李卓蓉，王震宇，張 平，鄭 冰

(浙江省交通科學(xué)研究院，杭州 310006)

0 引言

交通量信息采集與分析是指對選定公路的某路段交通流量信息進(jìn)行采集與分析。通過交通量調(diào)查可掌握公路網(wǎng)、各條路線、各路段交通流量的大小、構(gòu)成、時(shí)間分布、空間分布、道路擁擠狀況等特性，提高運(yùn)輸效率，保障交通安全[1]。

交通量調(diào)查分為連續(xù)式調(diào)查和間隙式調(diào)查。交通量調(diào)查最初為人工劃“正”字的方法，這種方法是最原始的。如果觀測人員的專業(yè)知識過硬、責(zé)任心強(qiáng)、堅(jiān)守崗位，那么這是最精確、最保守的一種方法。它的缺點(diǎn)是若部分觀測人員專業(yè)知識不夠，常有錯(cuò)誤劃分車型、觀測不認(rèn)真、漏崗甚至弄虛作假的現(xiàn)象發(fā)生，使得觀測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。后來出現(xiàn)了半自動觀測儀，半自動觀測儀是一個(gè)有12個(gè)按鍵的計(jì)數(shù)器，每一個(gè)按鍵上部貼有一個(gè)標(biāo)簽，各自代表一種車型。使用半自動觀測儀比人工劃“正”字減小了工作強(qiáng)度，但是如果技術(shù)有誤，沒有原始記錄可查[2]。

隨著智能交通技術(shù)[3－4]的發(fā)展，近年來全自動觀測儀也逐漸投入到實(shí)際使用當(dāng)中。全自動觀測儀采用紅外技術(shù)并在觀測路段埋設(shè)線圈。運(yùn)用紅外技術(shù)根據(jù)車輛的軸間距判斷車型，而通過預(yù)埋的線圈可以對過往車輛進(jìn)行計(jì)數(shù)，并可分上、下行。如此一來，便可對車型、地點(diǎn)車速、車輛數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的采集。這種觀測方法因?yàn)槭∪チ耸止ぽ斎氕h(huán)節(jié)，因此不受人為因素影響，其觀測數(shù)據(jù)也最為準(zhǔn)確。

在交通量調(diào)查中速度指標(biāo)是交通運(yùn)行情況的基本量度。為了探求公路發(fā)展的趨勢，制定公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，分析公路經(jīng)濟(jì)效益與線形幾何設(shè)計(jì)是否合理，估計(jì)道路交通阻塞程度，檢驗(yàn)公路養(yǎng)護(hù)管理優(yōu)劣及交通控制效果，事故分析，評價(jià)道路服務(wù)質(zhì)量及通行能力等多方面都需要對當(dāng)前路面的車速進(jìn)行測定。尤其是對于車輛通過較長道路區(qū)間 (或整條線路)的速度進(jìn)行調(diào)查 (包括行駛車速、綜合車速、運(yùn)行車速、臨界車速)，觀測車輛運(yùn)行速度情況，借以研究、分析道路通阻情況、服務(wù)質(zhì)量、通行能力以及運(yùn)營管理水平，可為提高道路通行能力、改善道路質(zhì)量、改善營運(yùn)管理提供重要的基礎(chǔ)資料。因此，2010年11月由國家交通運(yùn)輸部制定的《公路交通情況調(diào)查統(tǒng)計(jì)報(bào)表制度》明確規(guī)定在上報(bào)報(bào)表及電子資料時(shí)需填報(bào)行程車速(區(qū)間車速)。而目前廣泛使用的雷達(dá)槍式車速調(diào)查設(shè)備只能測出車輛的瞬時(shí)速度，即地點(diǎn)車速，無法反映車輛區(qū)間速度情況。觀測車輛區(qū)間運(yùn)行速度目前通常采用人工記車號法，不僅觀測勞動強(qiáng)度大，而且精度難以保證。

本文研發(fā)的移動式區(qū)間交通量信息采集、分析設(shè)備 (如圖1所示)一方面可以對通過選定路段的所有車輛進(jìn)行準(zhǔn)確地區(qū)間測速，另一方面，可以針對任意路段進(jìn)行區(qū)間車速的測量，自帶蓄電池(至少可連續(xù)工作24小時(shí))，受環(huán)境約束性小。

因此，此設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用一方面可以在降低勞動強(qiáng)度的前提下極大地提升基層公路管理部門的工作效率;另一方面，由于所采集的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、更加全面地反映實(shí)際交通流的情況，因此能更好的為管養(yǎng)部門的決策提供支持。

圖1 移動式區(qū)間交通量信息采集設(shè)備

1 移動式區(qū)間測速

區(qū)間測速系統(tǒng)如圖2所示[5]:

圖2 區(qū)間測速系統(tǒng)

移動區(qū)間測速系統(tǒng)分為前端 (數(shù)據(jù)采集)和后臺服務(wù)器兩部分，兩者通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

前端設(shè)備主要包括工控機(jī)和攝像機(jī)。攝像機(jī)不停地將拍攝到的圖片傳輸至工控機(jī)，安裝在工控機(jī)上的車牌識別軟件對接收到的圖片進(jìn)行車牌識別，并將識別結(jié)果上傳至服務(wù)器。

后臺中心管理部分主要完成車輛的車牌對比、平均速度、標(biāo)準(zhǔn)偏差、車速波動計(jì)算和車速頻率分布圖、車速累積頻率曲線圖的形成以及對數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用等。

1.1 系統(tǒng)原理

在被測路段上設(shè)置監(jiān)測區(qū)起始點(diǎn)A和結(jié)束點(diǎn)B(如圖3所示)，通過公路樁號或?qū)嶋H測量預(yù)先確定A點(diǎn)到B點(diǎn)的距離。A、B兩點(diǎn)各放置一套移動式區(qū)間測速設(shè)備，用以檢測、識別過往車輛，并將車輛通過A、B點(diǎn)的時(shí)刻、車牌識別結(jié)果通過3G無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)回控制中心。

圖3 系統(tǒng)原理圖

控制中心比對兩點(diǎn)的識別結(jié)果，計(jì)算同一車輛由A點(diǎn)到B點(diǎn)的時(shí)間，設(shè)AB區(qū)間的距離為s，車輛經(jīng)過A點(diǎn)的時(shí)刻為ta，經(jīng)過B點(diǎn)的時(shí)刻為tb，通過這個(gè)區(qū)間的平均速度為v，那么:

1.2 前端設(shè)備

前端設(shè)備主要分為攝像機(jī)、工控機(jī)、3G無線模塊及蓄電池。

攝像機(jī):用于視頻拍攝，采集車輛信息并傳輸給工控機(jī);

工控機(jī):接受從攝像機(jī)傳輸來的車輛信息，借助車牌識別系統(tǒng)對車牌進(jìn)行識別并生成識別結(jié)果;

3G無線模塊:主要功能為聯(lián)系前端設(shè)備和后臺系統(tǒng)，將車牌識別系統(tǒng)的識別結(jié)果傳輸至服務(wù)器;

蓄電池:負(fù)責(zé)為所有前端設(shè)備供電，其蓄電量能維持整套設(shè)備至少連續(xù)工作24h。

前端設(shè)備核心是“移動式”數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。此系統(tǒng)結(jié)合攝像機(jī)觀測法，在前端通過視頻拍攝(可移動)、車牌識別得到車牌信息，并將此信息傳輸?shù)胶笈_進(jìn)行車輛數(shù)統(tǒng)計(jì)。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于彌補(bǔ)了人工觀測法、浮動車法以及機(jī)械觀測法等交通量調(diào)查方法的缺陷，而且只要確定好觀測路段的起始及終點(diǎn)位置，就可對任意路況進(jìn)行區(qū)間交通量統(tǒng)計(jì)。

處理子系統(tǒng) (車牌識別)中的關(guān)鍵技術(shù)是采用了先進(jìn)的車牌識別模型和支撐向量基、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)二值化、自適應(yīng)灰度分割等算法，可以及時(shí)、準(zhǔn)確地提供車輛特征信息 (車牌號碼)，以實(shí)現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)的車輛進(jìn)行自動觀測。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于借助車牌這一唯一標(biāo)識的車輛信息，系統(tǒng)可以自動對區(qū)域內(nèi)的所有車輛進(jìn)行觀測。而對依次通過起訖觀測點(diǎn)的車輛 (區(qū)間測速的有效車輛)，系統(tǒng)將有效的對其進(jìn)行記錄，并將結(jié)果上傳至服務(wù)器。

1.3 后臺系統(tǒng)

后臺系統(tǒng)采用BS架構(gòu)，用戶可通過網(wǎng)絡(luò)直接訪問，登陸界面如下:

登錄系統(tǒng)后可設(shè)置本次測速的具體信息，如:路線編號、觀測地點(diǎn)、起點(diǎn)、終點(diǎn)、天氣等。

數(shù)據(jù)存儲采用流行的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，使用微軟的SQL Server 2008，數(shù)據(jù)庫架構(gòu)采用內(nèi)層、概念層和外層的設(shè)計(jì)方法，具有高效快速、盡可能小的冗余和安全性特點(diǎn)，建立適當(dāng)?shù)乃饕P(guān)鍵字段 (Key Field)，滿足了海量數(shù)據(jù)快速查找的要求。其區(qū)間車速計(jì)算過程如圖5所示。

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)外層主要由用戶管理認(rèn)證、觀測點(diǎn)檔案和車牌抓拍記錄三個(gè)項(xiàng)目組成。

圖4 后臺系統(tǒng)

圖5 區(qū)間車速計(jì)算過程

用戶管理認(rèn)證內(nèi)層分為單位、用戶兩個(gè)數(shù)據(jù)庫。

觀測點(diǎn)檔案記錄一個(gè)數(shù)據(jù)庫。

車牌抓拍記錄和運(yùn)算內(nèi)層分為車速和頻數(shù)兩個(gè)數(shù)據(jù)庫，同時(shí)根據(jù)情況，由程序判斷生成觀測記錄和運(yùn)算臨時(shí)庫，在觀測結(jié)束計(jì)算完成后刪除無用數(shù)據(jù)和臨時(shí)數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)

設(shè)備研發(fā)完成后，在杭州、紹興的多條道路上進(jìn)行了測試，具體測試情況見表1。

表1 區(qū)間測速實(shí)測數(shù)據(jù)

如上表所示，針對測試中遇到的問題現(xiàn)做如下說明:

從紙面參數(shù)來看，D500的光學(xué)取景器擁有更大的放大倍率。但我們發(fā)現(xiàn)X-H1的取景器看起來更“寬廣”，這讓我們意識到光學(xué)取景器和電子取景器在對比放大倍率時(shí)會有一定的偏差，更多要從實(shí)際觀感出發(fā)而不是單看數(shù)據(jù)。在光學(xué)取景器和電子取景器孰優(yōu)孰劣的問題上，我們繼續(xù)保持“見仁見智”的態(tài)度，鑒于使用場景和習(xí)慣的不同，有些用戶喜歡不耗電且與目視效果更為接近的光學(xué)取景器，而另一部分用戶追求豐富顯示參數(shù)，擁有“所見即所得”性質(zhì)的電子取景器。

(1)從實(shí)際應(yīng)用情況來看，本設(shè)備的識別率不可能達(dá)到100%，主要原因有:A、設(shè)備的軟、硬件本身不可能在任何情況下都能對車牌進(jìn)行正確的識別。本設(shè)備由蓄電池供電，綜合考慮設(shè)備的續(xù)航能力和識別率，并沒有選擇性能最優(yōu)的CPU和主板。B、實(shí)際道路都以多車道 (單向雙車道或以上)為主，因此行駛在遠(yuǎn)側(cè)車道上車輛的車牌有可能被行駛在近側(cè)車道上的車輛所遮蓋，導(dǎo)致設(shè)備未能發(fā)現(xiàn)此車輛。C、某些車牌污損比較嚴(yán)重，導(dǎo)致設(shè)備做出錯(cuò)誤的識別。

(2)從歷次測試中發(fā)現(xiàn)，陰雨天氣光線太暗，會在一定程度上影像設(shè)備的抓拍、識別率;天氣晴朗又會造成反光問題;所以設(shè)備最佳工作天氣條件為多云或陰天。

(3)對單向三車道的道路，設(shè)備對行駛在離其最遠(yuǎn)車道上的車輛抓拍、識別率都不高。一方面是因?yàn)樾旭傇谳^遠(yuǎn)車道上車輛的牌照容易被其他車輛遮住;另一方面是因?yàn)榕臄z角度過大，圖片清晰度不夠，此外還有可能導(dǎo)致圖像分割不精確 (如圖6車輛為浙AT4872的車牌被識別為粵TA1481)。

(4)10次測試中1、4、9、10這四次進(jìn)行了聯(lián)機(jī)測試，前三次測試 (都在紹興104國道、單向雙車道)的匹配率都不理想。除去設(shè)備本身的問題，客觀上也存在一定問題:陰雨天光線不好，影響設(shè)備的抓拍、識別率，天氣晴朗又受反光的影響;兩臺設(shè)備距離較遠(yuǎn) (10kM)，道路又不封閉、岔路口多，客觀上導(dǎo)致許多車輛只經(jīng)過測試路段的起點(diǎn)或終點(diǎn)。第10次的測試 (在江南大道、單向三車道)情況為:兩臺設(shè)備相距100m，道路封閉性較好，天氣晴朗有一定的反光。此外單向三車道的路況也在一定程度上影響了匹配率。

圖6 車牌識別結(jié)果

(5)第6、7兩次的識別率過低是由于攝像機(jī)出現(xiàn)故障，所拍攝的圖片清晰度不夠。經(jīng)返廠維修，問題已經(jīng)解決。

(6)當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)考慮到功耗問題，硬件(CPU、主板、內(nèi)存)的選擇上偏于保守，后續(xù)設(shè)備對硬件進(jìn)行升級后性能將會更好。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)的功能、技術(shù)水平能夠滿足區(qū)間測速的實(shí)際應(yīng)用要求，可以取代傳統(tǒng)的人工計(jì)數(shù)的方式，更有效、更準(zhǔn)確的進(jìn)行區(qū)間測速。跟傳統(tǒng)區(qū)間測速方式相比主要由以下優(yōu)點(diǎn):

(1)目前區(qū)間車速的獲取主要靠人工，單次數(shù)據(jù)采集需要記錄50輛有效車輛。以104國道紹興段為例，針對5公里的區(qū)間進(jìn)行人工數(shù)據(jù)采集，需花費(fèi)兩個(gè)小時(shí)左右。而采用本設(shè)備在同一路段一個(gè)小時(shí)能采集300輛有效車輛的數(shù)據(jù)。

(2)實(shí)現(xiàn)移動式區(qū)間測速，可對任意路段進(jìn)行區(qū)間測速。設(shè)備由蓄電池供電、通過3G無線網(wǎng)絡(luò)與后臺連接，因此受外界約束條件少，使得設(shè)備能夠適應(yīng)各種不同的道路環(huán)境。

(3)車牌識別過程在前段完成，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶ο笾皇亲R別結(jié)果 (字符)，因此數(shù)據(jù)傳輸量少，能夠保證數(shù)據(jù)及時(shí)、不間斷的傳輸。

(4)本系統(tǒng)在車牌識別過程中能夠識別車牌的顏色 (主要為黃色和藍(lán)色)，因此我們能從中得到大、小車的比例。不同車輛對路面質(zhì)量要求不同，因此，此數(shù)據(jù)可為道路管養(yǎng)部門的工作提供參考。如果系統(tǒng)能夠跟交警的車牌數(shù)據(jù)庫對接，則可對車型進(jìn)行精確區(qū)分。

[1]陸化普，史其信.智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究發(fā)展動向與啟示[J].科技導(dǎo)報(bào)，1996，(10):54－57.

[2]邵曉明.公路交通情況調(diào)查系統(tǒng)研究[D].長春:吉林大學(xué)，2007.

[3]關(guān)勇.物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展分析[D].北京:北京郵電大學(xué)，2010.

[4]李衛(wèi)平.智能交通技術(shù)應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社，2006.

[5]馮晉光，姜虹.軟件系統(tǒng)分析概述[J].中國科技信息，2006，(5):108.