ITS傳感器概述及視頻檢測(cè)技術(shù)的研究

一、概述
從信息處理的角度看，ITS系統(tǒng)涉及到數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、信息發(fā)布和信息利用，上述這些環(huán)節(jié)就構(gòu)成了ITS的信息鏈，如圖1所示。智能交通管理系統(tǒng)(ITMS)是智能交通系統(tǒng)(ITS)的重要組成部分，而各種交通信息采集是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化的前提。

智能交通管理系統(tǒng)(ITMS)是智能交通系統(tǒng)(ITS)的重要組成部分，是利用現(xiàn)代信息技術(shù)為核心，利用先進(jìn)的通訊、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、視頻監(jiān)控技術(shù)，按照系統(tǒng)工程的原理進(jìn)行系統(tǒng)集成，使得交通工程規(guī)劃、交通信號(hào)控制、交通檢測(cè)、交通電視監(jiān)控、交通事故的救援及信息系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通的實(shí)時(shí)控制與指揮管理。智能交通管理系統(tǒng)的紐帶是各子系統(tǒng)間的信息交換，這些信息包括控制對(duì)象的原始信息和控制指令信息。智能交通管理系統(tǒng)包括信息檢測(cè)、信息分析與處理、判斷、執(zhí)行等幾個(gè)環(huán)節(jié)。因此，交通信息采集被認(rèn)為是ITS的關(guān)鍵子系統(tǒng)，是發(fā)展ITS的基礎(chǔ)，成為交通管理智能化的前提，無(wú)論是交通控制還是交通違章管理系統(tǒng)，都涉及交通動(dòng)態(tài)信息的采集，交通動(dòng)態(tài)信息采集也就成為交通管理智能化的首要任務(wù)。智能交通系統(tǒng)(ITS)進(jìn)程較快的國(guó)家或地區(qū)都把交通信息采集技術(shù)作為重中之重加以開(kāi)發(fā)研究， 交通信息采集常用的技術(shù)有環(huán)形線圈、微波、視頻、超聲波等幾種檢測(cè)技術(shù)，下面列表加以討論。

二、系統(tǒng)功能及其采集內(nèi)容
先進(jìn)的交通管理系統(tǒng)包括交通信號(hào)控制系統(tǒng)、閉路電視交通監(jiān)視系統(tǒng)、交通信息采集處理系統(tǒng)、車(chē)輛定位系統(tǒng)、交通誘導(dǎo)信息系統(tǒng)、交通管理地理信息系統(tǒng)、交通信息發(fā)布系統(tǒng)、信息移動(dòng)查詢(xún)系統(tǒng)。智能交通管理系統(tǒng)的功能由四大部分組成：
①交通狀態(tài)檢測(cè)：檢測(cè)道路交通運(yùn)行情況，檢測(cè)交通流狀態(tài)，實(shí)時(shí)傳輸和處理交通數(shù)據(jù)及信息；
② 交通動(dòng)態(tài)控制：交通信號(hào)控制，道路網(wǎng)交通流量措施，緊急事件快速響應(yīng)；
③ 交通信息發(fā)布：發(fā)布道路交通信息，通告交通突發(fā)事件和疏導(dǎo)措施，誘導(dǎo)司機(jī)駕駛行為；
④道路運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)：建立交通信息數(shù)據(jù)庫(kù)，評(píng)價(jià)道路運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)交通發(fā)展趨勢(shì)，為道路交通規(guī)劃提供數(shù)據(jù)分析。
在智能交通管理系統(tǒng)的四大功能中以采集交通數(shù)據(jù)為主的交通狀態(tài)檢測(cè)是整個(gè)交通管理系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)部分。只有提供真實(shí)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的交通數(shù)據(jù)，才能夠?qū)嵭泻侠淼男盘?hào)燈控制；才能夠發(fā)布實(shí)時(shí)信息誘導(dǎo)司機(jī)駕駛行為；才能夠快速響應(yīng)處理交通事故現(xiàn)場(chǎng)；才能夠正確評(píng)價(jià)道路運(yùn)行，為道路建設(shè)和交通規(guī)劃提供有力的決策支持。
通常，ITMS的這些子系統(tǒng)按照不同的要求采集各自的交通動(dòng)態(tài)信息，各子系統(tǒng)之間采集的交通動(dòng)態(tài)信息，再通過(guò)ITMS盡可能整合，并進(jìn)行統(tǒng)一的交換和信息處理，交ITMS的交通動(dòng)態(tài)信息包括了：
① 交通流信息采集：車(chē)流量；瞬時(shí)速度、時(shí)間平均速度、空間平均速度；時(shí)間占有率、空間占有率；車(chē)頭時(shí)距；車(chē)輛長(zhǎng)度分類(lèi)；車(chē)隊(duì)長(zhǎng)度。
交通流信息采集通常由交通動(dòng)態(tài)信息采集處理系統(tǒng)或交通信號(hào)控制系統(tǒng)來(lái)完成，其中交通信號(hào)控制系統(tǒng)可以按其控制參數(shù)要求采集數(shù)據(jù)，也可以結(jié)合交通動(dòng)態(tài)信息處理系統(tǒng)采集以上交通信息。
②交通事件檢測(cè)：車(chē)隊(duì)擁堵；違章停車(chē)；逆行；闖紅燈；超速；越線。
交通事件檢測(cè)通常由交通動(dòng)態(tài)信息采集處理系統(tǒng)或交通違章采集系統(tǒng)來(lái)完成。
③ 交通事故檢測(cè)：車(chē)隊(duì)擁堵／交通事故地點(diǎn)。
交通流信息采集通常由交通動(dòng)態(tài)信息采集處理系統(tǒng)或交通信號(hào)控制系統(tǒng)結(jié)合GIS系統(tǒng)來(lái)完成，其中交通信號(hào)控制系統(tǒng)可以按其控制參數(shù)要求采集數(shù)據(jù)，也可以結(jié)合交通動(dòng)態(tài)信息采集處理系統(tǒng)采集以上交通信息。
三、視頻采集技術(shù)及其特點(diǎn)
交通信息采集的方法和技術(shù)很多，其中，視頻檢測(cè)技術(shù)具有大區(qū)域、大信息量、多功能的特點(diǎn)，正成為交通動(dòng)態(tài)信息采集技術(shù)主流。下面重點(diǎn)分析視頻交通動(dòng)態(tài)信息采集技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)智能交通管理系統(tǒng)中綜合應(yīng)用視頻交通信息采集技術(shù)進(jìn)行技術(shù)探討。
智能交通管理系統(tǒng)要獲得完整有效的交通數(shù)據(jù)，從技術(shù)實(shí)質(zhì)上可歸結(jié)為兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題一是合適的交通采集技術(shù)；二是適應(yīng)我國(guó)交通環(huán)境的交通采集技術(shù)設(shè)施。
交通動(dòng)態(tài)信息采集技術(shù)常用的是環(huán)形線圈、微波、視頻、超聲波等幾種檢測(cè)技術(shù)。目前，我國(guó)交通管理系統(tǒng)普遍采用的檢測(cè)器有：檢測(cè)交通數(shù)據(jù)的環(huán)形線圈和監(jiān)視道路運(yùn)行狀況的閉路電視攝像機(jī)。環(huán)形線圈以可靠性好精度高的優(yōu)勢(shì)，在交通檢測(cè)設(shè)備中占有重要的一席之地。但是，它鋪敷在路面下，容易受車(chē)輛持續(xù)碾壓、振動(dòng)、道路維修、路基裂縫等影響而損壞，營(yíng)運(yùn)管理維護(hù)費(fèi)用由此而增加。尤其是大交通流環(huán)境下，一旦出現(xiàn)故障，難以做到封閉車(chē)道及時(shí)修復(fù)。反復(fù)如此，檢測(cè)環(huán)的故障率居高不下，是現(xiàn)有交通檢測(cè)設(shè)備不能獲取有效數(shù)據(jù)的主要原因。
而視頻采集技術(shù)利用視頻、計(jì)算機(jī)及現(xiàn)代通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通動(dòng)態(tài)信息的采集，系統(tǒng)通過(guò)安裝在路門(mén)或路段的攝像機(jī)采集交通圖像，再進(jìn)行圖像處理，得到車(chē)流量、瞬時(shí)車(chē)速度、指定時(shí)間段內(nèi)的車(chē)速統(tǒng)計(jì)平均值、車(chē)型分類(lèi)、占有率、平均車(chē)距、檢測(cè)交通事故等交通動(dòng)態(tài)信息，從而為交通的信號(hào)控制、信息發(fā)布、交通誘導(dǎo)、指揮提供實(shí)時(shí)交通動(dòng)態(tài)信息。通常一臺(tái)攝像機(jī)可觀測(cè)多車(chē)道，系統(tǒng)可以處理多個(gè)攝像機(jī)拍攝的數(shù)據(jù)。視頻采集技術(shù)對(duì)視頻交通圖像數(shù)據(jù)處理及特征提取都是實(shí)時(shí)進(jìn)行的，其處理過(guò)程如圖2所示。

圖2

視頻交通信息采集系統(tǒng)的攝像機(jī)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行拍攝，將拍攝到的圖像進(jìn)行存儲(chǔ)并數(shù)字化，對(duì)圖像初步處理，去掉多余信息；接著對(duì)圖像進(jìn)行分區(qū)；按一定算法對(duì)各分區(qū)圖像處理，提取特征信息；根據(jù)特征信息進(jìn)行車(chē)輛記數(shù)、分類(lèi)。根據(jù)相鄰圖片計(jì)算車(chē)速；最后在拍攝區(qū)域內(nèi)跟蹤所辨識(shí)出的車(chē)輛。
視頻交通信息采集技術(shù)中交通圖像處理有兩種算法。第一種是將攝像機(jī)拍攝的區(qū)域分成若干小區(qū)域，視頻交通信息采集系統(tǒng)對(duì)小區(qū)域進(jìn)行圖像處理。小區(qū)域可以與車(chē)道垂直、平行、斜交。由于視頻交通信息采集系統(tǒng)一個(gè)攝像機(jī)的檢測(cè)區(qū)域可跨多車(chē)道，所以一個(gè)視頻交通信息采集系統(tǒng)可以代替許多環(huán)形線圈或其它檢測(cè)器，對(duì)更大區(qū)域進(jìn)行車(chē)輛檢測(cè)；另一種是連續(xù)跟蹤在攝像機(jī)拍攝區(qū)域內(nèi)行駛的車(chē)輛，通過(guò)對(duì)車(chē)輛的多次圖像信息采集確定車(chē)輛圖像不變，就對(duì)車(chē)輛圖像進(jìn)行記錄、并計(jì)算其速度和車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度。
視頻交通信息采集技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)。拍攝區(qū)域廣，可獲得一個(gè)區(qū)域交通圖像信息，可對(duì)交通狀況做出更全面了解，測(cè)量信息更準(zhǔn)確；交通圖像包含信息量豐富，可獲得更為豐富的車(chē)輛信息，如車(chē)的外型、車(chē)的顏色、車(chē)的功能(通過(guò)外型來(lái)辨別)、交通信息(車(chē)流密度、車(chē)速、交通事故)、甚至氣象信息等等。以視頻采集技術(shù)為主體的交通動(dòng)態(tài)信息采集系統(tǒng)的示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 以視頻技術(shù)為主體的交通動(dòng)態(tài)信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

視頻檢測(cè)技術(shù)與其他檢測(cè)技術(shù)相比，具有如下特點(diǎn)：
· 安裝方便，不破壞路面，施工時(shí)基本不影響交迅
· 利用多種探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)不同的采集功能；
· 探測(cè)器設(shè)置方便、靈活；
· 可以實(shí)現(xiàn)大區(qū)域交通信息采集；
· 系統(tǒng)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展性好、系統(tǒng)運(yùn)行效率高；
· 實(shí)時(shí)對(duì)多車(chē)道的車(chē)流量、占有率、平均車(chē)速等信息進(jìn)行采集和統(tǒng)計(jì)；
· 實(shí)時(shí)進(jìn)行機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)型的采集區(qū)分和統(tǒng)計(jì)；
· 實(shí)時(shí)進(jìn)行各種交通異常狀況的采集和報(bào)警，如擁堵、事故等；
· 實(shí)時(shí)進(jìn)行各種車(chē)輛違章行為的采集，如超速、闖紅燈、逆行、違章變線、違章停車(chē)、違章占用車(chē)道等；
· 在從視頻交通數(shù)據(jù)抓取的圖像中實(shí)時(shí)地自動(dòng)檢測(cè)和識(shí)別車(chē)牌號(hào)碼；
· 靜態(tài)圖像中的車(chē)輛及車(chē)輛行為采集與識(shí)別；
· 維護(hù)方便。
四．智能交通管理系統(tǒng)中視頻采集技術(shù)的應(yīng)用
1．在交通動(dòng)態(tài)信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用
為了更好地評(píng)估交通工程和交通管理措施，為今后交通規(guī)劃提供決策依據(jù)，城市交通管理部門(mén)都需要安裝交通動(dòng)態(tài)信息采集系統(tǒng)采集交通動(dòng)態(tài)信息，交通動(dòng)態(tài)信息采集系統(tǒng)以視頻技術(shù)為主，結(jié)合其它采集技術(shù)來(lái)完成交通動(dòng)態(tài)信息采集任務(wù)，圖3是以視頻技術(shù)為主體的交通動(dòng)態(tài)信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，它包含了一部分環(huán)形線圈和超聲波檢測(cè)器等，從而構(gòu)成相互補(bǔ)充的綜合性交通信息采集系統(tǒng)。
2．在交通違章檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用
交通違章行為有多種，可以采用視頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)違章越線的檢測(cè)，如圖所示為采用視頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)違章越線的檢測(cè)與圖片抓拍系統(tǒng)的案例。

3．在交通信號(hào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
交通信號(hào)控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集功能和對(duì)交通流組織與控制的作<