Sistema para la detección de vehículos que circulan por una vía a partir del sonido.

El sistema objeto de la invención tiene la finalidad de analizar el sonido captado por uno o varios micrófonos y detectar el tipo de vehículo o vehículos que circulan por la vía y la velocidad a la que lo hacen. Los datos obtenidos permiten conocer el número de vehículos de cada clase que circulan por una vía. Además, se puede conocer la velocidad a la que circulan los vehículos y puede determinarse el sentido de circulación. El sistema consiste en uno o varios micrófonos para la captura del sonido (1), y una tarjeta electrónica (2) compuesta por los siguientes bloques: un conversor analógico/digital (3), un sistema dedicado a la clasificación de los sonidos compuesto por un bloque de extracción de características (4) y un algoritmo de clasificación lineal (5), un algoritmo para la estimación de la velocidad del vehículo (7) y un módulo de comunicaciones (6)

Sistema para la detección de vehículos que circulan por una vía a partir del sonido.

Sector de la técnica

La presente invención se refiere a un sistema de clasificación automática de sonidos que, mediante el uso de uno o varios micrófonos y una placa electrónica para la captura y procesado de señales, es capaz de decidir qué tipo de vehículo (ligero o pesado) circula por una o varias vías utilizando para ello algoritmos de procesado de señales sonoras. El sistema es capaz asimismo de estimar la velocidad a la que circula dicho vehículo.

El sistema captura, por medio de un conversor analógico/digital, la señal de audio procedente del micrófono. Esta señal se procesa para extraer las características necesarias por el algoritmo de clasificación, que es el encargado de decidir la clase a la que pertenece el vehículo grabado. El sistema devuelve a su salida el tipo de vehículo detectado así como la hora de paso de dicho vehículo. Por otra parte, el sistema estima, mediante las señales de los micrófonos, la velocidad a la que circula el vehículo y el sentido de circulación.

Estado de la técnica

El estándar internacional ISO 1996-2, "Acoustics: Description, measurement and assessment of environmental noise. Part 2: Determination of environmental noise levels" establece en su punto 6.2.1 que para medir el nivel equivalente de presión sonora debido a ruido de tráfico es necesario contar el número de vehículos que pasan durante el intervalo de medida. Asimismo se establece que la medición debe realizarse teniendo en cuenta al menos dos clases de vehículos, "pesados" y "ligeros", entendiendo por pesados a todos aquellos cuyo peso exceda los 3500 Kg. Para realizar esta labor se puede contar con una persona encargada de "clasificar" a mano los vehículos mientras se realiza la medida. Otras alternativas para detectar el tipo de vehículo son el uso de cámaras de vídeo o la instalación de una báscula que determine el peso del vehículo. Aunque la norma especifica que sólo es necesario tener en cuenta, al menos, dos clases de vehículos, la presente invención contempla la posibilidad de clasificar entre un número mayor de clases. Para ello basta con entrenar el algoritmo de clasificación para adaptarse a esta nueva situación.

En la patente americana 5,619,616 se define un sistema de clasificación de vehículos que utiliza una entrada de audio pasiva a una red neuronal. La primera reivindicación se refiere a un sistema que aplica una función de lógica difusa al espectro de energía y utiliza el vector resultante como entrada a una red neuronal que es la encargada de designar la clase de dicho vector.

La presente invención utiliza parámetros relacionados con el timbre de la señal para generar un vector, que será utilizado por un clasificador lineal de cara a designar la clase de dicho vector. La principal ventaja del método propuesto radica en el reducido coste computacional, lo que permite su implementación en plataformas hardware de bajo coste. Asimismo, se utiliza un clasificador determinista al contrario que las redes neuronales. La presente invención permite la clasificación de los vehículos en un número arbitrario de clases, incluyendo clases mixtas como "paso simultáneo de turismo y vehículo pesado". Para ello tan solo es necesario entrenar el clasificador acorde con la situación prevista.

La ventaja del método propuesto consiste en que con un simple micrófono, o varios, si se quiere estimar la velocidad, se puede determinar el tipo de vehículo que circula por la vía, pudiéndose así realizar todas las estadísticas que sean necesarias. Además debe considerarse la posibilidad de que alguno de los micrófonos del sistema se utilice también para medir el nivel de presión sonora (SPL).

Explicación de la invención

El sistema desarrollado para la detección de vehículos a partir del sonido está compuesto por: un micrófono (1) que es el encargado de convertir las señales de presión sonora en señales eléctricas, un conversor analógico/digital (3) que convierte la señal analógica en un conjunto discreto de valores para representar los niveles de la presión sonora. La frecuencia de muestreo del conversor analógico digital puede variar dependiendo de la situación.

Posteriormente, por una parte, el bloque de extracción de características (4) transforma la señal digital obtenida del conversor analógico/digital en un vector de valores dependientes del tipo de vehículo que circula por la vía. Este vector es utilizado por un algoritmo de clasificación lineal (5) para tomar la decisión final del tipo de vehículo del que se trata.

Por otra parte, el bloque de estimación de la velocidad (7) mide la frecuencia fundamental de la señal de uno de los micrófonos en el instante de paso del vehículo y en un instante posterior. A partir de la diferencia de los valores de estas frecuencias se estima la velocidad a la que circula el vehículo por la vía.

Finalmente estos datos son transmitidos por el bloque de comunicaciones (6) junto con la hora a la que se ha producido el paso.

Descripción de los dibujos

La figura 1 muestra un diagrama de bloques de la invención. El sistema consiste en uno o varios micrófonos para la captura del sonido (1), y una placa electrónica (2) compuesta por los siguientes bloques: un conversor analógico/digital (3), un sistema dedicado a la clasificación de los sonidos compuesto por un bloque de extracción de características (4) y un algoritmo de clasificación lineal (5), un algoritmo para la estimación de la velocidad del vehículo (7) y un módulo de comunicaciones (6).

La figura 2 muestra un esquema en planta del montaje de la invención. En una vía con varios carriles (8) (en la figura se muestran solo dos carriles, uno en cada sentido), se instalan los micrófonos (1) y la placa electrónica (2) conectada a ellos (en la figura sólo se representan dos micrófonos). El sistema así es capaz de evaluar el tipo de vehículo y la velocidad a la que circulan para los vehículos (11) y (12).

Modo de realización

El bloque de extracción de características (4) transforma los niveles de presión acústica digitalizados en un vector de valores que serán utilizados por el clasificador para determinar la clase a la que pertenece el sonido. La señal de audio se analiza por tramas de corta duración, calculando para cada una de ellas su transformada rápida de Fourier (FFT, Fast Fourier Transform), que es como sigue:

Donde

i representa el número de trama, k representa el número de muestra de la FFT y

N el tamaño, en muestras, de la trama.

A partir de la FFT, se extrae, para cada trama, el siguiente valor numérico:

donde M = ^N/₂, y α_k y b_k son coeficientes que se pueden variar dependiendo de la situación.

A partir de aquí, cada un número de tramas T, se calcula la media y la desviación típica de los parámetros X_i, como sigue:

Estos parámetros serán los que se introduzcan al clasificador (5), encargado de determinar la clase a la que pertenece el sonido. La realización preferida de este clasificador es la propuesta, consistente en un clasificador lineal de mínimos cuadrados. Este clasificador, para el caso de tener que distinguir entre tres clases, realiza su decisión en base al resultado de la siguiente operación lineal:

El sonido se decide que pertenece a la clase k si el valor de y_k es el mayor de los tres valores.

A partir de un conjunto de grabaciones de sonidos previamente etiquetadas con su correspondiente clase, es posible determinar el valor de los coeficientes w_ij y b_i, que minimizan el error cuadrático medio. Para ello podemos representar la expresión anterior de forma más compacta como:

Y = V.Q

1. Sistema de detección de vehículos a partir de su sonido, el cual comprende: