智能运输系统中传感器技术的应用分析

汤乐

（南阳理工学院，河南 南阳 473004）

经济飞速发展的负面产物是全球共同面对的交通问题，近几年，伴随经济的快速提升，以我国为例，城市化建设速度加快，汽车几乎成为每家必备的出行工具，随之而来的交通拥堵问题成为影响人们出行的重要障碍，同时还对环境造成很大污染。虽然政府及相关部门采取了不同手段给予解决，交通压力有所缓解，但实质性问题并没得到有效解决，再加上公路网的限制，综合考虑环保问题及社会可持续发展等问题，在科技手段不断发展的今天，将各种先进技术合理应用到交通运输系统中，有效推动了社会的持续前行。

一、概述智能运输系统和传感器

（一）智能运输系统

将数字信息技术和通信技术及先进的传感器技术应用到交通运输中，利用不同的计算机软件进行针对性控制，进而形成了智能化交通运输系统。智能运输系统不仅覆盖范围广，全方位实施控制，还可以实现智能运输系统的精准性和效率性及实时性。智能运输系统作为现代交通运行体系的发展方向及目标，区别于传统交通网最大的不同在于服务对象发生了明显变化。具体可以从以下对比看出：传统交通管制系统以道路为主要服务对象，系统管理的目标是对道路设施不断完善并提升道路运输水平等；智能运输系统将与道路有关的人、交通工具、道路及周边环境等作为服务对象，是运输系统相关的整个体系，通过科技信息智能技术对所有服务对象的数据信息进行整合分析，将道路交通中出现的各种拥堵及附带问题进行科学、有效解决。随着科技手段的不断发展，智能交通运输系统也日益成熟，我国通过各种运输系统展示会的举办，有效促进智能运输系统管理水平及应用的全面提升。

（二）传感器及其性能参数和作用

1.传感器。通过特定检测设备将感受信号转变为可输出信息，这是传感器最明显的特点。传感器有两个主要元件构成，即敏感元件及转换元件，能将被测量的规定信息有效感应并进行可用信号的规律性转换的装置或器件。其中敏感元件是可直接感应被测量信息变化的一种器件，而转换元件需要将所感受的信息转换为或传输或测量的一种电信号器件。敏感元件和转换元件是传感器的核心构成，某些压力传感器的两种元件是合二为一的。

2.传感器性能参数及作用。传感器质量和性能有直接关系，可以通过分析传感器的性能参数来评价传感器的品质。如果传感器的测量范围较广、测量精准度高、稳定性强、线性偏离度小、具有较高的灵敏度、时间常数值小则代表该传感器品质优，表示不仅测真度高、感测作用广、系统运行优良，还具有较强的稳定性和捕捉能力，对快速变化的被测量信息由较高的反应能力。计算机是智能运输系统的终端，可以对数字信号进行运算控制，但对非数字信号无法有效识别，将传感器技术应用到计算机控制系统中可以对温度变化及压力和位移等非数字信号实现有效控制，并将其转换为可识别信号供计算机进行运算和控制，实现运输系统的智能化管理。

二、传感器在智能运输系统中的应用

在城市交通管理及规划中，最基础的信息就是道路交通信息，对道路交通信息进行全面、实时管控，可以对道路交通的实际现状进行全面了解，并利用所掌握信息进行科学的发展和预测。基于此，对道路交通信息进行采集和处理对我国城市发展规划及管理和建设具有重要意义。以下是智能运输系统常用传感器的应用方面，通过对实际路网各个路段交通实况信息进行全面、实时采集和传输来实现交通信息管理的智能化目标。

（一）智能运输系统中红外线传感器的应用

红外线传感器是一种波束型检测装置，目前主要有主动式红外线传感器和被动式红外线传感器两种，他们均被应用到交通运输管理中。主动式红外线传感器是一种不可见电磁波，根据波长范围不同分成反射式和遮断式，发射器由半导体激光器构成，接收器则为光电二极管，对中发射器和接收器并水平安装与车道旁，对通过车辆进行通断转换检测，其工作原理为：红外光辐射一致的情况下，根据不同的反射物所显示的反射能力是不同的。主动式红外线传感器拥有发射光学系统及接手光学系统两种，红外检测效果会受雨雪、浓雾等恶劣天气的影响而降低，如果能见度在3m 至5m 之间，红外检测器效果不明显，反之，则能检测到40m 以内的车辆。被动式红外线传感器只有接收器，根据路面及车辆材料的温度和光洁度来感受道路及车辆不同的辐射能量。我国红外线测温分辨水平已经逐渐成熟，对道路及路面车辆的区分比较容易，在低照及夜行环境，红外光都可以使光电元件或热敏发生反应，因此，被动式红外线传感器的应用也是比较广泛的。

（二）环形线圈车辆检测器在智能运输系统中的应用

环形线圈传感器是目前我国高速公路应用检测交通实况最多的一种传感器，环形线圈传感器不仅能对路面交通状况进行实时检测，还可以对道路车辆的车速及占有情况、车长及车头时距、车辆在道路存在的实际情况等进行检测，是应用范围较广的传感器。环形线圈传感器是多芯低阻且抗软性能较高的铜线电缆缠绕而成，由于该传感器的特殊性，对其进行埋设时需要避开铁磁体，在收费车道或人口匝道进行埋设时，通常情况下会将线圈设置成菱形或长方形等特定形状。环形线圈传感器需要同其他器件共同作用才能实现对道路车辆的有效检测。检测单元的主要构成为存贮器和微处理器，线圈外的其他器件均需组装在通信模块或检测模块上面，并现场安装到道路旁的检控机箱中。环形线圈传感器的应用温度是有一定要求的，在-40～+80 摄氏度范围内方可实现有效检测。应用该传感器对两轮以上机动车检测精度较高，故障发生率较低且使用寿命长达十年。在实际使用中，应根据具体需要调整环形线圈传感器的灵敏度、信号存在时间及频率。

（三）智能运输系统中应用超声波传感器的主要方面

高速公路应用比较多的一种检测传感器是超声波传感器，通过对道路车辆不同形状对波前造成的不同影响达到有效检测的目的。超声波传感器探头不仅有发射功能，还有接受功能，在道路应用中通常安装在道路斜上方或正上方，通过对道路路面发射一定的超声波和接受各种不同车辆的发射波来实现对道路交通运输的智能化管理。超声波传感器工作原理通常依据传播时间差法或多普勒法来进行工作。超声波传感器成本投入少、安装简便且维修投入费用较低，安装过程不会对路面使用带来破坏，不影响正常的交通运输，使用比较灵活且应用年限长。但相比较其他类型的传感器，检测结果有一定误差，适用于锥形检测域，对交通拥堵严重、小型车辆及恶劣大风天气的检测无法实现正常检测，且分辨率差、抗干扰能力较低、误报率高。但通过架设安装及使用年限等方面来看，超声波传感器的应用是目前仅次于环形线圈传感器，综合性能比路面埋设类型的传感器还是具有一定的优势。

（四）智能运输系统微波交通检测传感器的应用

超声波传感器和红外线传感器穿透能力较差，难以在云雾天气及雨雪天气实现有效检测，而微波交通传感器电磁波波长在3cm 左右，可以对云雾及雨雪等实现强力透射，基于此，相关人员借助成像技术及雷达测速技术、测距技术等研发出微波交通传感检测器，该传感器由微波发射及接受探头和控制器、调制解调器及电源等构成。通常情况下，发射器可侧视安装，即安装在专用立柱或路侧灯杆上；也可以前视安装，即同超声检测器一样在道路车道上面的龙门架上进行安装；调制解调器安装在和发射器相同的根立柱上面。微波交通传感器是面对车辆行驶方向进行布设的，也就是所谓的前视检测。一般情况下，一条车道配置一台检测传感器，对高速公路及城市交通状况进行实时监控，还可以应用到交通信号控制及区域性交通事件报警等方面。监视检测就是将微波交通传感器沿车道横向布置，可对不同车道的交通变量实时数据同时采集。尤其在城市交通车流量复杂的十字路口，运用多个探头对十字路口交通状况可以起到有效的监视和控制作用。微波交通传感器具有较强的抗干扰力和穿透力，可以多车道同时检测，且安装方便，不影响路面实时交通，无破坏力，运行模式灵活，方便随时扩展升级，同时还有检测精准度较高、漏检率低等优点。

（五）视频车辆传感器在智能运输系统中的应用

视频车辆传感器顾名思义就是将采集的道理车辆信息的视频图像进行科学处理并利用图形识别技术对道路运输进行控制。对需要检测的重点路段进行数字摄像机数量的合理安装，通过图像处理硬件和控制软件对一定范围内的道路交通运输情况进行有效检测，检测元件在布置上具有较强的灵活性，且检测项目可以根据实际情况适当增设，应用前景巨大。视频车辆传感器通常由数字摄像机、联结箱、计算机及配套软件构成。联结箱将数字摄像机拍摄的路况交通图进行接收并传输到计算机进行处理或存储以备后续使用。该传感器的工作温度范围在-34～+74 摄氏度，相对湿度为95%环境中可以实现有效检测和传输，实现对不同交通实况的全面收集，一定程度上可以替代环形线圈传感器。

视频车辆传感器不仅使用安装方便，还具有多种功能，所呈现的交通图像直观性较高且针对检测项目的增设比较灵活；可应用到城市交通比较复杂的交叉路口，且监测区域覆盖面广，但视频车辆传感器会受雨雪等恶劣天气的影响，夜间路面亮度不够会影响传感器作用的充分发挥。

（六）压电传感器在智能运输系统的应用

压电传感器可对道路车辆的轴载、车速实况及轴数进行检测，其最明显的特点就是应用比较方便且轻便小巧。压电传感器是通过压电效应进行工作的，其输出能力较弱，有一定的检测误差，为了缩小误差率，通常会将所需信号传送给输入阻抗较高的电压器或电荷放大器中，通过放大、检波等专业处理形成目标性输出信号。目前市面上广泛应用的压电传感器是管形设置，装有压电电缆的工程塑料壳体和壳座一同埋设在需要检测的运输路面下，并每隔一定距离埋设两根压电传感器，以此来检测道路车辆的实际轴数、轴载及具体车速。压电传感器一般应用在收费站地磅、不稳定称重、车辆和车速的分类及检测、轴距的测量、闯红灯拍照、停车区域的实时监控等各种交通信息的实时采集和统计中。

结语：智能运输系统的不断发展有力推动国民经济的快速发展，利用不同传感技术的应用，实现对道路交通路况的实时采集、分析和处理等，随着科技水平的提升，对传感技术不断改进和优化，通过提升传感器的检测水平来实现对道路交通的有效控制。