Podstawową funkcją systemów pomiaru ruchu drogowego jest automatyczna klasyfikacja pojazdów, która pozwala ocenić poziom wykorzystania infrastruktury drogowej i szkodliwości ruchu drogowego dla środowiska naturalnego. Położenie niektórych obiektów infrastruktury drogowej, takich jak stacje benzynowe czy parkingi, należy planować na podstawie danych pozyskiwanych z pomiarów parametrów strumienia pojazdów. Klasyfikacja pojazdów jest także niezbędna w systemach automatycznych bramek wjazdowych, systemach pobierania opłat za korzystanie z infrastruktury drogowej i w systemach inteligentnego sterowania ruchem [1, 2].
Znane schematy klasyfikacji pojazdów, takie jak FHWA [3] czy Euro-13, do poprawnego działania, wymagają odpowiedniego zestawu parametrów wejściowych, takich jak liczba osi pojazdu, odległości pomiędzy osiami, długość pojazdu. W celu wyznaczenia tych parametrów stosuje się różne czujniki i różne ich układy. Do wykrywania obecności pojazdu na stanowisku pomiarowym powszechnie stosuje się pętle indukcyjne. Natomiast do wykrywania osi pojazdu stosuje się różnego rodzaju czujniki, których działanie opiera się na mechanicznym oddziaływaniu kół pojazdu na czujniki zainstalowane w nawierzchni jezdni. Przykładem takich czujników są czujniki piezoelektryczne, kwarcowe, światłowodowe, pneumatyczne czy rezystancyjne [2]. Wady czujników mechanicznych związane są z niską ich żywotnością (około 2 do 4 lat), relatywnie wysoką ceną, oraz z brakiem możliwości wykrywania osi podniesionych – nie mających kontaktu z nawierzchnią jezdni. Wad tych pozbawione są czujniki indukcyjne pętlowe, które skonstruowane w odpowiedni sposób i współpracujące z odpowiednimi układami kondycjonowania, pozwalają stosować parametryczne algorytmy wykrywania osi pojazdów ze skutecznością 98-100%, oraz osi podniesionych ze skutecznością 71,8%. Wyniki te uzyskano dla pojedynczego czujnika indukcyjnego pętlowego do detekcji osi pojazdów [12]. Zastosowanie systemu złożonego z dwóch pętlowych czujników osi i dużej pętli (rys. 1d) oraz fuzji danych z tych czujników pozwoli zwiększyć skuteczność wykrywania osi, jak również osiągnąć wysoką dokładność pomiaru prędkości pojazdu, co ma kluczowe znaczenie dla dokładności wyznaczania odległości pomiędzy osiami pojazdu.
1. Czujniki indukcyjne pętlowe do detekcji osi pojazdów
Czujniki indukcyjne pętlowe charakteryzują się bardzo dużą trwałością. Ma to związek z ich prostą budową. Pętla indukcyjna składa się z kilku zwojów przewodu miedzianego umieszczonego w szczelinie, wyciętej piłą w nawierzchni i zabezpieczonego odpowiednią zalewą. Znane są różne rozwiązania i konstrukcje czujników indukcyjnych pętlowych do detekcji osi. Najpopularniejsze układy przedstawia rysunek 1, natomiast rzeczywistą realizację systemu pętli do detekcji osi przedstawia rysunek 2.
Rys. 1. Systemy czujników indukcyjnych pętlowych do wykrywania osi pojazdów: a) rozwiązanie wg patentu D. Stańczyka [4], b) pętle “ósemkowe” wg patentu [5], c) czujniki “blade” wg [6], d) system z dwoma wąskimi pętlami wg [7].
Rys. 2. System pętli do detekcji osi pojazdów zainstalowany na badawczym stanowisku pomiarowym na drodze DK81 będący w dyspozycji Katedry Metrologii i Elektroniki AGH.
Wspólną cechą pętli do wykrywania osi pojazdów jest ich niewielki wymiar w kierunku poruszania się pojazdu. Z badań autora [11, 12] wynika, że czułość czujników pętlowych mających zdolność wykrywania osi jest kilkadziesiąt razy niższa, niż standardowych pętli stosowanych do detekcji pojazdów. W celu zwiększenia czułości pętli dedykowanych do detekcji osi należy stosować większą liczbę zwojów, niż standardowo przyjęte 4 zwoje dla dużych pętli. Czułość czujnika indukcyjnego pętlowego ma kluczowe znaczenie dla układów kondycjonowania. Niska czułość czujnika wymusza stosowanie dużych wzmocnień sygnałów, co odbija się negatywnie na stabilności pracy układów kondycjonowania.
2. Układy kondycjonowania z rozdziałem składowych impedancji – układy nowej generacji
Dotychczas stosowane generatorowe układy kondycjonowania [2] charakteryzują się jednym sygnałem wyjściowym, tzw. profilem magnetycznym związanym z indukcyjnością pętli. W takich układach tracona jest druga, istotna z punktu widzenia detekcji osi pojazdów, ortogonalna informacja związana ze zmiennoprądową rezystancją pętli. Prowadzone były również prace nad mostkowymi układami kondycjonowania z jednokanałową demodulacją synchroniczną, gdzie kąt demodulacji synchronicznej określa stopień wykorzystanie obu składowych impedancji [7]. Badania wykazały, że dostrojenie kąta fazowego demodulacji synchronicznej w układzie kondycjonowania do pojazdów z wysokim zawieszeniem (pojazdy ciężarowe) prowadzi do uzyskiwania dużej skuteczności detekcji osi tych pojazdów, jednakże wówczas uzyskuje się niską skuteczność detekcji osi pojazdów z nisko zawieszonym podwoziem – i na odwrót. Z tego względu podjęto prace nad układami kondycjonowania nowej generacji [8, 9, 10, 12].
Układy kondycjonowania z rozdziałem składowych impedancji charakteryzują się dwoma sygnałami wyjściami uzyskiwanymi przy udziale jednej pętli indukcyjnej (rys. 3). Układ kondycjonowania skonstruowany jest w taki sposób, że dostarcza dwóch elektrycznie ortogonalnych sygnałów. Są nimi informacja o przebiegu zmian rezystancji i zmian reaktancji podczas przejazdu pojazdu w polu czujnika pętlowego.
Rys. 3. Nowa struktura pętlowego systemu detekcji ruchu z wykrywaniem osi pojazdów.
Z badań autora wynika, że stosowanie układów kondycjonowania nowej generacji daje lepsze rezultaty niż standardowe, generatorowe układy kondycjonowania, czy układy mostkowe z torem demodulacji synchronicznej [7, 12]. Układy kondycjonowania nowej generacji pozwalają stosować parametryczne algorytmy przetwarzania profili magnetycznych rezystancji (profil R) i profili magnetycznych reaktancji (profil X). Sygnały te stanowią pierwotną informacją powstającą w wyniku dwóch zjawisk polowych: prądów wirowych i efektu ferromagnetycznego [12].
3. Algorytm detekcji osi pojazdów
Zaproponowany w pracy [12] algorytm detekcji osi pojazdów bazuje na dwóch informacjach zawartych w profilu R i w profilu X. W zależności od wyniku wstępnej klasyfikacji zawieszenia pojazdu (wysokie lub niskie) wykorzystywana jest w różnym stopniu informacja zawarta w profilu R. W wyniku statystycznych badań opartych na populacji 4000 pojazdów określono współczynniki z jakimi informacja zawarta w profilu R jest wykorzystywana w celu wygenerowania sygnału, będącego ważoną sumą profili R i X i jednocześnie dogodnego do progowej detekcji i zliczania osi pojazdów.
4. Podsumowanie
W pracy tej przedstawiono podstawowe informacje na temat czujników indukcyjnych pętlowych do detekcji osi pojazdów i układów kondycjonowania nowej generacji z rozdziałem składowych impedancji. Układy te pozwalają uzyskać dwa sygnały – magnetyczny profil rezystancji i magnetyczny profil reaktancji, dzięki którym możliwa jest detekcja osi pojazdów ze skutecznością 98-100%, oraz osi podniesionych ze skutecznością 71,8%. Przetestowany algorytm detekcji osi pojazdów może zostać zaimplementowany w systemie detekcji ruchu z automatyczną klasyfikacją pojazdów, bazującą na liczbie i ułożeniu osi w bryle pojazdu.
Bibliografia:
- Klein, L. A.: Sensor Technologies and Data Requirements for ITS, Artech House 2001.
- Gajda J., Piwowar P., Sroka R., Stencel M., Żegleń T.: Pomiary parametrów ruchu drogowego, Wydawnictwa AGH, 2012.
- Carter, Burgess, Best Practices Guidebook: Collecting Short Duration Manual Vehicle Classification Counts on High Volume Urban Facilities, FHWA (Federal Highway Administration), 2005.
- Stańczyk D.: Device to Detect Particularly One or Several Wheels of a Vehicle or of a Wheeled Mobile Engine and Process for Using this Device, US Patent 1997.
- Lees R. H.: Inductive loop sensor for traffic detection, and traffic monitoring apparatus and method using such a loop sensor, US Patent 2002.
- Oh C., Ritchie S.G.: Recognizing vehicle classification information from blade sensor signature, Pattern Recogn. Lett. vol. 28, nr 9, 2007, s. 1041-1049.
- Gajda J., Piwowar P., Sroka R., Stencel M., Żegleń T.: Application of inductive loops as wheel detectors, Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 2012, s. 57-66.
- Marszałek Z.: Sposób pomiaru składowych impedancji czujnika indukcyjnego i układ pomiarowy składowych impedancji czujnika indukcyjnego, Biuletyn Urzędu Patentowego 2012, s. 35.
- Marszałek Z., Sroka R., Stencel M.: A new method of inductive sensor impedance measurement applied to the identification of vehicle parameters, Metrology and Measurement Systems, 2011, s. 69-76.
- Żegleń, T.: Badania symulacyjne i eksperymentalne układu kondycjonowania sygnału czujnika indukcyjnościowego do detekcji obiektów metalowych, Materiały XVIII sympozjum: Modelowanie i symulacja systemów pomiarowych, 2011, s. 49-57.
- Marszałek Z.: Detekcja osi pojazdów z użyciem pętli indukcyjnej, Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej, 2013 nr 34, s. 43-47.
- Marszałek Z.: Analiza właściwości metrologicznych układów do detekcji osi pojazdów z wykorzystaniem czujników indukcyjnych pętlowych. Praca doktorska. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej, 2014.
O autorze:
Dr inż. Zbigniew Marszałek – ukończył studia na Wydziale Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki AGH w 2008 roku. W roku 2014 uzyskał stopień doktora nauk technicznych w zakresie elektrotechniki. Obecnie pracuje w Katedrze Metrologii i Elektroniki AGH. Jego zainteresowania naukowe skupiają się m.in. na systemach detekcji osi pojazdów samochodowych czujnikami indukcyjnymi pętlowymi i automatycznej klasyfikacji pojazdów dla zastosowań w ITS.
