ITS传感器系统概述及视频检测技术的研究

 
图1

    智能交通管理系统（ITMS）是智能交通系统（ITS）的重要组成部分，是利用现代信息技术为核心，利用先进的通讯、计算机、自动控制、视频监控技术，按照系统工程的原理进行系统集成，使得交通工程规划、交通信号控制、交通检测、交通电视监控、交通事故的救援及信息系统有机地结合起来，通过计算机网络系统，实现对交通的实时控制与指挥管理。智能交通管理系统的纽带是各子系统间的信息交换，这些信息包括控制对象的原始信息和控制指令信息。智能交通管理系统包括信息检测、信息分析与处理、判断、执行等几个环节。因此，交通信息采集被认为是ITS的关键子系统，是发展ITS的基础，成为交通管理智能化的前提，无论是交通控制还是交通违章管理系统，都涉及交通动态信息的采集，交通动态信息采集也就成为交通管理智能化的首要任务。智能交通系统（ITS）进程较快的国家或地区都把交通信息采集技术作为重中之重加以开发研究， 交通信息采集常用的技术有环形线圈、微波、视频、超声波等几种检测技术， 

二、系统功能及其采集内容
    先进的交通管理系统包括交通信号控制系统、闭路电视交通监视系统、交通信息采集处理系统、车辆定位系统、交通诱导信息系统、交通管理地理信息系统、交通信息发布系统、信息移动查询系统。智能交通管理系统的功能由四大部分组成：
①交通状态检测：检测道路交通运行情况，检测交通流状态，实时传输和处理交通数据及信息；
② 交通动态控制：交通信号控制，道路网交通流量措施，紧急事件快速响应；
③ 交通信息发布：发布道路交通信息，通告交通突发事件和疏导措施，诱导司机驾驶行为；
④道路运行状态评价：建立交通信息数据库，评价道路运行状态，预测预报交通发展趋势，为道路交通规划提供数据分析。
    在智能交通管理系统的四大功能中以采集交通数据为主的交通状态检测是整个交通管理系统功能的基础部分。只有提供真实、准确、实时的交通数据，才能够实行合理的信号灯控制；才能够发布实时信息诱导司机驾驶行为；才能够快速响应处理交通事故现场；才能够正确评价道路运行，为道路建设和交通规划提供有力的决策支持。
    通常，ITMS的这些子系统按照不同的要求采集各自的交通动态信息，各子系统之间采集的交通动态信息，再通过ITMS尽可能整合，并进行统一的交换和信息处理，交ITMS的交通动态信息包括了：
①     交通流信息采集：车流量；瞬时速度、时间平均速度、空间平均速度；时间占有率、空间占有率；车头时距；车辆长度分类；车队长度。
交通流信息采集通常由交通动态信息采集处理系统或交通信号控制系统来完成，其中交通信号控制系统可以按其控制参数要求采集数据，也可以结合交通动态信息处理系统采集以上交通信息。
②交通事件检测：车队拥堵；违章停车；逆行；闯红灯；超速；越线。
交通事件检测通常由交通动态信息采集处理系统或交通违章采集系统来完成。
③ 交通事故检测：车队拥堵／交通事故地点。
交通流信息采集通常由交通动态信息采集处理系统或交通信号控制系统结合GIS系统来完成，其中交通信号控制系统可以按其控制参数要求采集数据，也可以结合交通动态信息采集处理系统采集以上交通信息。

三、视频采集技术及其特点
    交通信息采集的方法和技术很多，其中，视频检测技术具有大区域、大信息量、多功能的特点，正成为交通动态信息采集技术主流。下面重点分析视频交通动态信息采集技术的特点，对智能交通管理系统中综合应用视频交通信息采集技术进行技术探讨。
    智能交通管理系统要获得完整有效的交通数据，从技术实质上可归结为两个关键问题一是合适的交通采集技术；二是适应我国交通环境的交通采集技术设施。
    交通动态信息采集技术常用的是环形线圈、微波、视频、超声波等几种检测技术。目前，我国交通管理系统普遍采用的检测器有：检测交通数据的环形线圈和监视道路运行状况的闭路电视摄像机。环形线圈以可靠性好精度高的优势，在交通检测设备中占有重要的一席之地。但是，它铺敷在路面下，容易受车辆持续碾压、振动、道路维修、路基裂缝等影响而损坏，营运管理维护费用由此而增加。尤其是大交通流环境下，一旦出现故障，难以做到封闭车道及时修复。反复如此，检测环的故障率居高不下，是现有交通检测设备不能获取有效数据的主要原因。
    而视频采集技术利用视频、计算机及现代通信等技术，实现对交通动态信息的采集，系统通过安装在路门或路段的摄像机采集交通图像，再进行图像处理，得到车流量、瞬时车速度、指定时间段内的车速统计平均值、车型分类、占有率、平均车距、检测交通事故等交通动态信息，从而为交通的信号控制、信息发布、交通诱导、指挥提供实时交通动态信息。通常一台摄像机可观测多车道，系统可以处理多个摄像机拍摄的数据。视频采集技术对视频交通图像数据处理及特征提取都是实时进行的，其处理过程如图2所示。

图2

    视频交通信息采集系统的摄像机对车辆进行拍摄，将拍摄到的图像进行存储并数字化，对图像初步处理，去掉多余信息；接着对图像进行分区；按一定算法对各分区图像处理，提取特征信息；根据特征信息进行车辆记数、分类。根据相邻图片计算车速；最后在拍摄区域内跟踪所辨识出的车辆。
    视频交通信息采集技术中交通图像处理有两种算法。第一种是将摄像机拍摄的区域分成若干小区域，视频交通信息采集系统对小区域进行图像处理。小区域可以与车道垂直、平行、斜交。由于视频交通信息采集系统一个摄像机的检测区域可跨多车道，所以一个视频交通信息采集系统可以代替许多环形线圈或其它检测器，对更大区域进行车辆检测；另一种是连续跟踪在摄像机拍摄区域内行驶的车辆，通过对车辆的多次图像信息采集确定车辆图像不变，就对车辆图像进行记录、并计算其速度和车辆排队长度。
    视频交通信息采集技术有很多优点。拍摄区域广，可获得一个区域交通图像信息，可对交通状况做出更全面了解，测量信息更准确；交通图像包含信息量丰富，可获得更为丰富的车辆信息，如车的外型、车的颜色、车的功能（通过外型来辨别）、交通信息（车流密度、车速、交通事故）、甚至气象信息等等。以视频采集技术为主体的交通动态信息采集系统的示意图见图3。

图3 以视频技术为主体的交通动态信息采集系统结构图

视频检测技术与其他检测技术相比，具有如下特点：
· 安装方便，不破坏路面，施工时基本不影响交迅
· 利用多种探测器，实现不同的采集功能；
· 探测器设置方便、灵活；
· 可以实现大区域交通信息采集；
· 系统采用模块化、结构化设计，可扩展性好、系统运行效率高；
· 实时对多车道的车流量、占有率、平均车速等信息进行采集和统计；
· 实时进行机动车车型的采集区分和统计；
· 实时进行各种交通异常状况的采集和报警，如拥堵、事故等；
· 实时进行各种车辆违章行为的采集，如超速、闯红灯、逆行、违章变线、违章停车、违章占用车道等；
· 在从视频交通数据抓取的图像中实时地自动检测和识别车牌号码；
· 静态图像中的车辆及车辆行为采集与识别；
· 维护方便。

四．智能交通管理系统中视频采集技术的应用
1．在交通动态信息采集系统中的应用
为了更好地评估交通工程和交通管理措施，为今后交通规划提供决策依据，城市交通管理部门都需要安装交通动态信息采集系统采集交通动态信息，交通动态信息采集系统以视频技术为主，结合其它采集技术来完成交通动态信息采集任务，图3是以视频技术为主体的交通动态信息采集系统结构图，它包含了一部分环形线圈和超声波检测器等，从而构成相互补充的综合性交通信息采集系统。
2．在交通违章检测系统中的应用
交通违章行为有多种，可以采用视频技术实现违章越线的检测，如图所示为采用视频技术实
现违章越线的检测与图片抓拍系统的案例。

图4

3．在交通信号控制系统中的应用
交通信号控制系统具有数据采集功能和对交通流组织与控制的作用，使其成为ITMS的重要组成部分。
视频技术交通信号控制系统是在系统控制相关路段的适当位置设置视频车辆检测器，获得该监测断面的交通参数，这些参数被送到信号控制机，并由信号控制机所设置的交通模型进行处理，从而选择合适的交通信号控制方案或者调整相关控制方案的信号控制参数，使交通流实现最小延误，提高路口的通行能力。
目前，交通信号控制机的车辆检测器采用环形线圈，这是一种简单可靠的车辆检测手段，其信号输出形式有通过型和存在型两种，在不同的信号控制系统中均有应用。但是这种车辆检测器也有它的缺陷和限制，主要体现在：
· 环形线圈的检测参数比较少，因此控制模型对交叉路口的交通流分布特征参数的波动比较敏感，影响
了其在不同路口的应用效果；
· 对于混合交通流，由于交通流中个体特征的差异较大，难以对混合交通流进行合理的控制；
· 道路路面对检测线圈损毁率高，特别对于沥青路面的损害更为严重，由此导致检测线圈的损毁率居高不下，使用和维护成本上升，影响系统的可用性。
4．在交通安全方面的应用
在交通安全方面有两个应用方向，一个是用于检测交通事故便于交警及时接处警．另一个应用是检测交通拥堵以便于交警及时疏导交通，避免由于交通拥堵而引发交通事故。
五、新技术设想
目前最著名的道路交通视频检测产品是美国ISS公司的AUTOSCOPE 系列， 该系列的产品主要
用于车辆存在检测、事故检测和交通数据的采集。AUTOSCOPE？ 检测系统的核心是视频处理器――它是一个包含有以下部件的设备：以CPU为基础的微处理器，多个电路模块和用于分析视频图像的软件。
笔者设想的视频检测系统同AUToSCoPE 相比主要有两点改进：1） AUToSCoPE 采用x86系列的CPU作为核心处理器， 笔者希望采用DSP作为数字信号处理器，或者采用TI公司的OMAP系列，此系列的产品将ARM9核和DSP芯片集成在一起，更适合于实时图像处理。
2）AUTOSCOPE采用串口与主机通信，最高数据传输速率为10 Mbps， 笔者希望通过PCI总线与主机通信，最高传输速率为133 Mbps，具有更高的数据传输率。这样可以更快捷的传送到工控机，或者通过网络传送到中心站。