■雷玉堂
現(xiàn)代化城市所應具備的智能交通系統(tǒng)
■雷玉堂
現(xiàn)代城市迅速發(fā)展,城市交通擁堵日益加劇,交通事故不斷增加,交通問題越來越引起人們的關注。因此,更好地協(xié)調人、車、路三者的關系,已成為交管部門所面臨的重要問題。建立智能交通(ITS)體系勢在必行。
現(xiàn)代城市經濟迅速發(fā)展,人與車輛均在快速增加,城市交通擁堵日益加劇,交通事故也不斷增加,交通問題越來越引起人們的關注。因此,更好地協(xié)調人、車、路三者的關系,已成為交通管理部門所面臨的重要問題。尤其在平安城市創(chuàng)建中,首先必須要建立智能交通系統(tǒng)。這種城市智能交通系統(tǒng),要面向全市的交通參數(shù)的數(shù)據監(jiān)測、交通信號燈控制與交通誘導等,并有電子警察日夜代替交通警察執(zhí)行任務,以打擊利用機動車犯罪,使交通安全而通暢,最大限度地提高道路的使用效率,保障人民生命財產的安全。
智能化道路交通系統(tǒng)重要的內容是對交通運行狀況要能及時了解、分析、判斷。并能讓駕駛員對交通狀況了如指掌。這種利用計算機的智能交通系統(tǒng),主要用于城市道路交通控制與管理,對提高城市道路的通行能力、緩和城市交通擁擠起著重要的作用。
下面介紹現(xiàn)代城市應具備的智能交通系統(tǒng)的總的組成及功能,各個子系統(tǒng)的組成原理及功能,并展望其發(fā)展方向。
一般,城市智能交通系統(tǒng)能實現(xiàn)整個城市交通監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一控制、協(xié)調和管理,采用符合工業(yè)標準的通信和系統(tǒng)集成技術,具有穩(wěn)定性好、可靠性高的優(yōu)點。城市智能交通系統(tǒng),其總的結構組成與原理框圖如圖1所示。由圖1可看出,城市智能交通系統(tǒng),主要由車輛交通參數(shù)檢測、車輛異常行為檢測、車輛擁堵檢測與控制疏導、車輛不停車收費、車輛3G定位與跟蹤、道路治安卡口檢測、車輛牌號自動識別與車輛違章檢測的電子警察等8個子系統(tǒng)組成。這些子系統(tǒng)檢測的情況均可通過城市有線或無線網絡傳送到交通監(jiān)控管理與指揮中心,中心也可通過交通管理控制軟件,再通過網絡去控制和指揮前端的子系統(tǒng)。
■ 圖1:城市智能交通系統(tǒng)結構組成原理框圖
在城市智能交通系統(tǒng)的通信中,可以采用數(shù)傳電臺、GSM短消息、光纖接入等方式。目前較方便的多是采用移動網絡GPRS與CDMA傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健?/p>
城市道路交通控制主要是對交通信號的控制。而交叉口處的交通信號燈是城市道路網中的主要控制設施。但定時的交通信號燈影響交通網絡的運行效率,因此信號燈必須以最優(yōu)控制策略存在,即根據車輛實際運行情況自適應地控制紅綠信號燈的轉換,以減小道路網絡中所有車輛的行程的時間,以達到城市道路的最大暢通。
下面再具體介紹一下城市智能交通應具備的8個子系統(tǒng)。
車輛交通參數(shù)檢測系統(tǒng),能識別車輛的形狀、顏色、類型、車速、車流量、道路占有率以及是否有非法停靠、是否有故障車輛等。并且,將這些交通參數(shù)反饋給交通監(jiān)控管理中心,以利于交通管理。
目前,車輛交通參數(shù)檢測的方法很多:如有磁感應車輛檢測器、微波雷達車輛檢測器、超聲波車輛檢測器、紅外線車輛檢測器、激光車輛檢測器、無線車輛檢測器與視頻車輛檢測器等。其中以視頻車輛檢測器所檢測的交通參數(shù)最為齊全,且所采集圖像的攝像機還可與道路監(jiān)控攝像機兼容,并便于識別與跟蹤,是現(xiàn)代智能交通ITS中車輛檢測的最佳選擇與發(fā)展方向。
實際上,視頻車輛檢測系統(tǒng)是利用已建立的交通電視監(jiān)控系統(tǒng)的信息資源(即交通數(shù)據的采集),采用先進的計算機圖像處理及模糊識別技術,實現(xiàn)處理連續(xù)動態(tài)的道路交通監(jiān)測圖像,以獲得分類交通參數(shù)的一個檢測系統(tǒng)。它可以單獨建立,如在道路上合適的地點安裝攝像機,也可以建立在道路監(jiān)控系統(tǒng)基礎上。通常,現(xiàn)在比較流行的做法是將視頻車輛檢測系統(tǒng)建立在道路監(jiān)控系統(tǒng)之上。
視頻車輛檢測系統(tǒng)所提供的交通參數(shù)數(shù)據一般比較齊全,有如下的兩類:
用于統(tǒng)計的交通數(shù)據:車流量,車的速度,車的密度,道路占有率,車輛類型(主要根據車輛長度)等。
用于事件有關的數(shù)據:車輛高速、高密度或高占有率,停車或非常慢的運動車輛,車輛排隊,路上異物,車輛違章,交通事故,逆向行駛等。
根據檢測到的用于事件有關的數(shù)據,可以產生不同的報警。因為當探測某一事件發(fā)生時,系統(tǒng)會自動產生報警以提醒工作人員。然后,工作人員可從圖像上了解事件發(fā)生的地點、該地點的交通狀況,這樣就可及時采取措施或指揮就近的有關人員救護,以減少事故的再發(fā)生。
違章檢測的電子警察系統(tǒng)主要由機動車沖紅燈、超速、逆行、壓黃線等違章子系統(tǒng)組成?,F(xiàn)分別簡述如下:
機動車沖紅燈違章檢測系統(tǒng)的主要功能是自動探測交通信號為紅燈時違章超越停車的車輛,并自動拍攝和記錄違章時間、地點,拍攝的圖像經過編碼壓縮處理,自動源源不斷地傳輸至公安局交警控制中心,交警部門掌握了確鑿的證據,對違章者進行處罰,從而有效地減少違章沖紅燈車輛,規(guī)范行車秩序。
■ 圖2:沖紅燈電子警察系統(tǒng)工作原理
■ 圖3:機動車超速、逆行、壓黃線違章視頻檢測系統(tǒng)的組成與原理框圖
沖紅燈違章檢測系統(tǒng)由拍照控制器、圖片采集控制器和控制中心三部分組成。圖片采集控制器和拍照控制器安裝在交通路口現(xiàn)場,一個圖片采集控制器可以連接四個拍照控制器??刂浦行陌惭b在交通公安局,通過公用電話網或其他網接收圖片采集控制器的現(xiàn)場圖片,一個中心可以連接任意多的圖片采集控制器。拍照控制器由控制電路、數(shù)碼相機、閃光燈、感應線圈及轉發(fā)器組成;圖片采集控制器由工業(yè)控制計算機、Modem(或集線器等)組成;控制中心由中心計算機、Modem(或集線器等)、打印機組成。
系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。當感應線圈偵測到汽車、摩托車等經過時,便立即將信號送到控制電路??刂齐娐放袛啻藭r為紅燈,則啟動閃光燈和數(shù)碼相機,使之及時拍下車輛沖紅燈時的清晰全景,包括紅燈信號、車輛位置、車牌號碼等。若圖片采集控制器檢測到數(shù)碼相機已拍照,便將相片從數(shù)碼相機中取出,并清空數(shù)碼相機內存,同時圖片采集控制器通過公用電話網或其他網將照片傳到控制中心??刂浦行脑賹⑹盏降恼掌M行管理,如查詢、注釋、打印、備份等。
機動車超速、逆行、壓黃線違章視頻檢測系統(tǒng)的組成與原理框圖如圖3所示。
由圖3看出,機動車超速、逆行、壓黃線違章視頻檢測系統(tǒng)由前端視頻組件、檢測工控主機、與機動車違章管理軟件等組成。
系統(tǒng)的工作原理是,系統(tǒng)對特定的地點路面(即劃定的檢測區(qū)域)的車輛的速度與方向以及黃線的圖像進行視頻監(jiān)控與檢測(有的可采用微波雷達測速),當系統(tǒng)檢測到機動車超過限速值(高速行駛車速大于120km/h)、或機動車的行駛方向違反工控機設定的行駛方向、或機動車輛壓黃線時,即通過視頻檢測工控主機控制違章檢測控制單元控制閃光燈驅動單元,使閃光燈閃光,由近景攝像機拍攝違章車輛的車牌號像片,遠景攝像機拍攝該方向的全景像片。為確保所攝的像片能作為交管部門的執(zhí)法依據,一般系統(tǒng)也抓拍二幅連續(xù)全景像片和一幅能看清車牌號的特寫像片,并在違章車輛的圖像上,記錄車輛違章的時間、地點以及違章的參數(shù)(如超速的速度等)。同時,將該結果存貯起來,生成違法圖像和違章信息數(shù)據庫,并根據實際要求生成違法處罰通知單,通過光纖網絡自動傳輸?shù)浇煌ü芾聿块T作為執(zhí)法依據。以規(guī)范司機遵章駕駛,提高道路的通暢能力。
■ 圖4:不停車收費系統(tǒng)的原理框圖
■ 圖5:GPS不停車收費系統(tǒng)
收費站不停車收費系統(tǒng)主要用于高速公路、城市入口等收費站的不仃車收費,以利于車輛通行,解決交通瓶頸。目前,收費站不停車收費系統(tǒng),有下面二種類型:
收費站不停車收費系統(tǒng),是一種電子不停車收費系統(tǒng)(簡稱ETC),是國內外正在開發(fā)并且推廣普及的一種用于高速公路、大橋和隧道的一種收費系統(tǒng)。它通過路側天線與車載電子標簽之間的專用短距離通訊,在不需要司機停車和其他收費人員采取任何操作的情況下,能自動地完成收費的全過程。
ETC系統(tǒng)主要由ETC收費車道、收費站管理系統(tǒng)、ETC管理中心、專業(yè)銀行及傳輸網絡組成。ETC系統(tǒng)是利用微波(或紅外或射頻)技術、電子技術、計算機技術、通信和網絡技術、信息技術、傳感技術、圖像識別技術等高新技術的設備和軟件(包括管理)所組成的先進系統(tǒng),以實現(xiàn)車輛無需停車即可自動收取道路通行費用。目前,大多數(shù)ETC系統(tǒng)均采用微波技術。這種不停車收費系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示。
由圖4可知,當汽車通過路邊車道設備控制系統(tǒng)的信號發(fā)射與接收裝置(路邊讀寫設備簡稱RSE,即圖中的閱讀器)時,經天線,能識別車輛上設備(即圖中的射頻卡或標簽,因放在汽車前玻璃上也稱為車載器,簡稱OBU)內特有的編碼、車牌號、判別車型、計算通行費用,并自動從車輛用戶的專用帳戶中扣除通行費。對使用ETC車道的未安裝電子標簽或標簽無效的車輛,則視作違章車輛,并立即自動實施圖像抓拍和識別,以傳送交警部門事后處理。
這類收費站不仃車收費系統(tǒng)目前有二種類型:一是標簽上無車型信息的,這種ETC自動收費系統(tǒng),需要采用車輛檢測器,對車輛進行分類;二是標簽上有車型信息的,這就是目前所說的射頻自動識別技術RFID不停車收費系統(tǒng)。因這種系統(tǒng)的電子標簽(即射頻卡)上的信息是非常完整的。
高速公路GPS不停車收費系統(tǒng),是GPS技術、GIS技術、移動通信技術等的高度融合。它將裝有GPS接收機的移動車輛位置數(shù)據,經過單片機的處理,經GSM通信模塊以短信息的方式發(fā)送至移動通信網的短消息中心(SMC),SMC再通過專線把車輛定位信息傳遞給收費中心,當收費中心接收到移動終端發(fā)送來的位置信息,利用GIS軟件和快速的投影匹配算法,準確將車輛的行駛路線與數(shù)據庫中的道路網進行匹配,獲得其在收費道路上的行駛軌跡,然后由收費軟件按照各條公路收費標準分開進行計費,以實現(xiàn)道路聯(lián)網收費;車主可在網上查詢自己的收費詳細情況,使收費過程透明;收費中心然后再通過專線與銀行進行交割。
整個系統(tǒng)由移動終端和收費服務中心兩部分組成。如圖5所示。
移動終端由GPS接收機、單片機、GSM通信模塊、天線等軟硬件設備組成;收費服務器端硬件主要包括數(shù)據庫服務器、應用程序服務器,路由器及輸出端。軟件主要包括:數(shù)據庫服務器上的道路電子地圖數(shù)據庫(包括各條收費道路的詳細信息,如車道數(shù)、管理部門及各條道路收費標準數(shù)據庫等)、車輛行駛路線及自動收費記錄數(shù)據庫、車輛及車主信息庫等,應用服務器上收費軟件、GIS應用軟件等。
本系統(tǒng)可實現(xiàn)全天侯24小時不停車收費與分時段收費;實現(xiàn)車輛全程跟蹤與定位以及道路信息查詢等功能。
城市智能交通采用不停車收費系統(tǒng)的好處有:杜絕少數(shù)不法收費員貪污路費;無需收費廣場,節(jié)省收費站的占地面積;節(jié)省能源消耗,減少停車時的廢氣排放和對城市環(huán)境的污染;降低車輛部件損耗;減少收費人員,降低收費管理單位的管理成本;無需排隊停車,節(jié)省出行人的時間;避免因停車收費而造成收費口堵塞,形成新的瓶頸等。
車輛異常行為檢測系統(tǒng),可用來檢測車輛行駛行為,當檢測到車輛行駛異常時,立即進行預/報警。通常,系統(tǒng)首先通過背景減除提取運動圖像,并進行跟蹤和目標類型識別。如有一輛汽車駛入人行道時,系統(tǒng)會自動在該車周圍打出兩個紅色問號,表示其行駛異常,并同時發(fā)出警報聲,以引起監(jiān)控人員的注意。當車輛退出人行道后,紅色問號消失,警報解除。又如有一輛小汽車快速在停車場或高速公路收費廣場逆行,這時系統(tǒng)會在其周圍打出兩個紅色驚嘆號,并發(fā)出警報聲,表示其行駛行為已經發(fā)生異常。再如,那種頻繁超越各車道正常行駛車輛的超速行駛的車輛,多為被劫或逃竄等車輛,也屬行駛行為異常車輛,這時系統(tǒng)要發(fā)出急促的警報聲等。這種車輛異常行為檢測系統(tǒng),尤其在城市道路監(jiān)控中有非常大的作用。
顯然,這種智能化功能的實現(xiàn),可以在無人巡視的條件下,能檢測識別車輛的異常行為,如車輛駛入綠化草地、人行道、逆行、超速、行駛過程突然停下橫擋車輛沖出人實施掄劫與綁架等違法違章行為,均能自動檢測到,并立即進行預/報警,從而可實現(xiàn)高效智能化的交通管理。
交通擁堵檢測及自動疏導系統(tǒng),能統(tǒng)計通過的車輛數(shù)與檢測交通擁堵,并通過交通信息牌和無線臺對交通進行自動疏導。同時,還可根據實際擁堵情況,在十字路口自適應地控制紅綠燈的轉換時間,以自動疏導車輛,使交通通暢。
在視頻檢測系統(tǒng)中,為了及時有效地發(fā)現(xiàn)交通擁擠,在系統(tǒng)上端軟件中加入了“常發(fā)性擁擠自動檢測及警告”模塊。當交通擁擠發(fā)生時,從行程速度參數(shù)上反映交通流變化最敏感,交通量次之,因而利用視頻檢測技術和擁擠檢測算法,可以準確及時地得到交通流量、行程速度及車道占有率和交通延誤等交通參數(shù)(而這后3個參數(shù)是傳統(tǒng)檢測方法無法準確得到的),從而實現(xiàn)對道路擁擠程度的直接測量。如果有擁擠,就發(fā)出警告,并根據實際情況自適應地控制紅綠燈的轉換時間(不是原來的固定的轉換時間)。
此外,交通管理中心還可以利用這些數(shù)據,在發(fā)生交通堵塞或交通事故時迅速采取措施。并且,交通管理中心還可把采集的交通數(shù)據處理后,通過道路上的電子顯示屏或交通電臺等途徑傳給司機。這樣,有助于疏通車流、減緩交通擁擠,并可使司機提高警惕,防止事故發(fā)生,以優(yōu)化行車路線。
■ 圖6:道路治安卡口機動車視頻檢測系統(tǒng)的組成與原理框圖
道路治安卡口機動車視頻檢測系統(tǒng)一般用于城市道路或高速公路出入口、收費站及重點治安地段的治安卡口,其組成與工作原理框圖如圖6所示。
該系統(tǒng)可自動識別過往卡口的車輛牌號與車牌特征,自動核對黑名單庫,驗證出車輛的合法身份。此外,還可對路口情況進行監(jiān)控和管理,包含出入口車輛的采集、統(tǒng)計、存貯數(shù)據和系統(tǒng)工作狀態(tài),以便工作人員對道路交通安全進行監(jiān)控、統(tǒng)計、查詢和打印報表等工作。
道路治安卡口機動車視頻檢測系統(tǒng)的工作原理是,根據每一車輛對應唯一的車牌號,通過近景與遠景攝像機對路口過往的每一車輛車牌號圖像和車輛全景圖像進行連續(xù)全天候實時記錄,并進行車牌號自動識別。通常,系統(tǒng)是通過高清晰攝像機及高倍率自動光圈鏡頭,對路口交通狀況實施監(jiān)視的。在監(jiān)控室,還可通過系統(tǒng)遙控前端的攝像機轉動、控制鏡頭的調焦、變倍;在晚上,為保證系統(tǒng)得到高清晰度的圖像,還可自動開啟道路上所配置的路燈等燈光設施。
在與對應地區(qū)的車管庫相連接的情況下,可對比分析當前過往車輛是否為合法車輛,若為違法車輛即自動報警。并且,還要及時準確地為系統(tǒng)提供相應車輛的車型、顏色、車牌號、行駛方向、車速、經過時間等各種參數(shù),以保存到數(shù)據庫,且數(shù)據具備聯(lián)網查詢功能。
利用這種道路治安卡口機動車視頻檢測系統(tǒng),也能檢測識別車輛的違規(guī),如闖紅燈、超速、逆行與非法停靠等。
大家知道,全球定位系統(tǒng)GPS應用于移動目標的監(jiān)控,有著比其他監(jiān)控手段無法比擬的優(yōu)勢。利用3G(即GPS、GIS、GSM)的車輛定位監(jiān)控系統(tǒng),是對各種車輛實施定位跟蹤、監(jiān)控、調度管理提出的比較理想的解決方案。該系統(tǒng)采用GPS全球衛(wèi)星定位技術對移動目標進行實時定位;利用GSM全球移動通訊技術即GSM數(shù)字移動通信網絡進行實時數(shù)據傳輸;利用GIS地理信息處理技術即以GIS電子地圖和空間信息系統(tǒng)為支撐平臺。同時,還采用大容量數(shù)據采集技術和大容量數(shù)據存儲等計算機網絡通信與數(shù)據處理技術,以盡可能多地采集并記錄車輛行駛過程中大量的數(shù)據信息,自動生成圖形和數(shù)據,進行統(tǒng)計、比較、分析、列表,從而提高車輛營運管理工作的效率。因此,利用3G的車輛定位監(jiān)控系統(tǒng),能夠實現(xiàn)對車、船等移動目標的精確定位跟蹤、監(jiān)控報警、反劫防盜、指揮調度和信息查詢管理等。這種3G的系統(tǒng)具有定位精度高、穩(wěn)定性強、使用效果好等特點。
實際上,這種3G的車輛定位跟蹤的智能監(jiān)控系統(tǒng)是由GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)和地面移動通信系統(tǒng)兩大部分組成。其中,地面移動通信系統(tǒng)是由指揮監(jiān)控中心、車載移動單元和GSM通信網絡三個部分組成。車載移動單元設備可以為指揮監(jiān)控中心實時提供每一個移動目標的最新定位數(shù)據、運行狀況和報警信息等,并自動記錄這些信息以便事后查詢分析,因而也是用戶終端。監(jiān)控中心接收車載移動單元傳送來的車輛GPS定位數(shù)據信息,并對車輛的報警和調度信息進行處理,并且通過GIS地圖匹配,就能在電子地圖上實時顯示車輛當前精確位置,從而能方便地實現(xiàn)對車輛的定位跟蹤、監(jiān)控防盜、反劫報警、指揮調度等功能;同時也可通過GSM無線通信網絡進行數(shù)據、語音、圖像的傳輸。即向指定的車載臺發(fā)送各種控制指令,實現(xiàn)對車輛的遠程控制和信息查詢等服務。
實際上,該系統(tǒng)主要用于車輛的定位,使監(jiān)控管理中心通過GIS電子地圖知道車輛的位置,如遇掄劫,能實施報警、跟蹤該車輛的行蹤。
車輛牌號自動識別系統(tǒng)也是ITS系統(tǒng)中必不可少的,它能將輸入的汽車及車牌圖像通過處理識別,輸出為幾個字節(jié)大小的車牌字符串,它無論在存儲空間的占用上還是與管理數(shù)據庫相連方面,都有無可比擬的優(yōu)越性。這在大型停車場,交通部門的違章監(jiān)測(電子警察)、高速公路及橋梁的收費站管理等方面,有著廣泛的應用前景。如識別是遇盜或逃犯的車牌號,就立即自動報警。
一般,采用計算機視覺技術識別車牌的流程通常都包括車輛圖像采集,車牌定位,字符分割,光學字符識別,輸出識別結果5個步驟。車輛圖像的采集方式決定車牌識別的技術路線。目前國際ITS通行的兩條主流技術路線是自然光和紅外光圖像采集識別。自然光和紅外光不會對人體產生不良的心理影響,也不會對環(huán)境產生新的電子污染,屬于綠色環(huán)保技術。
自然光方式是指白天利用自然光線,夜間采用輔助照明光源,用彩色攝像機采集車輛真彩色圖像,然后用彩色圖像分析處理方法識別車牌。自然光真彩色識別與人眼感光習慣一致,并且真彩色圖像能夠反映車輛及其周圍環(huán)境真實的圖像信息,因而不僅可以用來識別車牌照,而且可以用來識別車牌照顏色、車流量、車型、車顏色等車輛特征。用一個攝像機采集的圖像,同時實現(xiàn)所有前端基本視頻信息采集、識別和人工輔助圖像取證判別。
紅外光方式是指利用車牌反光和紅外光的光學特性,用紅外攝像機采集車輛灰度圖像,由于紅外特性,車輛圖像上幾乎只能看見車牌,然后用黑白圖像處理方法識別車牌。950nm的紅外照明裝置可抓拍到很好的反光車牌照圖像。因紅外光是不可見光,它不會對駕駛員產生視覺影響。此外,紅外照明裝置提供的是不變的光,所抓拍的圖像都是一樣的,不論是在一天中最明亮的時候,還是在一天中最暗的時候。但在白天,有時會看到一些牌照周圍的細節(jié),這是因為晴朗天氣時太陽光的紅外光波的影響。采用紅外燈的缺點就是所捕獲的車牌照圖像不是彩色的,不能獲取整車圖像,并且還嚴重依賴車牌反光材料。
由上述的8個子系統(tǒng)組成的城市智能交通系統(tǒng),包含了一個城市對交通進行自動檢測與管理的方方面面,因此它是平安城市建設中必不可少的重要的一部分。要想使整個城市的安全技術防范系統(tǒng)在數(shù)字化網絡化的基礎上智能化,首先必須建立城市智能交通系統(tǒng)。只要有了這8個子系統(tǒng)對城市的交通安全進行自動檢測與管理,城市的其他安防監(jiān)控系統(tǒng)的智能化建設,也就有了堅實的基礎。所以,對平安城市建設來說,智能交通建設是首要的。也就是說,必須要建立和完善好文中所述的8個子系統(tǒng),這也是智能交通系統(tǒng)發(fā)展的方向。但目前一些城市的智能交通系統(tǒng)還遠遠沒有完善的8個子系統(tǒng),因此必須加倍努力,盡快地使城市交通安全而通暢,進而使其他安防監(jiān)控系統(tǒng)智能化,以保證整個城市的平安。
作者為中國光電與安防技術專家、教授,本刊技術專家顧問