利用双线圈检测车辆运动轨迹的算法实现

刘鸿伟, 宋向辉

(交通运输部公路科学研究院ITS中心, 北京 100088)



利用双线圈检测车辆运动轨迹的算法实现

刘鸿伟, 宋向辉

(交通运输部公路科学研究院ITS中心, 北京 100088)

在自动栏杆后置的电子不停车收费(ETC)车道系统中，由于天线通信区域与自动栏杆之间的距离较远，其间有可能形成过车队列，再加上车辆行驶行为本身的复杂性，能否实时地、准确地获取过车队列信息，成为确保自动栏杆后置的ETC车道系统正常控制逻辑的关键因素之一. 针对此问题采用在收费车道前端铺设双线圈的方法，实时检测车辆运动轨迹，使车道系统准确获取过车队列信息，避免ETC车道控制逻辑发生混乱，在很大程度上提高了自动栏杆后置的ETC车道系统的稳定性和可靠性.

电子不停车收费系统； 双线圈； 运动轨迹； 控制逻辑

0 引言

随着世界经济和我国经济的不断发展，交通运输越来越成为国民经济生活中的一个极其重要、不可缺少的因素，现代化的交通需要现代化的管理，为解决城市周边高速公路主要路段和收费路口的交通拥挤和阻塞状况，迫切需要提高其通行能力和服务水平[1]. 我国高速公路电子收费(Electronic Toll Collection, ETC)技术的研究及应用，无疑为提升我国高速公路通行能力和服务水平提供了技术手段. 电子收费是指应用先进的技术手段[2]，自动完成电子收费交易，实现在不停车条件下自动收取道路通行费.

2007年，交通运输部正式启动“京津冀、长三角”高速公路区域联网不停车收费示范工程. 为确保示范工程建设和服务的一致性，交通运输部陆续颁布实施GB/T 20851—2007《电子收费 专用短程通信》系列国家标准和《收费公路联网收费技术要求》(原交通部2007年第35号令)以及《高速公路区域联网不停车收费示范工程暂行技术要求》(共22项技术规范，以下简称《暂行技术要求》). 2010年底，在总结京津冀、长三角示范工程建设和运营过程中的经验和不足的基础上，交通运输部组织对《暂行技术要求》进行了补充和完善，并于2011年3月正式发布实施《收费公路联网电子不停车收费技术要求》(交通运输部2011年第13号公告). 上述系列标准规范的颁布实施，有效指导了ETC示范工程和全国各地ETC系统实施，为全国ETC系统规模化建设和跨区域互联互通奠定了良好基础. 可以说，我国ETC系统技术标准、关键设备、工程实施均已相对比较成熟.

在已颁布实施的ETC技术标准中，针对ETC车道布局并未进行严格限定和统一，而是给出3种车道布局模式供各地选择[3-4]. 因此，国内各省市的ETC车道布局不尽相同，按照自动栏杆的布设位置大致分为栏杆前置(图1)和栏杆后置(图2)两种车道布局. 栏杆前置布局的车道逻辑相对简单一些，自动栏杆离天线交易区的距离较近，其间最多只能容纳一辆车不会形成队列，并且ETC车道与邻近的MTC车道之间有一个连接道，供误入和交易失败车辆离开ETC车道，转入MTC车道通行；栏杆后置布局的车道系统，由于自动栏杆距天线交易区的距离比较远，当车流量比较大时，会在该区间形成车辆队列，如何在无人值守的情况下，协调自动栏杆的起落和天线对队列中的每辆车的交易结果，做到不误放非法车也不误拦合法车[5]，就需要实时了解队列情况，即了解车辆的行驶方向(驶入队列、离开队列、退出队列).

图1 自动栏杆前置车道布局示意图

图2 自动栏杆后置车道布局示意图

本文将针对栏杆后置布局模式的车道系统，提出在车道前端铺设双线圈的方法，实时检测车辆运动轨迹，使车道系统在无人值守的情况下，准确获取过车队列信息，避免ETC车道控制逻辑发生混乱，在很大程度上提高了自动栏杆后置的ETC车道系统的稳定性和可靠性.

1 车辆运动轨迹模型

为了更准确地描述车辆进入收费车道的运行轨迹，现通过铺设在收费车道的2个地感线圈(L1和L2)的上下沿信号表述车辆运动轨迹. 要求两辆车(V1和V2)不能同时触发同一个地感线圈，因此2个线圈间的距离宽度不宜超过50 cm， A为线圈L1的上升沿，B为线圈L2的上升沿，C为线圈L1的下降沿，D为线圈L2的下降沿. 虚线代表先，实线代表后，1组箭头表征1辆车的行驶路线. 依此，车辆在收费车道可能发生的所有运动轨迹以及对队列变化的影响，可通过建立28个主要运动轨迹模型描述. 下面就其中13个典型运动模型描述如下，其他运动模型详见表1.

模型1：车辆V1正常进入，先后触发线圈L1的上升沿、L2的上升沿、L1的下降沿和L2的下降沿. A-B-C-D，队列+1.

模型2：车辆V1正常倒出，先后触发线圈L2的上升沿、L1的上升沿、L2的下降沿和L1的下降沿. B-A-D-C，队列-1.

模型3：两辆车连续正常进入，先后触发线圈L1的上升沿、L2的上升沿、L1的下降沿、L1的上升沿、L2的下降沿、L2的上升沿、L1的下降沿和L2的下降沿. A-B-C-A-D-B-C-D，队列+2.

模型4：两辆车连续正常倒出，先后触发线圈L2的上升沿、L1的上升沿、L2的下降沿、L2的上升沿、L1的下降沿、L1的上升沿、L2的下降沿和L1的下降沿. B-A-D-B-C-A-D-C，队列-2.

模型5：车辆V1在线圈L1上来回，先后触发线圈L1的上升沿、L1的下降沿. A-C，队列没变.

模型6：车辆V1在线圈L2上来回，先后触发线圈L2的上升沿、L2的下降沿. B-D，队列没变.

模型7：车辆V1经L1，压到L2后倒出，先后触发线圈L1的上升沿、L2的上升沿、L2的下降沿和L1的下降沿. A-B-D-C，队列没变.

模型8：两辆车分别压上L1、L2后离开，先后触发线圈L2的上升沿、L1的上升沿、L2的下降沿、L2的上升沿、L1的下降沿、L1的上升沿、L1的下降沿和L2的下降沿. B-A-D-B-C-A-C-D，队列没变.

模型9：两辆车分别压上L1、L2后离开，先后触发线圈L2的上升沿、L1的上升沿、L2的下降沿、L2的上升沿、L1的下降沿、L1的上升沿、L2的下降沿、L2的上升沿、L2的下降沿和L1的下降沿. B-A-D-B-C-A-D-B-D-C，队列没变.

模型10：两辆车分别压上L1、L2后离开，先后触发线圈L1的上升沿、L2的上升沿、L1的下降沿、L1的上升沿、L2的下降沿、L2的上升沿、L1的下降沿和L2的下降沿. A-B-C-A--D-B-C-D，队列没变.

模型11：两辆车分别压上L1、L2后离开，先后触发线圈L1的上升沿、L2的上升沿、线圈L1的下降沿、L1的上升沿、L2的下降沿、L2的上升沿、L2的下降沿和L1的下降沿. A-B-C-A-D-B-D-C，队列没变.

模型12：两辆车压上L1、L2后离开，先后触发线圈L1的上升沿、L2的上升沿、L1的下降沿、L1的上升沿、L2的下降沿、L2的上升沿、L1的下降沿、L1的上升沿、L1的下降沿和L2的下降沿. A-B-C-A-D-B-C-A-C-D，队列没变.

2 算法研究及程序实现

2.1 建立模型关系表

根据车辆运动轨迹模型，建立模型关系表，如表1所示.

表1 车辆运动轨迹模型关系表

续表1

2.2 算法及程序实现

2.2.1 算法描述

将2.1模型关系表放入静态存储数组S中，当序列中沿记录个数R为2、4、6、8、10、12时，与静态数组S中的序列进行匹配，如匹配合适，按匹配序列的情况进行处理，即对队列+1，-1或不变，同时清空当前序列；如没有匹配上的序列，不做处理，等待下一次的轮回.

当R≥6时，将实际获取的沿序列与静态数组S中的序列匹配，匹配成功按表1进行队列处理，匹配不成功则检查沿记录序列是否为A-B-C-A-D-B，若是，去掉中间B-C-A-D，队列+1,当前序列改为A-B；若是B-A-D-B-C-A,去掉中间A-D-B-C，队列-1，当前序列改为B-A；若序列为A-B-D-B-D-X，去掉中间B-D-B-D，队列不变，当前序列改为A-X；若序列为B-A-C-A-C-X，去掉中间A-C-A-C，队列不变，当前序列改为B-X.

由于模型9和12按上述处理后，会出现6沿序列A-B-C-A-C-D和B-A-D-B-D-C，因此需要这两个序列补充到6沿序列中，同时队列应分别为-1和+1(因为9和12为队列不变的情况，经过去掉B-C-A-D和A-D-B-C后，队列做了+1和-1，所以为了保持队列不变，此两个序列为-1和+1).

由于模型8和11出现类似9和12的情况，处理办法是记录删除A-D-B-C或B-C-A-D的次数，当次数为1时，队列做相应的改变(这在4沿序列处理中体现).

对于歧异情况的处理，可以按大概率事件处理，如表2所示.

表2 车辆运动轨迹模型歧义情况处理表

2.2.2 程序实现

共建立4个守候线程：

1) L1沿检测线程，当检测到L1出现沿记录时，判断是上升沿还是下降沿，同时激活L1沿处理守候线程；

2) L2沿检测线程，当检测到L2出现沿记录时，判断是上升沿还是下降沿，同时激活L2沿处理守候线程；

3) L1沿处理线程，被激活后，将‘A’或‘C’写入沿记录序列，当序列中记录个数为偶数或>10时，激活沿记录序列处理线程；

4) L2沿处理线程，被激活后，将‘B’或‘D’写入沿记录序列，当序列中记录个数为偶数或>10时，激活沿记录序列处理线程；

5) 沿记录序列处理线程，被激活后，按序列规律判断车辆行驶方向，并给管理线程发送队列变化消息，最后根据算法需要处理当前沿序列.

3 仿真测试

3.1 测试目标及环境

本测试主要测试该算法的功能实现和纠错能力，目的是查找出算法中有可能存在的遗漏和错误，以确保该算法应用到车道逻辑控制系统之前，能准确判断车辆运动轨迹，准确判别和调整队列情况. 测试环境：研华工控机1台、算法程序、车道模拟器1台(可通过红外感应模拟地感线圈，信号灯亮灭指示地感线圈触发信号的上升沿和下降沿).

3.2 测试情况

功能测试是通过车道模拟器模拟车辆在收费车道的运动轨迹，从而测试算法实际输出结果. 从测试情况看，针对表1中无歧义的情况，软件均能正确处理队列变化情况；针对表1中存在歧义的情况，软件按照表2的处理方式判定，即按照大概率事件进行取舍，也能正确处理队列变化情况.

稳定性测试是用一张纸在车道模拟器L1和L2上方快速无规律地做往返运动，程序能够识别出异常状态，并自动进入重新检测状态.

3.3 测试结论

通过仿真验证的实际数据分析，该算法可以准确识别车辆在收费车道的运动轨迹，进而能使车道逻辑控制系统对车辆队列进行准确判断和处理. 对于稳定性测试中极小概率出现的情况(实际车道环境中很难发生的情况)，该算法和程序均做到超强的容错能力，但这种情况下，车道软件应做到及时报警，提示人工干预处理.

4 结论

2014年8月1日，交通运输部正式颁布实施公路工程行业标准JTG B10- 01—2004《公路电子不停车收费联网运营和服务规范》，文中提出[6]：ETC车道宜采用自动栏杆岛内布局模式. 随着全国ETC联网工程的开展，ETC车道布局模式也会逐步向标准化、规范化迈进. 通过在收费车道前端铺设两个地感线圈的方式，结合本文提出的算法，可以有效判别驶入收费车道的车辆运动轨迹，从而为自动栏杆岛内布局模式的车道系统判别队列变化提供很好的方法，提高无人值守情况下的车道系统逻辑控制能力.

[1] 朱茵, 王军利. 智能交通系统导论[M]. 北京: 中国人民公安大学出版社, 2007.

[2] 王笑京, 李爱民, 江运志， 等. 收费公路联网收费技术要求[M]. 北京: 人民交通出版社, 2007.

[3] 王笑京, 杨蕴, 刘鸿伟， 等. 收费公路联网电子不停车收费技术要求[M]. 北京: 人民交通出版社, 2011.

[4] GB/T 28967—2012: 电子收费 车道系统技术要求[S]. 北京: 中国国家标准化管理委员会, 2012.

[5] 电子不停车收费系统的控制方法[P]. 中国. B. ZL200810117209. 0. 2010-02-03.

[6] JTG B10-01-2014: 公路电子不停车收费联网运营和服务规范[S]. 北京: 中华人民共和国交通运输部, 2014.

Estimating the Trajectory of Moving Vehicles Based on Dual-Loop Detectors

LIU Hong-wei, SONG Xiang-hui

(Research Institute of Highway Ministry of Communications, Beijing, 100088, China)

In the Electronic Toll Collection system, there is a distance between the transponder cover area and automatic barrier arms. A vehicle queue may be formed in that area. Lack of real-time queue information may confuse the ETC system’s normal control logic and result in significant delays. This paper empirically studies the real-time vehicles trajectory using dual-loop detectors in ETC lanes. The real-time trajectory can be used to obtain the queue length. The results show that to the new system can improve the stability and reliability of the ETC system.

electronic toll collection system; dual-loop detector; moving track;control Logic

10.13986/j.cnki.jote.2015.03.007

2014- 11- 28.

刘鸿伟(1975—)， 女， 高级工程师， 研究方向为智能交通电子收费与密码应用技术研究. E-mail:lhw@itsc.cn.

U 491.1+16

A

1008-2522(2015)03-29-06