隨著中國公路建設的迅速發(fā)展和公路網(wǎng)絡的不斷擴大， 車輛檢測設備被越來越廣泛的使用， 作為智能交通系統(tǒng)的重要組成部分和基礎單元，其性能的穩(wěn)定可靠性、輸出數(shù)據(jù)的精確性、接口兼容性都直接影響到上一層的數(shù)據(jù)甚至整個系統(tǒng)的優(yōu)劣。環(huán)形感應檢測線圈是過去使用最為廣泛的車輛檢測器，其優(yōu)點是技術成熟、成本低廉，但安裝時需破壞路面，容易損壞，難以分辨過于靠近的車輛，不能準確分辨半掛車和拖掛車，而且其輸出數(shù)據(jù)單一，難以符合系統(tǒng)對車輛綜合數(shù)據(jù)采集的要求。

今天，越來越多新的傳感技術如紅外光電技術、微波技術、視頻技術、超聲波技術等被應用在車輛檢測領域，這些新技術可以提供更為豐富的交通數(shù)據(jù)，更高的可靠性和更長的使用壽命，本文就紅外線車輛檢測器的技術和應用做出詳細的探討。

系統(tǒng)原理與配置

紅外線車輛檢測器的原理是通過線性排列的紅外光發(fā)射和接收來實現(xiàn)對車輛的同步掃描，并將光信號轉換為電信號，從而實現(xiàn)對車輛數(shù)據(jù)的綜合檢測，與其它檢測技術相比，紅外線車輛檢測器產(chǎn)品技術成熟，安裝簡便，高速響應，抗干擾性強，可輸出豐富的車輛數(shù)據(jù)信息，能可靠檢測各種特殊車輛。

自1978年開始，美國科學技術公司（STI）就與北美智能交通領域的系統(tǒng)集成商合作，開發(fā)了適合公路交通行業(yè)的紅外線車輛掃描系統(tǒng)以滿足特殊的使用要求，至今，STI紅外線車輛掃描系統(tǒng)已有超過6000套被應用在世界各地的智能交通系統(tǒng)中，其主要用于：一般公路收費站、不停車收費系統(tǒng)（ETC）、自動車輛分類系統(tǒng)、公路計重收費系統(tǒng)、固定式超限檢測站。

一套完整的紅外車輛分離器包括：

發(fā)射器和接收器：發(fā)射器內置線性排列的高能量發(fā)光元件，接收器內置與發(fā)射器數(shù)量相同的接收元件，發(fā)射器和接受器的對應光電元件依次按順序同步觸發(fā)，檢測光路是否導通，當汽車通過掃描區(qū)域時，部分或全部光束被遮擋，因而被檢測出。

控制單元：讀取并處理發(fā)射器/接收器的同步掃描信號，同時檢測光幕工作狀態(tài)，提供多種輸出信號，如：繼電器輸出、串口輸出、模擬量輸出。

電纜線：連接發(fā)射器/接收器與控制器的接插電纜，一般長度為10-15m.

防護外罩：為不銹鋼或冷扎鋼板噴塑材料，為分離器提供防護，內置電加熱玻璃、溫度控制器、濕度控制器，在濕度過高、溫度過低時實現(xiàn)自動加熱，以保證車輛分離器在潮濕地區(qū)、雨雪天氣、寒冷季節(jié)可靠使用。

計重收費作為長效治理公路超限的有效經(jīng)濟手段，體現(xiàn)了公平收費的原則，是目前全國各地正在普遍采用的治超方式，公路計重收費系統(tǒng)主要由以下四個子系統(tǒng)組成：

動態(tài)軸重衡器： 是一種低速動態(tài)汽車衡器，對車輛的各軸或軸組進行稱重計量，并確定車輛總重量。

輪胎識別器：由一組壓力傳感器來檢測單邊的輪胎個數(shù)，當車輛輪胎壓過時，將壓力信號轉換為輪胎數(shù)量信號。

紅外車輛分離器：通過紅外光的同步掃描來提供車輛的開始和結束信號，保證稱重數(shù)據(jù)和車輛之間的對應關系。

中央處理系統(tǒng)： 集中處理各種傳感器信號、處理數(shù)據(jù)，將有關信息傳輸給上位收費計算機系統(tǒng)。

作為公路計重收費系統(tǒng)或超限檢測系統(tǒng)的重要組成部分，STI紅外線車輛分離器提供準確的車輛分離信號，可靠檢測脫車的掛鉤，同時能夠不受飛鳥、昆蟲或石塊的干擾，專用的防護外罩保護紅外線車輛分離器不受撞擊并能夠自動加熱窗口玻璃，從而自動清除凝露、結霜，系統(tǒng)可自動檢測并屏蔽有問題的光束，并輸出報警信號。根據(jù)目前中國交通行業(yè)的使用經(jīng)驗，檢測高度一般1200mm左右，檢測分辨率為30mm左右，一般使用開關量輸出信號，有些使用串口數(shù)據(jù)輸出。

根據(jù)科學技術公司（STI）紅外線車輛分離器在世界各地收費系統(tǒng)和中國公路動態(tài)稱重領域的實際使用經(jīng)驗， 推薦使用以下車輛分離器參數(shù)配置：

檢測高度： 1220 mm

光束間距 22mm

掃描時間： 3.4ms

最小檢測物體尺寸 30mm

掃描檢測模式 同步逐行高速掃描

串口輸出： RS485 協(xié)議（用戶選擇），19，200 波特率。

輸出1： 車輛檢測輸出，NPN，150mA 30VDC最大

輸出2 故障報警輸出，NPN，150mA 30VDC最大

電源要求 24 VDC + 20%

電纜 標準接插件電纜15m，防電磁干擾屏蔽線

抗光干擾性能 4，0000LUX 干擾光 + 5度入射角。

溫度范圍： -40 ℃ 到+ 70℃

防護等級 NEMA 4， 12， IP 65.

在自動車型分類系統(tǒng)（AVC）的應用

車型分類的準確與否直接關系到公路通行費的征收是否公平合理，最初的車輛類型比較簡單，全部由收費員人工完成，今天公路收費系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到能夠自動判別車輛類型。在美國，車輛軸數(shù)是重要的車型判別要素，而在歐洲，車輛分類的要素已經(jīng)是車輛的物理尺寸。

自動車輛分類就是通過檢測車輛的各種物理特性并根據(jù)這些信息對車輛自動分類，要達到準確的車輛自動分類，一般需要采集以下車輛物理信息：、車輛長度、車輛高度輪廓、車輛軸數(shù)及其位置、是否有掛鉤及其位置。

過去的車輛分類系統(tǒng)完全基于軸數(shù)判別，使用環(huán)形感應線圈作為車輛分離檢測，用輪軸傳感器采集車軸數(shù)量信息，這類系統(tǒng)在實際使用中產(chǎn)生了很多問題，環(huán)形線圈用于交通管理是可靠的，但作為收費上的車型判別其可靠性則不能滿足要求，系統(tǒng)不能提供車輛長度和高度信息，還不能判別車輛是否有拖掛，反而經(jīng)常將拖掛車判定為兩輛車，近年來，新的傳感技術提供了新的自動車輛分類的途徑。

在美國，智能交通行業(yè)的系統(tǒng)集成商使用以下車輛檢測單元來組成完整的自動車型分類系統(tǒng)：紅外線車輛掃描系統(tǒng)、雷達測速儀、輪軸識別器、AVC處理器。通過以上各檢測單元和AVC處理器，可得到以下車輛數(shù)據(jù)信息：

車輛長度

車輛高度輪廓。

車輛軸數(shù)極其位置

掛鉤是否存在及其位置。

這里所描述的自動車輛分類系統(tǒng)實際上是通過圖像識別運算法則來將車輛準確地分類，自動車輛分分類系統(tǒng)將車輛長度信息、車軸數(shù)量和間距信息、車輛高度距陣信息形成綜合的圖像，將該圖像與預先設置的標準對比，從而實現(xiàn)車輛的準確分類， 一輛車的實際輪廓如下圖所示。

STI的紅外線車輛掃描系統(tǒng)提供了車輛輪廓掃描的解決方案，并提供車輛分離信號，同時還能夠檢測掛鉤是否存在及其位置，由于光學產(chǎn)品的高速響應，當車速低于100公里/小時，系統(tǒng)可對車輛間距0.3米車輛實現(xiàn)可靠的分離檢測并抓取車輛輪廓數(shù)據(jù)，當車速低于200公里/小時，對車輛間距0.6米的車輛實現(xiàn)可靠的分離檢測并抓取輪廓數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可自動分類超過100種車型，車輛自動分類的準確率超過99%。

產(chǎn)品選型注意事項

1．用環(huán)境因素：

中國幅員遼闊，南北東西氣候差異很大，作為一種野外安裝使用的產(chǎn)品，對惡劣氣候條件的免疫性是極其重要的，所選產(chǎn)品要能夠在雨、霧、雪等氣候條件下可靠工作，耐高溫和低溫，抗環(huán)境光的干擾，對雷電、電磁干擾、振動和沖擊都要有很好的免疫性能，這是最重要的也是基本的要求，一般的工業(yè)用光幕，其工作溫度、抗環(huán)境光干擾、防護等級都與野外使用要求完全不同，在選型時，一定要注意區(qū)分。

美國STI紅外線車輛分離器使用環(huán)境溫度為–40℃—+70℃，最大允許相對濕度95%（50℃時），防護等級為IP65，可抗40000LUX光干擾，該產(chǎn)品被成功應用在寒帶地區(qū)如加拿大和中國東北，熱帶地區(qū)東南亞、中國廣西、四川、南非和阿根廷。

2．工作距離和過量增益（EG）

一般而言，車輛分離器在計重收費系統(tǒng)中安裝距離為4米左右，但客戶在選型時應盡可能選擇工作距離遠的產(chǎn)品，這是為了保證過多灰塵累積、霧汽和雨雪情況下，產(chǎn)品仍然有足夠的穿透能力，實現(xiàn)可靠檢測。

過量增益（EG）是評價傳感器工作可靠性的重要指標，它表示接收器接收的光能量能否能使傳感器動作，也表示使傳感器產(chǎn)生動作所需要最小的光強度。其計算公式如下：

接收器實際接收的光強度/ 使接收器產(chǎn)生輸出門檻值

過量增益與檢測距離的關系是一定的，在一定距離時，過量增益值越大，則表示光幕的穿透能力越強，而在環(huán)境因素和距離不變的情況下，要增加EG值，則只有增加發(fā)射器的能量。STI紅外線車輛分離器采用高能量發(fā)射管， 最大工作距離為24.4米（EG=1），在4.8米安裝距離并保證光路對準時，過量增益（EG）達到25倍，可以保證車輛分離器在凝霜結露、雨雪和灰塵情況下仍可靠工作。

3. 非車輛信號干擾：

野外安裝使用時，石塊、飛鳥、昆蟲、冰雹都可能觸發(fā)光幕，使其產(chǎn)生輸出，而專業(yè)的車輛分離器則不受這些因素的干擾，并能夠可靠檢測拖車的掛鉤，STI紅外線車輛分離器可以通過軟件和串口設置觸發(fā)輸出開啟的尺寸，如設置為大于10束光被同時遮擋時，系統(tǒng)才認為是車輛信號，輸出啟動，只有當所有的光束全部導通時，才提供車輛收尾信號。

4．智能化的報警功能：

由于在公路安裝的特殊性， 汽車尾氣、泥漿和過多灰塵的累積、昆蟲的停留等都有可能對發(fā)射器和接收器窗口造成光路阻斷，從而造成系統(tǒng)不能正常分車，在早期安裝在江蘇、河南的現(xiàn)場，這類問題尤其突出，這類問題實際對車輛分離器的診斷和報警功能提出了要求，STI紅外線車輛分離器具備診斷和報警功能，當玻璃上有昆蟲停留、泥漿飛濺或過多灰塵時，系統(tǒng)可以自動探測出是否有某一束或幾束光束被長時間非正常阻斷，一旦發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)可以自動忽略這些有問題的光束，并保持正常分車功能，同時產(chǎn)生報警輸出，提醒工作人員盡快消除報警，當報警原因解除，系統(tǒng)報警會自動關閉，整過過程中，都不會對車輛分離功能造成影響。

通過隨機軟件包和簡單的串口指令，可以進行報警的參數(shù)設置，某一束或幾束光束被屏蔽之前需要診斷多少次，每次診斷的時間間隔，最多允許被自動屏蔽的光束數(shù)量都可以設置。

5．使用防護外罩的重要性：

基于公路行業(yè)使用的特殊性，車輛分離器需要配備防護外殼，防護外罩不僅保護光幕不受日曬雨淋，防止車輛撞擊時損壞光幕，更重要的是消除凝霜結露，STI紅外線車輛分離器的防護外殼標準配備電加熱玻璃、溫度控制器和濕度控制器，可實現(xiàn)自動除霜和除濕功能。對有些超寬車道，防護外殼還需要實現(xiàn)可傾倒功能，在有超寬車輛駛入時可以側面傾倒。

6．系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性：

作為一種24小時全天侯運行的車輛檢測產(chǎn)品，紅外線車輛分離器的穩(wěn)定可靠性尤其重要，在選型時重點考慮產(chǎn)品生產(chǎn)歷史長，技術成熟可靠的產(chǎn)品，若選用非成熟產(chǎn)品，建議能夠小批量實驗并論證后使用。

根據(jù)AT&T Bell實驗室Bellcore標準的數(shù)據(jù)。STI車輛掃描系統(tǒng)的MTBF（平均無故障工作時間）為11.5萬小時，即13.1年， MTTR（平均維修時間）為20分鐘。

7．安裝調試的簡便性

由于公路收費系統(tǒng)野外施工的特殊性，并且一般要求施工期短的特點，現(xiàn)場施工人員一般對紅外線車輛分離器也沒有專業(yè)的知識，所以選擇產(chǎn)品時應盡可能選擇安裝快捷、維護簡單的產(chǎn)品，這樣可以大大節(jié)約現(xiàn)場安裝調試時間，這要求車輛分離器應該易于對準、快速接插、智能診斷。STI紅外線車輛分離器使用專利的獨立光束狀態(tài)指示（IBI）功能，使用了高能量、高穿透率光電管，同時具備智能化的診斷和報警功能，使現(xiàn)場安裝對準工作極為簡便和直觀。