沙　薇

基于微地磁的高速公路擁堵事件檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

沙薇

（江蘇蘇科暢聯(lián)科技有限公司，江蘇 南京 211112）

文章對(duì)基于微地磁技術(shù)的高速公路擁堵時(shí)間檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行介紹，研究表明該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)視頻事件檢測(cè)系統(tǒng)易受天氣等環(huán)境因素的影響，具有安裝簡(jiǎn)單，檢測(cè)精度高的特點(diǎn)。該系統(tǒng)在蘇嘉杭高速公路得以應(yīng)用，實(shí)施效果良好，有效幫助了監(jiān)控人員主動(dòng)發(fā)現(xiàn)事件并采取相應(yīng)措施，保障了蘇嘉杭高速公路的安全暢通。

高速公路；擁堵事件；微地磁；數(shù)據(jù)采集；事件檢測(cè)

1　概述

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速公路車(chē)流量與日俱增。伴隨車(chē)流量的不斷增加，交通擁堵問(wèn)題變得日益突出，各類(lèi)交通事故發(fā)生的概率大幅上升，如何確保高速公路快速、安全、通暢成為社會(huì)各界關(guān)注的焦點(diǎn)。高速公路上交通擁堵及其所引發(fā)的一系列交通事故時(shí)常發(fā)生，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并盡早處理，不僅使高速公路出行者蒙受時(shí)間損失，同時(shí)也將影響車(chē)輛行車(chē)安全。

20世紀(jì)60年代開(kāi)始，交通擁堵作為一種交通事件被研究。交通狀態(tài)識(shí)別是根據(jù)當(dāng)前的交通流特征參數(shù)做出判斷，識(shí)別出擁堵事件的存在，最大限度地減少擁堵事件對(duì)正常交通的影響，保證路網(wǎng)的暢通。已有的交通狀態(tài)（包括交通擁堵）檢測(cè)算法大致可分為間接與直接兩種方式，間接檢測(cè)方式是通過(guò)上下游斷面的車(chē)流量、占有率和延遲時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行交通狀態(tài)判斷的一種方法。直接檢測(cè)方式是通過(guò)直接的交通狀態(tài)檢測(cè)算法或人工監(jiān)控手段來(lái)檢測(cè)交通狀態(tài)［1］。交通事件發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)和嚴(yán)重程度都是隨機(jī)的，由于事件的影響，會(huì)導(dǎo)致交通流狀態(tài)的改變，并表現(xiàn)為交通流參數(shù)隨著時(shí)間不斷變化［2］。目前江蘇省內(nèi)高速公路現(xiàn)有的事件管理主要以被動(dòng)接警方式為主，途徑單一，發(fā)現(xiàn)解決問(wèn)題周期長(zhǎng)。及時(shí)而有效的交通擁堵?tīng)顟B(tài)判別是進(jìn)行動(dòng)態(tài)交通擁堵預(yù)警和交通疏導(dǎo)、主動(dòng)避免交通擁堵、保持道路暢通的前提和依據(jù)。實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取道路交通擁堵?tīng)顩r，是采取合理預(yù)警措施、主動(dòng)避免交通擁堵的前提，已成為提高道路通行能力的有效手段之一。

傳統(tǒng)視頻事件檢測(cè)系統(tǒng)誤報(bào)率高，容易受到夜晚、雨霧天氣等因素影響，檢測(cè)精度較低，后期維護(hù)不便。基于微地磁無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的高速公路擁堵預(yù)警系統(tǒng)具有布設(shè)簡(jiǎn)單、擁堵檢測(cè)準(zhǔn)確率高的特點(diǎn)，系統(tǒng)能夠幫助高速公路管理者盡早發(fā)現(xiàn)事故，合理采取交通誘導(dǎo)措施，確保道路安全暢通，為公眾出行創(chuàng)造安全有序的道路交通環(huán)境。

2　基于微地磁的檢測(cè)系統(tǒng)

基于微地磁的高速公路擁堵事件檢測(cè)系統(tǒng)利用埋設(shè)在路面的微地磁車(chē)輛傳感器感應(yīng)車(chē)輛通過(guò)時(shí)引起的局部地球磁場(chǎng)變化，記錄該車(chē)輛的磁譜特征，并通過(guò)路側(cè)接收器對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與預(yù)處理，最終上傳至后臺(tái)管理系統(tǒng)中，幫助管理者及時(shí)獲取交通運(yùn)行狀況。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)圖

基于微地磁的高速公路擁堵事件檢測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)接收與處理、擁堵事件檢測(cè)3部分組成。

（1）數(shù)據(jù)采集與傳輸

根據(jù)微地磁傳感器的數(shù)據(jù)采集原理，分析高速公路機(jī)動(dòng)車(chē)行駛規(guī)律，結(jié)合傳感器物理特性（包括傳感器布設(shè)間距及檢測(cè)靈敏度的設(shè)置）和高速公路實(shí)際交通流情況選擇合適的斷面布設(shè)微地磁傳感器，同時(shí)考慮供電及數(shù)據(jù)通訊的便利。

（2）數(shù)據(jù)接收與處理

通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式關(guān)聯(lián)前端數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)鐘同步；對(duì)實(shí)時(shí)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)、分析處理，將所有交通數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。

（3）擁堵事件檢測(cè)

從頂層設(shè)計(jì)的角度構(gòu)建擁堵事件檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)多個(gè)采集斷面數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，提供簡(jiǎn)約化的用戶(hù)界面風(fēng)格，展現(xiàn)每個(gè)斷面的實(shí)時(shí)交通信息及歷史信息；通過(guò)構(gòu)建專(zhuān)題數(shù)據(jù)庫(kù)將擁堵預(yù)警信息與實(shí)際擁堵情況進(jìn)行對(duì)比，設(shè)置不同行駛條件下（如白天、夜晚、節(jié)假日等）的檢測(cè)參數(shù)，以適應(yīng)不同交通流量應(yīng)用需要，當(dāng)自動(dòng)檢測(cè)到擁堵事件時(shí)啟動(dòng)實(shí)時(shí)報(bào)警。擁堵事件管理系統(tǒng)預(yù)留與其他系統(tǒng)之間的接口，確保系統(tǒng)擴(kuò)展性。

寧夏貧困地區(qū)6～24月齡嬰幼兒輔食及時(shí)添加率為55.9%，首次添加輔食最多的為谷類(lèi)泥糊狀食物占66.6%，遠(yuǎn)低于張玲等[7]研究的貴州地區(qū)(分別為91.1%、74.5%)。本次嬰幼兒看護(hù)人兒童營(yíng)養(yǎng)知識(shí)總知曉率僅為36.5%?？梢?jiàn)嬰幼兒看護(hù)人在喂養(yǎng)過(guò)程中存在輔食添加過(guò)早和過(guò)晚現(xiàn)象普遍存在，直接影響嬰幼兒的生長(zhǎng)發(fā)育。因此，加大健康教育覆蓋力度，是嬰幼兒營(yíng)養(yǎng)改善干預(yù)措施的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于改善下一代營(yíng)養(yǎng)健康狀況具有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義[8]。

2.1采集原理

微地磁車(chē)輛傳感器的安裝簡(jiǎn)單快速，利用不破壞道路原有結(jié)構(gòu)的鉆孔方式將傳感器預(yù)埋入地表下，并灌環(huán)氧樹(shù)脂加固。微地磁車(chē)輛傳感器采用高能量密度的鋰電池組供電，不需要外接電源，微地磁車(chē)輛傳感器將通過(guò)的每一輛車(chē)的交通信息（時(shí)間、地點(diǎn)、速度等）通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊的方式傳輸至安裝在路側(cè)接收器（簡(jiǎn)稱(chēng)AP），接收器對(duì)每個(gè)車(chē)道的傳感器進(jìn)行采集和處理，如圖2所示。再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將匯總的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回監(jiān)控中心，管理系統(tǒng)可根據(jù)這些信息進(jìn)行綜合分析，從而準(zhǔn)確掌握高速公路運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)判別交通擁堵。

圖2　數(shù)據(jù)采集示意圖

2.2布設(shè)方案

有效的數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的前提。為滿(mǎn)足擁堵檢測(cè)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)，微地磁傳感器布設(shè)應(yīng)當(dāng)選取車(chē)流量大，并且事故頻發(fā)，容易擁堵的路段進(jìn)行，同時(shí)根據(jù)實(shí)際交通流確定每?jī)蓚€(gè)斷面之間的間距［3］。此外需要考慮供電與通訊的便利，由于高速公路上每隔一段距離都有視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)，因此可以將接收器AP安裝在監(jiān)控立桿上。便于系統(tǒng)檢測(cè)到擁堵現(xiàn)象以后用視頻攝像機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。建議在監(jiān)控?cái)z像機(jī)立桿上安裝AP，設(shè)備布設(shè)示意圖如圖3 所示。

2.3擁堵判別模型設(shè)計(jì)

2.3.1 速度判別

各車(chē)道擁堵?tīng)顟B(tài)按照各個(gè)車(chē)道進(jìn)行計(jì)算，檢測(cè)周期判定為擁堵情況［4］為：

（1）當(dāng)同一斷面至少有2個(gè)車(chē)道車(chē)速同時(shí)≤V1，且另一車(chē)道平均車(chē)速≤V2；

（2）斷面整體平均車(chē)速≤V3時(shí)。

當(dāng)連續(xù)3個(gè)檢測(cè)周期都滿(mǎn)足條件（1）或（2）時(shí)，判斷道路處于嚴(yán)重?fù)矶聽(tīng)顟B(tài)，并發(fā)出警報(bào)。

圖3　設(shè)備布設(shè)示意圖

2.3.2 時(shí)間占有率判別

考察統(tǒng)計(jì)時(shí)間間隔T時(shí)，若通過(guò)傳感器的車(chē)輛數(shù)為N，可以計(jì)算得到以下參數(shù)：

式中：q為交通流率，單位與T的單位相關(guān)；Occ表示時(shí)間占有率；OTi為統(tǒng)計(jì)時(shí)間間隔T內(nèi)第i輛車(chē)的占有時(shí)間，AOT為平均占有時(shí)間（Average Occupied Time）。

針對(duì)斷面的時(shí)間占有率擁堵判別步驟如下：（1）計(jì)算上下游傳感器之間占有率的絕對(duì)差，和閾值T1比較，如果超過(guò)T1繼續(xù)第2步。

（2）計(jì)算上下游之間占有率量測(cè)之差與上游占有率之比，和閾值T2比較，如果超過(guò)T2繼續(xù)第3步。

（3）當(dāng)下游占有率的數(shù)據(jù)低于某個(gè)閾值T3時(shí)，則判定該檢測(cè)周期為嚴(yán)重?fù)矶隆?/p>

當(dāng)連續(xù)3個(gè)檢測(cè)周期都滿(mǎn)足以上條件時(shí)，判斷道路處于嚴(yán)重?fù)矶聽(tīng)顟B(tài)，并發(fā)出警報(bào)。

上述兩種判別方式中的檢測(cè)周期、閾值的設(shè)置需要結(jié)合實(shí)際道路的交通流狀況，并且可以在系統(tǒng)中調(diào)整該閾值。

2.4系統(tǒng)功能

2.4.1 擁堵預(yù)警

（1）準(zhǔn)確獲取交通數(shù)據(jù)信息：包括車(chē)流量、車(chē)輛行駛速度、時(shí)間占有率；

（2）及時(shí)檢測(cè)交通事件：根據(jù)實(shí)際交通流狀態(tài)和擁堵判別模型實(shí)時(shí)檢測(cè)由于交通事故、車(chē)輛故障、獲取傾落等引起交通流狀態(tài)改變的交通擁堵事件。通過(guò)界面顏色變換、語(yǔ)音報(bào)警和視頻聯(lián)動(dòng)3種方式提示監(jiān)控人員關(guān)注檢測(cè)到的擁堵事件。

2.4.2 視頻聯(lián)動(dòng)

將視頻監(jiān)控與系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，系統(tǒng)檢測(cè)到擁堵事件時(shí)自動(dòng)切換至擁堵路段畫(huà)面，幫助管理者觀(guān)察現(xiàn)場(chǎng)交通狀況，節(jié)省救援指揮時(shí)間。系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4　擁堵事件檢測(cè)系統(tǒng)界面

2.4.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)節(jié)假日、惡劣天氣、潮汐交通時(shí)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，預(yù)測(cè)交通流趨勢(shì)。提供監(jiān)控人員手動(dòng)輸入界面，將不同事故進(jìn)行分類(lèi)，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)擁堵檢測(cè)準(zhǔn)確率以及擁堵原因分類(lèi)，如圖5所示。

圖5　擁堵檢測(cè)原因分布圖

2.4.4 GIS地圖展示

結(jié)合GIS技術(shù)，把微地磁車(chē)輛傳感器所在斷面清楚地展示在GIS地圖上，直觀(guān)顯示傳感器采集到的實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)，為工作人員在應(yīng)急救援過(guò)程中的資源調(diào)配、指揮調(diào)度提供技術(shù)支持。

3　實(shí)施效果

目前，該系統(tǒng)在蘇嘉杭高速公路得到應(yīng)用。系統(tǒng)布設(shè)時(shí)選取容易發(fā)生擁堵的6個(gè)斷面進(jìn)行布設(shè)，結(jié)合蘇嘉杭高速實(shí)際車(chē)輛狀況，測(cè)算出車(chē)速、時(shí)間占有率閾值，根據(jù)設(shè)定的檢測(cè)周期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和比對(duì)，由自動(dòng)檢測(cè)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)道路擁堵情況，縮短應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間。目前系統(tǒng)運(yùn)行良好，通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性算法分析及時(shí)發(fā)現(xiàn)道路事件，提高了交通事件主動(dòng)發(fā)現(xiàn)率和處理效率，為道路安全保暢管理提供新的支撐手段。

4　結(jié)語(yǔ)

基于微地磁的高速公路擁堵事件檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)微地磁車(chē)輛傳感器實(shí)時(shí)有效地獲取交通流信息，利用擁堵時(shí)間檢測(cè)算法自動(dòng)判別擁堵時(shí)間，幫助監(jiān)控人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)交通擁堵事件，輔助管理者進(jìn)行有效決策。系統(tǒng)在蘇嘉杭高速運(yùn)行至今，效果良好。但由于蘇嘉杭高速全程100 km，僅僅6個(gè)斷面不能滿(mǎn)足管理需求。后期將進(jìn)一步對(duì)原有布設(shè)斷面進(jìn)行加密，并根據(jù)實(shí)際交通流狀況增加新斷面，不斷完善擁堵判別模型，提高擁堵主動(dòng)發(fā)現(xiàn)率，保障高速公路的安全暢通。

［1］趙有婷，李熙瑩，佘永業(yè)，等.基于視頻全局光流場(chǎng)的交通擁堵檢測(cè)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2010（11）：4535-4537.

［2］王衛(wèi)東，賀玉龍，李壽海.高速公路交通流和交通事故關(guān)系研究［J］.山西建筑，2008（29）：289-290.

［3］方青.高速公路固定檢測(cè)器布設(shè)方案分析［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì)，2010（6）：1-4.

［4］交通運(yùn)輸部.公路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)與服務(wù)暫行技術(shù)要求［M］.北京：人民交通出版社，2012：25-26.

Application of Highway Congestion Detection System Based on Micro Magnetic Sensors

Sha Wei
（Jiangsu Union of Science and Technology CO.LTD， Nanjing 211112， China）

This paper introduced highway congestion detection system based on micro magnetic sensors. The research showed that this system could overcome the limitation of traditional video detection system which was usually affected by weather or other environmental factors. The highway congestion detection system could be installed easily and had high precision of detection. This system had been applied to Sujiahang highway and achieved good effect. It help the monitoring staff initiatively detect events and take corresponding measures， which ensured the safety and smoothness of Sujiahang highway.

expressway； congestion； micro magnetic sensors； date acqnisition； event detection

U495

B

1672-9889（2015）06-0069-03

沙薇（1983-），女，江蘇金壇人，工程師，主要從事交通信息化相關(guān)產(chǎn)品研究工作。

（2015-10-09）