Детектори транспорту

Для організації керування необхідно володіти інформацією щодо реального стану дорожнього руху та його параметрів. Ці дані необхідні для реалізації алгоритмів гнучкого регулювання, розрахунку або автоматичного вибору програми керування дорожнім рухом. З цією метою використовують детектори транспорту.

Детектор транспорту (датчик) – технічний засіб, призначений для виявлення транспортних засобів, реєстрації проходження кількості транспортних засобів через перетин дороги, визначення параметрів транспортних потоків тощо.

Призначення систем детекції:

• – адаптивне керування світлофорами;
• – визначення кількості ТС;
• – визначення швидкості ТС;
• – класифікація ТС;
• – детекція правопорушень;
• – автоматизований контроль оплати проїзду по магістралі;
• – моніторинг паркування;
• – масогабаритний контроль.

До складу систем детекції входять:

• – датчики;
• – контролери;
• – модулі відеореєстрації (якщо необхідні);
• – канали передачі даних;
• – програмно-апаратне забезпечення збору, архівування й перегляду даних.

Детекція дорожньої обстановки за допомогою детекторів транспорту дозволяє здійснювати адаптивне керування світлофорами, визначати швидкість і тип транспортних засобів, а також їх кількість [23].

Детектори транспорту можна класифікувати за призначенням, принципом дії чутливого елемента і спеціалізації (вимірюваного ними параметра).

Класифікація детекторів

Детекторні системи за функціональним призначенням поділяють на:

• – прохідні детектори, які видають нормовані за тривалістю сигнали при появі транспортного засобу у контрольованій детектором зоні. Параметри сигналу не залежать від часу перебування у цій зоні транспортного засобу. Таким чином, цей тип детекторів фіксує тільки факт появи автомобіля, що необхідно для реалізації алгоритму пошуку розриву у потоці. Через це прохідні детектори набули найбільшого поширення;
• – детектори присутності видають сигнал протягом усього часу перебування транспортного засобу у зоні, контрольованої детектором. Ці типи детекторів порівняно з прохідними застосовують рідше, оскільки вони призначені в основному для виявлення передзаторових і заторових станів потоку;
• – детектори стоп-лінії використовується для визначення наявності автомобіля у зоні стоп-лінії. Призначення – генерація сигналу присутності та проходження по кожній смузі у реальному масштабі часу;
• – тактичні детектори слугують для завдань моніторингу та довгострокового планування режимів роботи адаптивних систем. Призначення – збір інтервальних даних про транспортні потоки;
• – стратегічні детектори, призначені для коригування роботи дорожніх контролерів – отримання у реальному часі таких параметрів транспортних потоків, як: наявність транспортного засобу, відстані між автомашинами та швидкості кожної одиниці транспорту.

У кожному з призначень можливе використання детекторів тієї чи іншої технології детектування з існуючих на сьогодні та у різних поєднаннях [1]. Незалежно від цього, у будь-якому детекторі є кілька однотипних функціональних вузлів (рис. 8.2).

Чутливий елемент безпосередньо сприймає факт проходження або наявності транспортного засобу у контрольованій детектором зоні у вигляді зміни будь-якої фізичної характеристики та виробляє первинний сигнал.

Рисунок 8.2 – Функціональна схема детектора транспорту

Підсилювально-перетворювальний блок, у якому первинний сигнал підсилюється, обробляється та первинні сигнали перетворюються до вигляду, зручного для реєстрації вимірюваного параметра. Він може складатися з двох вузлів – первинного та вторинного перетворювачів. Первинний перетворювач підсилює та перетворює первинний сигнал до вигляду, зручного для подальшої обробки. Вторинний перетворювач обробляє сигнали для визначення вимірюваних параметрів потоку, зображення їх у тій чи іншій фізичній формі.

Вихідний блок, який зберігає та передає закодовану інформацію до контролерів та інших пристроїв керування дорожнім рухом.

Мікропроцесор забезпечує обробку цифрових сигналів у складних детекторах (наприклад, відео). У менш складних системах цю функцію виконує підсилювально-перетворювальний блок.

За принципом дії чутливого покоління виділяють декілька поколінь детекторів транспорту, які часто працюють паралельно в одній системі. Детектори контактного типу (перше покоління) – електромеханічні, пневматичні й п'єзоелектричні. Сигнал про появу автомобіля виникає від безпосереднього зіткнення його коліс із протяжним чутливим елементом, який розташовується на дорожньому полотні перпендикулярно до руху. Детектори цієї групи дешеві й прості за конструкцією та монтажу, проте вимагають порушення дорожнього полотна та на сьогодні практично не використовуються.

Чутливі елементи електромагнітних детекторів (друге покоління) – котушка з магнітним сердечником або індукційна петля – закладаються під дорожнє покриття на деяку глибину. Автомобіль, що має певну металеву масу, реєструється завдяки викривленню магнітного поля або зміні індуктивності рамки у момент його проходження над чутливим елементом детектора.

Різні модифікації таких детекторів призначені для встановлення факту проходження автомобілем контрольованої зони (виміру інтенсивності руху), для визначення довжини черги, затримки, затору у русі, для виміру швидкості руху потоку, складу потоку (вантажні й легкові автомобілі), щільності потоку.

Поширений у керуванні дорожнім рухом комплект апаратури індуктивних детекторів транспорту РЕ2019 (КДТІ) призначений для виявлення транспортних засобів і визначення характеристик їх руху у контрольованих зонах дорожньої мережі [2]. Комплект КДТІ забезпечує програмний вибір одного з восьми рівнів чутливості й робочих частот для кожного вхідного каналу (рис. 8.3).

Рисунок 8.3 – Схема встановлення індуктивних детекторів.

Основні робочі параметри:

• – похибка не більше 4 %;
• – розрахунок інтенсивності потоку – від 0 до 1500 од/год;
• – розрахунок швидкості ТЗ – від 3 до 120 км/год:
• – мінімальні розміри ТЗ від 2 м довжини та від 1,3 м ширини;
• – споживана потужність 1 Вт;
• – число вхідних/вихідних каналів контролерів – 4.

Інший поширений індуктивний детектор для визначення характеристик руху транспортних засобів і потоків ДТ1 передає інформацію про параметри транспортних потоків до дорожнього контролера та (або) до центрального керуючого пункту. Отримані за допомогою цього детектора дані використовуються для виміру швидкості руху транспортних засобів, інтенсивності, щільності потоку, часу присутності, визначення складу транспортного потоку. Індуктивний детектор транспорту має дві модифікації.

Детектор транспорту індуктивний ДТ1 – без обробки інформації.

Детектор транспорту індуктивний ДТІ-Ц – з обробкою інформації.

Основні характеристики детектора ДТ1-ІД:

• – як чутливий елемент індуктивного детектора є 1-2-виткова індуктивна рамка, що розташована під дорожнім покриттям на глибині 50-60 мм;
• – кількість чутливих елементів, що підключаються до блока – 16;
• – індуктивні рамки підключаються до перетворювача імпедансу індуктивної рамки у логічний вихідний сигнал у субблоці;
• – кожний субблок ДТІ-8 дозволяє підключення до 8 індуктивних рамок;
• – живлення чутливих блоків здійснюється напругою +15 В;
• – споживана потужність – не більше 25 ВА;
• – кількість смуг, контрольованих одним детектором від 1 до 4;
• – виявлення будь-яких транспортних одиниць (крім двоколісних мотоциклів і велосипедів), що рухаються зі швидкістю від 3 до 120 км/год, при відстані між детектором транспорту й чутливими елементами від 0 до 500 м;
• – імовірність невиявлення транспортних одиниць при перетинанні контрольованого перетину (при установці чутливого елемента на одну смугу) або ймовірність видачі неправильного сигналу за відсутності транспортних одиниць не перевищує 0,04.

До детекторів випромінювання (третє покоління) належать фотоелектричні, ультразвукові, інфрачервоні, радарні та відеодетектори. Найбільше поширення одержали детектори останніх двох груп (рис. 8.4).

Фотоелектричний детектор включає у себе джерело світлового променя та приймач з фотоелементом. При перериванні променя транспортним засобом змінюється освітленість фотоелемента, що викликає зміни його електричних параметрів.

Також фотоелектричні датчики можуть працювати на принципі відбиття – прийому відбитого променя, і тоді і випромінювач, і приймач розміщуються в одному корпусі. Зазвичай у конструкціях датчиків використовують інфрачервоне світло. Недоліком фотоелектричних чутливих елементів є похибка вимірювань, що виникає при багаторядному інтенсивному русі

Рисунок 8.4 – Основні види сучасних детекторів

автомобілів, а також той факт, що на їхню роботу суттєво впливає пил, бруд, дощ, сніг. Як світловий промінь часто використовується інфрачервоне світло.

Інфрачервоний детектор транспорту PIR ДТ (пасивний інфрачервоний детектор) являє собою детектор з динамічним керуванням і діапазоном виявлення (з радіусом дії) приблизно 20 м [11]. Детектор може застосовуватися автономно або разом з дорожніми контролерами. Отримані за допомогою цього детектора дані можуть бути використані для оптимізації транспортних потоків у місцях установки світлофорів (рис. 8.5).

Рисунок 8.5 – Загальний вигляд PIR ДТ

Основні характеристики: незначне споживання енергії; вибірковість смуг руху; кількість контрольованих смуг руху – 1; можливість зміна кута установки – до 75 градусів; напруга живлення +12 В; споживаний струм – не більш 12 мА; розширений діапазон температур від -40°С до +50°С.

Радарний детектор являє собою напрямлену антену, що установлюється збоку від проїзної частини або над нею. Випромінювання антени направляється вздовж дороги й відбивається від автомобіля, що рухається, та сприймається антеною. Дія радарного детектора основана на застосуванні ефекту Допплера. Детектор може фіксувати не лише факт проїзду автомобілем контрольованої зони, але і його швидкість. Розвиток мікроелектронної техніки призвів до появи відеодегекторів, чутливими елементами яких є відеокамера. Використання сучасних мікропроцесорів дозволяє за допомогою спеціального програмного забезпечення аналізувати отримане зображення: виділяти автомобілі, що рухаються; визначати інтенсивність, швидкість та інші необхідні параметри транспортного потоку [11].

Ультразвуковий детектор – являє собою прийомовипромінювач імпульсного ультразвукового спрямованого променя. Він виконаний у вигляді параболічного рефлектора з розташованим у ньому п'єзоелектричним перетворювачем, що генерує ультразвукові імпульси. Недоліками ультразвукових ЧЕ є їх чутливість до акустичних і механічних перешкод, а також необхідність точного фіксування у просторі для того, шоб прийомовипромінювач протистояв дії вітрового навантаження.

Поляризаційний детектор являє собою установку НВЧ-випромінювання, що встановлюється над проїжджою частиною. Він подібний до радарних детекторів, проте робота заснована на принципі вимірювання поляризації відбитої хвилі.

Оптичний відеодетектор знімає візуальну інформацію з потоку на цифрову відеокамеру, що дозволяє зберігати та за необхідності відтворювати отриману інформацію. Проте істотним недоліком даного виду є залежність цього детектора від погодних умов та освітлення.

Детектори третього, четвертого поколінь у своєму розвитку пройшли декілька етапів (також поколінь) – від простої фіксації певного параметра і передачі його на обробку до комплексного сприймання, фільтрації, математичного аналізу, розпізнавання об'єктів тощо.

Представниками 1-го покоління радарних детекторів є детектори RTMS XI, Х2, ХЗ фірми E1S (Канада) і детектор "Спектр 1" (Росія) [1].

Детектор транспорту "Спектр 1" призначений для збору статистичної інформації про параметри транспортних потоків та керування дорожнім рухом. Принцип роботи оснований на безконтактному зондуванні проїзної частини дорожнього полотна сигналом надвисокої частоти з лінійною частотною модуляцією. Він контролює до восьми смуг руху. Прилад може виявляти та реєструвати транспортні засоби, що знаходяться в русі, а також і ті, що зупинилися, незалежно від часу доби та заданих умов контролю. Основне призначення приладу – контроль за інтенсивністю руху.

Прилад накопичує статистичні дані щодо: інтенсивності руху; зайнятості зони (відсоткове співвідношення часу, протягом якого зона контролю була зайнята транспортом, та загального часу спостереження); середньої швидкості руху; кількості довговимірного транспорту.

Детектор також може бути використаний для роботи в автоматизованих системах керування дорожнім рухом, адаптивного керування рухом транспорту, контролю на в'їздах-виїздах швидкісних доріг, проведення транспортних обстежень, автоматичного виявлення дорожньо-транспортних пригод та ін. У комплекті з детектором використовують GPRS-модем, за допомогою якого передається вся накопичена інформація.

• 2-ге покоління радарних детекторів представлено цифровим радаром SmartSensor SS105 фірми Wavetronix (США). Застосування допплерівського ефекту істотно підвищило точність визначення швидкості руху, у той час як радарні системи 1-го покоління визначали швидкість, базуючись на середній довжині транспортних засобів і часу їх наявності у зоні детектування. Застосування високотехнологічної розподіленої антени спеціальної конструкції дозволило позбутися "брязкоту" частоти та залежності якості показань від впливу температури, а також забезпечило зростання кута вертикальної видимості з 50 до 80 градусів, збільшення дальності до 60 метрів. Аналіз поточних показників детектора дозволив установити, що детектори 2-го покоління більш стійкі до реальних коливань інтенсивності руху, неминучих у міських умовах.
• 3-тє покоління радіолокаційних детекторів мають так звану двопроменеву структуру. Швидкість у цих детекторах визначається шляхом виміру часу проходження від першого променя до другого, а класифікація ТЗ – безпосередньо, а не за непрямими даними. Крім того, у детекторі 3-го покоління реалізована можливість визначення транспорту, який проїхав проти руху, з видачею у реальному часі його характеристик за швидкістю та категорії довжини.

Сучасні детектори транспортного потоку (4-те покоління) оснащуються двома або трьома датчиками різного типу ("подвійна" та "потрійна" технології). Так, у "потрійних" детекторах мікрохвильовий радар вимірює швидкість, ультразвуковий детектор забезпечує оцінювання габаритів і класифікацію автомашин за класами, а багатоканальний інфрачервоний детектор – підрахунок автомашин, визначення інтенсивності й зайнятості дорожнього полотна.

Як правило, детектор може контролювати тільки одну смугу. Тому розмішують їх на опорі по декілька штук відразу, за кількістю смуг руху (рис. 8.6). Відповідно, інтенсивності підсумовують, а швидкості й зайнятість узагальнюють.

Рисунок 8.6 – Схема розміщення детекторів

Транспортні детектори серії TDC4 є сучасними комплексними детекторами, які використовують одночасно технологію відео, радар Допплера, ультразвук і пасивне інфрачервоне випромінювання. Детектори TDC4 доповнюють набір функцій попереднього детектора серії TDC3 можливістю відеоверифікації. Детектори вимірюють швидкість кожного транспортного засобу, використовуючи канал Допплера мікрохвильової частоти.

Ультразвукова сенсорна система сканує висоту проїжджаючого транспорту, а інфрачервоні зони визначають позицію транспортних засобів на смузі спостереження (рис. 8.7).

Детектори серії TDC4 спеціально розроблені для систем керування дорожнім рухом, де раніше застосовувалися індуктивні петлі, та забезпечують контроль індивідуальної швидкості ТЗ; підрахунок кількості ТЗ; забезпечують детекцію присутності, наявності заторів, руху по зустрічній смузі; детекцію знаходження у зоні детекції й тимчасових інтервалів; відеоконтроль дорожніх інцидентів [34].

Рисунок 8.7 – Вигляд детектора серії TDC4

Детектор може бути настроєний на автоматичну фіксацію певних транспортних ситуацій (рух по зустрічній смузі, затор).

У декількох країнах ведуться роботи зі створення так званих інтелектуальних транспортних систем (ІТС) [11]. Концепція ІТС передбачає обов'язкове виконання такої функції, як вимір у реальному масштабі часу характеристик транспортних потоків, наприклад: загальна кількість автомобілів, що проїхали у заданий інтервал часу, класифікація автомобілів що проїхали, за класами або іншими ознаками, середня швидкість руху потоку по кожному напряму і т. д. Актуальна та якісна інформація про транспортні потоки дозволяє реалізовувати алгоритми гнучкого регулювання рухом з обліком реальної шляхово-транспортної обстановки, фіксувати й оперативно реагувати на ДТП, розраховувати навантаження на дорожнє полотно та його зношування, планувати місця розташування паркувань і транспортні розв'язки й багато чого іншого.

В ІТС використовують ефективні детектори 4-го покоління, які за своїми можливостями у більшості конструкцій належать до інтелектуальних детекторів.

Ця група детекторів дозволяє автоматично виявляти ситуації, що вимагають швидкої реакції дорожньо-постових служб – наприклад, при ДТП або на неправильно припарковані транспортні засоби. Детектор ДТП автоматично виявляє подію, забезпечує інтелектуальний відеоаналіз ситуації.

Детектор паркування в неналежному місці виявляє кинуті або неправильно припарковані транспортні засоби, автоматично виявляє затори, що утворюються на дорогах.

Треба зазначити, що майже всі сучасні цифрові системи відеоспостереження мають хоча б найпростіші засоби аналізу відеозображення – наприклад, детектор руху. Однак цього недостатньо для вирішення дуже багатьох актуальних на сьогоднішній день питань. Тому розробкою технологій інтелектуального аналізу відеозображення займається велика кількість дослідницьких і програмістських команд.

Однієї з найважливіших галузей, для яких розробляються системи інтелектуального аналізу ситуації щодо відеозображення, є системи забезпечення безпеки громадян у масштабах міста (програма "Безпечне місто") [1]. Наслідком використання систем інтелектуального аналізу ситуації є адаптивне керування транспортним рухом. Для вирішення питань адаптивного керування найкращим чином підходять радіолокаційні та відеодетектори, що мають зручну настройку, просту установку, прийнятні показники надійності, а також дозволяють контролювати багатосмугові траси; забезпечувати багатозонні незалежні вимірювання; проводити попередню обробку та накопичення даних; генерувати команди для світлофорних контролерів.

Комплексні детекторні системи

Залежно від призначення та використання детекторів, упроваджуються цільові комплексні системи, які за необхідності можуть обмінюватись інформацією із загальноміськими системами керування транспортом [2]. Серед найбільш поширених комплексних систем відомі такі:

а) автоматизована система фотофіксації порушень швидкісного режиму (рис. 8.8). Дана система створюється для забезпечення контролю за дорожньою ситуацією шляхом не лише вимірювання, але і фотографування порушення для пред'явлення порушникові;

Рисунок 8.8 – Система фотофіксації порушень швидкісногорежиму

• б) автоматизована система контролю оплати проїзду. Інтеграція такої системи у систему керування дорожнім рухом дозволяє використовувати систему соціальних пластикових карт при оплаті проїзду в наземному пасажирському транспорті й автоматизувати взаєморозрахунки між адміністрацією й перевізником. Система надає можливість персоніфікованого обліку перевезених пільговиків і зменшити дотації з бюджету за рахунок підвищення якості обліку перевезених пільговиків;
• в) система масогабаритних комплексів. Система призначена для визначення перевищення дозволеної межі маси автотранспорту, визначення перевищення габаритів автотранспорту, розпізнавання реєстраційного знака автотранспорту й автоматизації процесу обліку;
• г) автоматичні дорожні метеостанції. На магістралях іноді можна побачити високі щогли, на яких установлена бочка, (варіант – металева коробка), флюгери, антени й об'єктиви. Це автоматична метеостанція (рис. 8.9). Вона збирає інформацію про погодні умови й стан дорожнього покриття у районі установки. Наприклад, інформацію про наявність на асфальті так званого "чорного льоду", який на магістралі може призвести до дуже тяжких наслідків. Список вимірюваних параметрів сягає трьох десятків позицій.

Метеостанції періодично передають інформацію про погодні умови у вигляді текстового або XML-файла зацікавленим сторонам, наприклад, в автоматизовані системи керування дорожнім рухом. Погодна інформація може вплинути на введення певних швидкісних обмежень, а також на запуск специфічних керуючих сценаріїв у зоні "катаклізму".

• д) система екологічного моніторингу. Комплект апаратури детекторів хімічного забруднення РЕ2007 забезпечує збір інформації для визначення концентрацій викидів забруднюючих речовин у контрольованій зоні.
• е) система контролю й керування доступом (СККД). Це сукупність технічних засобів для забезпечення контролю доступу всіх категорій відвідувачів до певних приміщень (зон) на охоронюваному об'єкті, шляхом

Рисунок 8.9 – Автоматична дорожня метеостанція

збору, обробки, передачі, зображення у заданому вигляді інформації від спеціальних пристроїв. СККД призначені для контролю доступу на об'єкти, що перебувають під охороною й запобігання несанкціонованому проникненню, в'їзду/виїзду автотранспорту на територію об'єкта.