利用雙線圈檢測(cè)車輛運(yùn)動(dòng)軌跡的算法實(shí)現(xiàn)

劉鴻偉, 宋向輝

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院ITS中心, 北京 100088)

?

利用雙線圈檢測(cè)車輛運(yùn)動(dòng)軌跡的算法實(shí)現(xiàn)

劉鴻偉, 宋向輝

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院ITS中心, 北京 100088)

在自動(dòng)欄桿后置的電子不停車收費(fèi)(ETC)車道系統(tǒng)中，由于天線通信區(qū)域與自動(dòng)欄桿之間的距離較遠(yuǎn)，其間有可能形成過(guò)車隊(duì)列，再加上車輛行駛行為本身的復(fù)雜性，能否實(shí)時(shí)地、準(zhǔn)確地獲取過(guò)車隊(duì)列信息，成為確保自動(dòng)欄桿后置的ETC車道系統(tǒng)正?？刂七壿嫷年P(guān)鍵因素之一. 針對(duì)此問(wèn)題采用在收費(fèi)車道前端鋪設(shè)雙線圈的方法，實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛運(yùn)動(dòng)軌跡，使車道系統(tǒng)準(zhǔn)確獲取過(guò)車隊(duì)列信息，避免ETC車道控制邏輯發(fā)生混亂，在很大程度上提高了自動(dòng)欄桿后置的ETC車道系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.

電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)； 雙線圈； 運(yùn)動(dòng)軌跡； 控制邏輯

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)和我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，交通運(yùn)輸越來(lái)越成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活中的一個(gè)極其重要、不可缺少的因素，現(xiàn)代化的交通需要現(xiàn)代化的管理，為解決城市周邊高速公路主要路段和收費(fèi)路口的交通擁擠和阻塞狀況，迫切需要提高其通行能力和服務(wù)水平[1]. 我國(guó)高速公路電子收費(fèi)(Electronic Toll Collection, ETC)技術(shù)的研究及應(yīng)用，無(wú)疑為提升我國(guó)高速公路通行能力和服務(wù)水平提供了技術(shù)手段. 電子收費(fèi)是指應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)手段[2]，自動(dòng)完成電子收費(fèi)交易，實(shí)現(xiàn)在不停車條件下自動(dòng)收取道路通行費(fèi).

2007年，交通運(yùn)輸部正式啟動(dòng)“京津冀、長(zhǎng)三角”高速公路區(qū)域聯(lián)網(wǎng)不停車收費(fèi)示范工程. 為確保示范工程建設(shè)和服務(wù)的一致性，交通運(yùn)輸部陸續(xù)頒布實(shí)施GB/T 20851—2007《電子收費(fèi) 專用短程通信》系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和《收費(fèi)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)要求》(原交通部2007年第35號(hào)令)以及《高速公路區(qū)域聯(lián)網(wǎng)不停車收費(fèi)示范工程暫行技術(shù)要求》(共22項(xiàng)技術(shù)規(guī)范，以下簡(jiǎn)稱《暫行技術(shù)要求》). 2010年底，在總結(jié)京津冀、長(zhǎng)三角示范工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)和不足的基礎(chǔ)上，交通運(yùn)輸部組織對(duì)《暫行技術(shù)要求》進(jìn)行了補(bǔ)充和完善，并于2011年3月正式發(fā)布實(shí)施《收費(fèi)公路聯(lián)網(wǎng)電子不停車收費(fèi)技術(shù)要求》(交通運(yùn)輸部2011年第13號(hào)公告). 上述系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的頒布實(shí)施，有效指導(dǎo)了ETC示范工程和全國(guó)各地ETC系統(tǒng)實(shí)施，為全國(guó)ETC系統(tǒng)規(guī)?；ㄔO(shè)和跨區(qū)域互聯(lián)互通奠定了良好基礎(chǔ). 可以說(shuō)，我國(guó)ETC系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)鍵設(shè)備、工程實(shí)施均已相對(duì)比較成熟.

在已頒布實(shí)施的ETC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，針對(duì)ETC車道布局并未進(jìn)行嚴(yán)格限定和統(tǒng)一，而是給出3種車道布局模式供各地選擇[3-4]. 因此，國(guó)內(nèi)各省市的ETC車道布局不盡相同，按照自動(dòng)欄桿的布設(shè)位置大致分為欄桿前置(圖1)和欄桿后置(圖2)兩種車道布局. 欄桿前置布局的車道邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單一些，自動(dòng)欄桿離天線交易區(qū)的距離較近，其間最多只能容納一輛車不會(huì)形成隊(duì)列，并且ETC車道與鄰近的MTC車道之間有一個(gè)連接道，供誤入和交易失敗車輛離開ETC車道，轉(zhuǎn)入MTC車道通行；欄桿后置布局的車道系統(tǒng)，由于自動(dòng)欄桿距天線交易區(qū)的距離比較遠(yuǎn)，當(dāng)車流量比較大時(shí)，會(huì)在該區(qū)間形成車輛隊(duì)列，如何在無(wú)人值守的情況下，協(xié)調(diào)自動(dòng)欄桿的起落和天線對(duì)隊(duì)列中的每輛車的交易結(jié)果，做到不誤放非法車也不誤攔合法車[5]，就需要實(shí)時(shí)了解隊(duì)列情況，即了解車輛的行駛方向(駛?cè)腙?duì)列、離開隊(duì)列、退出隊(duì)列).

圖1 自動(dòng)欄桿前置車道布局示意圖

圖2 自動(dòng)欄桿后置車道布局示意圖

本文將針對(duì)欄桿后置布局模式的車道系統(tǒng)，提出在車道前端鋪設(shè)雙線圈的方法，實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛運(yùn)動(dòng)軌跡，使車道系統(tǒng)在無(wú)人值守的情況下，準(zhǔn)確獲取過(guò)車隊(duì)列信息，避免ETC車道控制邏輯發(fā)生混亂，在很大程度上提高了自動(dòng)欄桿后置的ETC車道系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.

1 車輛運(yùn)動(dòng)軌跡模型

為了更準(zhǔn)確地描述車輛進(jìn)入收費(fèi)車道的運(yùn)行軌跡，現(xiàn)通過(guò)鋪設(shè)在收費(fèi)車道的2個(gè)地感線圈(L1和L2)的上下沿信號(hào)表述車輛運(yùn)動(dòng)軌跡. 要求兩輛車(V1和V2)不能同時(shí)觸發(fā)同一個(gè)地感線圈，因此2個(gè)線圈間的距離寬度不宜超過(guò)50 cm， A為線圈L1的上升沿，B為線圈L2的上升沿，C為線圈L1的下降沿，D為線圈L2的下降沿. 虛線代表先，實(shí)線代表后，1組箭頭表征1輛車的行駛路線. 依此，車輛在收費(fèi)車道可能發(fā)生的所有運(yùn)動(dòng)軌跡以及對(duì)隊(duì)列變化的影響，可通過(guò)建立28個(gè)主要運(yùn)動(dòng)軌跡模型描述. 下面就其中13個(gè)典型運(yùn)動(dòng)模型描述如下，其他運(yùn)動(dòng)模型詳見表1.

模型1：車輛V1正常進(jìn)入，先后觸發(fā)線圈L1的上升沿、L2的上升沿、L1的下降沿和L2的下降沿. A-B-C-D，隊(duì)列+1.

模型2：車輛V1正常倒出，先后觸發(fā)線圈L2的上升沿、L1的上升沿、L2的下降沿和L1的下降沿. B-A-D-C，隊(duì)列-1.

模型3：兩輛車連續(xù)正常進(jìn)入，先后觸發(fā)線圈L1的上升沿、L2的上升沿、L1的下降沿、L1的上升沿、L2的下降沿、L2的上升沿、L1的下降沿和L2的下降沿. A-B-C-A-D-B-C-D，隊(duì)列+2.

模型4：兩輛車連續(xù)正常倒出，先后觸發(fā)線圈L2的上升沿、L1的上升沿、L2的下降沿、L2的上升沿、L1的下降沿、L1的上升沿、L2的下降沿和L1的下降沿. B-A-D-B-C-A-D-C，隊(duì)列-2.

模型5：車輛V1在線圈L1上來(lái)回，先后觸發(fā)線圈L1的上升沿、L1的下降沿. A-C，隊(duì)列沒變.

模型6：車輛V1在線圈L2上來(lái)回，先后觸發(fā)線圈L2的上升沿、L2的下降沿. B-D，隊(duì)列沒變.

模型7：車輛V1經(jīng)L1，壓到L2后倒出，先后觸發(fā)線圈L1的上升沿、L2的上升沿、L2的下降沿和L1的下降沿. A-B-D-C，隊(duì)列沒變.

模型8：兩輛車分別壓上L1、L2后離開，先后觸發(fā)線圈L2的上升沿、L1的上升沿、L2的下降沿、L2的上升沿、L1的下降沿、L1的上升沿、L1的下降沿和L2的下降沿. B-A-D-B-C-A-C-D，隊(duì)列沒變.

模型9：兩輛車分別壓上L1、L2后離開，先后觸發(fā)線圈L2的上升沿、L1的上升沿、L2的下降沿、L2的上升沿、L1的下降沿、L1的上升沿、L2的下降沿、L2的上升沿、L2的下降沿和L1的下降沿. B-A-D-B-C-A-D-B-D-C，隊(duì)列沒變.

模型10：兩輛車分別壓上L1、L2后離開，先后觸發(fā)線圈L1的上升沿、L2的上升沿、L1的下降沿、L1的上升沿、L2的下降沿、L2的上升沿、L1的下降沿和L2的下降沿. A-B-C-A--D-B-C-D，隊(duì)列沒變.

模型11：兩輛車分別壓上L1、L2后離開，先后觸發(fā)線圈L1的上升沿、L2的上升沿、線圈L1的下降沿、L1的上升沿、L2的下降沿、L2的上升沿、L2的下降沿和L1的下降沿. A-B-C-A-D-B-D-C，隊(duì)列沒變.

模型12：兩輛車壓上L1、L2后離開，先后觸發(fā)線圈L1的上升沿、L2的上升沿、L1的下降沿、L1的上升沿、L2的下降沿、L2的上升沿、L1的下降沿、L1的上升沿、L1的下降沿和L2的下降沿. A-B-C-A-D-B-C-A-C-D，隊(duì)列沒變.

2 算法研究及程序?qū)崿F(xiàn)

2.1 建立模型關(guān)系表

根據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)軌跡模型，建立模型關(guān)系表，如表1所示.

表1 車輛運(yùn)動(dòng)軌跡模型關(guān)系表

續(xù)表1

2.2 算法及程序?qū)崿F(xiàn)

2.2.1 算法描述

將2.1模型關(guān)系表放入靜態(tài)存儲(chǔ)數(shù)組S中，當(dāng)序列中沿記錄個(gè)數(shù)R為2、4、6、8、10、12時(shí)，與靜態(tài)數(shù)組S中的序列進(jìn)行匹配，如匹配合適，按匹配序列的情況進(jìn)行處理，即對(duì)隊(duì)列+1，-1或不變，同時(shí)清空當(dāng)前序列；如沒有匹配上的序列，不做處理，等待下一次的輪回.

當(dāng)R≥6時(shí)，將實(shí)際獲取的沿序列與靜態(tài)數(shù)組S中的序列匹配，匹配成功按表1進(jìn)行隊(duì)列處理，匹配不成功則檢查沿記錄序列是否為A-B-C-A-D-B，若是，去掉中間B-C-A-D，隊(duì)列+1,當(dāng)前序列改為A-B；若是B-A-D-B-C-A,去掉中間A-D-B-C，隊(duì)列-1，當(dāng)前序列改為B-A；若序列為A-B-D-B-D-X，去掉中間B-D-B-D，隊(duì)列不變，當(dāng)前序列改為A-X；若序列為B-A-C-A-C-X，去掉中間A-C-A-C，隊(duì)列不變，當(dāng)前序列改為B-X.

由于模型9和12按上述處理后，會(huì)出現(xiàn)6沿序列A-B-C-A-C-D和B-A-D-B-D-C，因此需要這兩個(gè)序列補(bǔ)充到6沿序列中，同時(shí)隊(duì)列應(yīng)分別為-1和+1(因?yàn)?和12為隊(duì)列不變的情況，經(jīng)過(guò)去掉B-C-A-D和A-D-B-C后，隊(duì)列做了+1和-1，所以為了保持隊(duì)列不變，此兩個(gè)序列為-1和+1).

由于模型8和11出現(xiàn)類似9和12的情況，處理辦法是記錄刪除A-D-B-C或B-C-A-D的次數(shù)，當(dāng)次數(shù)為1時(shí)，隊(duì)列做相應(yīng)的改變(這在4沿序列處理中體現(xiàn)).

對(duì)于歧異情況的處理，可以按大概率事件處理，如表2所示.

表2 車輛運(yùn)動(dòng)軌跡模型歧義情況處理表

2.2.2 程序?qū)崿F(xiàn)

共建立4個(gè)守候線程：

1) L1沿檢測(cè)線程，當(dāng)檢測(cè)到L1出現(xiàn)沿記錄時(shí)，判斷是上升沿還是下降沿，同時(shí)激活L1沿處理守候線程；

2) L2沿檢測(cè)線程，當(dāng)檢測(cè)到L2出現(xiàn)沿記錄時(shí)，判斷是上升沿還是下降沿，同時(shí)激活L2沿處理守候線程；

3) L1沿處理線程，被激活后，將‘A’或‘C’寫入沿記錄序列，當(dāng)序列中記錄個(gè)數(shù)為偶數(shù)或>10時(shí)，激活沿記錄序列處理線程；

4) L2沿處理線程，被激活后，將‘B’或‘D’寫入沿記錄序列，當(dāng)序列中記錄個(gè)數(shù)為偶數(shù)或>10時(shí)，激活沿記錄序列處理線程；

5) 沿記錄序列處理線程，被激活后，按序列規(guī)律判斷車輛行駛方向，并給管理線程發(fā)送隊(duì)列變化消息，最后根據(jù)算法需要處理當(dāng)前沿序列.

3 仿真測(cè)試

3.1 測(cè)試目標(biāo)及環(huán)境

本測(cè)試主要測(cè)試該算法的功能實(shí)現(xiàn)和糾錯(cuò)能力，目的是查找出算法中有可能存在的遺漏和錯(cuò)誤，以確保該算法應(yīng)用到車道邏輯控制系統(tǒng)之前，能準(zhǔn)確判斷車輛運(yùn)動(dòng)軌跡，準(zhǔn)確判別和調(diào)整隊(duì)列情況. 測(cè)試環(huán)境：研華工控機(jī)1臺(tái)、算法程序、車道模擬器1臺(tái)(可通過(guò)紅外感應(yīng)模擬地感線圈，信號(hào)燈亮滅指示地感線圈觸發(fā)信號(hào)的上升沿和下降沿).

3.2 測(cè)試情況

功能測(cè)試是通過(guò)車道模擬器模擬車輛在收費(fèi)車道的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而測(cè)試算法實(shí)際輸出結(jié)果. 從測(cè)試情況看，針對(duì)表1中無(wú)歧義的情況，軟件均能正確處理隊(duì)列變化情況；針對(duì)表1中存在歧義的情況，軟件按照表2的處理方式判定，即按照大概率事件進(jìn)行取舍，也能正確處理隊(duì)列變化情況.

穩(wěn)定性測(cè)試是用一張紙?jiān)谲嚨滥M器L1和L2上方快速無(wú)規(guī)律地做往返運(yùn)動(dòng)，程序能夠識(shí)別出異常狀態(tài)，并自動(dòng)進(jìn)入重新檢測(cè)狀態(tài).

3.3 測(cè)試結(jié)論

通過(guò)仿真驗(yàn)證的實(shí)際數(shù)據(jù)分析，該算法可以準(zhǔn)確識(shí)別車輛在收費(fèi)車道的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而能使車道邏輯控制系統(tǒng)對(duì)車輛隊(duì)列進(jìn)行準(zhǔn)確判斷和處理. 對(duì)于穩(wěn)定性測(cè)試中極小概率出現(xiàn)的情況(實(shí)際車道環(huán)境中很難發(fā)生的情況)，該算法和程序均做到超強(qiáng)的容錯(cuò)能力，但這種情況下，車道軟件應(yīng)做到及時(shí)報(bào)警，提示人工干預(yù)處理.

4 結(jié)論

2014年8月1日，交通運(yùn)輸部正式頒布實(shí)施公路工程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG B10- 01—2004《公路電子不停車收費(fèi)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)和服務(wù)規(guī)范》，文中提出[6]：ETC車道宜采用自動(dòng)欄桿島內(nèi)布局模式. 隨著全國(guó)ETC聯(lián)網(wǎng)工程的開展，ETC車道布局模式也會(huì)逐步向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化邁進(jìn). 通過(guò)在收費(fèi)車道前端鋪設(shè)兩個(gè)地感線圈的方式，結(jié)合本文提出的算法，可以有效判別駛?cè)胧召M(fèi)車道的車輛運(yùn)動(dòng)軌跡，從而為自動(dòng)欄桿島內(nèi)布局模式的車道系統(tǒng)判別隊(duì)列變化提供很好的方法，提高無(wú)人值守情況下的車道系統(tǒng)邏輯控制能力.

[1] 朱茵, 王軍利. 智能交通系統(tǒng)導(dǎo)論[M]. 北京: 中國(guó)人民公安大學(xué)出版社, 2007.

[2] 王笑京, 李愛民, 江運(yùn)志， 等. 收費(fèi)公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)要求[M]. 北京: 人民交通出版社, 2007.

[3] 王笑京, 楊蘊(yùn), 劉鴻偉， 等. 收費(fèi)公路聯(lián)網(wǎng)電子不停車收費(fèi)技術(shù)要求[M]. 北京: 人民交通出版社, 2011.

[4] GB/T 28967—2012: 電子收費(fèi) 車道系統(tǒng)技術(shù)要求[S]. 北京: 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì), 2012.

[5] 電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)的控制方法[P]. 中國(guó). B. ZL200810117209. 0. 2010-02-03.

[6] JTG B10-01-2014: 公路電子不停車收費(fèi)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)和服務(wù)規(guī)范[S]. 北京: 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部, 2014.

Estimating the Trajectory of Moving Vehicles Based on Dual-Loop Detectors

LIU Hong-wei, SONG Xiang-hui

(Research Institute of Highway Ministry of Communications, Beijing, 100088, China)

In the Electronic Toll Collection system, there is a distance between the transponder cover area and automatic barrier arms. A vehicle queue may be formed in that area. Lack of real-time queue information may confuse the ETC system’s normal control logic and result in significant delays. This paper empirically studies the real-time vehicles trajectory using dual-loop detectors in ETC lanes. The real-time trajectory can be used to obtain the queue length. The results show that to the new system can improve the stability and reliability of the ETC system.

electronic toll collection system; dual-loop detector; moving track;control Logic

10.13986/j.cnki.jote.2015.03.007

2014- 11- 28.

劉鴻偉(1975—)， 女， 高級(jí)工程師， 研究方向?yàn)橹悄芙煌娮邮召M(fèi)與密碼應(yīng)用技術(shù)研究. E-mail:lhw@itsc.cn.

U 491.1+16

A

1008-2522(2015)03-29-06