基于視頻檢測的公路隧道安全管理

訾愛新（道橋處第二橋梁管理所，天津 300011）

基于視頻檢測的公路隧道安全管理

訾愛新
（道橋處第二橋梁管理所，天津 300011）

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展及公路交通網(wǎng)絡的不斷完善，公路隧道的安全管理成為關系人民群眾生命安全的重要因素。視頻檢測技術作為一種應用到公路隧道安全狀況檢測的新興技術，其發(fā)展與改進也一直備受關注，因而，基于視頻檢測技術的公路隧道安全管理便成為研究的熱點。本文通過將視頻檢測系統(tǒng)分為幾個模塊，探討基于視頻檢測技術進行公路隧道安全管理所應注意的問題。

視頻檢測 隧道 安全管理

1　公路隧道安全管理

公路隧道內(nèi)可能發(fā)生的安全問題大致可分為交通事故與火災。而公路隧道安全管理首要目的便是阻止上述安全問題的發(fā)生，而且一旦發(fā)生，要最大程度減少生命財產(chǎn)損失和環(huán)境破壞。以往的公路隧道安全管理主要依靠傳統(tǒng)隧道實時交通安全監(jiān)控系統(tǒng)，這需要較高的人力成本，如對現(xiàn)場巡視人員的要求及遠程基于CCTV系統(tǒng)的監(jiān)視人員的要求。而伴隨相關技術的發(fā)展，基于視頻檢測技術的公路隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)因具有多功能、升級簡便、維護成本低、大信息量與大區(qū)域等優(yōu)點，正逐漸成為公路隧道安全管理中不可或缺的一部分。

公路隧道安全管理工作主要可分為兩個方面［1］：第一，日常的監(jiān)測和管理，避免事故的發(fā)生，這是首要的基礎性工作；第二，交通事故或火災的應急處理，確保最快速度恢復隧道車輛通行。公路隧道安全管理包括對人、車、路及外部環(huán)境的管理［2］，但其實最終是歸結為對人的管理，因此前面兩方面的工作最終都需要通過對人的管理來實現(xiàn)，在這個環(huán)境中，人主要分為隧道管理者（行政管理人員、專業(yè)技術人員及前方管理人員）、交通參與者（司機、乘車者）及應急救援人員。

圖1　分水嶺分割算法流程圖

2　視頻檢測技術

視頻檢測技術指的是利用計算機相關技術、模式識別技術等對設備取得的圖像自動處理并分析，在此基礎上進行運動目標的檢測、識別與跟蹤，根據(jù)對其運動狀態(tài)的判斷進行日常監(jiān)測管理或事故預防、處理［3］。由此定義，可以看出，視頻檢測技術主要由以下幾個要素構成：

應注意到，視頻檢測技術的目的正是為了進行隧道安全管理，這在一定程度上再次說明了將視頻檢測技術應用于公路隧道安全管理的結果是雙方都得到了發(fā)展和完善。

一般來說，利用視頻檢測技術進行公路隧道安全管理應實現(xiàn)以下幾個模塊的功能［4］：圖像采集模塊、視頻存儲和數(shù)據(jù)庫模塊、視頻圖像處理模塊、信息管理系統(tǒng)模塊。

2.1圖像采集模塊

該模塊主要包括攝像機和圖像采集裝置，以此來獲取視頻圖像數(shù)據(jù)。該模塊是整個系統(tǒng)中最為關鍵的組成部分之一，其性能和質量對整個視頻檢測系統(tǒng)的工作質量至關重要［5］。但目前存在以下幾個問題：

（1）大多數(shù)公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)不能采集到清晰度足夠高的視頻數(shù)據(jù)，原因之一便是攝像設備老舊或破損，未能及時更新或修理。而這個問題若不能及時有效解決，將直接制約了視頻檢測技術的實現(xiàn)效果。因此，隧道相關行政管理人員應完善對這些設備進行檢查維護的相關制度，同時，應明確專業(yè)技術崗位人員的職責，將責任具體落實到個人，形成積極維護設備的員工隊伍。同時，該崗位的負責員工也應加強職業(yè)道德，認真履行自己的義務，以保證采集的視頻圖像數(shù)據(jù)的質量。

（2）追求高質量數(shù)據(jù)應與主管部門能承受的成本相權衡。例如，有的隧道主管部門為了追求清晰度較高的視頻數(shù)據(jù)，配備大量的昂貴設備，或者，為了盡量少地減少盲區(qū)，將攝像機安置過密（一般來說，隧道中的攝像機每隔100米架設一臺基本可以保證無監(jiān)控死角），致使成本超出預算，這樣必然導致在隧道安全管理的其它方面投入不足，整個工作仍然不能順利完成。這就需要管理者制定好計劃，從全局的角度妥善在成本、數(shù)據(jù)質量及整個工作質量間保持好平衡。同時財務管理人員應該及時向上級報告財務狀況，對工作中的突發(fā)情況應及時與上級溝通，以便對其做出最有利于整個工作完成的反應。

2.2視頻存儲和數(shù)據(jù)庫模塊

該模塊主要是存儲壓縮后的視頻數(shù)據(jù)、記錄了交通事件或火災的視頻片段以及一些視頻檢測結果數(shù)據(jù)等，主要是為遠程終端的高級別監(jiān)控中心提供查閱和分析的資料，由視頻服務器和專用磁盤陣列構成［6］。相關的、需要使用該模塊提供的數(shù)據(jù)的技術人員應該及時對數(shù)據(jù)的質量進行反饋，若有問題應提出改進的建議，上級管理人員應以謹慎負責的態(tài)度考慮這些建議，及時對相關問題作出回應。

圖2　第10幀跟蹤結果

圖3　第19幀跟蹤結果

圖4　第28幀跟蹤結果

圖5　虛擬線圈示意圖

2.3視頻圖像處理模塊

該模塊在整個基于視頻檢測技術的公路隧道安全管理中是處于核心地位的。其主要是利用計算機相關技術，通過對取得的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)進行處理，從而實現(xiàn)對目標的檢測、定位及跟蹤，最終對車速、車流量等交通參數(shù)，逆行、超速、事故等交通事件及火災等事件進行監(jiān)測管理并記錄相關數(shù)據(jù)，在此基礎上配合一些事件的應急處理。

首先，應進行一些初始化的工作。如一些參數(shù)、閾值及工作區(qū)域的設定等，這些對于后來的檢測、定位及跟蹤工作的進行是必要的。然后，對取得的視頻圖像數(shù)據(jù)進行預處理，主要應進行灰度化及圖像復原和增強的工作?；叶然且驗檫@樣可以減少數(shù)據(jù)的存儲及傳輸量，且便于分析；圖像復原和增強是因為圖像總會由于一些噪聲和干擾致使質量下降，這時便會需要復原圖像，或者，根據(jù)實際分析的需要，將圖像中某些有實際價值的特征凸顯，抑制不必要的特征，從而使圖像信息量更加豐富，易于分析［7］。

之后，應進行目標的檢測、定位及跟蹤。根據(jù)目標不同，可以分為對車輛的檢測、定位及跟蹤和對火焰區(qū)域的檢測、提取、分析與識別等。

2.3.1目標為車輛

對車輛的檢測主要包括目標檢測及提取、噪聲處理、定位、車輛跟蹤及在此基礎上的交通參數(shù)檢測等。

由于公路隧道內(nèi)的攝像機處于相對靜止狀態(tài)，因此這里的目標檢測是在背景靜止的情況下進行的。主要方法有光流法、背景差分法等［8］。光流法運算量大、抗干擾能力差且不適用于實時性要求較強的視頻檢測系統(tǒng)中，而隧道視頻監(jiān)控實時性要求較高，因此背景差分法相對而言更適用于公路隧道這種常年有燈光照明因而受外界環(huán)境（如天氣條件、光線等）影響相對較小的環(huán)境，這也在一定程度上克服了背景差分法的對場景變化較為敏感的缺點，使其在公路隧道的環(huán)境中相對其它方法適用性更強。背景差分法首先利用某種算法從需要處理的視頻圖像中獲取一幅沒有任何運動目標的背景圖像，然后將實時圖像與背景圖像都經(jīng)過灰度化處理之后做差分，并結合選取的閾值，對差分后的圖像進行二值化處理得到運動前景的二值圖，再進行后處理（為了解決運動目標區(qū)域連通性差及伴隨的孤立的噪聲點問題，一般采用形態(tài)學中的開、閉操作處理噪聲和空洞）提取出運動的目標。由于一些因素的變化，背景不會保持不變，因此需要及時的背景更新。雖然背景差分法實現(xiàn)的過程中已經(jīng)有對噪聲處理的具體方法，但由于噪聲處理是關乎運動目標檢測結果質量的關鍵因素，因此，現(xiàn)在出現(xiàn)的很多背景差分法的改進形式依然從削弱噪聲影響的角度入手。如基于差異深度積累的背景差分法引入差異深度矩陣來記錄圖像的變化，基本可以消除噪聲的影響［6］。

目標檢測之后，考慮到分水嶺分割算法計算量較小、精度高且能得到閉合的區(qū)域輪廓，因而一般用其進行車輛定位。將目標檢測過程輸出的運動前景二值圖作為定位算法的輸入，最終結果是在原圖像中標出目標區(qū)域外接矩形框。下面圖1是該算法的流程圖。

運動目標跟蹤是通過對個視頻幀中的各運動目標由特征匹配建立鏈接從而確定運動目標的運動軌跡的方法。在滿足高斯線性條件下，對于屬于典型的動態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)估計問題的運動目標跟蹤問題，卡爾曼濾波跟蹤算法是其最優(yōu)解［9］?，F(xiàn)在，在傳統(tǒng)的卡爾曼濾波算法的基礎上又出現(xiàn)了很多改進算法，如在公路隧道這個環(huán)境中為了保證跟蹤結果更加準確，出現(xiàn)了基于二級特征匹配的卡爾曼濾波算法［6］。該算法的思想是：對目標區(qū)域先做幾何特征匹配，若能實現(xiàn)最佳匹配就結束，否則若匹配結果不唯一，再進行核直方圖匹配。實驗表明，這種改進算法能有效實現(xiàn)多目標跟蹤，實時性好且計算量小。應用該算法進行跟蹤實驗結果如下面圖2至圖4所示。

從以上跟蹤結果可以看出，圖中有三輛車均處于跟蹤狀態(tài)，經(jīng)過這幾幀跟蹤圖片的觀察可知，運動目標跟蹤效果較好。

在對運動目標跟蹤之后，就可以對交通參數(shù)進行檢測了，這對我們進行公路隧道安全管理有直接的指導意義，主要包括對車流量、車速、道路占有率等的檢測。

對車流量、車速的檢測有多種方法，但一般采用時間復雜度較低的虛擬線圈的方法［3］，其主要思路是先劃定一個虛擬線圈區(qū)域，并且賦予一個變量記錄其狀態(tài)，一般狀態(tài)變量為0時表示沒有車輛經(jīng)過，狀態(tài)變量為1時表示線圈內(nèi)有車輛經(jīng)過，從而根據(jù)狀態(tài)變量來記錄車流量；對車速進行檢測需要表明線圈的實際寬度s，然后記錄車輛從接觸線圈到離開線圈的時間間隔t，則車速=s/t，通常的隧道管理預先都會設定超速和低速行駛的閾值，根據(jù)實際測得的車速與其比較即可判斷出車輛速度是否處于正常狀態(tài)。下面圖5為虛擬線圈示意圖。

非法變道在公路隧道這樣相對封閉且光照相對露天公路較差的環(huán)境中危害很大。對其檢測也可參照虛擬線圈的方法，可在和車道實線重合的位置設置檢測線，當車輛碰擊檢測線時系統(tǒng)應提示壓線，而當車輛中心處跨過檢測線時，系統(tǒng)應發(fā)出變道警告。

道路占有率是描述道路車輛密度的一個重要變量，可分為空間占有率和時間占有率?？臻g占有率可由某一時刻、某一觀測路段內(nèi)的行駛車輛的總長度占觀測路段的總長度百分比來表示；時間占有率可由某一觀測時段內(nèi)所有運動車輛經(jīng)過某一斷面的累計時間和占總觀測時間的百分比來表示。另外，在公路隧道內(nèi)車輛逆行也是危害很大的交通違規(guī)事件，對其檢測可通過設置車道正常的通行方向，從而根據(jù)實際車輛的行駛方向與其相反或相同判斷出逆行與否。

我們可以根據(jù)交通參數(shù)的檢測結果采取具體的管理措施。如將車流量和道路占有率結合起來，可以判斷交通堵塞狀況，如若事先規(guī)定這兩個變量的閾值，可以在實際數(shù)值超過該閾值時及時向前方隧道管理人員發(fā)出信息，前方隧道管理人員再通過指示牌或者系統(tǒng)語音提示的形式及時告知將要經(jīng)過此隧道的車輛該隧道的實時通行狀況，必要的時候應實行隧道交通管制，以避免堵塞造成時間的浪費甚至是由此引發(fā)的更嚴重的交通事故。由車速可判斷出車輛是否超速或低速行駛，后臺管理人員也要和前方隧道管理人員及時做好溝通，及時提醒車速不符合要求的車輛，也可配合一些懲罰措施，如罰款或限行等。對于非法變道和逆行的車輛由于危害極大，后方監(jiān)控中心必須迅速告知前方管理人員，然后采取攔截或交通管制等措施，同時應提醒隧道內(nèi)的其他車輛隧道內(nèi)有車輛逆行或變道，要提高警惕。

除了上面的日常監(jiān)測管理并及時對問題采取應對措施之外，這些交通參數(shù)還可以為交通事故的處理提供一定的線索。如根據(jù)車速可以判斷事故是否由超速或低速引起，根據(jù)車流量和道路占有率可以了解事故發(fā)生時道路的通行情況，而由視頻檢測可以追蹤到非法變道或逆行的車輛的車牌號等信息，從而對肇事逃逸的處理也有一定的幫助。

在對目標為車輛的檢測中，首要的是，一些專業(yè)的技術設備維護人員應確保各種檢測設備的正常運行，對出現(xiàn)的設備問題應及時解決或向上級管理人員報告請求處理方案；后臺的監(jiān)控人員應及時掌握隧道內(nèi)的實時交通參數(shù)，一旦出現(xiàn)非正常的參數(shù)，就要向前方管理人員發(fā)出預警，因此這對工作人員的判斷力、表達溝通能力及反應速度都提出了較高的要求，隧道管理部門應根據(jù)員工職位的不同，除了確保員工掌握一些隧道工作所需的基本知識以外，還應有意識地對其職位所需的特別素質進行培養(yǎng)；同時，對于司機應該做好宣傳教育工作，如通過培訓、發(fā)送宣傳單等方式，讓其了解隧道災害的嚴重后果及對緊急情況的應對措施等，既做好預防工作又做好災害發(fā)生時的應急處理；乘車人員不應與司機聊天說笑，更不應在車內(nèi)大聲喧嘩，分散司機的注意力，一些客車的售票員應對乘客的這種行為及時予以制止，同時乘客之間也應彼此監(jiān)督提醒；行政管理人員應建立一套控制車速、車流量及道路占有率等的管理法規(guī)，并且根據(jù)專業(yè)技術人員的建議不斷完善相關規(guī)定，也可結合隧道實際情況適當借鑒其它隧道管理部門的管理制度；在發(fā)生事故時，應急救援人員如消防員、醫(yī)護人員、交通警察等應牢記職業(yè)操守，以挽救生命為首要目標，搭建搶救生命的綠色通道，此時隧道前方管理人員應該及時在隧道入口安放指示牌進行交通管制，避免二次事故的發(fā)生，同時應與救援人員緊密配合，及時處理事故現(xiàn)場。

2.3.2目標為火焰

由于公路隧道相對封閉，致使一些汽車尾氣不易擴散，這樣有害物質不斷積聚，在一定的引發(fā)條件（如燃燒的煙頭等）下極易發(fā)生火災，而相對封閉的環(huán)境使火焰燃燒產(chǎn)生的熱量和煙霧不易擴散，這樣使隧道內(nèi)能見度急劇下降、溫度迅速升高、空氣中含氧量不斷降低，這些都對隧道的正常運行產(chǎn)生影響。因此，有必要對火焰進行檢測，以維持隧道內(nèi)正常的環(huán)境條件，同時將火災概率控制在最小。

傳統(tǒng)的火災探測器一般是通過對燃燒產(chǎn)生的溫度、煙霧濃度等的及時采樣，判斷火災是否發(fā)生，當檢測到火災信號時便自動報警。從其原理可以看出，該方法對設備要求比較高，實時性、通用性較差，因此基于視頻的公路隧道火災檢測技術就因成本低、實時性好、抗干擾強等優(yōu)點而正逐步得到應用［10］。

同檢測目標為車輛一樣，目標為火焰時同樣也是從運動目標檢測著手。方法同車輛檢測的方法，在隧道環(huán)境下一般也采用背景差分法，需要進行背景提取與更新，同樣對檢測出來的區(qū)域進行二值化處理，用形態(tài)學的方法對噪聲進行處理；需要明確的是，檢測出來的目標區(qū)域不一定是火焰產(chǎn)生的區(qū)域，需進一步檢測火焰區(qū)域，提取并分析識別。由于火焰與車輛不同有很多獨特的特征，這些特征可以應用到火焰區(qū)域的檢測與識別中。例如，可結合火焰的高亮度及相對穩(wěn)定特性提取目標區(qū)域，雖然提取了較為可靠的火焰區(qū)域，但并不一定是火災產(chǎn)生，還需進一步識別，可根據(jù)火災的面積擴散和不斷閃爍特性設計算法進行識別［10］。

關于火焰的檢測、火災的預防與應急處理這方面，對于相關人員仍然有要注意的問題：交通參與者在隧道內(nèi)禁止使用明火，并且運載危險品、易燃易爆品應嚴格遵守隧道相關規(guī)定，這方面的宣傳教育依然很重要；后臺監(jiān)控人員一旦檢測到了火焰或者火災跡象，第一時間應聯(lián)系前方管理人員，前方管理人員應掌握必要的滅火常識和急救常識，同時聯(lián)系應急救援人員，并做好交通警示和交通管制，若消防隊距離隧道很遠，隧道應該自備消防救援人員，盡量減少人員傷亡及財產(chǎn)損失；行政管理人員應制定嚴密的防火制度，對危險物品的運載條件等作出明確規(guī)定，嚴格監(jiān)督執(zhí)行法規(guī)條例，同時對違反規(guī)定者加大處罰力度；管理部門應成立安全監(jiān)察小組，定時對隧道內(nèi)各種設備、路面環(huán)境、空氣條件、溫度等進行檢查記錄，發(fā)現(xiàn)異常應及時報告。

2.4信息管理系統(tǒng)模塊

該模塊主要應提供友好的用戶操作界面和一個統(tǒng)一的管理平臺，它將其他模塊都統(tǒng)一以訪問接口的形式集成在一個平臺下，通過權限管理，保證非相關人員無法查看或擅自篡改真實數(shù)據(jù)，對于系統(tǒng)用戶，可以進行歷史數(shù)據(jù)的查看與分析、獲取相關統(tǒng)計報表和查看事故及火災的事件記錄等。

負責計算機維護的相關人員應注意保持系統(tǒng)的兼容性，提供良好的安全保障，并且針對用戶的需求及時對系統(tǒng)進行改進，以滿足用戶的需求、為用戶提供方便為首要目標；用戶（主要是后臺的專業(yè)技術分析人員）對于從平臺上取得的數(shù)據(jù)應根據(jù)實際需求進行分析，在此基礎上形成利于減少交通事故或火災發(fā)生的指導方案，例如，通過對交通事故的引發(fā)因素分析，確定是車速、逆行、非法變道還是其它因素引起，然后根據(jù)分析結果采取針對性措施，最終落實到對相關人員提出具體要求?？傊?，致力于建立一個安全、高效運營的公路隧道環(huán)境是隧道安全管理一直追求的目標。

3　結語

由于傳統(tǒng)的公路隧道安全管理成本高、抗干擾能力較差且實時性差，基于視頻檢測技術的公路隧道安全管理正逐漸得到應用和發(fā)展。本文先介紹了公路隧道安全管理的一些內(nèi)容，并得出公路隧道安全管理最終可歸結為對人的管理這一結論。后通過介紹視頻檢測技術的四大主要模塊，對每一模塊中相關人員在履行隧道安全管理責任時應注意的問題進行了分析，和傳統(tǒng)的公路隧道安全管理相比，基于視頻檢測的公路隧道安全管理由于具有多功能、升級簡便、維護成本低、大信息量與大區(qū)域等優(yōu)點。另外，視頻檢測系統(tǒng)與隧道內(nèi)其它系統(tǒng)如照明系統(tǒng)、通風系統(tǒng)等集成，有效地形成聯(lián)動是基于視頻檢測的公路隧道安全管理的未來的發(fā)展趨勢。隧道安全管理需要多方共同參與，需要隧道管理者、交通參與者及應急救援人員各自履行好自己的義務，共同努力，攜手創(chuàng)建一個安全和諧的公路隧道環(huán)境。

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訾愛新（1974—），男，河北秦皇島人，學位：工程碩士學位，職位：高級工程師，目前工作和研究方向：橋梁，隧道養(yǎng)護，維修，設施管理。