光纖傳感技術(shù)下的智能交通管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□ 文/尹露

交通安全和交通擁堵是當(dāng)今城市快速路上面臨的最為嚴(yán)重的兩大問題[1]。一旦發(fā)生交通事故，不僅會(huì)引起嚴(yán)重的交通擁堵，造成行車延誤，降低通行能力，嚴(yán)重情況下還會(huì)造成人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，產(chǎn)生惡劣的社會(huì)影響。交通擁堵會(huì)造成城市快速路的交通通行不暢，耽誤人們出行的時(shí)間，同時(shí)增加了汽車尾氣的排放，造成環(huán)境的污染。另一方面，交通擁堵會(huì)帶來交通秩序的混亂，增加交通事故的發(fā)生概率，而交通事故又會(huì)反過來加劇道路的交通擁堵，交通安全和交通擁堵形成惡性循環(huán)，給城市的發(fā)展帶來了嚴(yán)重的損失。

解決交通安全和交通擁堵問題，需要加大城市交通建設(shè)的投入，改建和新建交通設(shè)施。但是大多數(shù)城市的基礎(chǔ)交通設(shè)施改善都是基于一定的規(guī)劃周期，持續(xù)時(shí)間長且見效緩慢。因此，實(shí)施有效的智能交通管理系統(tǒng)，將先進(jìn)的技術(shù)有效地運(yùn)用在交通管理體系中顯得十分必要[2]。通過交通管理的智能化，實(shí)現(xiàn)對交通事故和交通狀態(tài)的及時(shí)識(shí)別、報(bào)警以及處置，可以將交通事故和交通擁堵的影響減小到最低程度。本文提出了將光纖傳感技術(shù)作為一種新的交通數(shù)據(jù)感知手段的概念，并基于光纖傳感技術(shù)設(shè)計(jì)了智能交通管理系統(tǒng)的相關(guān)功能，用于緩解城市快速路的交通安全及交通擁堵問題。

傳統(tǒng)的交通數(shù)據(jù)感知手段與分析方法

在交通安全狀態(tài)和交通擁堵監(jiān)測方面，目前國內(nèi)交通管理系統(tǒng)中比較成熟的道路數(shù)據(jù)采集手段仍然以線圈、視頻卡口檢測器等為主[3]。固定型采集技術(shù)需要根據(jù)布設(shè)位置集中于道路的某一點(diǎn)，檢測范圍、粒度十分受限，此外受環(huán)境因素影響較大。

傳統(tǒng)的交通安全研究方法是基于事故數(shù)或非事故間接的安全研究方法，這類方法均基于交通事故的事后數(shù)據(jù)，無法動(dòng)態(tài)地、實(shí)時(shí)地對道路交通安全進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測[4]。隨著我國智能交通的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集設(shè)備技術(shù)的逐步提高使得海量高精度的實(shí)時(shí)交通流數(shù)據(jù)的獲取不再是一件困難的事情，然而在面對海量、無規(guī)律的交通數(shù)據(jù)時(shí)，如何通過算法將交通數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用的交通信息仍然是一件十分需要努力的事情。

在交通狀態(tài)發(fā)布方面，目前主流的交通算法仍然是基于線圈數(shù)據(jù)，通過計(jì)算交通流量和交通速度的關(guān)系進(jìn)行交通狀態(tài)的識(shí)別[5-6]。但是由于線圈這種檢測手段在測量精度和檢測范圍上十分受限，仍然難以滿足目前城市快速路在交通狀態(tài)判別上的需求。

如果能夠通過一種有效的檢測手段可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、大范圍、且實(shí)時(shí)的交通信息采集，并結(jié)合傳統(tǒng)的線圈、卡口交通數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)交通事故的安全監(jiān)測和道路的實(shí)時(shí)交通狀態(tài)分析研判，那么管理人員就可以通過交通管理系統(tǒng)提前發(fā)布交通信息，同時(shí)聯(lián)動(dòng)其他道理管理人員對道路的交通問題進(jìn)行及時(shí)處理，確保道路的安全和暢通。

光纖傳感技術(shù)的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)傳感技術(shù)相比，光纖傳感技術(shù)在數(shù)據(jù)采集方面有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

不受惡劣天氣影響，能實(shí)現(xiàn)大范圍的連續(xù)、實(shí)時(shí)檢測和監(jiān)控；

借助納秒級的激光脈沖和高速數(shù)據(jù)采集及處理，檢測主機(jī)可以獲得數(shù)十公里光纖上連續(xù)分布的物理量值；

單位信息的獲取成本低，具有較高的性價(jià)比，在大范圍的連續(xù)監(jiān)控方面具有不可替代的優(yōu)勢。

目前光纖傳感技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油勘探、石油管道泄漏檢測、鐵路周界安防等領(lǐng)域，將分布式光纖傳感應(yīng)用于快速路安全監(jiān)測對推動(dòng)我國交通管理模式的發(fā)展和更加高效地利用現(xiàn)有的道路資源都具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[7-9]。

基于光纖傳感技術(shù)的智能交通管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光纖傳感智能交通管理系統(tǒng)概述

光纖傳感智能交通管理系統(tǒng)由外場光纖傳感、感應(yīng)線圈、視頻檢測器設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、基于聚類的交通事故位置識(shí)別算法、基于支持向量機(jī)(SVM)的交通擁堵判別算法、交通信息發(fā)布等模塊組成。數(shù)據(jù)采集定義了統(tǒng)一的平臺(tái)通信協(xié)議，統(tǒng)一各個(gè)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)接口，實(shí)時(shí)獲取路段的光纖振動(dòng)量及交通信息參數(shù)等。數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊負(fù)責(zé)定義統(tǒng)一的數(shù)據(jù)字段、數(shù)據(jù)格式以及對數(shù)據(jù)的預(yù)處理規(guī)則?；诰垲惖慕煌ㄊ鹿饰恢米R(shí)別算法模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測道路的交通事故，識(shí)別出道路的交通安全異常點(diǎn)位?；赟VM的交通擁堵判別算法模塊負(fù)責(zé)識(shí)別暢通、緩慢和擁堵三種交通狀態(tài)。交通信息發(fā)布模塊負(fù)責(zé)發(fā)布模型的分析結(jié)果，為管理人員提供及時(shí)的決策依據(jù)。關(guān)于系統(tǒng)功能的模型算法，本文不做過多贅述，僅以介紹系統(tǒng)功能為主。

主要業(yè)務(wù)流程

本系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)如圖1所示：

▲圖1：系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖

架構(gòu)說明：

采集層借助路面上的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括光纖傳感設(shè)備、視頻監(jiān)控、線圈檢測器等輔助設(shè)備，完成基于光纖傳感技術(shù)的數(shù)據(jù)采集工作；

分析層包含交通安全（事故）監(jiān)測模型和交通擁堵判別模型兩大模型，分別基于聚類的交通事故位置識(shí)別算法和支持向量機(jī)(SVM)的交通擁堵判別算法，并完成數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析以及模型調(diào)用等計(jì)算工作；

接口服務(wù)層保留分析層的模型計(jì)算結(jié)果，分析結(jié)果將為應(yīng)用層在安全事故發(fā)布、數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通狀態(tài)發(fā)布等方面提供決策依據(jù)。

功能描述

快速路交通監(jiān)控及管理運(yùn)行系統(tǒng)的功能主要包括數(shù)據(jù)采集的接口通信、協(xié)議預(yù)處理、持久化存儲(chǔ)、安全報(bào)警以及各類交通信息發(fā)布等。具體功能說明請參見表1。

交通安全監(jiān)控功能設(shè)計(jì)

交通安全監(jiān)控主要是針對突發(fā)的安全異常事件，例如車輛事故、道路毀損、落石災(zāi)害等，實(shí)現(xiàn)安全異常報(bào)警，并鎖定安全異常的道路點(diǎn)位。數(shù)據(jù)處理中心服務(wù)器把道路上采集到的光纖傳感數(shù)據(jù)傳輸給交通安全（事故）監(jiān)控模型，通過對振動(dòng)數(shù)據(jù)的計(jì)算分析，可以實(shí)現(xiàn)對道路交通安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控。一旦路面上發(fā)生交通異常事件，模型算法能夠及時(shí)地判斷出異常事故的具體位置，并在系統(tǒng)界面發(fā)出報(bào)警，提醒交通管理人員及時(shí)查看處理。

表1：系統(tǒng)功能描述

圖2展示了系統(tǒng)中交通安全監(jiān)控界面。界面主要由五部分組成，包括：路段里程樁號(hào)、整體路段安全數(shù)據(jù)監(jiān)測、路段點(diǎn)位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、視頻信息以及異常點(diǎn)位信息報(bào)警。

▲圖2：交通安全監(jiān)控界面

路段里程樁號(hào)對應(yīng)真實(shí)道路的具體位置，在界面中每隔一米設(shè)置成一個(gè)可見的道路樁號(hào)點(diǎn)位。當(dāng)有異常事故發(fā)生時(shí)，事故所在樁號(hào)點(diǎn)位會(huì)在界面上呈現(xiàn)出紅色，如圖3中紅色方框中所示，報(bào)警的具體信息會(huì)顯示在界面的最上方，包括監(jiān)測到的異常點(diǎn)位的具體樁號(hào)數(shù)、所屬監(jiān)測路段、報(bào)警時(shí)間以及報(bào)警原因。如果報(bào)警點(diǎn)位在攝像頭可監(jiān)測范圍內(nèi)，還可以點(diǎn)擊查看實(shí)時(shí)的道路交通情況，同時(shí)及時(shí)采取必要的管制措施。

▲圖3：路段里程樁號(hào)異常點(diǎn)位顯示

路段里程樁號(hào)上的每一個(gè)點(diǎn)都包含道路上每一個(gè)位置采集到的實(shí)時(shí)光纖數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊樁號(hào)點(diǎn)位即可以讀取到這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如圖4。交通安全監(jiān)控模型周期性地從數(shù)據(jù)處理中心讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對道路安全的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此，在圖4中看到的道路點(diǎn)位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也是隨著時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的。圖4的橫坐標(biāo)為時(shí)間，周期性自動(dòng)更新（如10s），縱坐標(biāo)為采集到的光纖振動(dòng)數(shù)據(jù)，正常范圍是(0,5)。

▲圖4：路段點(diǎn)位實(shí)時(shí)安全數(shù)據(jù)

整體路段安全數(shù)據(jù)監(jiān)測用不同的顏色展示。表2為光纖振動(dòng)數(shù)據(jù)的顏色定義。隨著光纖振動(dòng)數(shù)據(jù)的變大，顏色也逐漸由綠色轉(zhuǎn)為黃色，最終呈現(xiàn)為紅色。其表示的含義為，光纖振動(dòng)的數(shù)據(jù)值越大，其外部異常的可能性越大。圖5能夠直觀反應(yīng)出整體路段在某一時(shí)刻的安全狀況，其橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為路段的里程樁號(hào)。后臺(tái)模型算法會(huì)每分鐘計(jì)算一次整體路段的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此圖中看到的整體路段的安全數(shù)據(jù)也是每分鐘更新一次。在外部道路環(huán)境有重大事故發(fā)生時(shí)，在圖中能夠直觀的看到大面積的紅色。將鼠標(biāo)移動(dòng)到顏色所在區(qū)域，可以動(dòng)態(tài)顯示路段的具體樁號(hào)及數(shù)據(jù)發(fā)生時(shí)間。

表2：光纖振動(dòng)數(shù)據(jù)的顏色定義

▲圖5 整體路段安全數(shù)據(jù)監(jiān)測

交通狀態(tài)發(fā)布功能設(shè)計(jì)

交通狀態(tài)發(fā)布主要是對道路實(shí)際的交通狀態(tài)，包括暢通、緩慢和擁堵三種情況，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的狀態(tài)信息發(fā)布。數(shù)據(jù)處理中心服務(wù)器會(huì)把把道路上采集到的光纖傳感數(shù)據(jù)傳輸給交通擁堵判別模型，通過對振動(dòng)數(shù)據(jù)的計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)對道路交通狀態(tài)的實(shí)時(shí)發(fā)布，如發(fā)布頻率可定義為30秒。

圖6展示了系統(tǒng)中交通狀態(tài)發(fā)布界面。界面同樣由五部分組成，包括：路段里程樁號(hào)、整體路段交通狀態(tài)監(jiān)測、路段點(diǎn)位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、視頻信息以及擁堵點(diǎn)位信息報(bào)警。

▲圖6：交通狀態(tài)監(jiān)控界面

圖7為路段里程樁號(hào)上每個(gè)點(diǎn)位的交通狀態(tài)顯示。路段里程樁號(hào)對應(yīng)真實(shí)道路的具體位置，在界面中每隔一米設(shè)置成一個(gè)可見的道路樁號(hào)點(diǎn)位。交通狀態(tài)為三級顯示，分別由紅、黃、綠代表擁堵、緩慢、暢通三種交通狀態(tài)。當(dāng)?shù)缆穼?shí)際的交通狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，點(diǎn)位的發(fā)布顏色會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

▲圖7：路段里程樁號(hào)點(diǎn)位交通狀態(tài)顯示

圖8為路段里程樁號(hào)上具有攝像頭點(diǎn)位的關(guān)聯(lián)視頻信息。為了查看和核實(shí)系統(tǒng)發(fā)布的實(shí)時(shí)道路交通狀態(tài)，交通管理人員可以點(diǎn)擊關(guān)聯(lián)攝像頭查看道路上實(shí)際通行的交通狀況。在交通擁堵或者發(fā)布異常的情況下，管理人員需要采取必要的管理或者系統(tǒng)維護(hù)措施。

▲圖8：關(guān)聯(lián)攝像頭交通狀態(tài)查看

圖9為路段點(diǎn)位實(shí)時(shí)交通狀態(tài)數(shù)據(jù)。交通擁堵判別模型從數(shù)據(jù)處理中心周期性地讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對道路交通狀態(tài)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此，圖9中的道路點(diǎn)位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也是隨著時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的。圖中的橫坐標(biāo)為時(shí)間，周期性自動(dòng)更新（如30s），縱坐標(biāo)為采集到的光纖振動(dòng)數(shù)據(jù)，正常范圍是(0,5)。

▲圖9：路段點(diǎn)位實(shí)時(shí)交通狀態(tài)數(shù)據(jù)

圖10為整體路段交通狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測圖，其橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為路段的里程樁號(hào)。從圖中能夠直觀反應(yīng)出整體路段在某一時(shí)刻的交通狀況，當(dāng)圖中顏色為綠色時(shí)，代表該時(shí)刻下的整體路段為暢通的；如果顏色逐漸由綠色轉(zhuǎn)黃，代表路段交通流逐漸變得緩慢；如果持續(xù)出現(xiàn)大面積的紅色，則代表這一段時(shí)間的路段開始變得擁堵。后臺(tái)模型算法會(huì)每分鐘計(jì)算一次整體路段的交通狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此圖中看到的整體路段的交通狀態(tài)數(shù)據(jù)也是每分鐘更新一次。將鼠標(biāo)移動(dòng)到顏色所在區(qū)域，可以動(dòng)態(tài)顯示路段的具體樁號(hào)及數(shù)據(jù)發(fā)生時(shí)間。

▲圖10：整體路段交通狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測

結(jié)束語

光纖傳感技術(shù)在連續(xù)交通數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交通信息發(fā)布方面具有很大的優(yōu)勢，可作為一種有效手段支撐未來城市快速路的智能交通發(fā)展。該技術(shù)對于緩解交通安全和交通擁堵問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。