ETC栏杆后置布局中车道内车数检测方法探讨

陆　璐，黄春华，何增镇

(广西交通科学研究院智能交通所，广西　南宁　530007)



ETC栏杆后置布局中车道内车数检测方法探讨

陆璐，黄春华，何增镇

(广西交通科学研究院智能交通所，广西南宁530007)

陆璐(1987—)，硕士，从事交通领域软件开发工作；

黄春华(1976—)，高级工程师，从事软件开发和智能交通新技术应用研究；

何增镇(1974—)，博士，高级工程师，研究方向：智能交通系统技术与应用研究。

广西科学研究与技术开发计划项目(编号：桂科攻1240001)

摘要：电子不停车收费系统(ETC)是智能交通中一项重要的技术，它为缓解高速公路收费站拥堵、节能环保提供了有效的方案。ETC车道布局的后置栏杆布局中存在线圈和通过线圈的距离很大，造成了车道内的车辆数量难以判断。文章针对这一问题，提出了一种车辆数量的模糊检测方法，利用线圈的状态判断后置栏杆车道中的车辆数量，为车辆交易判别提供依据。

关键词：智能交通系统；电子不停车收费系统(ETC)；车道控制系统；车辆数量；线圈；检测方法

0引言

随着智能交通的发展，全国各地对电子不停车收费系统(ETC)的应用和推广大幅度提高了高速公路收费站的通行能力，减少了高速公路业主管理的开支，贯彻节能环保的原则；同时实现了货币电子化，提高了智能化管理的程度[1]。由于各地发展的具体情况不同，在ETC的建设中也会有各自不同的需求。例如，ETC有两种车道布局模式：栏杆前置布局和栏杆后置布局。有的收费站是完全新建的车道，车道的布局模式可以选择任一种；有的车道是由MTC车道改造而成的，有可能站头无法延长只能采用栏杆后置的布局模式。在栏杆后置布局的情况下，检测车道内车辆数是ETC系统中的一个难点，同时也是整个系统不可或缺的部分。本文介绍一种车辆数量的模糊检测方法，利用线圈的状态判断在后置栏杆布局中车道内的车辆数，为车辆交易判别提供依据，提高ETC系统运行的效率和保障。

1检测方法的难点

在ETC系统中，与车辆进行交易是整个系统的核心部分。在栏杆后置的情况下(如图1所示)，车辆进入车道首先进入抓拍线圈，天线开始检测并判断车辆是否能够进行交易，如果允许交易且交易成功，那么电动栏杆抬起，车辆通行后栏杆放下。为了保证系统的正常运行，准确判断车辆能否进行交易尤为重要[2]。例如，有一辆没有OBU的车进入了车道，天线由于没有检测到OBU而无法进行交易。此时，后面来了一辆有OBU的车，天线在不知道车道里有未交易车辆的情况下，允许车辆交易并放行了前一辆没有OBU的车，导致后一辆已交易的车被拦下。这样造成的错误使系统的正确率降低，也给高速公路运营管理带来了麻烦。为了给交易判断提供依据，车道程序有必要检测车道内的车辆数目。然而栏杆后置布局方式中存在线圈和通过线圈之间的距离很大，增加检测的难度。

图1　ETC栏杆后置布局图

2检测方法的约束条件

一辆车依次通过抓拍线圈、检测线圈、存在线圈，且未穿过通过线圈时，认为该车辆存在车道中。要检测车道中的车辆数，应遵循实际车道中的实际布局和车辆运行状况进行设计。

(1)在栏杆后置布局中，最长的线圈只有1.5 m，而车辆通过ETC车道的速度可在10~40 km/h之间，基于安全行驶的原则，两辆车之间的距离小于线圈的情况比较少。多数情况下，一个线圈最多只被一辆车压住。(2)市面上的车绝大多数都是在3 m以上的，而相邻两个线圈之间的距离是2.5 m，所以一辆车是可以同时压住两个线圈的。个别车辆<2.5 m的情况在本文不予考虑。

由现有的车道运行状况可知，算法在设计过程中应把以下两种情况作为约束条件：(1)一个线圈任意时刻最多被一辆车压住；(2)一辆车的长度至少大于相邻两个线圈之间的距离。只有遵循这两个条件，才能在实际工程中有效应用该检测方法。

3检测方法的设计与实现

3.1　设计原则

限制于现有的硬件条件，本文介绍的方法仅利用车道的抓拍线圈、检测线圈和存在线圈这三个线圈的打开关闭状态来进行检测，同时算法应满足以下要求：

(1)实时性：应满足实时性要求，响应时间足够短，可在车辆进入车道后、进行交易前检测出车道内的车辆数，为过车交易提供判断依据。

(2)稳定性：应满足系统稳定性的要求，即使采用模糊算法，也应保证数据和算法结果的一致性，从而为系统安全运行提供有力支持。

(3)准确性：应满足准确性要求，最大程度上保证系统运行的流畅性。

3.2　设计方案

根据以上设计原则和约束条件，检测方法主要分为三个部分：(1)在车辆通过抓拍线圈、检测线圈和存在线圈时按顺序保存各个线圈的状态；(2)通过对线圈记录的分析可判断车道中已有的车辆数；(3)在车辆离开车道后清除对应的线圈记录。

记录线圈状态的关键在于区分出不同车辆的记录。在ETC车道中，由于车辆队列是流动的，并不需要车辆停下等待前面的车辆完全离开车道，所以几个线圈会被不同的车辆压住。图2所示的是第一辆车依次通过抓拍线圈和检测线圈，压住存在线圈时，第二辆车进入车道压住了抓拍线圈。两辆车的通过次序分别用两个记录队列保存。

对线圈记录分析的目的是判断是否有车辆已经通过三个线圈进入车道，或者是否有车辆通过三个线圈倒退离开车道。进入车道的判断方法是扫描记录中的线圈序列是否包含子序列(抓拍线圈，检测线圈，存在线圈)。如果包含了该子序列，那么有车辆进入车道。退出车道的判断依据是线圈序列中是否包含子序列(存在线圈，检测线圈，抓拍线圈)。

为了保持记录队列的平衡，一旦有车道内车辆数目的变化，则清除相应的记录，从而保证后续分析的准确性。

图2　记录车辆通行中线圈打开的顺序示意图

3.3　实现方法

根据设计方案，保存车辆通行中线圈打开的顺序并区分出不同车辆的记录，需要用两个队列来实现，分别记为主队列和次队列。当线圈打开，如果该线圈与主队列最后一个记录的线圈相邻，那么主队列将保存当前线圈到队尾。否则，当前线圈保存到次队列的队尾。例如，当抓拍线圈打开，如果主队列是空的或者最后一个记录是检测线圈，那么抓拍线圈添加到主队列队尾。如果队列的最后一个记录是存在线圈，那么次队列队尾添加抓拍线圈。因为如果车辆从存在线圈退回到抓拍线圈必须经过检测线圈，所以这种情况是有另一辆车压住了抓拍线圈。另外，为了记录大致的行车方向，每次存在线圈打开的时候，如果没有车压住检测线圈，那么车辆应该是后退的。

当存在线圈关闭时对主队列搜索分析列表中是否包含子序列(抓拍线圈，检测线圈，存在线圈)，如果包含了这样的子序列且车辆的行车方向是前进的，那么车道内车辆数增加。当一辆车进入车道后，应当清除该车在主队列中的记录。如果此时还有其他车压住线圈，那么主队列中最后一个存在线圈以后的记录应该是其他车的记录，把这些记录添加到次队列后，清空主队列，交换主次队列。同理，当抓拍线圈关闭时分析是否有车辆回退，查看主列表中是否有子序列(存在线圈，检测线圈，抓拍线圈)。如果发现有车辆回退，那么车辆数减少，主次队列做相应的处理。如果有车辆离开通过线圈，即通过线圈关闭的时候，车辆数减少。

一旦车道内车辆数发生变化，就要对三个线圈的当前状态进行检测，如果三个线圈都处于关闭状态时，则清空所有列表，以保证后续车辆进入车道时不被残留的记录干扰检测结果。图3列出了整个检测方法的流程图。

图3　检测方法流程图

4模拟实验和结果分析

实验模拟器由Java实现，运行在主机Intel®CoreTMi5-4200 CPU @ 2.50 GHz/4GB RAM上。实验过程中，抓拍线圈、检测线圈和存在线圈分别用①②③标示，进入车道以pass标记，而out表示退出车道。以下为进行的三类实验。

实验1：一辆车通过，车辆行驶压过线圈的顺序及结果见图4。

图4　一辆车通过时实验模拟结果示意图

上述实验说明，一辆车通过的情况算法能够完全正确的检测出车道内的车辆数。

实验2：两辆车通过，车辆行驶压过线圈的顺序及结果见图5。

图5　两辆车通过时实验模拟结果示意图

两辆车通过的大部分情况算法能够正确检测出车道内的车辆数，但是当第二辆车压住第二个线圈，第一辆车回退时，这种情况线圈的状态次序与一辆车依次前进的状态是一样的，由于回退方向是模糊标记的，所

以算法无法正确判断这种情况。路径6的情况，当回退后车辆依次通过线圈3，则车道内车辆数正确，但是回退时车道内数量不会减少，所以是部分正确的。路径7的情况，当回退后，车辆完全倒退，由于车辆没有减少，因此结果不正确。矫正这种情况需要其他硬件设备的辅助，在此不进行详细阐述。

实验3：三辆车通过，车辆行驶压过线圈的顺序及结果见图6。

图6　三辆车通过时实验模拟结果示意图

上述实验说明，三辆车通过的情况算法能够完全正确地检测出车道内的车辆数。

前三个线圈最多同时有三辆车压住，通过上述实验证明了算法是有效的，正确率达到88%。

5结语

本文提出了一种模糊车道车数检测方法，利用线圈的状态判断存在后置栏杆车道中车辆的数量，为车辆交易判别提供依据。通过模拟实验结果和分析，证明了算法的有效性，能够处理大部分的实际通车情况。但目前的工作尚有不足，在未来的工作中，仍需利用更多的硬件设施进一步完善算法。

参考文献

[1]许宏科，赵祥模，等.高速公路收费系统理论及应用[M].北京：电子工业出版社，2003.

[2]陈荣伟.高速公路联网收费系统的设计和实现[J].计算机工程，2002(1)：217-219.

Discussions on Vehicle Number Detection Method within the Lanes in ETC Railing Rear-layout

LU Lu，HUANG Chun-hua，HE Zeng-zhen

(Intelligent Transportation Branch of Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：Electronic Toll Collection System(ETC)is an important intelligent transportation technology，which provides an effective solution to alleviate the congestion in expressway toll stations and for the energy-saving and environmental protection.The coil and the distance to pass the coil are large in the rear railing layout of ETC lane layout，resulting in that the number of vehicles in the lanes is difficult to determine.Aiming at this problem，this article proposed a fuzzy detection method for the number of vehicles，which can determine the vehicle number in the rear-railing lanes by using the state of coil，thus providing the basis for determining the vehicle transaction.

Keywords：Intelligent transportation systems；Electronic toll collection system(ETC)；Lane control system；Number of vehicles；Coil；Detection method

收稿日期：2015-02-02

文章编号：1673-4874(2015)05-0063-03

中图分类号：U415.11

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.018

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