新频率、道路匹配率与算法等复杂问题，其主要技术包括增强观测时间差（E-OTD）、上行到达时间差（U-TDOA）、辅助全球定位系统（A-GPS）等[9]。

基于手机数据的信息采集技术，可以采集大空间范围、连续时间的交通信息，获取公众出行轨迹及活动范围等信息。其充分利用了现有无线通信系统基础设施，无需对手机终端进行改造，已经成为国内外智能交通领域的研究热点之一。目前这项技术已经在我国深圳的城市交通信息采集中得到了应用。但总体来讲，手机定位技术的研究还不够成熟，地图和路径匹配相关算法的精度也需要改进。

3 高速公路信息采集技术应用趋势

高速公路具有设计标准高、交通流量大、行车速度快等特点，其道路信息采集方案，不仅应拥有强大的采集性能，还需要综合考虑工程应用实施的要求。

高速公路信息采集技术的应用趋势之一，是多种采集技术的融合。比如，将微波雷达测速精度高的特点，与超声波对车型识别率高的特点结合起来，能够解决机动车分型与地点车速数据采集精度的问题。其技术优势，与单一采集技术相比提升了一个层次。目前，这项技术已成为江苏高速公路数据采集技术方案[10]。同时，新型采集技术功能强大、实时全面，正是为了实现高速公路的智能化而不断发展起来的。随着硬件成本的下降、高速公路管理要求的提高以及采集技术更加成熟，视频采集、基于RFID的采集等技术在高速公路中的应用，将巨大的推动其信息化、智能化的发展。

参考文献

[1] 张永忠，张军强，李颖宏.多路环形线圈车辆检测器设计[J].电子技术应用，2013，39（13）：23-26.

[2] 周冬梅，张明星，代永霞，等.基于纹理的车辆阴影消除新算法[J].自动化与仪器表，2014（1）：133-138.

[3] 刘建伟，王佳锐，曹泉，等.基于车辆底盘阴影的车辆精确分割算法研究[J].现代电子技术，2010，33（5）：154-160.

[4] 徐文聪，刘海.夜间环境交通数据采集系统设计与实现[J].测控技术，2012，31（6）：60-66.

[5] 胡兴丽，刘伟.基于RFID的交叉口流量检测[J].交通信息与全，2013，31（2）：140-143.

[6] 陈武弟，龙伟，丁柱.基于RFID的雾天高速公路车辆实时预警系统[J].中国制造业信息化，2010，39（1）：60-63.

[7] 高宁波，王薇，黄瑛.基于RFID的道路拥堵信息识别模型[J].交通科技与经济，2013，15（5）.

[8] 邹娇，吴坚，高万宝，等.基于FCD和DAB交通信息采集与服务系统研究[J].交通信息与安全，2012，30（4）：104-108.

[9] 关志超，李夏，胡斌，等.基于手机数据的城市交通信息采集技术研究[C]//第九届中国（国际）城市智能交通论坛论文集.2012.

[10] 韩惠亭.高速公路交通数据采集技术方案[J].中国交通信息化，2013（5）：117-119.endprint

与传统的信息采集技术相比，RFID技术在恶劣天气环境下可全天稳定工作，有识别速度快、识别距离远，数据容量大、寿命长等优点。同时，将车牌号码等车辆信息存储于RFID电子标签中，形成“电子车牌”，能够有效地解决传统车牌易伪造和遮挡的问题。近几年，将RFID技术应用到道路信息采集中的研究层出不穷。胡兴丽等人[5]通过建立交叉口数据存储处理模型，提出了一种基于RFID的交叉路口流量检测的方法。陈武弟等人[6]结合能见度检测仪，设计了一种基于RFID的雾天高速公路车辆实时预警系统。高宁波等人[7]基于RFID采集车辆信息，利用信息融合约简方法计算交通流参数之后，建立了基于模糊层次分析的道路拥堵评价模型。

然而，目前还没有形成RFID技术的国际统一标准，这会导致硬件设备及软件系统的兼容统一性问题。电子标签的安全性和价格也在一定程度上制约着RFID技术的广泛应用。但基于RFID的电子不停车收费系统（ETC）已经在我国许多地方投入使用，国家也在逐步实施统一的ETC标准，预计在“十二五”末，全国高速公路ETC覆盖率将达到60%。

2.3 浮动车信息采集技术

浮动车交通信息采集技术，是基于FCD（Floating Car Data）的一种新型交通信息采集技术。其基本原理是：根据装备车载全球定位系统（GPS）的浮动车在行驶过程中定期记录的车辆位置、方向和速度信息，应用地图匹配、路径推测等相关的计算模型和算法进行处理，使浮动车位置数据和城市道路在时间和空间上关联起来，最终得到浮动车所经过道路的车辆行驶速度以及道路的行车旅行时间等交通信息。流程如图4所示。

基于FCD的信息采集技术，覆盖范围广、投入成本低、采集信息丰富、可实现全天候的实时采集。作为一种低成本、高覆盖率的实时交通信息采集方式，其在世界范围内得到了广泛的关注和推广应用[8]。但GPS卫星信号受楼群等建筑物的影响会造成定位精度下降，导致无法精确地匹配电子地图。为了保证参数估计的精度和可靠性，各种估计方法也都要求道路网络中有足够多安装GPS的车辆，比如城市道路交通中的出租车、公交车。同时，无法获取车辆的车型及车牌号信息，也会在一定程度上影响其在高速公路信息采集中的应用。

2.4 基于手机数据的信息采集技术

随着移动通信网络及终端设备的迅速发展，将手机信息和定位技术应用于交通信息的采集成为一项研究热点。其系统框架如图5所示。

手机定位技术是进行交通数据采集的基础。此技术通常分为两种：模糊定位和精确定位。其中，模糊定位技术主要包括基于小区识别号（CELL-ID）、基于到达时间差（TDOA）、基于小区切换（Handover）等，其安装成本低廉、模型简洁，但精度低（30～2000 m），易受基站分布密度的影响。而精确定位的精度可达5～20 m，但需要考虑定位更新频率、道路匹配率与算法等复杂问题，其主要技术包括增强观测时间差（E-OTD）、上行到达时间差（U-TDOA）、辅助全球定位系统（A-GPS）等[9]。

基于手机数据的信息采集技术，可以采集大空间范围、连续时间的交通信息，获取公众出行轨迹及活动范围等信息。其充分利用了现有无线通信系统基础设施，无需对手机终端进行改造，已经成为国内外智能交通领域的研究热点之一。目前这项技术已经在我国深圳的城市交通信息采集中得到了应用。但总体来讲，手机定位技术的研究还不够成熟，地图和路径匹配相关算法的精度也需要改进。

3 高速公路信息采集技术应用趋势

高速公路具有设计标准高、交通流量大、行车速度快等特点，其道路信息采集方案，不仅应拥有强大的采集性能，还需要综合考虑工程应用实施的要求。

高速公路信息采集技术的应用趋势之一，是多种采集技术的融合。比如，将微波雷达测速精度高的特点，与超声波对车型识别率高的特点结合起来，能够解决机动车分型与地点车速数据采集精度的问题。其技术优势，与单一采集技术相比提升了一个层次。目前，这项技术已成为江苏高速公路数据采集技术方案[10]。同时，新型采集技术功能强大、实时全面，正是为了实现高速公路的智能化而不断发展起来的。随着硬件成本的下降、高速公路管理要求的提高以及采集技术更加成熟，视频采集、基于RFID的采集等技术在高速公路中的应用，将巨大的推动其信息化、智能化的发展。

参考文献

[1] 张永忠，张军强，李颖宏.多路环形线圈车辆检测器设计[J].电子技术应用，2013，39（13）：23-26.

[2] 周冬梅，张明星，代永霞，等.基于纹理的车辆阴影消除新算法[J].自动化与仪器表，2014（1）：133-138.

[3] 刘建伟，王佳锐，曹泉，等.基于车辆底盘阴影的车辆精确分割算法研究[J].现代电子技术，2010，33（5）：154-160.

[4] 徐文聪，刘海.夜间环境交通数据采集系统设计与实现[J].测控技术，2012，31（6）：60-66.

[5] 胡兴丽，刘伟.基于RFID的交叉口流量检测[J].交通信息与全，2013，31（2）：140-143.

[6] 陈武弟，龙伟，丁柱.基于RFID的雾天高速公路车辆实时预警系统[J].中国制造业信息化，2010，39（1）：60-63.

[7] 高宁波，王薇，黄瑛.基于RFID的道路拥堵信息识别模型[J].交通科技与经济，2013，15（5）.

[8] 邹娇，吴坚，高万宝，等.基于FCD和DAB交通信息采集与服务系统研究[J].交通信息与安全，2012，30（4）：104-108.

[9] 关志超，李夏，胡斌，等.基于手机数据的城市交通信息采集技术研究[C]//第九届中国（国际）城市智能交通论坛论文集.2012.

[10] 韩惠亭.高速公路交通数据采集技术方案[J].中国交通信息化，2013（5）：117-119.endprint