高速公路智能監(jiān)控數(shù)據(jù)采集器的優(yōu)化布設(shè)方法

李 霞，武偉偉，崔洪軍，李少鵬，李海南

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津300401；2.南昌工學(xué)院 機械與車輛工程學(xué)院，江西 南昌 330108)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展和高速公路管理要求愈加嚴格，高速公路全程監(jiān)控受到了越來越多的重視。高速公路全程監(jiān)控可減少停車次數(shù)30%，節(jié)省行車時間13%～45%[1]，提高其通行能力約10%，減少事故約15%[2]。2014年提出的JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準》[3]更是將全程監(jiān)控作為高速公路監(jiān)控的最高等級A級，以實現(xiàn)全線的全程監(jiān)控、動態(tài)信息發(fā)布和交通誘導(dǎo)的目標(biāo)。

高速公路的全程監(jiān)控是指在沿線逐一布設(shè)數(shù)據(jù)采集器使高速公路的全部路段都納入監(jiān)控范圍之內(nèi)。目前，在布設(shè)數(shù)據(jù)采集器工作中，大部分設(shè)計單位沒有考慮監(jiān)控攝像機的有效識別能力和公路線形特征，直接采用均勻布設(shè)方法。而均勻布設(shè)間距值并沒有統(tǒng)一的規(guī)定，在不同的高速公路中是參差不齊的，小至0.3 km而大至2 km[4]。若數(shù)據(jù)采集器的布設(shè)間距過小，雖然能夠保證對高速公路交通運行狀態(tài)監(jiān)控的可靠性，對事故也能快速感知，但增加了投資，造成不必要的浪費。而布設(shè)間距過大，則會因監(jiān)控區(qū)域遺漏導(dǎo)致交通信息的缺失。且目前單個點位的數(shù)據(jù)采集器架設(shè)時邊調(diào)節(jié)架設(shè)邊現(xiàn)場測試效果[5]，對架設(shè)角度、方位等缺乏結(jié)合于公路線形特征參數(shù)的理論分析和計算，不僅費時費力，還易出現(xiàn)公路重要監(jiān)控部位不出現(xiàn)在畫面中央的監(jiān)控區(qū)域偏差現(xiàn)象。

高速公路上多為平曲線和豎曲線的組合，且路段的起伏變化復(fù)雜，攝像機在不同路段和點位適宜的布設(shè)間距、水平角、傾角等是有差別的。總之，這種按照經(jīng)驗布設(shè)數(shù)據(jù)采集器的方法易導(dǎo)致監(jiān)控區(qū)域遺漏、偏差或是采集器數(shù)量成本的浪費。因此，筆者針對該現(xiàn)狀提出高速公路智能監(jiān)控數(shù)據(jù)采集器的優(yōu)化布設(shè)方法。

1 數(shù)據(jù)采集器的有效監(jiān)控區(qū)域

限于攝像頭的廣角，在計算有效監(jiān)控視距和有效監(jiān)控區(qū)域面積時要考慮架設(shè)桿下方監(jiān)控盲區(qū)的存在，在實際工程布設(shè)中要保證前一個攝像頭的有效監(jiān)控視距覆蓋當(dāng)前攝像頭下方的監(jiān)控盲區(qū)。數(shù)據(jù)采集器的布設(shè)如圖1：

圖1 視頻監(jiān)控布設(shè)示意Fig. 1 Schematic layout of video surveillance

1.1 最遠識別點的確定

攝像機在正常攝像倍數(shù)下能夠清晰分辨物體的最遠點，與攝像機的像素數(shù)、焦距、感光元件CMOS尺寸等性能參數(shù)有關(guān)。由攝像機成像原理和感光元件CMOS的工作機理，確定在像素數(shù)為NcmosH×NcmosW，焦距為f下的最遠識別點位置，如圖2。由于寬、高方向上計算方式相同，故此處只提出以寬度計算的模型[6-7]：

(1)

(2)

式中：wcmos為最遠識別物體的成像寬度；L為最遠監(jiān)控點至鏡頭的垂直距離；wo為最遠識別物體實際寬度；now為最遠識別物體的像素寬度；Wcmos為CMOS元件寬度，通常取1/2.3或1/3英寸；NcmosH為CMOS元件的像素高度；NcmosW為CMOS元件的像素寬度。

圖2 最遠監(jiān)控距離模型Fig. 2 Model of the farthest monitoring distance

則在像素識別要求為now下的最遠識別點至數(shù)據(jù)采集器的距離為

(3)

1.2 有效監(jiān)控區(qū)域的確定及面積計算

有效監(jiān)控區(qū)域?qū)τ诟咚俟返娜滩荚O(shè)非常重要。其既與攝像機本身性能參數(shù)，例如焦距、分辨率等有關(guān)，又受到外部環(huán)境因素例如安裝角度、地形及氣候條件等制約。根據(jù)投影原理得到監(jiān)控的有效區(qū)域平面形狀應(yīng)為梯形。其中O點為攝像機架設(shè)點，AA′為攝像機有效監(jiān)控平面區(qū)域最遠邊，BB′為有效監(jiān)控平面區(qū)域最近邊。

圖3 視頻監(jiān)控有效平面區(qū)域Fig. 3 Effective plane area of video surveillance

l0=H×[tan(θ+2α)-tanθ]

(4)

(5)

(6)

式中：L1、L2分別是監(jiān)控區(qū)域最近處和最遠處的有效寬度范圍。忽略攝像頭畸變所造成的面積損失，得到視頻監(jiān)控有效面積S的計算公式如式(7)：

(7)

2 縱坡不變下平曲線段數(shù)據(jù)采集器的布設(shè)

2.1 直線段數(shù)據(jù)采集器的布設(shè)

數(shù)據(jù)采集器通常架設(shè)在高速公路主線的路肩上，所以在計算布設(shè)間距時應(yīng)考慮攝像機水平角的影響。在某高速公路管理處視頻監(jiān)控中心的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對于200萬像素的視頻監(jiān)控器，視頻的布設(shè)角度的微調(diào)并不能影響近處及中遠處區(qū)域的監(jiān)控效果，并且視頻監(jiān)控人員更多地是關(guān)注監(jiān)控畫面的中心部分。

在坡度不大的直線路段上，為了滿足道路全程有效監(jiān)控和盡量使道路成像在監(jiān)控畫面中央的要求，應(yīng)使采集器的最遠識別點落在道路中線上，則最遠識別點至鏡頭焦點的連線與道路邊線相交所得的夾角即為攝像機的水平角φ。其平面包絡(luò)如圖4：

圖4 直線段布設(shè)包絡(luò)Fig. 4 Envelope diagram of layout in straight line section

得到直線段布設(shè)間距L0和攝像機水平角φ計算公式如式(8)、式(9)：

(8)

(9)

式中：B為單側(cè)路幅的寬度。

2.2 圓曲線段數(shù)據(jù)采集器的布設(shè)

在直線或曲率較小的路段，數(shù)據(jù)采集器可以架設(shè)在主線道路任意一側(cè)的路肩上。其布設(shè)原則如下：

1) 在曲率較大處需將攝像機架設(shè)在彎道外側(cè)以確保視角的充分利用。

2) 水平布設(shè)角度要求有效監(jiān)控區(qū)域?qū)ΨQ線與道路中線相切，使道路交通狀況盡量反映在監(jiān)控畫面正中區(qū)域。

3) 充分考慮攝像機盲區(qū)的覆蓋，保證全程監(jiān)控?zé)o遺漏。

4) 在坡度恒定的直線和曲線路段，橫向坡度相對路寬可忽略不計。

根據(jù)以上原則，數(shù)據(jù)采集器在圓曲線段的布設(shè)平面包絡(luò)圖如圖5：

圖5 圓曲線段布設(shè)模型包絡(luò)Fig. 5 Envelope diagram of layout model in circular curve section

(10)

(11)

式中：r1為圓曲線最外側(cè)曲線半徑；r2為道路中心線曲線半徑；β為單個攝像機監(jiān)控區(qū)域覆蓋的角度。

為了消除盲區(qū)而確定的最小重復(fù)角γ，其計算式為

(12)

所以，得到彎道上數(shù)據(jù)采集器的布設(shè)間距L0分別為：

(13)

緩和曲線段的數(shù)據(jù)采集器布設(shè)則與平曲線中直線段相同，只要將最遠識別點落在道路中線上即可得到較好的監(jiān)控效果。

3 平曲線不變下豎曲線段數(shù)據(jù)采集器的布設(shè)

數(shù)據(jù)采集器在豎曲線段的布設(shè)間距和傾角受到豎曲線半徑的影響而不同于直坡路段。筆者就凹形豎曲線和凸型豎曲線[8]兩種情況分別進行討論。

3.1 凹形豎曲線段數(shù)據(jù)采集器的布設(shè)

在凹形豎曲線段，數(shù)據(jù)采集器若按直坡段的傾角進行布設(shè)，則數(shù)據(jù)采集器的有效監(jiān)控面積受到大幅度壓縮，所以應(yīng)適當(dāng)增大布設(shè)傾角。布設(shè)模型示意圖見圖6：

圖6 凹曲線段布設(shè)示意Fig. 6 Schematic diagram of layout in concave curve section

與縱坡不變路段一樣，后一個數(shù)據(jù)采集器的監(jiān)控盲區(qū)邊界應(yīng)該與前一個采集器的最遠識別邊線重合，這樣才能充分利用有效監(jiān)控區(qū)域，保證全程有效監(jiān)控，而又節(jié)約采集器的成本。

圖7 凹曲線段布設(shè)間距、傾角計算示意Fig. 7 Calculation schematic for spacing and dip angle of layout in concave curve section

由圖7計算數(shù)據(jù)采集器的布設(shè)傾角和間距，可得：

(14)

式中：R為凹形豎曲線的半徑，計算得到布設(shè)傾角θ1為

(15)

單個數(shù)據(jù)采集器覆蓋的角度σ即為圓弧O1B所對應(yīng)的圓心角：

(16)

用類似的方程關(guān)系得到圓弧O2B對應(yīng)的圓心角λ的求解方程為

(17)

3.2 凸形豎曲線段數(shù)據(jù)采集器的布設(shè)

在凸形豎曲線段，數(shù)據(jù)采集器若按直坡段的傾角進行布設(shè)，則數(shù)據(jù)采集器的部分監(jiān)控范圍不能被有效識別，所以應(yīng)適當(dāng)減小布設(shè)傾角。與前面幾種線形情況一樣，后一個數(shù)據(jù)采集器的監(jiān)控盲區(qū)邊界應(yīng)該與前一個采集器的最遠識別邊線重合，布設(shè)模型示意見圖8：

圖8 凸曲線段布設(shè)示意Fig. 8 Schematic diagram of layout in convex curve section

圖9 凸曲線段布設(shè)間距、傾角計算示意Fig. 9 Calculation schematic for spacing and dip angle of layout in convex curve section

(18)

式中：R為凸形豎曲線的半徑，解得數(shù)據(jù)采集器的架設(shè)傾角θ2為

(19)

則單個數(shù)據(jù)采集器覆蓋的角度σ即為圓弧O1B所對應(yīng)的圓心角為

(20)

用類似的方程關(guān)系得到圓弧O2B對應(yīng)的圓心角λ的求解方程為

(21)

4 平縱組合下數(shù)據(jù)采集器的布設(shè)

在平縱組合的6種情況中，橫坡直線路段、橫坡曲線路段、凹形直線路段和凸型直線路段數(shù)據(jù)采集器的布設(shè)已經(jīng)在上文討論過，故不再闡述。本節(jié)主要對平縱組合路段最佳組合“平包豎”路段上數(shù)據(jù)采集器的布設(shè)進行分析。

當(dāng)最遠識別點落在緩和曲線上，即前一個數(shù)據(jù)采集器位置不在緩和曲線上時，緩和曲線為豎曲線起點，結(jié)合“平包豎”理論，以直線路段的布設(shè)結(jié)果為主要參考值。由于在實際道路中圓曲線的半徑通常為豎曲線半徑的1/10左右，故在平縱組合路段的布設(shè)以圓曲線段的布設(shè)方法作為主要參考，并用一個折減系數(shù)對布設(shè)間距進行折減，可獲得較為合適的取值。計算示意如圖10。

圖10 平縱組合下坡度示意Fig. 10 Slope degree schematic under horizontal and longitudinal combination

折減系數(shù)η及布設(shè)距離L0計算式為：

(22)

(23)

L0=Lc×η

(24)

式中：Lvh為豎曲線在水平方向的距離；Lv為豎曲線的長度；Hv為豎曲線的坡度變化值；Lc為圓曲線的長度。

5 實例分析

采用1/3英寸、200萬像素、攝像焦距為4 mm的CMOS攝像機作為數(shù)據(jù)采集器的基礎(chǔ)設(shè)備，以河北省內(nèi)某條全程為42.6 km的高速公路路段為例進行數(shù)據(jù)采集器的優(yōu)化布設(shè)。

以下是該公路K0+000至K4+258.73樁號S形路段的布設(shè)優(yōu)化分析，通過筆者的優(yōu)化布設(shè)模型計算得到的數(shù)據(jù)見表1，設(shè)計參數(shù)如圖11。

表1 數(shù)據(jù)采集器優(yōu)化布設(shè)后點位設(shè)置Table 1 Setup for data collector’s position after the layout optimization

由優(yōu)化布設(shè)結(jié)果計算得到共需數(shù)據(jù)采集器78臺，由于考慮了各種線形對監(jiān)控區(qū)域的影響，使得道路全線得到有效監(jiān)控，又能最大限度地減少監(jiān)控區(qū)域的重復(fù)。

圖11 示例高速公路線形數(shù)據(jù)Fig. 11 Alignment data of the sample highway

如按經(jīng)驗一般以500 m為間距進行沿線逐一布設(shè)，則該條高速應(yīng)布設(shè)86臺攝像機，比優(yōu)化布設(shè)方法多用8臺數(shù)據(jù)采集器，且在線路末端會有兩個布設(shè)點位距離很近，造成不必要的重復(fù)監(jiān)控。并且在K1+030至K1+597.2和K2+557.2至K3+604.4樁號路段的布設(shè)，此區(qū)域有效監(jiān)控距離被壓縮，若采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗布設(shè)方法，必然導(dǎo)致監(jiān)控區(qū)域遺漏。此外，由于沒有對公路線形特征進行理論分析和計算，進行布設(shè)施工時，為取得良好的監(jiān)控畫面效果，通過一次又一次的現(xiàn)場測試來調(diào)節(jié)布設(shè)角度，繁瑣且耗費大量時間。

基于以上實例對比分析，筆者提出的數(shù)據(jù)采集器優(yōu)化布設(shè)方法大大提高了監(jiān)控效果，節(jié)約了設(shè)備數(shù)量成本和布設(shè)施工時間成本，具有較好的社會效益。

6 結(jié) 語

建立了高速公路平曲線段、豎曲線段和平縱組合曲線段下的全程監(jiān)控布設(shè)模型，該模型在保證有效、高質(zhì)量監(jiān)控的基礎(chǔ)上，最大限度地擴大了監(jiān)控區(qū)域，并推導(dǎo)出了數(shù)據(jù)采集器在這3種不同線形下的布設(shè)間距、水平角、傾角的計算公式。以某條全程為42.6 km的高速公路路段為例進行數(shù)據(jù)采集器的優(yōu)化布設(shè)，對比于經(jīng)驗布設(shè)的結(jié)果表明，提出的優(yōu)化布設(shè)方法少用8臺數(shù)據(jù)采集器，節(jié)省了數(shù)據(jù)采集器的數(shù)量成本，并且還克服了經(jīng)驗布設(shè)法常見的監(jiān)控區(qū)域遺漏、偏差的缺點。

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