U.S. Department of Transportation
FHWA 更新的《交通檢測手冊》將道路和道路道路檢測技術描述為 ITS 佈署的關鍵。
隨著道路上車輛增加，可用容量減少，交通堵塞已成為全國性問題。挑戰的一部分是在現有基礎設施上管理更多車輛的移動，這是智慧交通系統（ITS）的一個目標。
ITS 應用依靠交通流量感測器來提供車輛檢測；事故檢測；坡道計量資料；即時交通自適應訊號控制；道路數量和車輛分類檔案和規劃資料；以及旅行者、商業和緊急資訊服務的資料。這些 ITS 應用的成功，在很大程度上取決於感測器元件的正確設計、安裝和維護。
在過去的 17 年裡，感測器製造商開發了新的、更有效的車輛檢測技術，特別是用於過路感測器。在同一時期，製造商停產了一些公路和公路內車型。新硬體能夠更好地滿足 ITS 社群的期望。
為了教育交通界瞭解最新的感測器技術，聯邦公路管理局（FHWA，Federal Highway Administration）最近釋出了《交通探測器手冊》（FHWA-HRT-06-108和FHWA-HRT-06-139）的修訂版和重組版，這是一本關於地面街道、動脈和高速公路交通管理感測器的兩卷全面參考。1985 年和 1990 年出版的手冊的前幾版需要更新，以反映感測器硬體和安裝的演變、成熟和實踐狀態。
FHWA 營運研究與發展辦公室前主任安託瓦內特·威爾伯，在修訂版的前言中寫道：「《交通探測器手冊》第三版的目標是提供一份全面的參考檔案，以幫助執業的交通工程師、規劃師或技術人員選擇、設計、安裝和維護訊號交叉路口和高速公路的交通感測器。」 她補充說：「本手冊中包含的資訊是基於對美國和其他地方司法管轄區，使用的可用治療方法和最佳做法的最新研究。」
修訂後的手冊討論了選擇、配置、安裝、操作和維護交通感測器，以及感測器在高階訊號控制、坡道計量、事故檢測、高效走廊操作、收費、旅行時間收集和其他資料、優先車輛和行人檢測、車輛/駕駛員安全和其他 ITS 功能的新應用。對 ITS 應用的增強描述，以及修訂版中討論的其他改進，可以幫助交通部（DOT，Department of Transportation）確保公共資金的長期節約。
感測器的類型
正如手冊中定義的那樣，「交通流量感測器是一種裝置，它指示車輛的存在或透過，並提供資料或資訊，支援交通管理應用，如訊號控制、高速公路幹線和坡道控制、事故檢測，以及收集車輛體積和分類資料，以滿足州和聯邦報告要求。」
道路內感測器（In-roadway sensors）嵌入人行道或路基，或用標註或其他方式連線到道路表面。過路感測器安裝在道路上方或旁邊。
道路內感測器的主要類型之一是電感環探測器，它由嵌入道路路面鋸切的鋼絲環組成。導電金屬物體，如車輛在感測器檢測區域內經過或停止，會降低環路的電感（一種電氣屬性），產生電訊號，透過路邊接線盒（「拉動箱」）傳輸到控制器櫃中的電子單元。電子單元分析訊號，將其解釋為車輛的存在或經過，並向控制器發出適當的呼叫。
根據修訂後的手冊，「今天，電感環探測器是迄今為止現代交通控制系統中，使用最廣泛的感測器。」 該手冊澄清了為十字路口和高速公路應用設計功能正常的電感環形探測器系統所需的計算。
 | 這個用於感應環感測器的電子單元，能夠辨識 20 多個車輛類型。 |
其他道路感測器（in-roadway sensors）包括磁性探測器和磁力計，可以放置在道路或橋樑下方。磁探測器可以感知附近含有黑色材料的車輛經過，造成的地球磁場變化。磁力計測量車輛透過或存在造成的地球磁場差異。它作為存在感測器的能力使其能夠檢測已停的車輛。因為這兩個感測器都是被動裝置，所以它們不會傳輸能量。因此，車輛的一部分必須透過感測器才能被檢測到。磁力計可以檢測到兩輛相距只有 0.3 米（1.0 英尺）的車輛。這可能會使磁強計與計數車輛時的感應環探測器一樣準確，甚至更好。
過路感測器（Over-roadway sensors）的例子包括影像圖像處理器，該處理器使用安裝在道路附近的高杆，或道路上的交通訊號桅杆臂上的攝影機；安裝在道路沿線或上方的微波雷達、雷射雷達、超音波和被動紅外線感測器；以及安裝在道路沿線的聲學感測器。 所需的安裝配置是預期應用程式的功能。現代過路感測器為感應環路探測器，提供了可行的替代方案。
新手冊中的主要變化包括增強的紅外線和微波感測器、影像圖像處理器和磁力計感測器的描述。
感測器應用和功能
用於交通控制和管理的感測器應用不斷發展。感測器最初用於訊號化交叉口控制，現在為交通自適應訊號控制、解決高速公路上的反覆和非反覆堵塞提供即時資料，以及為道路使用和規劃目的，收集數量和車輛分類資訊等應用。
手冊中討論的技術是流量管理應用的時間測試，儘管有些技術可能無法提供特定用途所需的資料。一些技術，如影相和圖像處理、微波和雷射雷達，以及感應環形探測器，透過增加測量其他交通參數的能力，如車輛長度、分類或加速，繼續發展；追蹤車輛；提高空間解析度；或將一個感測器的資料連結到另一個感測器。製造商正在將技術組合整合到一個單元中，以便在各種交通流條件下提供更強大的資料。
今天使用的大多數車輛感測器都監測車輛經過給定點的運動。獲取的資料被傳輸到訊號控制器、流量計數器或其他裝置。控制器或計數器在本地處理一些資料，而其他資料在交通管理中心傳輸到中央電腦或顯示器螢幕。
雖然單個感應環探測器傳輸有關車輛通行和存在的直接資訊，但其他交通流量參數，如密度和速度，必須從解釋或分析測量資料的演算法中得出。當從歸導環資料計算這些參數時，對於某些應用（例如快速檢測高速公路事故）來說，這些值可能不夠準確。
路面惡化、安裝不當和與天氣相關的影響，會降低道路感測器（如感應式環形探測器）的執行。街道和公用事業維修也會損害環路的完整性。因此，需要有效的環路安裝、驗收測試、維護和維修計劃。
另一方面，根據手冊，「公路感測器作為訊號控制和高速公路交通管理的即時資料來源越來越受歡迎。這是因為他們能夠從單個感測器提供多條車道資料，減少維護並提高安裝人員的安全性，迴圈或磁強計無法獲得的資料類型，以及有競爭力的購買和安裝成本。」
使用過路感測器測量的交通流量參數，滿足了許多當前高速公路和地面街道應用的精度要求，前提是有合適的安裝。 在操作方面，安裝位置必須提供不受阻礙的車輛檢視，以獲得最佳效能。
當感測器直接安裝在它打算監控的車道上時，它的視野和收集資料的能力不會受到阻礙。但是，當感測器安裝在道路側面，並以與交通流方向的垂直或傾斜角度檢視多條車道時，高大的車輛可能會阻擋其遠處車道的視野，可能導致計數不足或錯誤的平均速度測量。因此，必須根據預期應用分析感測器類型、安裝高度和位置、車輛組合、道路配置和感測器視角。
用於檢測小型和大型車輛的感應環形配置
修訂後的手冊在靈敏度和響應時間方面，比較了各種感應環數位電子單元。較新的單元和環路配置可以對車輛進行分類。開發了電感環的特殊配置，以檢測車軸及其在車輛上的相對位置。此類系統用於收費廣場，以獲取車輛類型的正確付款。獲得的資料是車輛類型、長度、速度、加速度、車軸數和車軸分離。
修訂後的手冊還改進了檢測小型和大型車輛的電感計算解釋。與檢測腳踏車相關的固有問題之一，是確保駕駛人在環路檢測區內踩踏板。當腳踏車或摩托車沿著環形線行駛時，導導輪輞和車架會誘導渦流。當迴路直接在環線上時，電感環和迴路之間的耦合最大化 —— 從而檢測迴路。環路系統靈敏度被定義為電子單元終端的最小電感變化，這將導致控制器啟動。美國許多州規定，電子單元必須響應 0.02% 的電感變化。
感測器的選擇
選擇感測器的交通經理應考慮預期應用、易於安裝和維護以及設計要求。
為特定應用選擇感測器取決於資料引數、資料準確性、空間解析度、檢測區域、適當的資料傳輸介質、特定位置的安裝要求、初始成本以及感測器將承擔的維護負擔的可接受性。作為遴選過程的一部分，交通經理應單獨和組合評估這些標準。
安裝和維護道路內感測器，如電感環路和磁性感測器，可能會擾亂交通，並對安裝人員構成安全風險。但出於多種原因，交通經理繼續使用道路內感測器，包括（1）審美考慮，（2）與車軸計數和運動稱重應用的整合，需要在路面下或路面上安裝感測器，（3）與在現有結構不可用的情況下安裝過路感測器相關的成本和安全問題，以及（4）禁止在某些地點使用過路感測器的政策。當新安裝的電感環探測器，與幾家製造商提供的先進電子裝置相結合時，它們也可以提供比許多過路感測器更準確的資料。
至於維護，儘管用途有限，但通道檢測磁探測器仍然設法保持了一些知名度，主要是因為它堅固耐用，使用壽命長，維護最少。
感測器技術和操作理論顯示，主要的道路內感測器（感應環、存在檢測磁強計和通道檢測磁探測器）適用於某些應用，但不適用於其他應用。例如，磁性探測器通常不能用於車輛存在檢測。
在易於安裝方面，手冊指出：「如今，代理商往往對消除鋸切或用鑽孔取代鋸切表示有利。不斷惡化的路面的普遍性，使人們對安裝預製環路、微環路，或已經安裝了感測器的路面板更感興趣。」 同樣的擔憂往往導致道路上方感測器的選擇。
最後，十字路口車輛檢測的感測器選擇，是控制器生成的定時間隔類型和計算間隔所需的相應資料的函式。因此，應在設計過程的早期選擇定時間隔類型。
影響選擇的其他優點和缺點
該手冊比較了當前感測器技術在惡劣天氣、可變照明和多變交通流下的安裝、測量引數和效能方面的能力、優勢和劣勢。
感測環路、磁探測器和磁力計等道路感測器的良好效能，部分原因是它們靠近經過它們的車輛。另一個優點是，他們對雨、霧和雪等惡劣天氣不敏感。他們的主要缺點是道路內安裝，這需要鋪路。此外，電感環探測器並不總是適合某些交通訊號應用。例如，長環路不適合檢測過度飽和流量或車輛排長隊。
由於磁強計的探頭埋在地表以下的鑽孔中，這些裝置在美國東北部各州和其他寒冷地區特別有用，那裡的路面因熱膨脹和收縮而惡化得更快，並受到除雪裝置的損壞。另一個優勢是，磁強計探針和鉛線，往往在比普通環路更長的碎路面中存活。
與感應環形探測器不同，磁力計通常會在存在無塗層鋼的橋面上執行，不允許切割甲板路面進行環路安裝。另一個好處是，它們需要更少的線性英尺的鋸切。現代磁強計採用水準軸和垂直軸感測器。 因此，它們幾乎可以在任何地方執行。
過路（Over-roadway）雷射雷達感測器，在近紅外光譜中傳輸能量，該光譜略高於可見波長光譜。雷射雷達的一個優點是，它可以傳輸多個光束，以準確測量車輛的位置、速度和等級。最多可以報告 11 個標準類和 20 個使用者自定義的類。但其執行可能會受到霧或吹雪的影響，當這種條件將能見度限制，在從感測器到道路的距離小於 6 米（20 英尺）時。另一個缺點是，它的安裝和維護，包括定期清潔鏡頭，在安裝在道路上方時需要關閉車道。
微波雷達感測器傳輸頻率調製波形，支援測量感測器與車輛之間的距離，當安裝在道路沿線時，可以檢測幾條車道中停止和移動的車輛。當安裝在特定車道上方時，他們可以在一條車道的多個區域檢測車輛。但傳輸連續波訊號（頻率恆定的訊號）的微波雷達感測器，無法檢測到停止的車輛，通常僅限於監控一條車道的交通，因此交通經理在為所選應用選擇感測器時，應考慮這些限制。存在檢測微波雷達提供的資料包括數量、車道佔用率、速度和車輛長度。
影像圖像處理器（VIPs，Video Image Processors）通常由一個或多個攝影機、用於數位化和分析影像的電腦，以及用於解釋圖像並將其轉換為流量資料的軟體組成。黑白圖像分析由演算法進行，該演算法檢查影像幀中包含的畫素組（圖片元素）中灰度的變化。影像圖像處理器系統可以跨多條車道和單車道的多個區域提供交通流資料。影像圖像處理器可以按車輛長度對車輛進行分類，並報告每個等級和車道的車輛存在、體積、車道佔用率和速度。影像圖像處理器還可以登記車輛轉彎和車道變更。
但影像圖像處理器需要他們監控區域的視線檢視，並且容易受到惡劣天氣的影響。當攝影機安裝在道路上時，安裝和維護，包括定期清潔鏡頭，需要關閉車道。效能受車輛陰影的影響；日夜過渡；陽光閃爍；車輛/道路對比度；以及攝影機鏡頭上的水、鹽垢、冰柱和蜘蛛網。可靠的夜間訊號執行，需要街道照明和攝影機安裝高度為 9 至 15 米（30 至 50 英尺），採用側面安裝配置，以進行最佳的存在檢測和速度測量。一些模型容易受到強風和安裝結構振動引起的攝影機運動的影響。
手冊指出：「似乎很清楚的是，[正在]考慮使用影像檢測的機構應該謹慎對待它，因為有很多陷阱 ...... 似乎很明顯，確保選擇能夠提供影像檢測技術最新改進的供應商也很重要。」另一方面，該手冊補充說，當需要許多檢測區域或專門資料時，影像圖像處理器通常具有成本效益。
最後，該手冊比較了感測器購買硬體和軟體的成本，以及安裝、維護和維修 —— 所有成本都應計入選擇決定。例如，安裝成本包括為技術人員準備路面或地下（用於感應環或其他表面或地下感測器），安裝感測器和安裝結構（如果過路感測器需要），購買和安裝管道，關閉車道，改道，根據需要提供安全措施，並在安裝完成後驗證裝置的正常執行。
安裝：當前最佳實踐
與感測器安裝相關的機械操作往往會帶來挑戰。例如，安裝電感環探測器需要批准的程式，以切割人行道上的插槽，在插槽中鋪設線圈，扭曲電線，用密封劑覆蓋它們，去除多餘的密封劑，將電線拼接到電纜上，並將電纜連線到控制器櫃中的電子單元。
對於過載道路感測器，會出現類似的任務和問題，如安裝安裝結構、電源和資料電纜、感測器對齊和校準驗證。過路感測器需要標誌橋、桅杆臂、杆子或類似的架空結構進行安裝。如果這種結構尚未到位，則必須安裝它以支援感測器。
過路感測器的視野，即檢測車輛和收集資料的道路上區域，是感測器安裝高度和孔徑尺寸、要監控的車道安裝位置的偏移、道路上的海拔變化和曲線以及可能阻擋視野的物體的函式。 安裝此類感測器時必須考慮這些因素。
交通機構的安裝技術和理論差異很大。正如手冊中所指出的那樣，「隨著時間的推移，程式往往變得過時或不再有效；然而，人們往往對變化有很大的抵制。在許多情況下，承包商使用專有的快捷方式（和缺點）進行感測器安裝。」 手冊指出：「安裝不當或草率，會導致許多觀察到的感測器故障和訊號故障。」
修訂後的手冊中有關安裝的主要更改，包括更新安裝感應式迴路的程式，以及包含描述道路以上感測器安裝的新材料。由於導線潮溼或斷裂造成的故障，趨勢是在密封鋸切之前將環形導線包裹並密封在保護層中。一些機構選擇預纏電線或在商店中預裝環路，以確保適當的轉彎次數並減少道路上的安裝時間。此外，許多感應環形探測器現在在新道路施工或重新鋪設期間，被內建在人行道上。
維護和故障排除
手冊指出，「使用適當的感測器安裝技術和規格合適的材料和產品將最大限度地減少維護和其他生命週期成本。然而，即使有卓越的設計和安裝，適當和定期的感測器維護，對於交通訊號控制系統和高速公路監控和管理系統的有效和長期執行極為重要。」
許多因素，如預算不足和人員不足，都可能導致缺乏維護。根據手冊，預算問題繼續困擾交通機構，導致成本意識經常只關注初始成本，而不是終身成本。因此，由於初始成本較低，在原始安裝中使用了更便宜的產品、材料和工藝。
多年來，與電感環探測器相關的維護問題發生了很大變化。例如，電感迴圈的電子單元，以前佔感測器故障的很大一部分，已經成熟到許多目前可用的數位模型很少發生故障的地步。認識到對維護費用的大量需求，一些製造商增加了電路，減少了故障呼叫的頻率，以重置連線到故障環路的單元。
維護和生命週期成本，可以部分由公佈的故障間隔平均時間值決定。一些過路感測器被設計為在潛在故障發生前，執行 35,000 至 90,000 小時。閃電和其他自然或人為失效模式的影響，不包括在這個數字中。在 10 年的時間裡，這些裝置的維護和更換成本可能大大低於感應環路，特別是如果商用車輛負載、底土差、惡劣天氣和公用事業改進，經常需要道路重鋪設和環路更換。
一項關於德克薩斯州休斯頓電感式迴路維護成本的 10 年研究發現，在 1989-1998 年研究期間，保持的 600 至 1000 個十字路口，每年只有 42 個故障，多達 341 個故障。 每個十字路口的計算環路更換成本，從 107 美元到 628 美元不等。每個交叉點的實際成本可能更高，因為計算假設所有交叉點都有迴圈（有些沒有啟動，因此不使用迴圈），100% 的迴圈故障被發現（有些沒有），除了更換外，沒有進行任何維護。
同樣，在密西根州奧克蘭縣道路委員會，使用的四個影像圖像處理器系統的維護成本摘要中，從 1995 年到 1998 年，每月攝影機維護平均為 5.05 美元，每月處理器維護平均為 26.71 美元。研究中總共包括 692 支攝影機和 194 台控制器。成本包括勞動力；附加福利；以及卡車、升降機和無線電裝置。
最後一句話
隨著製造商開發新技術和淘汰舊型號，交通感測器的世界正在迅速變化。新版《交通檢測手冊》將使使用者能夠根據感測器的能力，為各種應用選擇特定技術，並配置、安裝和維護感測器，以實現機構的交通管理目標。
大衛·吉布森是 FHWA 營運研發辦公室，賦能技術團隊的高速公路研究工程師。他是一名註冊的專業交通工程師，擁有維吉尼亞理工學院和州立大學的交通學碩士學位。他感興趣的領域包括交通感測器技術、交通控制硬體、建模和交通工程教育。他和 Milton K 一起工作。「皮特」·米爾斯在前兩版《交通探測器手冊》和最初的 170 型交通訊號控制器系統上。
米爾頓·K 「皮特」米爾斯是一名電氣工程師，現已退休，來自 FHWA 特納-費爾班克公路研究中心（TFHRC）的安全研究與開發辦公室。他擁有北卡羅來納州立大學的電氣工程學士學位，和美國天主教大學的碩士學位。自 1968 年以來，在 TFHRC，他負責管理和評估，從基礎設施中感知車輛和從車輛中感知基礎設施的系統。他目前的興趣包括感測器開發和應用、影像處理方法、超級方程外殼軟體和數值誤差傳播。在加入 TFHRC 之前，他測試和評估了美國的飛機和航太器天線系統。海軍和國家航空航太局。
勞倫斯A. Klein 博士為 ITS 的感測器和資料融合方法，和國土安全多感測器概念的開發，帶來了 30 多年的航空航太和交通管理經驗。他是《交通探測器手冊》第三版的主要作者；ITS 的感測器技術和資料要求，該手冊討論了交通和運輸管理的感測器應用；感測器和資料融合：資訊評估和決策工具，介紹了用於辨識和追蹤物體的資料和感測器融合架構和演算法；以及描述多感測器設計和效能的毫米波和紅外線多感測器設計和訊號處理。
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