ITS傳感器概述及視頻檢測技術的研究

一、概述
從信息處理的角度看，ITS系統涉及到數據采集、數據處理、信息發布和信息利用，上述這些環節就構成了ITS的信息鏈，如圖1所示。智能交通管理系統(ITMS)是智能交通系統(ITS)的重要組成部分，而各種交通信息采集是實現系統智能化的前提。

智能交通管理系統(ITMS)是智能交通系統(ITS)的重要組成部分，是利用現代信息技術為核心，利用先進的通訊、計算機、自動控制、視頻監控技術，按照系統工程的原理進行系統集成，使得交通工程規劃、交通信號控制、交通檢測、交通電視監控、交通事故的救援及信息系統有機地結合起來，通過計算機網絡系統，實現對交通的實時控制與指揮管理。智能交通管理系統的紐帶是各子系統間的信息交換，這些信息包括控制對象的原始信息和控制指令信息。智能交通管理系統包括信息檢測、信息分析與處理、判斷、執行等幾個環節。因此，交通信息采集被認為是ITS的關鍵子系統，是發展ITS的基礎，成為交通管理智能化的前提，無論是交通控制還是交通違章管理系統，都涉及交通動態信息的采集，交通動態信息采集也就成為交通管理智能化的首要任務。智能交通系統(ITS)進程較快的國家或地區都把交通信息采集技術作為重中之重加以開發研究， 交通信息采集常用的技術有環形線圈、微波、視頻、超聲波等幾種檢測技術，下面列表加以討論。

二、系統功能及其采集內容
先進的交通管理系統包括交通信號控制系統、閉路電視交通監視系統、交通信息采集處理系統、車輛定位系統、交通誘導信息系統、交通管理地理信息系統、交通信息發布系統、信息移動查詢系統。智能交通管理系統的功能由四大部分組成：
①交通狀態檢測：檢測道路交通運行情況，檢測交通流狀態，實時傳輸和處理交通數據及信息；
② 交通動態控制：交通信號控制，道路網交通流量措施，緊急事件快速響應；
③ 交通信息發布：發布道路交通信息，通告交通突發事件和疏導措施，誘導司機駕駛行為；
④道路運行狀態評價：建立交通信息數據庫，評價道路運行狀態，預測預報交通發展趨勢，為道路交通規劃提供數據分析。
在智能交通管理系統的四大功能中以采集交通數據為主的交通狀態檢測是整個交通管理系統功能的基礎部分。只有提供真實、準確、實時的交通數據，才能夠實行合理的信號燈控制；才能夠發布實時信息誘導司機駕駛行為；才能夠快速響應處理交通事故現場；才能夠正確評價道路運行，為道路建設和交通規劃提供有力的決策支持。
通常，ITMS的這些子系統按照不同的要求采集各自的交通動態信息，各子系統之間采集的交通動態信息，再通過ITMS盡可能整合，并進行統一的交換和信息處理，交ITMS的交通動態信息包括了：
① 交通流信息采集：車流量；瞬時速度、時間平均速度、空間平均速度；時間占有率、空間占有率；車頭時距；車輛長度分類；車隊長度。
交通流信息采集通常由交通動態信息采集處理系統或交通信號控制系統來完成，其中交通信號控制系統可以按其控制參數要求采集數據，也可以結合交通動態信息處理系統采集以上交通信息。
②交通事件檢測：車隊擁堵；違章停車；逆行；闖紅燈；超速；越線。
交通事件檢測通常由交通動態信息采集處理系統或交通違章采集系統來完成。
③ 交通事故檢測：車隊擁堵／交通事故地點。
交通流信息采集通常由交通動態信息采集處理系統或交通信號控制系統結合GIS系統來完成，其中交通信號控制系統可以按其控制參數要求采集數據，也可以結合交通動態信息采集處理系統采集以上交通信息。
三、視頻采集技術及其特點
交通信息采集的方法和技術很多，其中，視頻檢測技術具有大區域、大信息量、多功能的特點，正成為交通動態信息采集技術主流。下面重點分析視頻交通動態信息采集技術的特點，對智能交通管理系統中綜合應用視頻交通信息采集技術進行技術探討。
智能交通管理系統要獲得完整有效的交通數據，從技術實質上可歸結為兩個關鍵問題一是合適的交通采集技術；二是適應我國交通環境的交通采集技術設施。
交通動態信息采集技術常用的是環形線圈、微波、視頻、超聲波等幾種檢測技術。目前，我國交通管理系統普遍采用的檢測器有：檢測交通數據的環形線圈和監視道路運行狀況的閉路電視攝像機。環形線圈以可靠性好精度高的優勢，在交通檢測設備中占有重要的一席之地。但是，它鋪敷在路面下，容易受車輛持續碾壓、振動、道路維修、路基裂縫等影響而損壞，營運管理維護費用由此而增加。尤其是大交通流環境下，一旦出現故障，難以做到封閉車道及時修復。反復如此，檢測環的故障率居高不下，是現有交通檢測設備不能獲取有效數據的主要原因。
而視頻采集技術利用視頻、計算機及現代通信等技術，實現對交通動態信息的采集，系統通過安裝在路門或路段的攝像機采集交通圖像，再進行圖像處理，得到車流量、瞬時車速度、指定時間段內的車速統計平均值、車型分類、占有率、平均車距、檢測交通事故等交通動態信息，從而為交通的信號控制、信息發布、交通誘導、指揮提供實時交通動態信息。通常一臺攝像機可觀測多車道，系統可以處理多個攝像機拍攝的數據。視頻采集技術對視頻交通圖像數據處理及特征提取都是實時進行的，其處理過程如圖2所示。

圖2

視頻交通信息采集系統的攝像機對車輛進行拍攝，將拍攝到的圖像進行存儲并數字化，對圖像初步處理，去掉多余信息；接著對圖像進行分區；按一定算法對各分區圖像處理，提取特征信息；根據特征信息進行車輛記數、分類。根據相鄰圖片計算車速；最后在拍攝區域內跟蹤所辨識出的車輛。
視頻交通信息采集技術中交通圖像處理有兩種算法。第一種是將攝像機拍攝的區域分成若干小區域，視頻交通信息采集系統對小區域進行圖像處理。小區域可以與車道垂直、平行、斜交。由于視頻交通信息采集系統一個攝像機的檢測區域可跨多車道，所以一個視頻交通信息采集系統可以代替許多環形線圈或其它檢測器，對更大區域進行車輛檢測；另一種是連續跟蹤在攝像機拍攝區域內行駛的車輛，通過對車輛的多次圖像信息采集確定車輛圖像不變，就對車輛圖像進行記錄、并計算其速度和車輛排隊長度。
視頻交通信息采集技術有很多優點。拍攝區域廣，可獲得一個區域交通圖像信息，可對交通狀況做出更全面了解，測量信息更準確；交通圖像包含信息量豐富，可獲得更為豐富的車輛信息，如車的外型、車的顏色、車的功能(通過外型來辨別)、交通信息(車流密度、車速、交通事故)、甚至氣象信息等等。以視頻采集技術為主體的交通動態信息采集系統的示意圖見圖3。

圖3 以視頻技術為主體的交通動態信息采集系統結構圖

視頻檢測技術與其他檢測技術相比，具有如下特點：
· 安裝方便，不破壞路面，施工時基本不影響交迅
· 利用多種探測器，實現不同的采集功能；
· 探測器設置方便、靈活；
· 可以實現大區域交通信息采集；
· 系統采用模塊化、結構化設計，可擴展性好、系統運行效率高；
· 實時對多車道的車流量、占有率、平均車速等信息進行采集和統計；
· 實時進行機動車車型的采集區分和統計；
· 實時進行各種交通異常狀況的采集和報警，如擁堵、事故等；
· 實時進行各種車輛違章行為的采集，如超速、闖紅燈、逆行、違章變線、違章停車、違章占用車道等；
· 在從視頻交通數據抓取的圖像中實時地自動檢測和識別車牌號碼；
· 靜態圖像中的車輛及車輛行為采集與識別；
· 維護方便。
四．智能交通管理系統中視頻采集技術的應用
1．在交通動態信息采集系統中的應用
為了更好地評估交通工程和交通管理措施，為今后交通規劃提供決策依據，城市交通管理部門都需要安裝交通動態信息采集系統采集交通動態信息，交通動態信息采集系統以視頻技術為主，結合其它采集技術來完成交通動態信息采集任務，圖3是以視頻技術為主體的交通動態信息采集系統結構圖，它包含了一部分環形線圈和超聲波檢測器等，從而構成相互補充的綜合性交通信息采集系統。
2．在交通違章檢測系統中的應用
交通違章行為有多種，可以采用視頻技術實現違章越線的檢測，如圖所示為采用視頻技術實現違章越線的檢測與圖片抓拍系統的案例。

3．在交通信號控制系統中的應用
交通信號控制系統具有數據采集功能和對交通流組織與控制的作<