基于形態(tài)濾波的車輛檢測算法研究*

張足生 陳偉,2 張先才 黃錦旺 陳亮

基于形態(tài)濾波的車輛檢測算法研究*

張足生1陳偉1,2張先才1黃錦旺1陳亮3

（1.東莞理工學(xué)院網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，廣東 東莞 523808 2.廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州 510006 3.深圳市凱達(dá)爾科技實(shí)業(yè)有限公司，廣東 深圳 518055）

近年來，越來越多的智能停車管理系統(tǒng)采用無線磁阻傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛檢測。但該技術(shù)面臨磁干擾問題，在干擾環(huán)境下，已有的車輛檢測算法精度急劇下降。提出一種基于形態(tài)濾波的車輛檢測算法，采用級聯(lián)形態(tài)開-閉和形態(tài)閉-開運(yùn)算設(shè)計(jì)濾波器，可有效過濾噪聲干擾，且不會造成車輛磁信號的偏倚現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與已有車輛檢測算法相比，本文算法提高了車輛檢測準(zhǔn)確率，檢測精度達(dá)到98.5%。

車輛檢測；磁阻傳感器；地磁干擾；形態(tài)濾波

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程不斷加快，機(jī)動車保有量急劇增加，城市中心區(qū)交通擁堵及停車難問題日趨嚴(yán)重，智能交通已成為解決交通瓶頸的有效途徑[1]。無線磁阻傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless magnetic sensor networks, WMSN）是低功耗、低成本智能交通信息采集技術(shù)的發(fā)展趨勢[2]。

WMSN利用車輛對地磁場擾動的檢測原理實(shí)現(xiàn)交通信息實(shí)時(shí)采集、傳感器節(jié)點(diǎn)電池供電和無線通信。相較于傳統(tǒng)交通檢測技術(shù)：地感線圈[3]、微波雷達(dá)[4]、超聲[5-6]、紅外[7]、視頻[8-9]等，WMSN具有低成本、低功耗、小型化等特點(diǎn)，生命周期長達(dá)5年以上。基于WMSN可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)交通管理：對每個停車位進(jìn)行監(jiān)控[10-11]，獲得車位的空閑狀態(tài)及停車時(shí)長，可用于停車誘導(dǎo)、停車計(jì)費(fèi)、反向?qū)ぼ嚰斑`規(guī)停車檢測等應(yīng)用。

然而，WMSN檢測對象“弱磁信號”容易受到干擾。軌道交通是造成地磁場干擾的主要因素之一，很多城市地下有密集的軌道交通系統(tǒng)，如地鐵、高鐵、城際等。在大地電磁學(xué)領(lǐng)域，已有一些研究成果可對軌道交通造成的地磁場干擾進(jìn)行監(jiān)測。文獻(xiàn)[12]、文獻(xiàn)[13]根據(jù)地磁觀測數(shù)據(jù)分析了地磁噪聲來源，發(fā)現(xiàn)主要干擾源是直流電氣化鐵路（地鐵），且地鐵干擾的主要原因是地鐵系統(tǒng)產(chǎn)生的大地漏電電流造成的磁場噪聲。文獻(xiàn)[14]、文獻(xiàn)[15]在高速鐵路系統(tǒng)附近區(qū)域部署電磁檢測站，觀測到強(qiáng)烈的磁場干擾。

對于車輛停泊、車流量計(jì)數(shù)等檢測，在低信噪比情況下，目標(biāo)信號與干擾信號無法分辨，頻繁出現(xiàn)誤檢和漏檢，致使檢測精度急劇下降。本文基于形態(tài)學(xué)濾波原理，設(shè)計(jì)濾波器對干擾信號進(jìn)行濾波，得到較純凈的車輛磁場信號，再利用閾值機(jī)制實(shí)現(xiàn)停車檢測。

1 相關(guān)工作

基于WMSN實(shí)現(xiàn)動態(tài)交通及靜態(tài)交通檢測主要通過實(shí)驗(yàn)采集樣本磁信號，利用統(tǒng)計(jì)分析得出目標(biāo)信號特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢測機(jī)制。Cheung S Y等[16]利用WMSN實(shí)現(xiàn)了車輛檢測、車速估計(jì)等應(yīng)用。Kwong K等[17]在路段出入口位置安裝磁阻傳感器，研究節(jié)點(diǎn)間磁信號的匹配模型，提出路段交通狀態(tài)估計(jì)方法。針對車速檢測中，前后放置的磁阻傳感器對同一車輛的感知信號存在扭曲、變形問題，文獻(xiàn)[18]提出一種基于動態(tài)時(shí)間規(guī)整的波形相似度計(jì)算方法，提高了車速檢測精度。但這類機(jī)制只適用于干凈的磁場環(huán)境，沒有考慮磁干擾問題。

有部分學(xué)者研究抗干擾檢測機(jī)制。崔莉等[19]提出信號相關(guān)檢測算法，通過比較理論模型信號與采樣磁場信號的相似性來實(shí)現(xiàn)車輛檢測，該方法可對非機(jī)動車（自行車、摩托車等）干擾進(jìn)行排除。文獻(xiàn)[20]利用節(jié)點(diǎn)磁場波形與相鄰節(jié)點(diǎn)波形進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)停車檢測，也具有一定抗干擾性。文獻(xiàn)[21]將停車過程劃分為駛?cè)?、停泊和駛離3個階段，分析各階段的信號變化特征，提取特征變量，利用線性判別函數(shù)實(shí)現(xiàn)車位狀態(tài)的{0,1}二值分類檢測，該方法可以降低鄰近干擾帶來的誤檢。

對于抗干擾檢測問題，一些學(xué)者嘗試在磁阻傳感器的基礎(chǔ)上加裝其他類型傳感器進(jìn)行輔助檢測，如光敏、紅外、超聲、多普勒雷達(dá)等輔助傳感器。文獻(xiàn)[22]設(shè)計(jì)一種磁阻傳感器和光敏傳感器合作工作方式：首先，利用光敏傳感器檢測汽車投下的陰影；然后，喚醒磁阻傳感器進(jìn)行車輛檢測。文獻(xiàn)[23]針對垂直式停車位車輛檢測準(zhǔn)確率低的問題，用光敏傳感器進(jìn)行輔助判別。這類方案往往在較為理想的干凈環(huán)境下有效，而室外道路環(huán)境下，傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)在地面以下，模具封裝需要考慮到抗壓、防水、防盜等因素，且加裝額外的傳感器導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)成本、功耗升高。綜合以上因素，目前在室外道路環(huán)境下，通過加裝其他類型傳感器解決磁干擾問題不是合適的方案。

目前，有關(guān)檢測機(jī)制的研究主要集中在干凈磁場環(huán)境下的車輛檢測，有少量關(guān)于鄰近干擾的檢測機(jī)制，但沒有相關(guān)研究考慮軌道交通系統(tǒng)地磁場干擾問題，在這類強(qiáng)干擾環(huán)境下，已有算法的檢測精度急劇下降，算法適用性差。

2 問題描述

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

WMSN模型可抽象為{,,}，其中= {1,2,…,D}為傳感器節(jié)點(diǎn)集合；{1,2,…, R}為路由節(jié)點(diǎn)集合；為基站節(jié)點(diǎn)。在每個停車位的中央安裝1個傳感器節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

傳感器節(jié)點(diǎn)D利用磁阻傳感器，以為采樣頻率周期性對地磁進(jìn)行采樣，采樣磁場信號()為

(1)式中，為最近采樣；C()為地球磁場；I()為干擾磁場；V()為車輛磁場；為標(biāo)識磁傳感器的采樣軸。

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)部署

通常磁傳感器具有,,三軸采樣信號。傳感器節(jié)點(diǎn)D運(yùn)行車輛檢測算法。如果車位狀態(tài)發(fā)生改變，傳感器節(jié)點(diǎn)D發(fā)送一個事件消息{D,(),()}到基站。

2.2 地磁干擾

經(jīng)檢測，路邊停車位附近的地磁干擾信號來源于路面下的地鐵。如圖2所示，地鐵系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)由整流變電站、架空電力線、列車、軌道和地面組成，其中地面和鐵軌形成電流回路。地鐵系統(tǒng)產(chǎn)生磁場的主要類型有：

1）火車本身產(chǎn)生局部磁場；

2）由變電站-架空電力線-列車-軌道組成的環(huán)路中牽引電流產(chǎn)生磁場；

3）由于軌道和地面并非完全絕緣，軌道靠近地面，電流從軌道泄漏到地面產(chǎn)生的磁場。

在列車上或列車附近觀察時(shí)，第1）和第2）類型的磁場比較明顯。但第3）類型的磁場可對地球磁場產(chǎn)生數(shù)十公里的直接影響[24-25]。

圖2 地鐵系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

在深圳市某地鐵站附近的路邊停車位上，安裝傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號采集，如圖3所示，地磁場被嚴(yán)重干擾。

圖3 地鐵系統(tǒng)產(chǎn)生的磁干擾信號

2.3 問題定義

綜上所述，車輛檢測算法的任務(wù)包括：1）分辨出信號是否被干擾；2）對干擾的信號進(jìn)行除噪處理；3）能準(zhǔn)確檢測到車輛存在。該算法可定義為

輸入：

式中，C()為地球磁場，通常在幾公里的范圍內(nèi)恒定不變，為常量；V()為停車時(shí)車輛產(chǎn)生的磁場信號；I()為軌道交通系統(tǒng)產(chǎn)生的地磁干擾信號。

輸出：

1）()=1：在車位空閑期間檢測到車輛存在，車位進(jìn)入占用狀態(tài)。

2）()=0：在車位占用期間檢測到車輛駛出，車位則轉(zhuǎn)為空閑狀態(tài)。

3 車輛檢測算法

由于傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電，且微處理器的計(jì)算能力及存儲能力極度受限，復(fù)雜運(yùn)算的信號處理方法并不適合，因此本文采用計(jì)算簡便的形態(tài)濾波器進(jìn)行去噪。車輛檢測算法的工作流程如圖4所示，對采樣得到的,,三軸原始信號進(jìn)行信號合成；判斷是否含有干擾信號；若存在干擾信號，則需進(jìn)行形態(tài)濾波器及閾值檢測；否則直接進(jìn)行閾值檢測。

圖4 車輛檢測算法工作流程圖

3.1 信號融合

車輛停泊在車位時(shí)，磁阻傳感器會采集到磁場波動數(shù)據(jù)信號，采用三軸磁阻傳感器進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)采集，周期設(shè)定為0.1 s。多次車輛停泊的采樣數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 車輛停泊時(shí)的三軸原始信號

為減少計(jì)算復(fù)雜度，并綜合反映三軸的變換幅度，將三軸信號融合成一個信號。

式中，B為軸的基線值，在傳感器部署后進(jìn)行初始化，分別取傳感器開啟后的前50次采樣數(shù)據(jù)的軸平均值作為B值。

圖5融合后的數(shù)據(jù)如圖6所示，數(shù)據(jù)存在大量噪聲，不利于車輛檢測，需將融合后的數(shù)據(jù)除噪處理。

圖6 三軸融合后的信號

3.2 干擾判別

利用式(4)求窗口為的移動平均值()。

式中，()為三軸融合后的信號；為緩存區(qū)的長度；用[]緩存[(),(?1), …,(?+1) ]。

利用式(5)判斷當(dāng)前值()與移動平均值()的偏離程度，其中1是閾值。用2[]緩存[(),(?1), …,(?+1) ]。統(tǒng)計(jì)2[]中() = 1的次數(shù)，若次數(shù)>2，則表示信號被干擾；如式(6)所示，如果() = 1則表示地鐵系統(tǒng)干擾。

3.3 濾波器設(shè)計(jì)

輸入信號()關(guān)于結(jié)構(gòu)元素()的形態(tài)閉與形態(tài)開運(yùn)算分別為

被干擾的信號從形態(tài)上通常表現(xiàn)為信號上疊加了一些窄脈沖信號，即很低的波谷與很尖的波峰。形態(tài)閉運(yùn)算可以填平谷，形態(tài)開運(yùn)算可以削去峰。

采用同一類型和尺寸的結(jié)構(gòu)元素，通過不同順序級聯(lián)形態(tài)開、閉運(yùn)算[27]，定義形態(tài)開-閉()和閉-開濾波器()為

由形態(tài)開、閉運(yùn)算的功能可知，如式(11)、式(12)所示的形態(tài)開-閉和形態(tài)閉-開濾波器都能去除輸入信號中的正、負(fù)脈沖干擾信號。但是，一方面，形態(tài)開運(yùn)算具有收縮性，導(dǎo)致開-閉濾波器輸出的信號變小；另一方面，形態(tài)閉運(yùn)算具有擴(kuò)展性，導(dǎo)致閉-開濾波器的輸出信號變大。因此，采用單一的形態(tài)開-閉或形態(tài)閉-開濾波器都可能造成輸出信號存在偏倚現(xiàn)象，從而影響濾波器性能。本文構(gòu)造的濾波器如式(13)所示，采用級聯(lián)形態(tài)開-閉和形態(tài)閉-開運(yùn)算，該濾波器用于地磁強(qiáng)干擾噪聲的分離，可有效過濾地鐵系統(tǒng)的噪聲干擾，且不會造成輸出信號的偏倚現(xiàn)象。

3.4 檢測算法偽代碼

基于形態(tài)學(xué)濾波的車輛檢測算法（morphology filter based algorithm, MFBA）的偽代碼如圖7所示。如果信號存在干擾，則進(jìn)行形態(tài)濾波，()為濾波后的信號。使用閾值對()進(jìn)行檢測：如果()持續(xù)超過閾值次，則判定有車；如果()持續(xù)低于閾值次，則判定無車。

圖7 算法偽代碼

4 實(shí)驗(yàn)

磁阻傳感器節(jié)點(diǎn)采用STM8L151C8 MCU，集成HMC5883L磁傳感器，無線通信采用Lora SX1278模塊，15 AH鋰電池供電。實(shí)驗(yàn)參數(shù)取值如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)選取

形態(tài)學(xué)濾波器性能與所設(shè)計(jì)的形態(tài)運(yùn)算組合和結(jié)構(gòu)元素2個因素有關(guān)。結(jié)構(gòu)元素的寬度和形態(tài)對濾波效果有很大影響。已有研究結(jié)果表明[26-27]：有必要選擇與目標(biāo)信號特性相似的結(jié)構(gòu)元素。在形態(tài)濾波中，常用結(jié)構(gòu)元素有三角型、直線型、正弦型、拋物線型等。

三角型結(jié)構(gòu)元素如圖8所示，用如圖6所示信號作為輸入，濾波后的信號如圖9所示。拋物線型結(jié)構(gòu)元素如圖10所示，對圖6所示的信號進(jìn)行濾波，濾波后的結(jié)果如圖11所示。由于待提取車輛的磁場信號與拋物線型結(jié)構(gòu)更相似，從圖11可見拋物線型結(jié)構(gòu)元素的濾波效果比三角型結(jié)構(gòu)元素更好。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中都采用如圖10所示的拋物線型結(jié)構(gòu)元素。

圖8 三角型結(jié)構(gòu)元素

圖9 三角型濾波結(jié)果

圖10 拋物線型結(jié)構(gòu)元素

圖11 拋物線型濾波結(jié)果

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為測試本文算法的檢測精度，在深圳市某地鐵站附近的路邊停車場實(shí)地部署了30個傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測試場景如圖12所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行超過5個月，統(tǒng)計(jì)的車輛檢測算法的平均精度為98.5%，如表2所示。

圖12 測試場景

表2 車輛檢測統(tǒng)計(jì)結(jié)果

為方便多種算法的性能比較，磁阻傳感器將原始采樣數(shù)據(jù)每30個打包成一個數(shù)據(jù)包并上傳。該封裝方法可減少傳輸沖突和能耗。上位機(jī)軟件接收基站上傳的磁場數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解析，并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。使用C語言實(shí)現(xiàn)多種算法。采用從實(shí)驗(yàn)中獲得的原始磁場信號，算法在服務(wù)器端運(yùn)行。將本文算法MFBA與Max_Min[10]和ATA（adaptive threshold algorithm）[16]算法進(jìn)行性能比較，對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 算法性能比較

Max_Min算法基于統(tǒng)計(jì)車輛波形的最大值、最少值作為特征變量，設(shè)置特定閾值對特征變量進(jìn)行檢測，檢測精度為85.9%。ATA算法基于閾值和狀態(tài)機(jī)機(jī)制對車輛進(jìn)行檢測，檢測精度為80.0%。這2種算法對強(qiáng)磁車輛都能成功檢測，但由于沒有濾波功能，導(dǎo)致抗干擾性差，在低信噪比情況下，無法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)弱磁信號車輛的檢測。本文算法MFBA對受干擾的信號進(jìn)行濾波，檢測精度為98.5%，優(yōu)于Max_Min和ATA算法。

采樣的磁信號如圖13所示。3種算法的檢測結(jié)果如圖14所示。ATA和Max_Min算法在37 min時(shí)都出現(xiàn)了誤檢。此外，ATA算法在48 min時(shí)對一次停車事件產(chǎn)生了漏檢，但MFBA算法正確地檢測到所有停車事件。

圖13 待檢測信號

圖14 3種算法的檢測結(jié)果

5 結(jié)論

本文提出了抗干擾的停車檢測算法，設(shè)計(jì)形態(tài)濾波器，采用拋物線型結(jié)構(gòu)元素，將受干擾的信號進(jìn)行濾波，結(jié)合閾值檢測機(jī)制實(shí)現(xiàn)停車檢測算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法的檢測精度達(dá)到98.5%。

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Research on Vehicle Detection Algorithm Based on Morphological Filtering

Zhang Zusheng1Chen Wei1,2Zhang Xiancai1Huang Jinwang1Chen Liang3

(1.Dongguan University of Technology, School of Cyberspace Security, Guangzhou 510006, China 2.Guangdong University of Technology, School of Computer Science, Guangzhou 510006, China 3.Shenzhen Cadre Technology Industry Co. Ltd, Shenzhen 518055, China)

In recent years, more and more intelligent parking management systems use wireless magnetic sensor network technology to realize vehicle detection. However, this technology is facing the problem of magnetic interference. Under the interference environment, the vehicle detection accuracy of the existing algorithm drops sharply. This paper proposes a vehicle detection algorithm based on morphological filtering, which uses cascading morphological open-close and close-off operations to design filters. This filter can effectively filter noise without causing bias of the vehicle magnetic signal. The experimental results show that, compared with the existing vehicle detection algorithms, the algorithm in this paper improves the vehicle detection accuracy rate, and the detection accuracy reaches 98.5%.

vehicle detection; magnetic sensor; magnetic interference; morphological filtering

張足生（通信作者），男，1980年生，博士，副研究員，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。E-mail: zszhang@dgut.edu.cn

陳偉，男，1995年生，碩士研究生，主要研究方向：智能交通。

張先才，男，1995年生，碩士研究生，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。

黃錦旺，男，1984年生，博士，講師，主要研究方向：數(shù)字信號處理。

陳亮，男，1984年生，碩士研究生，工程師，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（61872083）；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2019A1515011123）；東莞理工學(xué)院科技產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新服務(wù)專項(xiàng)（2019ZYFWXFD02）。

TP393

A

1674-2605(2020)04-0004-08

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.04.004