基于軌跡關(guān)聯(lián)識別的高速公路車輛信息采集系統(tǒng)設(shè)計

喻斌 羅梓銘 岳康 程榮 劉龍平

摘要：為保障高速公路的安全和高效運行，構(gòu)建高速行駛車輛與司乘人員的信息關(guān)聯(lián)，是智慧交通和高速公路智能化建設(shè)的重要內(nèi)容。盡管主流的高速車輛信息采集技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，但在司乘人員信息關(guān)聯(lián)方面仍存在不足。為此，本文提出了一種基于軌跡關(guān)聯(lián)識別的高速公路車輛信息采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用高速公路門架抓拍流水?dāng)?shù)據(jù)和移動手機(jī)信令數(shù)據(jù)，構(gòu)建車輛的門架軌跡鏈和司乘人員的手機(jī)信令軌跡鏈。通過對門架抓拍流水軌跡和手機(jī)信令軌跡的特征提取和比對，可實現(xiàn)高速公路行駛車輛與車上司乘人員的關(guān)聯(lián)，基于關(guān)聯(lián)關(guān)系可以為司乘人員提供精準(zhǔn)有效的智能化交通服務(wù)，也可以為交通管理單位的精準(zhǔn)信息發(fā)布提供渠道。該系統(tǒng)主要是為交通管理部門提供服務(wù)支撐，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了嚴(yán)格的數(shù)據(jù)權(quán)限控制和敏感信息脫敏。經(jīng)過交通現(xiàn)場試驗驗證，該系統(tǒng)具有較好的實時性和可靠性，展示了其在實際應(yīng)用中的潛力和效能。

關(guān)鍵詞：高速公路；軌跡關(guān)聯(lián)；車輛信息采集；手機(jī)信令；抓拍流水

引言

“十三五”期間，中國高速公路信息化與智能化建設(shè)工作取得了顯著進(jìn)步 [1]。高速公路作為現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在實現(xiàn)交通現(xiàn)代化進(jìn)程中扮演著至關(guān)重要的角色。目前，全世界范圍內(nèi)的智能化交通尚處于探索和研究狀態(tài)[2]，構(gòu)建一個智能化的交通系統(tǒng)，準(zhǔn)確及時地獲取車輛信息是實現(xiàn)智能交通的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有助于提升交通管理的效率，對交通安全、擁堵緩解以及交通運輸?shù)目沙掷m(xù)發(fā)展都產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響。通過精準(zhǔn)監(jiān)測，能及時調(diào)整交通管理措施，提供更快速、安全的出行體驗，滿足人民群眾舒適出行的需求。其中，實現(xiàn)高速公路行駛車輛與車上司乘人員的信息關(guān)聯(lián)，對于推進(jìn)高速公路智能化管理有著重要意義。

目前，高速公路車輛信息采集技術(shù)已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但仍存在傳感器密度不夠、車輛定位精度有限等一些不足[3]，尤其是如何將行駛車輛與司乘人員的信息相對應(yīng)，快速精準(zhǔn)地實現(xiàn)人車關(guān)聯(lián)，一直是業(yè)界研究的課題。為了解決這個問題，本文提出了一種基于軌跡關(guān)聯(lián)識別的高速公路車輛信息采集系統(tǒng)，可以對高速公路車輛及司乘人員信息進(jìn)行高效、精確的采集，并建立兩者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為交通管理單位的精準(zhǔn)信息發(fā)布提供渠道，也可為司乘人員提供精準(zhǔn)有效的智能化交通服務(wù)。

1. 車輛信息采集技術(shù)

高速公路行駛車輛信息采集是智慧交通領(lǐng)域的重要研究方向之一，目前已經(jīng)取得了一系列的研究成果和進(jìn)展?，F(xiàn)有的高速公路車輛信息采集研究涉及的技術(shù)主要集中在車載設(shè)備、傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域。以下是目前高速公路行駛車輛信息采集的幾種主要方案。

1.1 固定檢測器采集技術(shù)

通過在路旁架設(shè)固定監(jiān)測設(shè)施的方式，以圖片抓拍或視頻流的形式，實時采集交通流信息。全國實現(xiàn)撤銷省界站后，龍門架以及監(jiān)測設(shè)施基本已覆蓋高速公路全路網(wǎng)，通過監(jiān)測設(shè)施抓拍的方式進(jìn)行交通流信息采集準(zhǔn)確率較高，但這種方式只能識別出車輛本身并不能對車上人員進(jìn)行識別，無法建立車輛與車上司乘人員的信息關(guān)聯(lián)，使得智能化交通服務(wù)無法精準(zhǔn)有效傳遞給司乘人員。

1.2 浮動車采集技術(shù)

隨著無線通信和車載自組織網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展，用協(xié)同定位來改善定位精度越來越受到關(guān)注[4]，浮動車采集技術(shù)成為目前應(yīng)用最為廣泛的一種交通信息采集方式。所謂浮動車，是指安裝有定位和無線通信裝置的普通車輛（如出租車、公交車、警車等），這種車輛能夠與交通數(shù)據(jù)中心進(jìn)行信息交換，一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)車輛與司乘人員的信息關(guān)聯(lián)，建立交通服務(wù)快速精準(zhǔn)傳遞給司乘人員的有效渠道。但浮動車采集的數(shù)據(jù)主要依賴于裝載在運行車輛上的GPS設(shè)備，需要額外安裝，交通服務(wù)信息的傳遞范圍受到限制。

1.3 基于手機(jī)信令的采集技術(shù)

基于手機(jī)信令的采集技術(shù)是一種利用手機(jī)信號數(shù)據(jù)進(jìn)行交通信息采集的新興方式。通過手機(jī)信令數(shù)據(jù)，可以獲得大量用戶在不同地點和時間的位置信息，從而實現(xiàn)對路網(wǎng)交通流參數(shù)的獲取和高速公路運行狀態(tài)的監(jiān)測，了解道路上的車流密度、速度分布和擁堵狀況，為交通管理和規(guī)劃提供有價值的參考，但該技術(shù)無法獲取人員所乘車輛的具體對應(yīng)信息。

可以看到，目前主流的采集技術(shù)雖然各有特點，但都無法實現(xiàn)高速公路行駛車輛與車上司乘人員的有效關(guān)聯(lián)，限制了為司乘人員提供精準(zhǔn)高效和智能化交通服務(wù)的能力。因此，本文提出了一種基于軌跡關(guān)聯(lián)識別的高速公路車輛信息采集系統(tǒng)，通過對車輛抓拍流水軌跡和手機(jī)信令軌跡的融合，可以更準(zhǔn)確地關(guān)聯(lián)高速公路行駛車輛與車上的司乘人員，從而為司乘人員提供更精準(zhǔn)、高效的智能化交通服務(wù)。下面從系統(tǒng)原理、系統(tǒng)構(gòu)成和系統(tǒng)實現(xiàn)三個方面對系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

2. 系統(tǒng)架構(gòu)與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)原理

高速公路車輛信息采集系統(tǒng)利用高速公路門架抓拍流水?dāng)?shù)據(jù)和移動手機(jī)信令數(shù)據(jù)，構(gòu)建了高速公路行駛車輛的門架軌跡鏈，以及車上司乘人員的手機(jī)信令軌跡鏈。通過對門架抓拍流水軌跡和手機(jī)信令軌跡進(jìn)行特征提取和比對，進(jìn)行門架軌跡鏈與手機(jī)信令軌跡鏈的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而實現(xiàn)高速公路行駛車輛與車上司乘人員的準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)。

系統(tǒng)利用抓拍終端模塊采集高速公路門架的抓拍流水?dāng)?shù)據(jù)，包括車輛的圖像、車牌號等信息；利用信令采集模塊獲取行駛車輛上司乘人員的手機(jī)信令數(shù)據(jù)，手機(jī)信令數(shù)據(jù)記錄了司乘人員的移動行為[5]。然后對門架抓拍流水軌跡和手機(jī)信令軌跡進(jìn)行特征提取，如車輛的速度、行駛方向等，通過比對抓拍流水軌跡鏈和手機(jī)信令軌跡鏈之間的相似度來確定兩者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即抓拍流水軌跡鏈與手機(jī)信令軌跡鏈的對應(yīng)關(guān)系，從而實現(xiàn)高速公路行駛車輛與車上司乘人員的關(guān)聯(lián)。為了保障個人信息安全，對手機(jī)信令及抓拍流水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的權(quán)限控制，并對車牌號、手機(jī)號等敏感信息進(jìn)行脫敏管理。系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

本文中高速公路車輛信息采集系統(tǒng)由四個主要模塊構(gòu)成，包括安裝在高速公路門架上的抓拍終端模塊（CTM）、安裝在高速公路沿線基站上的信令采集模塊（SAM）、存儲高速公路沿線基站與高速公路門架之間映射關(guān)系的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器（DS）、運行數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)服務(wù)端軟件的計算服務(wù)器（CS）。通過這四個模塊的協(xié)作，系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集和處理高速公路上行駛車輛的圖像和信號信息，以實現(xiàn)對車輛的準(zhǔn)確識別和數(shù)據(jù)融合，為交通管理和服務(wù)提供支持。

抓拍終端模塊（CTM）是安裝在高速公路門架上的設(shè)備，通過高分辨率攝像頭抓拍車輛的流水軌跡數(shù)據(jù)，包括車輛的圖像、車牌號等信息，將采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸給計算服務(wù)器（CS）進(jìn)行進(jìn)一步處理和分析。

信令采集模塊（SAM）安裝在高速公路沿線的基站上，主要用于采集行駛車輛上司乘人員的手機(jī)信令軌跡數(shù)據(jù)。通過監(jiān)測車輛所攜帶的手機(jī)在不同基站之間的切換過程和信號強(qiáng)度變化，SAM可以獲取到車輛上載乘客的移動軌跡數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)會與CTM采集到的車輛圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心部分，運行在計算服務(wù)器（CS）上。數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的主要任務(wù)是構(gòu)建高速公路行駛車輛的門架軌跡鏈和車上司乘人員的手機(jī)信令軌跡鏈，并進(jìn)行關(guān)聯(lián)。首先，系統(tǒng)會提取CTM采集的門架軌跡鏈和SAM采集的手機(jī)信令軌跡鏈的特征值，如車輛速度、行駛方向等。然后，通過比對兩條軌跡鏈的相似度，系統(tǒng)能夠形成門架軌跡鏈和手機(jī)信令軌跡鏈的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

計算服務(wù)器（CS）與CTM、SAM和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器（DS）之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。CS接收CTM和SAM采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行軌跡信息的提取、特征值計算和關(guān)聯(lián)分析。同時，CS還與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器（DS）進(jìn)行交互，獲取門架與基站之間的映射關(guān)系。這些映射關(guān)系數(shù)據(jù)會被用來對門架軌跡鏈和手機(jī)信令軌跡鏈進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

通過這四個模塊的協(xié)作，高速公路車輛信息采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛的圖像抓拍、手機(jī)信令軌跡采集、數(shù)據(jù)融合和關(guān)聯(lián)分析。而系統(tǒng)能夠提供準(zhǔn)確的車輛與車上司乘人員的關(guān)聯(lián)信息，從而為智能交通服務(wù)提供更精準(zhǔn)、高效的支持。高速公路車輛信息采集系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

為實現(xiàn)行駛車輛信息與司乘人員信息關(guān)聯(lián)，本文所述的高速公路車輛信息采集方法具體實施步驟如下所示：

（1）根據(jù)高速公路沿線基站的覆蓋范圍，建立基站與高速公路門架的映射關(guān)系，并將基站與高速公路的映射關(guān)系存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器DS內(nèi)；

（2）采用抓拍終端模塊CTM抓拍行駛車輛的高速公路門架流水軌跡數(shù)據(jù)，基于門架流水?dāng)?shù)據(jù)形成按車牌區(qū)分的門架流水軌跡鏈；其中vlp為車牌號，gtn為車輛在tn時間點所經(jīng)過的門架，即gtn為Cg的特征值；

（3）采用信令采集模塊Sam獲取行駛車輛上司乘人員的手機(jī)信令軌跡數(shù)據(jù)，根據(jù)COO定位法，以手機(jī)所連接基站作為移動手機(jī)的當(dāng)前位置，并過濾非高速公路范圍內(nèi)的手機(jī)信令，形成手機(jī)信令；其中phone為手機(jī)號，ptm為該手機(jī)在tm時刻所連接的基站信息，即ptm為Cp的特征值；

（4）根據(jù)軌跡鏈特征對最長公共字串（LCSS）算法進(jìn)行改進(jìn)，當(dāng)Cp存在pti=ptj=ptk并且pti、ptj、ptk都與中Cg特征值gtm一致時，取最小值，若為最小值，則認(rèn)為特征值pti與gtm一致；

（5）數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器DS內(nèi)的基站與高速公路門架映射關(guān)系，經(jīng)過比對后得到最長公共字串，若Co完全包含Cg并且：

（其中△t指門架基準(zhǔn)時間與手機(jī)信令基準(zhǔn)時間之間的誤差值），則認(rèn)為Cg與Cp是關(guān)聯(lián)的，即持有手機(jī)（phone）的人員在車牌為（vlp）的行駛車輛上。

為了驗證高速公路車輛信息采集系統(tǒng)的性能，在某高速公路路段進(jìn)行了相關(guān)的實驗和測試。實驗結(jié)果顯示，通過對車輛抓拍流水軌跡鏈和司乘人員手機(jī)信令軌跡鏈進(jìn)行特征對比，系統(tǒng)能夠成功實現(xiàn)高速公路行駛車輛與司乘人員的信息關(guān)聯(lián)，達(dá)到預(yù)期的人車關(guān)聯(lián)目標(biāo)。通過實現(xiàn)高速公路行駛車輛與車上司乘人員的準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)，能夠為司乘人員提供更為精準(zhǔn)和有效的智能化交通服務(wù)。例如根據(jù)車輛的行駛軌跡和司乘人員所在位置，系統(tǒng)可以提供實時的路況信息、出行建議和導(dǎo)航服務(wù)。此外，基于關(guān)聯(lián)的信息分析，系統(tǒng)還能夠為交通管理部門提供數(shù)據(jù)支持，優(yōu)化交通流動，改善道路擁堵狀況。

結(jié)語

本文提出了一種基于軌跡關(guān)聯(lián)識別的高速公路車輛信息采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于門架抓拍流水?dāng)?shù)據(jù)和手機(jī)信令數(shù)據(jù)分別構(gòu)建車輛行駛軌跡鏈和司乘人員軌跡鏈。通過對兩種軌跡鏈進(jìn)行軌跡特征對比，實現(xiàn)高速公路行駛車輛與車上司乘人員的信息關(guān)聯(lián)。這項研究為高速智能交通管理提供了重要的數(shù)據(jù)支撐，應(yīng)用前景廣泛。

通過與智能交通系統(tǒng)的結(jié)合，可以為交通管理單位的精準(zhǔn)信息發(fā)布提供渠道，也可為司乘人員提供實時路況信息、出行建議和導(dǎo)航等智能化交通服務(wù)。

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作者簡介：喻斌，碩士研究生，工程師，研究方向：智慧交通；羅梓銘，碩士研究生，工程師，研究方向：智慧交通；岳康，本科，助理工程師，研究方向：智慧交通；程榮，本科，助理工程師，研究方向：智慧交通；劉龍平，本科，研究方向：邊緣計算。