太湖隧道多種交通事件檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

趙成晨

(華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 210001)

交通事件檢測(cè)系統(tǒng)是隧道交通監(jiān)控系統(tǒng)中的重要組成部分,以蘇錫常南部高速公路常州至無錫段太湖隧道為例作具體介紹。太湖隧道為湖底特長(zhǎng)隧道,車流量大、救援難度大,事故救援不及時(shí)容易造成二次事故,因此交通突發(fā)事件自動(dòng)檢測(cè)是隧道日常運(yùn)營(yíng)管理中必不可少的功能,能夠在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)交通異常事件。基于常規(guī)的視頻事件檢測(cè)系統(tǒng)的誤報(bào)率高,在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中往往無法使用的現(xiàn)狀,項(xiàng)目設(shè)置了多種交通事件自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),分別基于雙光譜、多目標(biāo)雷達(dá)、光纖振動(dòng)等技術(shù),且多種交通事件自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)相互獨(dú)立運(yùn)行,并與視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng),可以協(xié)助監(jiān)控人員快速發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)交通異常事件[1]。

1 隧道概況

太湖隧道位于蘇錫常南部高速公路常州至無錫段,隧道全長(zhǎng)10.790 km,其中暗埋段長(zhǎng)度10 km,隧道按雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)速度100 km/h。根據(jù)隧道交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定,太湖隧道交通工程分級(jí)根據(jù)隧道長(zhǎng)度和隧道交通量?jī)蓚€(gè)因素劃分確定為A+級(jí),各類監(jiān)控設(shè)施按照A+級(jí)進(jìn)行設(shè)施配置,交通事件檢測(cè)系統(tǒng)是隧道監(jiān)控系統(tǒng)中一個(gè)重要組成部分。

該項(xiàng)目目前已建成通車,經(jīng)過通行數(shù)據(jù)分析,目前太湖隧道日均流量約2.5萬輛,最高單日流量近5萬輛。

2 交通事件檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

交通事件檢測(cè)系統(tǒng)在隧道全線范圍內(nèi)收集各類交通運(yùn)行信息,對(duì)全線交通流的變化進(jìn)行監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)事故檢測(cè)(包括車輛停止、交通堵塞、行人進(jìn)入隧道、車輛逆行、火災(zāi)檢測(cè))和交通參數(shù)檢測(cè)(包括交通流量、速度、占有率、車距、排隊(duì)長(zhǎng)度等)。系統(tǒng)對(duì)以上事故進(jìn)行檢測(cè)報(bào)警,并能在一定時(shí)間范圍內(nèi)將事故(前/后)再現(xiàn)(包括事故顯示、存檔、查詢),提供事故數(shù)據(jù)庫[2]。

交通事件自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是監(jiān)控人員實(shí)行交通引導(dǎo)控制的參考依據(jù),并通過實(shí)時(shí)圖像監(jiān)視的配合,給出控制交通的命令,在發(fā)生交通事故時(shí),及時(shí)采取措施,疏通阻塞,平滑交通量,達(dá)到減少車輛排隊(duì)、暢通全線交通的目的。

2.1 雙光譜交通事件檢測(cè)系統(tǒng)

基于監(jiān)控圖像分析的視頻交通事件智能檢測(cè)技術(shù),在20世紀(jì)90年代末引入我國(guó),隨著交通監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展,視頻事件檢測(cè)技術(shù)已在高速公路、隧道、橋梁等交通監(jiān)控系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用[3]。視頻事件檢測(cè)具有直觀、實(shí)時(shí)、信息量大等優(yōu)點(diǎn),但也容易受制于可見光圖像固有的缺點(diǎn),如:受環(huán)境光(無照明、強(qiáng)光、逆光等)、車燈眩光、鏡頭污損干擾、惡劣天氣等影響,導(dǎo)致傳統(tǒng)的可見光視頻事件檢測(cè)系統(tǒng)存在有效范圍小、報(bào)警延遲、誤報(bào)率高、可靠性差等問題。因此,當(dāng)前視頻監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)于異常交通事件的發(fā)現(xiàn)和處理仍然主要依賴人工[4]。本項(xiàng)目通過可見光視頻和熱成像視頻的雙光譜交通事件檢測(cè)技術(shù),一旦監(jiān)測(cè)到隧道內(nèi)溫度異常,就會(huì)發(fā)出預(yù)警信號(hào),提前對(duì)車輛火災(zāi)事件進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和救援準(zhǔn)備,提升隧道運(yùn)行的安全保障。

(1)系統(tǒng)原理

熱成像基于被動(dòng)式熱紅外感應(yīng)成像原理,與外界是否存在光源無關(guān),因此在晝、夜有無照明的情況下均可正常工作,性能完全一致?？稍谒淼?、城市等光線復(fù)雜的環(huán)境,以及高速公路等夜間無光源照明的環(huán)境下正常工作。同時(shí)還能避免傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)車頭和車尾燈光不能有效處理的問題[5]。由于系統(tǒng)對(duì)熱敏感,在隧道內(nèi)火災(zāi)等異常事件的檢測(cè)方面具有先天優(yōu)勢(shì)。

熱感圖像中對(duì)于人、車等強(qiáng)紅外輻射源目標(biāo)的圖像亮度高,而路面、水面及其他環(huán)境則溫度較低,圖像背景變暗,由于其對(duì)于監(jiān)控場(chǎng)景中的感興趣目標(biāo)具有天然的選擇性,因此不容易受到陰影、逆光、順光、車輛眩光等復(fù)雜光線的干擾。同時(shí),由于紅外波長(zhǎng)較長(zhǎng),因此穿透煙、霧的能力遠(yuǎn)強(qiáng)于可見光,一般的薄霧、中霧對(duì)紅外成像幾乎不造成影響。紅外波長(zhǎng)長(zhǎng)的另外一個(gè)特點(diǎn)是衍射能力強(qiáng),熱成像鏡頭前方出現(xiàn)部分遮擋或鏡頭上有污漬對(duì)紅外成像基本視覺效果不造成影響,因此易于維護(hù),安裝條件限制也較少。

近年來隨著熱成像傳感器發(fā)展日漸成熟,以及氧化釩非致冷紅外傳感器重要部件的成本降低,原本只能用于軍事領(lǐng)域的熱成像監(jiān)控技術(shù)也在交通監(jiān)控中開始應(yīng)用[5]。

熱成像傳感器本身所呈現(xiàn)的視頻圖像并不符合人眼正常的視頻監(jiān)控習(xí)慣,將可見光圖像和紅外熱成像雙光譜融合的視頻事件檢測(cè)系統(tǒng)則可以很好地解決這個(gè)問題。雙光譜視頻檢測(cè)系統(tǒng),既有效利用可見光圖像直觀、實(shí)時(shí)性好、信息量大的優(yōu)勢(shì),又充分發(fā)揮熱成像不受環(huán)境光限制、不受車輛燈光干擾、不受灰塵污漬影響的優(yōu)點(diǎn)。雙光譜圖像充分融合后進(jìn)行事件檢測(cè)可以有效提升交通事件檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)范圍,降低誤報(bào)率、提升可靠性。

基于雙光譜融合的隧道交通事件檢測(cè)系統(tǒng),不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)視頻事件檢測(cè)系統(tǒng)所具備的停車、逆行、擁堵、排隊(duì)、行人、煙霧、能見度等常規(guī)檢測(cè)功能,還能實(shí)現(xiàn)隧道火災(zāi)、明火等的自動(dòng)檢測(cè)和實(shí)時(shí)報(bào)警。

(2)系統(tǒng)功能

①車輛檢測(cè):系統(tǒng)應(yīng)具備車輛檢測(cè)及軌跡跟蹤能力,可實(shí)現(xiàn)車輛(包含機(jī)動(dòng)車和非機(jī)動(dòng)車)目標(biāo)的檢測(cè)、定位和跟蹤,能夠?qū)崟r(shí)給出車輛所在圖像的位置坐標(biāo)(經(jīng)緯度坐標(biāo))、行進(jìn)速度、目標(biāo)ID等必要信息,并以約定的通信協(xié)議傳輸給上端系統(tǒng)。系統(tǒng)可同時(shí)具備不少于128個(gè)目標(biāo)的檢測(cè)跟蹤和位置定位能力,最小可實(shí)現(xiàn)不低于10×10目標(biāo)像素的目標(biāo)檢測(cè)及跟蹤[6]。

②行人檢測(cè):系統(tǒng)應(yīng)具備對(duì)視域中設(shè)定區(qū)域里出現(xiàn)的行人目標(biāo)的自動(dòng)檢測(cè)和識(shí)別能力。系統(tǒng)可給出行人目標(biāo)ID及位置坐標(biāo)(經(jīng)緯度坐標(biāo))、運(yùn)動(dòng)方向和速度,并輸出給上端系統(tǒng)。

③目標(biāo)測(cè)量:系統(tǒng)應(yīng)能夠區(qū)分車道、應(yīng)急車道、港灣停車區(qū)內(nèi)的停止車輛或事故車輛,以及行人、遺撒物品、火災(zāi)點(diǎn)等目標(biāo)信息,可輸出目標(biāo)的大小、位置、速度,位置誤差不超過2 m,對(duì)于速度信息可提供矯正系數(shù)對(duì)其均值進(jìn)行線性矯正。

④車輛檢測(cè)及身份識(shí)別:系統(tǒng)應(yīng)支持自動(dòng)車輛檢測(cè)功能,并可對(duì)視頻中出現(xiàn)的車輛(包括機(jī)動(dòng)車和非機(jī)動(dòng)車)進(jìn)行跟蹤,可對(duì)肉眼能夠清晰辨識(shí)的車輛牌照信息進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別,并與車輛跟蹤的目標(biāo)ID相關(guān)聯(lián)。

⑤車輛顏色、品牌、款式、類型識(shí)別:系統(tǒng)應(yīng)支持車輛顏色、品牌、款式及類型識(shí)別功能,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到車輛目標(biāo)后,可對(duì)其進(jìn)行顏色、品牌、款式及類型的識(shí)別。可識(shí)別常見的超過兩百種車輛品牌,七千余種車輛款式。

⑥車輛特征識(shí)別:系統(tǒng)應(yīng)支持車輛的特征識(shí)別,即當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到車輛目標(biāo)后,可實(shí)現(xiàn)車輛圖像特征的特征向量提取,并與目標(biāo)ID相關(guān)聯(lián),通過特征向量,可在平臺(tái)端實(shí)現(xiàn)跨鏡頭的車輛匹配與關(guān)聯(lián),從而實(shí)現(xiàn)跨鏡頭的車輛跟蹤。

⑦雙光譜事件檢測(cè):系統(tǒng)應(yīng)采用紅外熱成像+可見光雙光譜視覺采集、感知、檢測(cè)及軌跡跟蹤等技術(shù),應(yīng)提供對(duì)路面、隧道等交通場(chǎng)景中出現(xiàn)的異常交通事件進(jìn)行的實(shí)時(shí)檢測(cè)、定位和預(yù)警,可實(shí)時(shí)定位目標(biāo)車輛及事件發(fā)生點(diǎn)位信息,并上傳到數(shù)字孿生平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行三維呈現(xiàn)。事件檢測(cè)類型包括:異常停車、車輛逆行、低速車流、大貨車檢測(cè)、施工檢測(cè)、排隊(duì)超限、行人穿越、非機(jī)動(dòng)車檢測(cè)、遺灑物品、能見度及能見度異常檢測(cè)、交通參數(shù)采集等[7]。

(3)系統(tǒng)構(gòu)成

雙光譜交通事件檢測(cè)系統(tǒng)由前端雙光譜攝像機(jī)和監(jiān)控中心的分析儀及服務(wù)器組成,設(shè)于隧道內(nèi)的前端設(shè)備設(shè)置間距為100 m,通過視頻以太環(huán)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù),視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)統(tǒng)一采用視頻存儲(chǔ)平臺(tái),交通事件分析儀及服務(wù)器預(yù)裝交通事件分析軟件,實(shí)現(xiàn)交通事件的自動(dòng)檢測(cè)與報(bào)警。

雙光譜交通事件檢測(cè)組網(wǎng)所需的視頻工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、光纖、視頻存儲(chǔ)及調(diào)用設(shè)施,均與視頻監(jiān)控系統(tǒng)共用。

2.2 光纖振動(dòng)交通事件檢測(cè)系統(tǒng)

(1)系統(tǒng)原理

基于光纖振動(dòng)檢測(cè)的交通事件檢測(cè)系統(tǒng)由感知光纜、系統(tǒng)采集分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)平臺(tái)顯示、聯(lián)動(dòng)遠(yuǎn)程等設(shè)備組成,基于環(huán)境振動(dòng)對(duì)光纜傳輸光波的影響,實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)隧道車輛超速、違停、堵塞、逆行、物品掉落、車輛運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)的采集、管理、分析與定位,對(duì)公路隧道車輛運(yùn)行安全進(jìn)行智能化監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)高效管理、安全運(yùn)維、智能同行的要求,準(zhǔn)確判斷車輛運(yùn)行狀態(tài),并可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)定位維護(hù),從而實(shí)現(xiàn)節(jié)省人力資源、提高工作效率、實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理自動(dòng)化、提高管理水平的目的。

隧道內(nèi)車輛在正常行駛過程中,其光纖振動(dòng)信號(hào)運(yùn)動(dòng)軌跡為一條移動(dòng)式的平緩的斜線,當(dāng)車輛遇到突發(fā)事件而變慢、急剎甚至停止時(shí),其振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度會(huì)變大,同時(shí)振動(dòng)信號(hào)線越來越垂直,直至信號(hào)停止。系統(tǒng)通過振動(dòng)信號(hào)捕捉及特征分析,可自動(dòng)定位出交通事件的地理位置[8]。

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的空間范圍和定點(diǎn)的良好探測(cè)效果,明顯提升信號(hào)分析區(qū)分的能力,光纖振動(dòng)系統(tǒng)空間分辨精度應(yīng)達(dá)到2～3 m,從而在信號(hào)圖示上明顯分辨出不同的振動(dòng)信號(hào)特征,如超速、擁擠、物品掉落、撞擊事件等,通過對(duì)不同振動(dòng)信號(hào)的采集、形成數(shù)據(jù)庫樣本,并對(duì)樣本數(shù)據(jù)庫進(jìn)行驗(yàn)證,從而正確識(shí)別不同的振動(dòng)信號(hào)。

對(duì)于隧道車輛安全運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)的識(shí)別分析,首先是基于裝置對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)的探測(cè)采集能力,其次是事件預(yù)警算法。算法負(fù)責(zé)分析后臺(tái)采集層傳輸來的振動(dòng)信號(hào),并與內(nèi)建的基礎(chǔ)樣本進(jìn)行比對(duì),給出對(duì)于各信號(hào)的分析結(jié)果并告知數(shù)據(jù)庫和消息服務(wù)層。數(shù)據(jù)庫包括系統(tǒng)軟件特征的信號(hào)建模、分類、系統(tǒng)各分區(qū)類型等數(shù)據(jù)模型,并可與算法層依據(jù)一定規(guī)則形成動(dòng)態(tài)的模型參數(shù)修正。

(2)系統(tǒng)功能

①車輛跟蹤檢測(cè):系統(tǒng)應(yīng)具備車輛移動(dòng)運(yùn)行振動(dòng)軌跡跟蹤能力,可實(shí)現(xiàn)車輛目標(biāo)的定位和跟蹤,能夠?qū)崟r(shí)給出車輛所在隧道內(nèi)的車道和位置、行進(jìn)速度等必要信息,并以約定的通信協(xié)議傳輸給上端系統(tǒng)。系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)隧道內(nèi)的所有車輛完成跟蹤檢測(cè)。

②目標(biāo)測(cè)量:系統(tǒng)應(yīng)能夠區(qū)分車道內(nèi)、應(yīng)急車道內(nèi)的停止車輛或事故車輛、遺落物品、撞擊等目標(biāo)信息,可輸出目標(biāo)的位置、速度,位置誤差不超過5 m[9]。

③車輛振動(dòng)特征識(shí)別:系統(tǒng)應(yīng)支持車輛的振動(dòng)特征識(shí)別,即當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到車輛目標(biāo)后,可顯現(xiàn)車輛振動(dòng)特征的信號(hào)提取,通過振動(dòng)特征信號(hào)提取,可在平臺(tái)端顯現(xiàn)車輛運(yùn)行軌跡,從而實(shí)現(xiàn)車輛跟蹤。

④隧道車輛異常事件檢測(cè):系統(tǒng)應(yīng)采用光纖振動(dòng)+可傳感光纜采集、感知、檢測(cè)及軌跡跟蹤等技術(shù),應(yīng)提供對(duì)路面、隧道等交通場(chǎng)景中出現(xiàn)的異常交通事件進(jìn)行的實(shí)時(shí)檢測(cè)、定位和預(yù)警,可實(shí)時(shí)定位目標(biāo)車輛及事件發(fā)生點(diǎn)位信息,并上傳到綜合監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行三維呈現(xiàn)。事件檢測(cè)類型包括:擁堵、排隊(duì)超限、逆行、違停、物品掉落、超速、撞擊、急剎車、施工等的檢測(cè)定位,大貨車檢測(cè)、交通參數(shù)采集等。

(3)系統(tǒng)構(gòu)成

光纖振動(dòng)交通事件檢測(cè)系統(tǒng)由敷設(shè)于每條車道中線下方的光纖,以及設(shè)于湖西、湖東地面設(shè)備用房?jī)?nèi)的光纖振動(dòng)分析主機(jī)、設(shè)于監(jiān)控中心的應(yīng)用及數(shù)據(jù)服務(wù)器組成,通過設(shè)于隧道湖西、湖東地面設(shè)備用房機(jī)房?jī)?nèi)的監(jiān)控以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心,分析主機(jī)及服務(wù)器預(yù)裝交通事件分析軟件,實(shí)現(xiàn)交通事件的自動(dòng)檢測(cè)與報(bào)警[10]。

太湖隧道暗埋段全長(zhǎng)10 km,隧道內(nèi)為單向3車道,兩端地面設(shè)備用房?jī)?nèi)設(shè)有監(jiān)控機(jī)房,在每個(gè)機(jī)房中安放6臺(tái)單通道5 km的光纖振動(dòng)主機(jī),總共12臺(tái)主機(jī),且每個(gè)機(jī)房放置1臺(tái)服務(wù)器。隧道機(jī)房中監(jiān)測(cè)主機(jī)采集的數(shù)據(jù)傳輸至管理中心服務(wù)器,預(yù)裝隧道車輛運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)異常振動(dòng)事件的定位。

3 結(jié) 論

結(jié)合太湖隧道項(xiàng)目案例,圍繞隧道內(nèi)多種交通事件檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)原理、系統(tǒng)功能和系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行闡述,該項(xiàng)目目前已經(jīng)建成并通車運(yùn)行,經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行,證實(shí)了該系統(tǒng)的設(shè)置對(duì)平滑交通量、減少車輛排隊(duì)、暢通交通、避免隧道內(nèi)二次事故的發(fā)生有著顯著的作用,可以廣泛地應(yīng)用于城市隧道、公路隧道以及其他類似場(chǎng)景中。