基于北斗高精定位與智能視頻接力的交通線路要人安保關鍵技術設計及其實現(xiàn)

吳 鋼， 吳韻馳

(1.武漢市公安局交通管理局， 湖北武漢 430030； 2.天津工業(yè)大學計算機科學與技術學院， 天津 300387)

0 引言

1 精細化交通線路要人安保工作難點及技術對策

傳統(tǒng)的交通線路要人安保工作通常依靠大量警力投入與全封閉式交通管制，這種模式不僅造成警力與交通資源浪費，也給人民群眾正常出行帶來不便，且無法有效發(fā)現(xiàn)與預防安全風險。而精細化交通線路要人安保即是要通過技術手段最大程度遏制與消除警衛(wèi)線路中的不確定性，確保警衛(wèi)對象安全順暢抵達，同時避免對公眾出行產(chǎn)生影響。實戰(zhàn)而言，精細化交通線路要人安保當前面臨的難題：一是警衛(wèi)對象精準定位難，由于城市復雜的道路及建筑物環(huán)境，在高架橋、隧道及高樓區(qū)域常出現(xiàn)全球定位衛(wèi)星信號遮擋與移動通信基站信號延遲問題，從而導致安裝在警衛(wèi)車隊上的定位設備無法連續(xù)定位、定位精度不足及信號傳輸延遲，且在要人安保任務過程中，常有部門架設“低慢小”航空器干擾裝置，此類裝置發(fā)送的干擾信號也會阻礙定位設備正常獲取實時位置，最終結果即是警衛(wèi)對象定位信息出現(xiàn)延時、漂移、中斷甚至丟失，給安保工作帶來極大風險與不確定性。為解決此問題，本文提出采用具有抵抗“低慢小”航空器干擾裝置頻率波段的定位設備，并采用基于CORS(連續(xù)衛(wèi)星定位服務參考站)系統(tǒng)的北斗高精度定位技術最大程度保障定位精度，對移動通信延遲造成的定位信息延時或丟失問題，研發(fā)基于時空位置預測的車輛軌跡在線推演技術對車輛實時位置進行精準推算，解決警衛(wèi)對象精準定位難問題。二是警衛(wèi)對象跟蹤保衛(wèi)難，傳統(tǒng)依靠人工視頻巡查車隊位置并手動切換大屏視頻信號不僅不智能，且操作難度大、易出錯，無法做到警衛(wèi)對象全程可視。本文通過研發(fā)基于地理方位計算的全時空無縫視頻接力技術，根據(jù)安保線路沿線視頻監(jiān)控設備高精度位置與警衛(wèi)車隊實時位置計算二者間空間距離與空間方位，以空間距離、空間方位、視頻設備視域范圍及在線情況作為共同約束條件，篩選出盡可能沿安保線路連續(xù)分布的一定數(shù)量監(jiān)控設備作為視頻接力設備，并根據(jù)車隊位置實時計算調(diào)整視頻接力設備及其視角方位，實現(xiàn)對警衛(wèi)對象無縫跟蹤視頻接力。三是警衛(wèi)線路風險防控難，安保線路沿線交通態(tài)勢及社會面形勢復雜，人流、車流、制高點、重點人、重點車及其他異常事件皆存在安全隱患，且安保線路距離長、時間長、范圍廣，對精準風險防控造成困難。本文提出以警衛(wèi)車隊位置為核心，研發(fā)安保資源時空關聯(lián)與實時預警技術，對警衛(wèi)車隊實時位置周邊區(qū)域進行交通態(tài)勢及社會面形勢實時感知預警，通過縮小預警管控區(qū)域進行針對性精準預警，優(yōu)化警力部署同時提高風險管控效率。

2 精細化交通線路要人安保關鍵技術

2.1 基于北斗高精定位與時空位置預測的車輛軌跡推演技術

CORS技術用于實現(xiàn)厘米級的動態(tài)實時衛(wèi)星定位服務，目前應用該技術實現(xiàn)北斗高精定位已較為成熟，本文運用此技術對安保線路及其沿線視頻監(jiān)控設備、信號燈、誘導屏、警衛(wèi)力量點位、制高點等對象進行高精度位置采集，對清障車、交通報信車、收尾車、巡邏車等進行實時位置測量，以最大程度獲取各類警衛(wèi)對象精準地理位置。為解決安保過程中可能出現(xiàn)的定位信息延時或丟失問題，本文提出了車輛時空位置預測與軌跡推演技術，主要包括4部分內(nèi)容：

① 將車輛位置實時糾偏至安保線路，對獲取到的每一個車輛位置點P與安保線路集合L進行空間距離計算，將其垂直糾偏至距離最近的安保線路，獲得糾偏后的車輛位置點T，T由空間位置與采集時間組成，如圖1所示，L1與L2為兩條線路，P1為原始位置點，T1為糾偏后位置點。

圖1 位置糾偏示意圖

② 獲得并更新車輛最新軌跡點集合T，其由n個車輛位置點T組成，按照采集時間順序排列，更新規(guī)則為移除T中采集時間最早的位置點，并插入最新采集位置點，保證集合T元素個數(shù)為n。

③ 記集合T中所有位置點最早采集時間為t0，最新采集時間為t1，當前時間為t2，若滿足式(1)與式(2)，則認為可利用集合T中位置點計算車輛運動參數(shù)，包括行駛平均速度V與行駛方向D。

t2-t1

(1)

(2)

dij=Ti,Tj沿安保線路的網(wǎng)絡距離,
Ti,Tj∈T,代表采集時間相鄰的兩個位置點;

(3)

(4)

(5)

其中：式(1)保證最新位置點采集時間與當前時間之間間隔不超過一定時間閾值，式(2)保證集合T中所有位置點平均時間間隔不超過一定時間閾值。式(3)代表采集時間相鄰的兩個位置點沿安保線路網(wǎng)絡距離，式(4)計算車輛行駛平均速度V，式(5)計算車輛行駛方向D。

④ 對車輛實時位置進行預測。由于車輛定位信息延時或丟失，且定位數(shù)據(jù)從互聯(lián)網(wǎng)同步至公安網(wǎng)也存在耗時，因此最新位置點采集時間t1一定延遲于當前實際時間t2，可根據(jù)車輛運動參數(shù)V與D進行位置估算。

S=(t2-t1)V;

(6)

式(6)計算結果為預測車輛行駛距離，按車輛行駛方向D沿安保線路計算網(wǎng)絡距離S，所得位置點為車輛實時預測位置。由于車輛運動參數(shù)V與D會根據(jù)車輛軌跡點集合更新而進行重新計算，故能保證始終利用最新的車輛運動參數(shù)進行位置預測，提高預測精準度。在實際計算過程中，為保證車輛沿安保線路平滑移動，避免出現(xiàn)車輛位置跳躍，可按照一定時間間隔如每秒計算一次車輛實時位置，形成較為連續(xù)的軌跡序列，獲得較好的可視化效果，并為視頻接力服務提供高質(zhì)量的車輛位置數(shù)據(jù)。

那天午后，知了在樹上嘰嘰喳喳地叫著，我對著天空，呆呆地望著它，媽媽見我這樣，急忙想出一個好點子，我們?nèi)D書館吧！我像一只被放出籠子的小鳥一樣，沖到了圖書館。

2.2 以警衛(wèi)車隊位置為核心的安保資源時空關聯(lián)與實時預警技術

要人安保任務通常在城市進行，由于安保線路距離長、時間長、范圍廣，需要接入及分析的數(shù)據(jù)量巨大，如直接對所有線路周邊全量數(shù)據(jù)進行分析研判會造成分析效率低下及分析難度增加等問題。鑒于此，本文提出以警衛(wèi)車隊位置為核心的安保資源時空關聯(lián)與實時預警技術，針對警衛(wèi)車隊位置設立不同層級空間緩沖區(qū)，實時計算緩沖區(qū)內(nèi)人流、車流、警力、視頻監(jiān)控設備、信號燈、誘導屏、制高點、警情、擁堵、事故、重點人、重點車等對象，并根據(jù)車隊位置動態(tài)更新空間緩沖區(qū)范圍及計算結果，實現(xiàn)精準時空域的安保資源時空關聯(lián)，從而有效提高安保資源獲取效率。此外，對時空關聯(lián)所得安保資源進行實時監(jiān)控預警，建立多種預警規(guī)則，對從中發(fā)現(xiàn)的道路異常事件及社會面異常警情進行實時預警布控，調(diào)度最優(yōu)警力進行處置，可有效提升事件預警及處置效率，技術原理見圖2。

圖2 安保資源時空關聯(lián)與預警技術原理

以上方法已應用于武漢第七屆世界軍人運動會智慧交通線路警衛(wèi)安保系統(tǒng)，效果極佳且受到公安部及省、市各級領導充分肯定。

2.3 基于地理方位計算的全時空無縫視頻接力技術

要人安保任務要求對警衛(wèi)對象全程可視，傳統(tǒng)依靠人工視頻巡查車隊位置并手動視頻追蹤方法無法滿足實戰(zhàn)要求。本文提出基于地理方位計算的全時空無縫視頻接力技術，能智能進行視頻跟蹤監(jiān)控，整個過程無需人工干預且具有廣泛通用性，主要包括5部分內(nèi)容：

(1)對安保線路沿線視頻監(jiān)控設備高精度大地坐標進行采集，包括大地經(jīng)度L、大地緯度B和大地高H，根據(jù)視頻監(jiān)控設備沿安保線路正方向空間分布對其進行連續(xù)編號，保證相鄰設備編號連續(xù)。

(2)對需進行監(jiān)控的警衛(wèi)車輛實時位置與安保線路沿線視頻監(jiān)控設備進行地理方位計算，根據(jù)警衛(wèi)車輛大地坐標與視頻監(jiān)控設備大地坐標，實時計算警衛(wèi)車輛相對于視頻監(jiān)控設備的空間距離與空間方位，所有空間計算均在歐幾里得空間進行。

(7)

(8)

(9)

式中(x1,y1,z1)為視頻監(jiān)控設備大地坐標，(x2,y2,z2)為警衛(wèi)車輛大地坐標，d為視頻監(jiān)控設備與警衛(wèi)車輛間距離，θ為警衛(wèi)車輛相對于視頻監(jiān)控設備垂直方向夾角，β為警衛(wèi)車輛相對于視頻監(jiān)控設備水平方向夾角。

(3)對正常在線的視頻監(jiān)控設備，若警衛(wèi)車輛與其距離d處于該設備可視距離范圍之內(nèi)，且θ,β均處于該設備可調(diào)節(jié)視域范圍內(nèi)，則將該設備列為視頻接力候選設備，所有候選設備組成視頻接力候選設備集合。

(4)對候選設備集合中所有視頻設備按離警衛(wèi)車輛距離由近至遠進行排序，選取距離近且沿安保線路連續(xù)分布的一定數(shù)量監(jiān)控設備作為視頻接力設備，并根據(jù)各視頻設備與車輛間空間方位調(diào)整視頻設備云臺視角，實現(xiàn)對車輛動態(tài)跟蹤監(jiān)控。

(5)警衛(wèi)車輛行進過程中，根據(jù)車輛實時位置對視頻接力設備進行更新，在前述(4)基礎上，需考慮對當前視頻接力設備平穩(wěn)替換接力，將當前視頻接力設備中距離車輛最遠設備移除，并加入新的視頻接力候選設備集合中距離車輛近的設備。

需要指出的是，沿安保線路安裝足夠多的覆蓋全線路的視頻監(jiān)控設備也是保證視頻接力效果的必要條件，另外，對于部分視頻缺失的路段，可采用警衛(wèi)車輛車載視頻代替進行視頻接力。

3 智慧交通線路警衛(wèi)安保系統(tǒng)實踐與應用

基于精細化交通線路要人安保關鍵技術，武漢七軍會上交警實現(xiàn)了軍運會智慧交通線路警衛(wèi)安保系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備“衛(wèi)星精準定位、視頻自動跟隨、信號自動控制、風險預警管控、方案電子推演”五大特色，包括“基礎信息、警衛(wèi)方案、推演評估、勤務管理、指揮調(diào)度”五大業(yè)務功能。系統(tǒng)功能界面見圖3。

圖3 軍運會智慧交通線路警衛(wèi)安保系統(tǒng)功能界面

在交通線路警衛(wèi)工作中，系統(tǒng)一是實現(xiàn)了事前安全風險早發(fā)現(xiàn)早處置(見圖4)，通過對警衛(wèi)車輛設置1、3、5、10 kM安保緩沖區(qū)，對緩沖區(qū)內(nèi)12大類43小類安保資源進行時空風險分析，對多種事件及時預警處置；二是實現(xiàn)了事中全過程視頻跟隨警衛(wèi)車輛，通過應用北斗高精定位與時空位置預測技術，系統(tǒng)實現(xiàn)秒級計算車輛實時位置，結果精準可靠，并通過此位置與視頻監(jiān)控設備進行全時空無縫接力監(jiān)控，實現(xiàn)車隊全程可視，對路面突發(fā)狀況及時掌控及時處理，保障警衛(wèi)對象安全(見圖5)。警衛(wèi)車輛經(jīng)過信號燈路口，自動切換綠燈放行，減少警力部署，離開后自動恢復原有放行情況，最大限度減少交通壓力。對多線路并發(fā)情況，實現(xiàn)及時掌握每條線路的出發(fā)和到達時間，確保精準到達；三是實現(xiàn)了事后根據(jù)警衛(wèi)預案自動生成報告，對警衛(wèi)安保工作進行推演評估。

圖4 軍運會智慧交通線路警衛(wèi)安保系統(tǒng)異常 事件實時預警布控

圖5 軍運會智慧交通線路警衛(wèi)安保系統(tǒng)視頻智能接力

在第七屆世界軍人運動會開幕、賽事和閉幕期間，武漢交警利用此系統(tǒng)圓滿完成39條線路高級別警衛(wèi)，6 000余條線路賽事警衛(wèi)工作，實際效果獲得部、省、市各級領導的高度認可，發(fā)揮重要實戰(zhàn)作用(見圖6)。

圖6 軍運會智慧交通線路警衛(wèi)安保系統(tǒng)為軍運會 維穩(wěn)保暢

4 結語

本文針對精細化交通線路要人安保工作難點、技術對策、關鍵技術進行了詳細論述，并結合武漢交警軍運會智慧交通線路警衛(wèi)安保系統(tǒng)進行了實踐應用?？偠灾疚氖沁\用信息化手段進行精細化智慧化要人安保的有效嘗試與創(chuàng)新實踐，相較于傳統(tǒng)要人安保而言，本文提出的方法更智能、更高效、更實用，可為相關安保職能部門提供參考。應用于武漢第七屆世界軍人運動會智慧交通線路警衛(wèi)安保系統(tǒng)，效果極佳且受到公安部及省、市各級領導充分肯定。

當然，隨著新技術的進一步發(fā)展，會有更多更好的技術適用于要人安保工作，如采用5G技術解決前端設備通信延時問題、采用視頻智能分析技術識別更多異常風險事件、采用動態(tài)仿真技術實現(xiàn)要人安保演練與評估分析。任何信息化系統(tǒng)建設都是不斷迭代不斷優(yōu)化的過程，未來武漢交警將繼續(xù)關注新技術發(fā)展趨勢，選取更好更優(yōu)技術應用于要人安保系統(tǒng)建設及智慧交管建設。