红外光门在唐港高速公路监控系统中应用

   摘要：

    红外光门能够检测从收费站出入口车道通行的车辆而无需大面积的土建工程及破坏道路表面。采用红外光技术进行车辆检测已经成为地上车辆检测器的主要方法之一，并在近几年的高速公路监控系统中得到广泛的应用。本文主要介绍了红外光门的基本原理和在监控系统中的应用方式。

    唐港高速公路起自唐山东立交（与唐津高速公路连结），在乐亭雷家铺与沿海公路相联进入京唐港区，全长80.2公里。该公路为全封闭全立交双向6车道高等级汽车专用高速公路。监控收费系统作为机电工程不可或缺的一部分，在监控过程中对通行车辆图像的抓拍极为重要，如何使车辆图像抓拍达到精确、如实地反映车辆信息成为监控系统中的关键之一。

    高速公路监控系统是在城市街道交通管制系统的基础上发展起来的。近年来随着计算机技术、自动化技术和光纤通信技术的发展，我国的高速公路监控系统的技术结构也随之变化，车辆检测器尤为突出。被动式红外线车辆检测器（以下简称红外光门）的应用非常广泛，因其价格低廉，技术性能稳定，深受广大业内人员的欢迎。

    红外光门是红外线车辆检测器的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，通过同步回路选通电路检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。工作原理如图

    测技术有超声波检测、微波多普勒检测、微波真空现场检测、可见光视频检测、红外线视频检测、声学检测、磁力计检测、感应线圈检测等。与其他检测技术相比，红外光门具有以下特点：

    一、红外光门通过类似于光学镜头式地瞄准可视范围，可以按车道“聚焦”检测域。

    红外光门是靠检测车辆进入收费车道时遮挡自身发射的红外线进行工作的，检测器收集外界的红外辐射聚焦到红外传感器上，红外传感器通常采用热释电元件，这种元件在接收的红外辐射温度发生变化时就会向外释放电荷，检测处理后向车道工控机发出信号。

    根据传感器的特点和唐港高速公路的实际情况，我们采用了E3JK回归反射型红外光门。其接线方式为导线引出型，便于和工控机进行连接，有效检测距离为3米，适合于收费车道。输出状态采用继电器输出方式。

    当遇到车辆进入车道遮挡住传感器发出的红外光线时，传感器发给收费亭内工控机信号，车道监视器实时抓拍，图像记录在工控机中，这样就完成了一次车辆图像抓拍，与以往单独使用线圈式车辆检测器配合车道摄像机实施抓拍的方式相比，红外光门使图像抓拍的位置比较精确，误差小于1cm，而且反应时间迅速。

    二、红外光门不受恶劣气象条件或物体颜色的影响

    E3JK回归反射型红外光门标准检测物体为Φ75mm以上的不透明物体，在工作时适应的温度为-25℃— 
55℃，湿度为45—85%RH。该检测器以被动的方式检测，能穿透烟雾和水汽，在很大程度上不受气候的影响。只对可视范围内精确定义的温度突然变化做出响应，并忽略在一天内和一年内天气情况导致的路面缓慢变化。通过以微处理器为核心的数字化处理，用以帮助摄像机实现图像的抓拍。

    三、红外光门仅仅接收自发的红外辐射，不会造成对周围环境的辐射污染。

    E3JK回归反射型红外光门，由红色发光二极管发射的波长为660nm，这种辐射是人眼所不能看见的。

    四、被动车辆检测器器件功耗很小，隐蔽性较好，能装在收费亭外部，不需要昂贵的土建施工费用。

    红外光门安装过程很简单，只需将检测器中的信号线接入到工控机中即可实现，需要用到的工具和材料也很少，不影响收费工作的正常进行。在连接完毕后，也可以重新设置和校准，节约了大量的人力物力。

    对于选用车辆检测技术，应当从功能性、通讯、安装、维护以及作业环境、应用效果、相关成本、技术发展等八个方面进行评估。

    功能性

    该部分主要用来评估车辆检测设备的能力是否能达成实际应用设定的目标

    1、功能是否符合需求：例如是否能满足事件检测、交通流量监测等应用的需求，如果参与评估的检测技术无法直接或间接获得应用所需的参数，将直接摒除于评选方案之外。2、系统整合的可行性：所提供的资料（例如交通技术参数、资料格式等）在未来是否可与其他系统兼容。3、获得必要交通参数时所需进行的数据处理需求：例如所携带的应用软件是否容易操作，统计分析或报表打印功能是齐全，是否需另外自行开发程序等。4、用户接口应具易操作性：设备操作如需聘请特殊技术人员或需经过长时间的技术培训，势必会造成技术移转困难或移转时间加长，因而提高建设成本。5、未来设备扩充的可行性：考虑交通信息搜集的广度与年度要求日益提升，以及营运部门设备计划经费多采逐年核算方式，检测器的功能应保留系统扩充的可行性，例如由单车道检测扩充为多车道检测等。

    二、通讯需求

    该部分评估检测技术在整合应用时，是否具有与其他系统间进行数据传输的能力，其主要评估的项目有以下几点：1、外场控制器所使用的接口。2、与远程控制系统（如交通控制中心）所使用的接口。3、与现有或已规划的通讯系统间的兼容性。

    三、安装需求

    该部分确认检测技术初始时的相关成本需求。应评估的项目如下：1、对环境造成的冲击：评估建设施工是否对路侧设施（如路灯、可变信息系统等）造成破坏，设备若掉落是否会影响用路人安全等。2、施工建设或维修时造成的交通冲击：评估安装时道路是否封闭与封闭期对交通构成的冲击、影响等。3、建设点的结构与所需装备。4、电源供给。5、初始化评估：主要指检测区域的选定与调整。

    四、维护需求

    设备维护的信息非常不易取得，尤其是对于新的检测技术或产品而言。因此，该部分的评估主要依靠应用经验。应评估的项目如下：1、造成的交通冲击：包括范围与时间。2、维护或维修的需求：如果设备需要经常性地校估和调整，或设备不稳定，经常性地出现故障待修将提高建设成本。3、系统错误回报机制：当检测系统故障时，最好能立即回报出信息以供及时报修。4、特殊人员技术的需求：设备维护如需聘请特殊技术人员，势必会提高维护成本。5、特殊装备的需求：维护作业如需使用特殊装备，势必会提高维护成本。

    五、作业环境

    作业环境直接影响到检测设备的生命周期，因此该部分应评估检测设备对于环境因素的适应性。这些因素同时包括自然与人为两部分。它的主要表现形式为：1、天气的影响：指风、湿度、温度、雨雪等。2、交通的影响：指对路面的震动、车流影响等。3、设备重量尺寸。4、道路形式的影响：特殊的路型，如隧道、吊桥，会影响检测器的检测效能。5、地形影响：视线起伏与分岔路都会影响检测器的检测效能。6、照明因素：包含；白天、晚上、阴天等。7、电磁波干扰。8、污染影响：车辆排放的废气、灰尘或其他特殊的空气成分对作业现场的影响等。9、生物影响：鸟类、昆虫或其他动物。

    六、应用效果

    目前，与先进车辆检测技术应用效果有关的信息相当有限。因此，这部分的评估目的，在于得知目前有多少种车辆检测技术被测试于、使用于交通领域。以下几类的研究或评论将有助于获得所需的信息：1、测试结果：包含实验室或现场测试。2、市场占有率。3、在其他领域的应用经验：例如红外线检测在其他领域的应用技术已相当成熟。

    七、相关成本预测分析

    虽然在实际的系统规划设计完成前，要精确地估算成本并不容易，但仍然可以从几个方面来进行相关的成本评估：1、直接成本：该部分包括单位售价、运作成本与维护成本。现有技术的直接成本可以从文献或厂商的报价中获得。2、间接成本：该部分包括安装、维护与维修时所造成的交通冲击成本。3、既有系统的成本：如果已有现存的检测系统，例如环形线圈检测器，则应将旧系统的成本加入评估。

    八、技术发展因素

    检测技术的应用与发展趋势，也是选择检测技术时的重要评估方向。对于现有的检测技术，可从系统供货商处取得有关的研发信息，并得以了解系统未来功能扩充的方向，但对于发展中的先进检测技术而言，系统发展方向会受公司营运计划的影响。因此，检测技术的可用性可从以下几个方向加以评估：1、现有技术的供货商数目。2、先进技术预期的运作效能：1）实地测试结果；2）在其他领域的应用；3）设备研发公司的研发计划。

    多种检测技术相互搭配运用在理论上是可行的，而且有几种实质上的意义，即功能性互补。每种检测技术都有其检测原理上的限制，因此都无法获得所需的所有交通参数，为了获取ITS应用所需的所有交通参数，可利用多种检测器相互搭配的方式。例如，用被动式红外线检测器搭配超音波式或多普勒式微波检测器。当用被动式红外线搭配超音波式检测器时，就可提高车辆出现、停止、车流量、车辆高度与距离等检测的准确度；当用被动式红外线搭配多普勒式微波检测器时，即可获得车辆出现数、停止检测、车流量、速度及车长类等交通参数。多普勒式微波检测器可测中、高行车速度，被动式红外线检测器可测流量与车辆出现数；在车辆行驶处于中速时，因被动式红外线检测器可自动校估速度测量参数，这种校估就可提高低车速与停止检测的检测准确率。

    结束语：

    红外光门技术是唐港高速公路监控收费系统稳定、可靠、有效、持续运行的重要保证。采用被动式红外线车辆检测器进行车辆图像抓拍和车牌号码识别，使唐港高速公路图像抓拍率达到92.4%，大量地杜绝了车主、司机作弊的行为，并具有安装维护简单、稳定、可靠、监测直观等优点，系统稳定运行已近两年，效果良好.