Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Оценка параметров транспортных потоков с помощью детекторов транспортных средств 11
1.1. Автоматизированные системы управления дорожным движением 12
1.2. Характеристики дорожного движения 18
1.3. Современные технологии детекторов транспортных средств 25
1.4. Радиолокационные детекторы 36
1.5. Выводы по главе 1 41
ГЛАВА 2. Распознавание транспортных средств по радиолокационному изображению 43
2.1. Свойства радиолокационного изображения, полученного с использованием ЛЧМ сигнала 43
2.1.1. Радиодальнометрия с линейно-частотной модуляцией излучаемого сигнала 43
2.1.2. Анализ отраженного сигнала методом преобразования Фурье 48
2.2. Алгоритм распознавания транспортных средств и оценки параметров транспортных потоков по радиолокационному изображению 54
2.2.1. Спектральная обработка и распознавание сигналов транспортных средств в отдельном измерительном кадре 57
2.2.2. Построение списка отслеживаемых объектов и обновление их параметров при обработке каждого кадра 61
2.2.3. Оценка параметров движения отдельных объектов при их выезде из зоны контроля 67
2.3. Моделирование распознавания транспортных средств и оценки параметров потоков движения 71
2.3.1. Радиолокационное изображение транспортного потока 71
2.3.2. Структура модели 74
2.4. Исследование влияния параметров алгоритма на точность оценивания характеристик транспортных потоков 83
2.4.1. Параметры алгоритма распознавания транспортных средств и оценки характеристик транспортных потоков 83
2.4.2. Результаты моделирования 85
2.5. Выводы по главе 2 95
ГЛАВА 3. Адаптация к изменениям состояния зоны контроля и транспортного потока 96
3.1. Адаптация к изменению в состоянии покрытия дороги 96
3.2. Адаптация к изменениям характеристик транспортного потока 101
3.3. Выводы по главе 3 113
ГЛАВА 4. Реализация радиолокационного детектора 114
4.1. Средства цифровой обработки сигналов 114
4.2. Средства передачи и сбора данных для детектора транспортных средств ...130
4.3. Выводы по главе 4 137
ГЛАВА 5. Экспериментальное исследование детектора транспортных средств 138
5.1. Настройка детектора транспортных средств 138
5.2. Методика проведения испытаний 141
5.3. Результаты испытаний 147
5.4. Выводы по главе 5 150
Заключение 151
Список использованной литературы
- Современные технологии детекторов транспортных средств
- Анализ отраженного сигнала методом преобразования Фурье
- Адаптация к изменениям характеристик транспортного потока
- Средства передачи и сбора данных для детектора транспортных средств
Современные технологии детекторов транспортных средств
Автоматизированная система управления дорожным движением (АСУД) — это комплекс технических, программных и организационных мер, обеспечивающих сбор и обработку информации о параметрах транспортных потоков и на основе этого оптимизирующих управление движением [27].
Автоматизированные системы управления дорожным движением в зависимости от их назначения и степени технической оснащенности подразделяются на несколько видов.
1. Магистральные координированного управления — бесцентровые, централизованные и централизованные интеллектуальные.
2. Общегородские АСУД— упрощенные, интеллектуальные, с управлением движением на городских дорогах непрерывного движения и с реверсивным движением. Бесцентровые АСУД характеризуются тем, что для них отсутствует необходимость создания управляющего пункта. Они выполняются в двух модификациях. По одной из них синхронизацию работы контроллеров задает один из них, являющийся главным. Этот котроллер, называемый 3 «координатор», связан линией связи с каждым из остальных контроллеров, причем эта линия может быть либо одной для всех, и к ней подключаются параллельно остальные контроллеры (такая система называется многоточечной или параллельной), либо к каждому контроллеру проложена своя линия связи (система точка-точка или радиальная).
Централизованные АСУД характеризуются наличием центра управления, связанного с контроллерами радиальными линиями связи. Как правило, централизованные АСУД имеют возможность осуществлять многопрограммное КУ с переключением программ по времени суток.
Централизованные интеллектуальные АСУД характеризуются тем, что в их составе на данной дорожной сети появляются установленные детекторы транспорта, информация от которых передается по линиям связи в центр управления, в котором устанавливается персональная ЭВМ, которая имеет возможность менять планы координации в зависимости от сложившейся транспортной ситуации на магистрали.
Общегородские АСУД характеризуются подключением к центру управления не только одной магистрали, на которой реализуется координированным управлением, а всех магистралей с координированными управлениями. Кроме того, подобные системы имеют в своем составе так называемый контур диспетчерского управления. Этот контур включает в себя подсистему телевизионного надзора за движением, подсистему отображения информации о дорожной обстановке и средства непосредственного диспетчерского управления светофорной сигнализацией и управляемыми знаками диспетчерским персоналом центра управления.
Интеллектуальные общегородские АСУД включают в себя мощные управляющие вычислительные комплексы, располагаемые в центре управления движением и сеть динамических информационных табло, располагаемых в стратегических точках дорожной сети. Такие системы осуществляют непрерывный автоматический мониторинг транспортных потоков в дорожной сети и на основе собранной информации не только позволяют управляющему 4 вычислительному комплексу осуществлять автоматическое адаптивное управление дорожным движением, но и обеспечивают участников движения с помощью табло информацией о транспортной обстановке, и тем самым позволяют перераспределять транспортные потоки по сети.
Интеллектуальные общегородские АСУД позволяют управлять дорожным движением на городских магистралях непрерывного движения в комплексе с сетевым координированным светофорным регулированием. Такая система работает в трех направлениях:
1. Координированное управление работой выездов на дорогу непрерывного движения с целью обеспечения резерва пропускной способности на ней, т.е. обеспечения этой самой непрерывности.
2. Управление съездами на магистрали обычного типа. Если на них в точках съездов существует затор, задача системы – ограничить съезд с тем, чтобы очередь на нем не начала блокировать магистраль непрерывного движения.
3. Автоматическое обнаружение дорожного происшествия или затора на магистрали и обеспечение диспетчера информацией о случившемся. В состав таких АСУД обычно вводится управление реверсивными полосами и просто управление движением по отдельным полосам. Действующий государственный стандарт ГОСТ 24.501-82 [14], введенный с 01.01.1983г., определяет назначение и функции АСУД следующим образом: Назначение и состав АСУД: АСУД предназначена для управления движением транспортных средств и пешеходных потоков на дорожной сети города или автомагистрали. В зависимости от уровня сложности АСУД объектом управления могут быть движущиеся транспортные средства и пешеходные потоки на: - отдельном перекрестке или въезде на автомагистраль; - автомагистрали; 5 - дорожной сети. АСУД должна включать в свой состав техническое, программное, информационное и организационное обеспечения. Функции АСУД: Функции АСУД подразделяют на управляющие, информационные и вспомогательные. В зависимости от уровня сложности АСУД ее управляющими функциями могут быть: - автоматическое локальное управление движением транспортных средств на отдельных перекрестках (въездах); - автоматическое координированное управление движением транспортных средств на группе перекрестков; - координированное управление движением транспортных средств на дорожной сети города, автомагистрали (или на их участках) с автоматическим расчетом (выбором) программ координации (совокупности управляющих воздействий); - установление допустимых или рекомендуемых скоростей; - перераспределение транспортных потоков на дорожной сети; - автоматический поиск и прогнозирование мест заторов на участках дорожной сети и автомагистрали с выбором соответствующих управляющих воздействий; - обеспечение преимущественного проезда транспортных средств через перекрестки или автомагистрали; - оперативное диспетчерское управление движением транспортных средств на отдельных перекрестках (въездах) или группе перекрестков. К информационным функциям относятся: - формирование сигналов и индикация данных о характеристиках транспортных потоков (для автомагистрали дополнительно о метеорологических условиях и состоянии дорожного покрытия); 6 - накопление, анализ и вывод статистических данных о параметрах объекта управления, а также о режимах функционирования АСУД в целом и отдельных технических средств и об их неисправностях; - обеспечение возможности визуального наблюдения за движением транспортных средств на участках дорожной сети и автомагистралях с помощью телевизионной аппаратуры (при необходимости); - формирование сигналов о нарушениях правил дорожного движения (при необходимости); - обеспечение аварийно-вызывной связи вдоль автомагистралей; - обеспечение возможности оперативной связи оператора системы с дорожно-патрульной службой, службами скорой медицинской и технической помощи, дорожно-эксплуатационными службами; - регистрация смены режимов работы АСУД, регистрация и анализ срабатываний устройств блокировок и защиты. К вспомогательным функциям АСУД относится автоматизация процессов подготовки исходных данных, кодирования, анализа и т. п.
Анализ отраженного сигнала методом преобразования Фурье
Существуют разнообразные технологии изготовления детекторов транспортных средств. Обычно детектор состоит из трех основных частей: чувствительный элемент, элемент обработки данных и коммуникационная единица. Детекторы транспорта можно классифицировать по назначению, принципу действия чувствительного элемента и специализации (измеряемому ими параметру).
Основными параметрами транспортного потока, подлежащими измерению, регистрации и использованию в АСУД, являются [12,27,58]: 1. моменты времени проезда автомобилями заданных сечений дороги; 2. интенсивность транспортного потока и объем движения (число автомобилей, прошедших сечение дороги) за промежуток времени любой длительности (T измерения); 3. средняя пространственная скорость потока на заданном участке дороги и за заданное Т измерения; 4. плотность потока на заданном участке дороги за заданное Т измерения; 5. длина очереди автомобилей у перекрестка в заданном направлении движения.
Эти параметры измеряются в АСУД обычно с помощью ДТC двух типов – проходного и присутствия. Указанные детекторы современного типа выполняются одно- или многополосными. В первом случае появляющаяся на выходе детектора измеряемая информация относится только к одной полосе движения, во втором детекторы на выходе выдают раздельно по каждой полосе всю измеряемую информацию, относящуюся к ней. Обычно используются детекторы, измеряющие параметры транспортного потока на ширине дороги до восьми полос движения (в любом направлении).
Проходные детекторы выдают нормированные по длительности сигналы при появлении транспортного средства в контролируемой детектором зоне. 6 Параметры сигнала не зависят от времени нахождения в этой зоне транспортного средства. Таким образом, этот тип детекторов фиксирует только факт прохождения автомобиля, что необходимо для реализации алгоритма поиска разрыва в потоке. В силу этого проходные детекторы нашли наибольшее распространение. Детекторы присутствия выдают сигналы в течение всего времени нахождения транспортного средства в зоне, контролируемой детектором. Эти типы детекторов по сравнению с проходными применяются реже, так как они предназначены в основном для обнаружения предзаторовых и заторовых состояний потока, определения длины очередей, транспортных задержек, загруженности мест стоянки.
По принципу действия чувствительного элемента детекторы транспорта можно разделить на три группы: детекторы контактного типа, детекторы излучения и электромагнитные детекторы [27,75,76,85,86].
Детекторы контактного типа бывают электромеханические, пневмо- и пьезоэлектрические. Их объединяет то, что сигнал о появлении автомобиля возникает от непосредственного его соприкосновения с чувствительным элементом (в электромеханическом – с электрическим контактором, в пневматическом – со шлангом, в пьезоэлектрическом – с пьезоэлементом).
Электромеханический чувствительный элемент состоит из двух стальных полос завуалированных герметически резиной. Его устанавливают перпендикулярно к направлению движения транспортных средств на уровне дорожного покрытия. При наезде колес автомобиля на чувствительный элемент контакты замыкаются, и формируется электрический импульс.
Пневмоэлектрический чувствительный элемент представляет собой резиновую трубку, заключенную в стальной лоток. Лоток состоит из секций, эластично соединенных между собой, что позволяет устанавливать чувствительный элемент поперек проезжей части в соответствии с профилем дороги. Один конец резиновой трубки заглушён, а другой связан с пневмо-реле. При наезде автомобиля на трубку давление воздуха в ней повышается, действуя на мембрану пневмо-реле и замыкая его электрические контакты. Стальной 7 лоток устанавливают в бетонном основании таким образом, чтобы усилия от колес автомобиля воспринимались лотком и окружающим его бетоном. Это гарантирует определенный зазор между стенками трубки в момент сжатия, что позволяет в случае остановки автомобиля на трубке детектора не перекрывать ее полностью и таким образом регистрировать другие проходящие автомобили.
Пьезоэлектрический чувствительный элемент представляет собой полимерную пленку, обладающую способностью за счёт поляризации образовывать на поверхности электрический заряд при механической деформации. Для предохранения от механических повреждений пленку оборачивают резиновой лентой, а ленту, в свою очередь, латунной сеткой, являющейся одновременно электростатическим экраном. Чувствительный элемент крепят на поверхности дорожного полотна металлическими скобами. К датчикам контактного типа можно также отнести и гравиметры, градиентометры, которые фиксируют изменение гравитационного поля земли.
Детекторы контактного типа сравнительно просты по конструкции и монтажу. Однако им присущ общий недостаток – счет числа осей, а не автомобилей, а также невозможность распознавания типа автотранспортных средств. Вероятность ошибки возрастает при увеличении доли грузовых перевозок (прицепы, многоосные колёсные пары и т.д.). Кроме того, их работоспособность зависит от климатических условий (обледенение дорожного покрытия, снежные заносы и т.п.)… Установка датчика такого типа в рабочую позицию требует вскрытия дорожного полотна. Поэтому данные детекторы не получили широкого распространения и не используются для распознавания вида транспортного средства.
К детекторам излучения можно отнести фотоэлектрические, радарные, ультразвуковые.
Фотоэлектрический детектор включает в себя источник светового луча и приемник с фотоэлементом. При прерывании луча транспортным средством изменяется освещенность фотоэлемента, что вызывает изменение его электрических параметров. Луч света должен быть направлен поперек 8 проезжей части. Поэтому излучатель и фотоприемник располагают по разные стороны дороги напротив друг друга. Они могут размещаться и в одном корпусе. В этом случае луч света отражается от установленного на противоположной стороне дороги зеркала. В качестве источников излучения могут применяться лампы накаливания, источники инфракрасного излучения и т.п. Недостатком фотоэлектрических детекторов является погрешность измерений, возникающая при многорядном, интенсивном движении автомобилей. Кроме того, данные фотоэлектрических детекторов не обладают необходимой надежностью: на их работу оказывают большое влияние пыль, грязь, дождь, снег. Это обуславливает необходимость постоянного надзора за их работой. Вместе с тем благодаря сравнительно простой установке чувствительных элементов фотоэлектрические детекторы нашли применение для научно-исследовательских целей при кратковременных обследованиях дорожного движения.
Адаптация к изменениям характеристик транспортного потока
Чтобы получить первичные данные для последующего анализа и разработки алгоритмов, были созданы инструментальные средства записи радиолокационных сигналов синхронно с записью видео изображения. Структурная схема средств записи сигналов приведена на рис. 2.16. Видеоизображение позволяет определить количество транспортных средств, попавших в зону контроля. Детальная обработка изображения позволяет оценить скорость движения Радиолокационный модуль ДТС с параметрами, указанными в таблице 2.1, с помощью генератора с периодом 10мс излучает ЛЧМ сигнал с частотой линейно меняющейся в диапазоне 10,50Ггц – 10,55Ггц и длительностью T = 1,25мс. Приемный и передаваемый в момент приема сигналы перемножаются (аналоговым способом при помощи нелинейного элемента приемника – супергетеродинный прием), результирующий сигнал подается на фильтр нижних частот для выделения сигнала разностной частоты. Этот сигнал оцифровывается с частотой 64кГц в АЦП, и записывается на компьютер в виде файла, данные которого – 2 последовательность кадров. Каждый кадр представляет собой 80 16-битных отсчетов сигнала разностной частоты (16-битных целых чисел со знаком), взятых на участке возрастания частоты излучаемого ЛЧМ сигнала (рис. 2.1).
Изображение поля обзора радиолокационного модуля фиксируется при помощи видеокамеры. Видеосигнал оцифровывается и записывается синхронно с сигналом радиолокационного модуля. Для видеозаписи с частотой 50 полукадров/сек, на каждое поле кадра видеоинформации записывается по 2 измерительных кадра детектора.
Радиолокационные сигналы являются входными данными модели обработки сигналов, а видеозаписи используются для контроля результатов моделирования. Видеокамера
Для обработки видеозаписей с целью оценки измерений детектора применяется многократный просмотр, как в непрерывном режиме, так и по отдельным кадрам. ТС пересчитываются как по зонам движения, так и по направлениям движения во избежание ошибок, рожденных из-за неправильной настройки зон движений (при этом все зоны на первом направлении объединены как зона 1, а все зоны на втором направлении объединены как зона 2).
Методика счета:
1. Объем движения по зонам оценивается путем ручного счета ТС.
2. Интенсивность по полосам оценивается путем визуального сопоставления положения объекта на видеоизображении положению разметки проезжей части. Счет проводится либо последовательно в режиме непрерывного просмотра в реальном времени либо замедленно для каждой полосы при обработке видеозаписи одним испытателем, либо параллельно для нескольких полос несколькими испытателями. Во втором случае результат может быть получен быстрее, но с большей погрешностью, из-за различий в приписывании объектов полосам разными испытателями. 4
3. Скорость отдельных объектов оценивается следующим образом. Оценивается время проезда объектом своей длины. Фиксируется положение относительно неподвижного фона передней кромки изображения объекта и определяется время прохождения задней кромки данной точки. Счет времени ведется в кадрах видеозаписи. Проходимое объектом за это время расстояние оценивается как типичная длина транспортного средства наблюдаемого класса. Скорость является отношением этой длины ко времени. Такой метод оценки скорости позволяет оценить скорость, не измеряя расстояние на местности, определять которое по видеоизображению затруднительно из-за недостаточно высокого разрешения и геометрических искажений широкоугольных объективов. При максимальной разрешенной скорости движения в городских условиях 60км/час, погрешность расчета скорости отдельных ТС не превышает 4%.
4. Занятость оценивается как отношение суммы времен пересечения объектами некоторой вертикальной линии, являющейся визуальной оценкой середины поля обзора детектора, к продолжительности статистического периода. При этом для объектов, проезжающих поле обзора без остановки, используются данные, полученные на этапе 3, так как предполагается равномерное движение объекта и при этом независимо от положения контрольной линии время ее проезда одинаково.
5. Средняя скорость за статистический период оценивается как суммарная длина транспортных средств, пересекших зону контроля, к суммарному времени проезда ТС своей длины. То есть используются те же данные первичной обработки этапа 3.
Средства передачи и сбора данных для детектора транспортных средств
В качестве цифрового сигнального процессора (ЦСП) применяется микросхема ADSP-2181 [62,63]. Семейство 16-разрядных ЦСП ADSP-218x имеет единое вычислительное ядро, включающее 16-разрядное АЛУ, 32-разрядный регистр сдвига и 40-разрядный умножитель/аккумулятор. Эти устройства объединены между собой 16-разрядной шиной данных и 24-разрядной шиной доступа к памяти программ. Быстродействие данных процессоров варьируется в диапазоне от 33 до 52 МГц. Объем ОЗУ от 4К до 48К слов, питание осуществляется от источников 5В, 3,3В, 2,5В. Процессоры имеют удобный интерфейс поддержки прямого доступа к внутренней памяти, два последовательных синхронных порта, обеспечивающих работу с временным разделением 24- или 32-канальными фреймами. ADSP-2181 выполняет следующие функции: 6 - обмен с периферийными устройствами платы обработки сигналов; - организация измерений параметров транспортного потока; - диагностика исправности периферийных устройств платы обработки сигналов и антенного модуля; - обмен информацией с компьютером в процессе настройки детектора; - сохранение параметров настройки в энергонезависимой памяти и автоматическая активизация сохраненного режима при последующих включениях прибора; - выдача информации в сеть дорожных контроллеров в процессе работы детектора в составе такой сети; - выдача накопленной статистической информации во время обслуживания при автономной работе; - выдача диагностической информации для тестирования в условиях производства; - обновление хранимой в ПЗУ программы.
Аналоговый интерфейс в блоке обработки сигналов представлен кодеком
AD73322 [61], подключенным к последовательному порту SPORT0 процессора и усилителями формирования сигналов. По входу кодека используется только один канал. На него поступает аналоговый сигнал с антенного модуля. Второй канал не используется. Один выходной канал кодека используется для управления генератором антенного модуля. Второй канал используется для диагностики. На него подается аналоговый сигнал специальной формы.
Прибор излучает сигнал ЛЧМ, формирование линейного сигнала производится на выходе кодека при подаче на его вход линейно меняющихся 16-разрядных чисел с частотой дискретизации 64 кГц. Приемный аналоговый сигнал с частотой пропорциональной измеряемому расстоянию, с выхода смесителя поступает на вход кодека. Измерение частоты входного сигнала производится методом спектрального анализа. Режим измерения организован в виде цикла накопления и обработки кадров измерительной информации с периодом 10мс. 7
Программное обеспечение устройства обработки сигналов:
Программное обеспечение устройства обработки сигналов размещено в ПЗУ типа FLASH платы обработки сигналов. В качестве ПЗУ возможно использование микросхем AT29C010 размером 128КБайт фирмы ATMEL, AT29C512 размером 64Кбайт или совместимых с ними (например, STT29EE10) по алгоритму записи (секторная запись по 128 байт без предварительного стирания). Архитектура процессора и схема подключения обеспечивают автоматическую загрузку программы из младших адресов.
Область программы изначально записывается при помощи программатора и может быть автономно изменена в процессе обновления программного обеспечения средствами самой программы при условии её наличия в ПЗУ.
Область параметров настройки обновляется каждый раз при сохранении режима работы прибора по команде от внешнего компьютера.
Область сохранения статистики организована как циклический буфер и перезаписывается по достижении накопленным объемом статистики размера целого сектора. Запись осуществляется по одному сектору. Для этого необходимо, чтобы режим накопления статистики был активизирован пользовательскими средствами настройки прибора (по специальной команде). 8
Режимы работы программы: С точки зрения устройств, подключенных к плате обработки сигналов по последовательному интерфейсу, программа может находится в следующих режимах: Автономный режим измерений: устройство осуществляет измерения параметров транспортных потоков в зонах контроля и выдает информацию о наличии транспортных средств на контактные пары. В конце каждого периода статистики в область сохранения статистики добавляется новая запись, если режим накопления статистики включен. В противном случае устройство сохраняет данные только последнего периода статистики в оперативной памяти, которые можно прочитать только пока они не будут заменены новыми данными, то есть только в течении еще одного статистического периода. Особенностью этого режима является то, что по своей инициативе устройство данные по последовательному интерфейсу не передает. Для получения данных необходимо явно подать команду чтения в соответствии с протоколом обмена.
Режим работы в сети дорожных контроллеров: все то же самое, что и в автономном режиме измерений, но по окончании статистического периода устройство по своей инициативе передает информацию о прошедшем периоде по последовательному интерфейсу в специальном формате. Возможность работы по протоколу с опросом сохраняется, но терминальное оборудование должно самостоятельно отличать ответы на команды от инициированных устройством сообщений. Вход в режим осуществляется по распознаванию специального синхронизирующего сообщения от сети или по специальной команде сохранения параметров настройки. В последнем случае режим будет активирован при каждом включении прибора. Выход из режима осуществляется по специальной команде. 9 Диагностический режим: может использоваться при тестировании детектора. При этом устройство по своей инициативе передает протокол последовательности событий по последовательному интерфейсу в виде потока текстовой информации, который можно записать для последующего анализа. Этот режим может сочетаться с автономным режимом или работой в сети. Статистические сообщения и ответы на команды могут появляться только между целыми строками протокола. Диагностический режим не сохраняется в области параметров. Вход и выход из режима осуществляются при помощи обычных команд. Тестовый режим: измерения при этом не выполняются. На различные компоненты платы передаются специальные воздействия, используемые для их контроля в условиях производства. Вход и выход из этого режима осуществляется по специальным командам. Режим обновления программы: вход в этот режим возможен только в процессе начального запуска программы при помощи подачи специальных сигналов на линии последовательного интерфейса и выполнения специальной процедуры входа в этот режим. При невыполнении этой процедуры по истечении определенного интервала детектор активизирует режим, сохраненный в области параметров. Для входа в этот режим в протоколе обмена имеется команда инициирования перезапуска. Выход из режима возможен только через перезапуск программы (для чего имеются средства в протоколе обмена данного режима).
Похожие диссертации на Методы и средства оценки параметров транспортных потоков по радиолокационному изображению
