1、第二章 交通監(jiān)控系統(tǒng)第1頁(yè)，共75頁(yè)。本章內(nèi)容 高速公路交通監(jiān)控系統(tǒng)的分類(lèi)1自動(dòng)控制基本原理概述2交通干擾分析3交通監(jiān)控系統(tǒng)的常用控制方法4第2頁(yè)，共75頁(yè)。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)分類(lèi) 高速公路監(jiān)控系統(tǒng)收費(fèi)監(jiān)控道路監(jiān)控第3頁(yè)，共75頁(yè)。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)分類(lèi)收費(fèi)監(jiān)控系統(tǒng)主要是對(duì)收費(fèi)站的車(chē)道、收費(fèi)廣場(chǎng)、收費(fèi)亭的收費(fèi)情況。收費(fèi)車(chē)道通過(guò)的車(chē)輛類(lèi)型、收費(fèi)員的操作過(guò)程。收費(fèi)過(guò)程中的突發(fā)事件和特殊事件進(jìn)行觀察和記錄，實(shí)施有效的監(jiān)督。第4頁(yè)，共75頁(yè)。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)分類(lèi)道路監(jiān)控系統(tǒng)主要是對(duì)監(jiān)視高速公路干線、互通立交、隧道等高速公路重點(diǎn)路段掌握高速公路交通狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)交通阻塞路段、違章車(chē)輛及時(shí)給予引導(dǎo)，保證高速公

2、路的安全通暢。第5頁(yè)，共75頁(yè)。高速公路監(jiān)控的特點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象復(fù)雜監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)雜監(jiān)控手段多樣人的特殊作用第6頁(yè)，共75頁(yè)。自動(dòng)控制的自然和人造系統(tǒng) 人體自然系統(tǒng) 體溫控制系統(tǒng) 心跳控制系統(tǒng) 眼球聚焦系統(tǒng) 新陳代謝系統(tǒng) 血液系統(tǒng) 呼吸系統(tǒng) 腎肝肺系統(tǒng) 這些系統(tǒng)持續(xù)的自動(dòng)控制是我們保持健康的基本條件 這些系統(tǒng)是在我們非有意識(shí)干預(yù)的情況下自動(dòng)運(yùn)行的 第7頁(yè)，共75頁(yè)。自動(dòng)控制理論發(fā)展經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論 大系統(tǒng)理論智能控制理論第8頁(yè)，共75頁(yè)。自動(dòng)控制理論發(fā)展經(jīng)典控制理論 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ),研究單輸入單輸出一類(lèi)定常控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。 如：調(diào)節(jié)電壓改變電機(jī)的速度； 調(diào)整方向盤(pán)改變汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡等

3、。 這些理論發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。現(xiàn)代控制理論 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入多輸出、時(shí)變、非線性一類(lèi)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。 如：汽車(chē)看成是一個(gè)具有兩個(gè)輸入（駕駛盤(pán)和加速踏 板）和兩個(gè)輸出（方向和速度）的控制系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)科學(xué)地發(fā)展，極大地促進(jìn)了控制科學(xué)地發(fā)展。第9頁(yè)，共75頁(yè)。經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較 項(xiàng)目經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論研究對(duì)象線性定常系統(tǒng)（單輸入、單輸出）線性、非線性、定常、時(shí)變系統(tǒng)（多輸入、多輸出）描述方法傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）向量空間（狀態(tài)空間描述）研究辦法根軌跡法和頻率法狀態(tài)空間法研究目標(biāo)系統(tǒng)分析及給定輸入、輸出情況下的系統(tǒng)綜合揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實(shí)現(xiàn)在一定意

4、義下的最優(yōu)控制與設(shè)計(jì)第10頁(yè)，共75頁(yè)。自動(dòng)控制理論發(fā)展大系統(tǒng)控制理論 大系統(tǒng)控制理論是一種過(guò)程控制與信息處理相結(jié)合的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對(duì)象具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。它是一個(gè)多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。 如：人體，我們就可以看作為一個(gè)大系統(tǒng)，其中有體溫的控制、情感的控制、人體血液中各種成分的控制等等。 大系統(tǒng)控制理論目前仍處于發(fā)展階段。 第11頁(yè)，共75頁(yè)。開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 復(fù)合控制系統(tǒng) 第12頁(yè)，共75頁(yè)。穩(wěn)定的擺不穩(wěn)定的擺穩(wěn)定中性穩(wěn)定不穩(wěn)定第13頁(yè)，共75頁(yè)。1940年11月7日，一陣風(fēng)引起了橋的晃動(dòng)，而且晃動(dòng)

5、越來(lái)越大，直到整座橋斷裂。跨越華盛頓州塔科馬峽谷的首座大橋，開(kāi)通于1940年7月1日。只要有風(fēng)，這座大橋就會(huì)晃動(dòng)。第14頁(yè)，共75頁(yè)。自動(dòng)控制中的常用術(shù)語(yǔ)受控對(duì)象 被控制的機(jī)器、設(shè)備或過(guò)程稱為受控對(duì)象或?qū)ο蟆１豢亓?被控制的物理量稱為被控量或輸出量。被控量是表征受控對(duì)象工作狀態(tài)的物理量，即速度、濕度、濃度、爐溫、電壓等。給定量 決定被控量的物理量稱為給定量或參考輸入。給定量表征被控量的期望值或受控對(duì)象的期望狀態(tài)。擾動(dòng)量 妨礙給定量對(duì)被控量進(jìn)行正常控制的所有因素稱為擾動(dòng)量。（內(nèi)擾和外擾）給定量和擾動(dòng)量都是自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入量。第15頁(yè)，共75頁(yè)。反饋控制原理 第16頁(yè)，共75頁(yè)。交通監(jiān)控的過(guò)程第

6、17頁(yè)，共75頁(yè)。交通流特性易變變化幅度大隨機(jī)性第18頁(yè)，共75頁(yè)。交通流參數(shù)交通量平均車(chē)速交通密度車(chē)頭間距車(chē)輛占有率第19頁(yè)，共75頁(yè)。交通干擾分析干擾：引起交通流狀態(tài)發(fā)生變化的外部因素氣象環(huán)境道路環(huán)境交通環(huán)境第20頁(yè)，共75頁(yè)。高速公路氣象環(huán)境 氣象檢測(cè)的意義 濃霧、暴雨、大雪、強(qiáng)烈側(cè)風(fēng)和雷擊等氣象環(huán)境都將嚴(yán)重地影響交通流，導(dǎo)致高速公路上的交通擁擠甚至交通事故，在這些因素中，不同的氣象環(huán)境對(duì)交通的影響方式和影響程度是不同的。 第21頁(yè)，共75頁(yè)。高速公路氣象檢測(cè)對(duì)象濃霧 第22頁(yè)，共75頁(yè)。高速公路氣象檢測(cè)對(duì)象大雪、大雨 第23頁(yè)，共75頁(yè)。高速公路氣象檢測(cè)對(duì)象側(cè)向風(fēng) 強(qiáng)烈的側(cè)向風(fēng)會(huì)使車(chē)輛

7、在行駛過(guò)程中產(chǎn)生不可控制的側(cè)向移動(dòng)。例如：側(cè)向風(fēng)速為22m/s時(shí)，車(chē)輛向前行駛60m，可能產(chǎn)生1.21.5m側(cè)向移動(dòng)。 這個(gè)數(shù)值可是車(chē)輛不由自主的從一個(gè)車(chē)道轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)車(chē)道，導(dǎo)致交通混亂和誘發(fā)交通事故。第24頁(yè)，共75頁(yè)。主要檢測(cè)對(duì)象 以上分析說(shuō)明，有必要對(duì)高速公路沿線地區(qū)進(jìn)行常規(guī)氣象檢測(cè)，特別是對(duì)大氣能見(jiàn)度、相對(duì)濕度和降雪量更應(yīng)實(shí)施不間斷監(jiān)測(cè)。 第25頁(yè)，共75頁(yè)。設(shè)計(jì)思想 第26頁(yè)，共75頁(yè)。濕度檢測(cè)系統(tǒng) 第27頁(yè)，共75頁(yè)。風(fēng)速檢測(cè)系統(tǒng)第28頁(yè)，共75頁(yè)。風(fēng)向檢測(cè)系統(tǒng) 第29頁(yè)，共75頁(yè)。雨量檢測(cè)系統(tǒng)第30頁(yè)，共75頁(yè)。能見(jiàn)度檢測(cè)系統(tǒng)第31頁(yè)，共75頁(yè)。氣象檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第32頁(yè)，共

8、75頁(yè)。道路狀態(tài)、環(huán)境檢測(cè)車(chē)輛能夠行止自如，取決于汽車(chē)能依靠制動(dòng)產(chǎn)生制動(dòng)力，起最大制動(dòng)力受與地面附著力的約束，其最大值等于附著力，可用下式表示： Fb=G式中Fb 最大制動(dòng)力； G 車(chē)輛重量； 車(chē)輪與路面的附著系數(shù)第33頁(yè)，共75頁(yè)。各種路面狀態(tài)的附著系數(shù) 第34頁(yè)，共75頁(yè)。路面狀態(tài)檢測(cè)意義 以上分析說(shuō)明：需要對(duì)路面表溫度、相對(duì)濕度、積雪厚度、路面冰凍等參數(shù)進(jìn)行經(jīng)常監(jiān)測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸給監(jiān)控中心，以便于進(jìn)行交通管制。 第35頁(yè)，共75頁(yè)。環(huán)境檢測(cè)的意義 汽車(chē)排放的一氧化碳、氮氧化物，總烴、總懸浮顆粒物和柴油車(chē)排放的可吸入顆粒物對(duì)人體身體健康造成損害。并且，在隧道中，一氧化碳濃度過(guò)高，很

9、容易造成火災(zāi)，從而導(dǎo)致大型事故的發(fā)生。所以，有必要對(duì)道路環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)。目前，公路部門(mén)主要檢測(cè)的大氣質(zhì)量項(xiàng)目是一氧化碳。 第36頁(yè)，共75頁(yè)。道路狀態(tài)、環(huán)境檢測(cè)對(duì)象第37頁(yè)，共75頁(yè)。設(shè)計(jì)思想 第38頁(yè)，共75頁(yè)。路面干/濕狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)第39頁(yè)，共75頁(yè)。路面冰凍狀態(tài)檢測(cè)第40頁(yè)，共75頁(yè)。路面積雪厚度檢測(cè)系統(tǒng)第41頁(yè)，共75頁(yè)。道路狀態(tài)、環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)第42頁(yè)，共75頁(yè)。交通環(huán)境檢測(cè)引起交通事件的原因駕駛員：違章駕車(chē)，超載，搶道，疲勞駕駛，酒后開(kāi)車(chē)。車(chē)輛故障：爆胎，制動(dòng)失靈，油路，電路故障。交通事故：撞車(chē)，翻車(chē)、火災(zāi)等。第43頁(yè)，共75頁(yè)。高速公路交通事件第44頁(yè)，共75頁(yè)。交通事件檢測(cè)的意義第

10、45頁(yè)，共75頁(yè)。交通事件檢測(cè)方法 交通事件檢測(cè)的基本思路是將川流不息的交通過(guò)程數(shù)字化，用交通狀態(tài)參數(shù)描述交通流的變化過(guò)程。其主要的參數(shù)為：交通量、車(chē)輛速度、交通密度。通過(guò)交通狀態(tài)參數(shù)的變化判斷是否有交通事件發(fā)生。 在事件檢測(cè)過(guò)程中主要包含檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)算法兩部分內(nèi)容。 第46頁(yè)，共75頁(yè)。本章內(nèi)容 高速公路交通監(jiān)控系統(tǒng)的分類(lèi)1自動(dòng)控制基本原理概述2交通干擾分析3交通監(jiān)控系統(tǒng)的常用控制方法4第47頁(yè)，共75頁(yè)。檢測(cè)設(shè)備 超聲檢測(cè)器環(huán)形線圈紅外檢測(cè)器車(chē)輛磁映像檢測(cè)器微波交通檢測(cè)器視頻車(chē)輛檢測(cè)器第48頁(yè)，共75頁(yè)。檢測(cè)算法 基于區(qū)間平均速度的擁擠檢測(cè)基于占有率的擁擠檢測(cè)基于檢測(cè)器的脈沖數(shù)據(jù)的擁擠檢

11、測(cè)檢測(cè)算法第49頁(yè)，共75頁(yè)。基于區(qū)間平均速度的擁擠檢測(cè) 該方法是把高速公路分成若干個(gè)區(qū)間，分別計(jì)算每個(gè)區(qū)間的平均速度。如果此區(qū)域的平均速度低于某個(gè)值就認(rèn)為發(fā)生了擁擠，否則正常。 根據(jù)所介紹的檢測(cè)器，選取適合的設(shè)備，設(shè)計(jì)出基于區(qū)間平均速度的擁擠檢測(cè)系統(tǒng)，要求能夠檢測(cè)出擁擠長(zhǎng)度。第50頁(yè)，共75頁(yè)。設(shè)計(jì)思想第51頁(yè)，共75頁(yè)。基于占有率的擁擠檢測(cè) 根據(jù)一段路長(zhǎng)時(shí)間的交通流量與占有率之間的關(guān)系數(shù)據(jù)，可繪制其流量占有率關(guān)系圖。并標(biāo)示出其臨界狀態(tài)。如果超越了臨界狀態(tài)則為擁擠，如果沒(méi)有超越，則為正常。 根據(jù)所介紹的檢測(cè)器，選取適合的設(shè)備，設(shè)計(jì)基于占有率的擁擠檢測(cè)系統(tǒng)。 第52頁(yè)，共75頁(yè)。設(shè)計(jì)思想 第5

12、3頁(yè)，共75頁(yè)。基于檢測(cè)器的脈沖數(shù)據(jù)的擁擠檢測(cè) 交通運(yùn)行狀態(tài)和車(chē)輛檢測(cè)器傳感器輸出的脈沖寬度是密切相關(guān)的。當(dāng)運(yùn)行處于自由流時(shí)，車(chē)流速度快，車(chē)經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)時(shí)間短，脈沖寬度窄；同理可得，擁擠時(shí)，脈沖寬度寬。選取適合的設(shè)備，設(shè)計(jì)出基于檢測(cè)器脈沖寬度的擁擠檢測(cè)系統(tǒng)。 第54頁(yè)，共75頁(yè)。設(shè)計(jì)思想第55頁(yè)，共75頁(yè)。環(huán)形線圈 目前，高速公路檢測(cè)交通流狀態(tài)用的最多的傳感器件是環(huán)形線圈。它可以檢測(cè)交通量、車(chē)速、占有率、車(chē)頭時(shí)距、車(chē)長(zhǎng)和車(chē)輛存在等多個(gè)項(xiàng)目。 第56頁(yè)，共75頁(yè)。環(huán)形線圈的特點(diǎn)適應(yīng)性強(qiáng)。可改變線圈形狀，適應(yīng)不同的需要。檢測(cè)精度高。檢出率90%以上。抗干擾能力強(qiáng)。使用壽命長(zhǎng)。10年施工要求高。破壞路

13、面，維修和更換需封閉車(chē)道。第57頁(yè)，共75頁(yè)。紅外檢測(cè)器 主動(dòng)式：將紅外光發(fā)射器和接收器對(duì)中，水平安裝在車(chē)道兩旁。無(wú)車(chē)時(shí)，接收器接收細(xì)束線狀紅外光，車(chē)輛通過(guò)時(shí)，遮斷光束，接收器無(wú)輸出。通/斷的轉(zhuǎn)換即是對(duì)車(chē)輛的檢測(cè)信號(hào)。 第58頁(yè)，共75頁(yè)。紅外檢測(cè)器被動(dòng)式(p54)：在路面相隔一定距離的地方，以特種涂料畫(huà)出兩個(gè)明顯的區(qū)域，使他們?cè)诮o定的環(huán)境溫度下，輻射出比較穩(wěn)定的能量。并安裝好紅外接受器。無(wú)車(chē)時(shí)，接收器分別感受兩個(gè)特定區(qū)域的輻射能量，有車(chē)時(shí)，感受車(chē)輛的能量。第59頁(yè)，共75頁(yè)。紅外檢測(cè)器第60頁(yè)，共75頁(yè)。紅外檢測(cè)器特點(diǎn)抗干擾性強(qiáng)。路面溫度變化對(duì)檢測(cè)精度無(wú)影響。靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)。工作環(huán)境：-

14、40度70度，濕度95%。第61頁(yè)，共75頁(yè)。車(chē)輛磁映像檢測(cè)器 磁映像檢測(cè)器利用車(chē)輛通過(guò)時(shí)對(duì)地磁場(chǎng)的影響，檢測(cè)車(chē)輛交通參數(shù)。它利用高靈敏度的磁材料，將地磁磁通線集中約束在比較小的空間，當(dāng)車(chē)輛停駐、慢速接近或通過(guò)時(shí)，被約束的磁力線發(fā)生形變，產(chǎn)生原始信號(hào)，經(jīng)處理輸出一個(gè)隨時(shí)間變化的曲線，從而檢測(cè)出交通量、速度、車(chē)頭時(shí)距、車(chē)場(chǎng)以及路面狀況等信息。第62頁(yè)，共75頁(yè)。視頻車(chē)輛檢測(cè)器視頻車(chē)輛檢測(cè)器是運(yùn)用視頻圖像處理和計(jì)算機(jī)圖形識(shí)別技術(shù)的檢測(cè)器，可進(jìn)行高效益的廣域視頻監(jiān)視并現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集各種交通參數(shù)。在需要檢測(cè)的路段，安裝一臺(tái)或多臺(tái)數(shù)字式攝像機(jī)，將一定范圍的交通圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理軟件分析處理，可得到交通量、

15、平均車(chē)速、占有率、車(chē)頭間距和排隊(duì)長(zhǎng)度等參數(shù)。第63頁(yè)，共75頁(yè)。視頻車(chē)輛檢測(cè)器特點(diǎn)功能強(qiáng)大。圖像直觀，軟件控制，便于升級(jí)。多車(chē)道檢測(cè)。6條車(chē)道/臺(tái)攝像機(jī)使用方便。不破壞路面，不封閉車(chē)道。受環(huán)境影響干擾。受惡劣氣候影響，夜間需輔助照明。第64頁(yè)，共75頁(yè)。微波交通檢測(cè)器組成：微波發(fā)射探頭、微波接收探頭、控制器、調(diào)制解調(diào)器和電源。安裝方式：前視安裝和俯視安裝。見(jiàn)P55圖2-20第65頁(yè)，共75頁(yè)。微波交通檢測(cè)器特點(diǎn)多車(chē)道檢測(cè)。全天候工作。不受風(fēng)、雨、霧、雪的影響。使用方便。不破壞路面檢測(cè)精度高。正確率90%漏檢率低。2%左右第66頁(yè)，共75頁(yè)。超聲檢測(cè)器 超聲檢測(cè)器由波束發(fā)射器、接收器和時(shí)控電路組成。發(fā)射器和接收器主要用于波束的發(fā)射與接收，時(shí)控電路主要控制發(fā)射間隔，并計(jì)算發(fā)射接受時(shí)間差。將檢測(cè)到的時(shí)間差與正常值進(jìn)行比較，從而得出結(jié)果。 超聲檢測(cè)器可對(duì)車(chē)速、時(shí)間占有率、交通量等變量做出檢測(cè)。第67頁(yè)，共75頁(yè)。超聲檢測(cè)器特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格便宜。安裝方便。使用壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)：檢測(cè)精度不高。抗干擾能力不強(qiáng)。第68頁(yè)，共75頁(yè)。交通控制系統(tǒng) 交通控制的意義 在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中，檢測(cè)與監(jiān)視都是為控制服務(wù)的，通過(guò)前端設(shè)備將高速公路上的交通信息采集到監(jiān)控系統(tǒng)后，如何分析處理這些數(shù)據(jù)，用什么方法改善交通流狀態(tài)，就成為監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)。第69頁(yè)，共75頁(yè)。控制方法常發(fā)性的擁擠，