胡劍琇，朱前坤，2，張 瓊，杜永峰，2

(1.蘭州理工大學(xué) 防震減災(zāi)研究所，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 甘肅省減震隔震國(guó)際合作研究基地，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)及交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，公路與橋梁的交通流量顯著增長(zhǎng)，伴隨著這一增長(zhǎng)趨勢(shì)，交通荷載逐漸引起了人們的關(guān)注。如現(xiàn)在較為常見(jiàn)的超載現(xiàn)象，加快了公路和橋梁的疲勞及破壞。公路與橋梁的汽車(chē)設(shè)計(jì)荷載應(yīng)與社會(huì)發(fā)展相適應(yīng)。因此，對(duì)車(chē)輛荷載的監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)變得尤為重要[1-3]。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)和深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展[4]及其在土木工程領(lǐng)域的興起[5]，越來(lái)越多的研究學(xué)者開(kāi)始關(guān)注基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的車(chē)輛檢測(cè)，將計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)與智能手機(jī)相結(jié)合，相比于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，以其非接觸、速度快、精度合適、現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力強(qiáng)等突出的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用[6]。

常見(jiàn)的汽車(chē)荷載統(tǒng)計(jì)方法為車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重，即車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重(Weigh in Motion，簡(jiǎn)稱(chēng)WIM)系統(tǒng)，是指在車(chē)輛正常行駛過(guò)程中測(cè)量出車(chē)輛重量的過(guò)程。李占峰等[7]以京港澳高速公路某路段的車(chē)輛為例，運(yùn)用WIM系統(tǒng)對(duì)該路段的車(chē)輛荷載特征進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。Kim等[8]開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于WIM系統(tǒng)的描述車(chē)輛特性和交通流量的綜合概率模型，用蒙特卡洛模擬方法評(píng)估了目標(biāo)橋梁的交通荷載影響。宗周紅等[9]基于WIM系統(tǒng)的汽車(chē)荷載數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了江蘇省高速公路和橋梁上汽車(chē)荷載特性，建立了江蘇省高速公路橋梁汽車(chē)荷載模型。但是這些研究都是基于WIM系統(tǒng)的，由于WIM系統(tǒng)成本較高，并未全面應(yīng)用于我國(guó)各公路或橋梁上，所以完全靠WIM系統(tǒng)來(lái)統(tǒng)計(jì)車(chē)輛荷載是不經(jīng)濟(jì)的。目前，計(jì)算機(jī)視覺(jué)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)科研領(lǐng)域，其中包括目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤的方法。Feng等[10]提出了一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的非接觸式車(chē)輛運(yùn)動(dòng)稱(chēng)量方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)測(cè)量輪胎與道路的接觸長(zhǎng)度和輪胎變形，為空載和滿(mǎn)載卡車(chē)估計(jì)重量，這種方法將計(jì)算機(jī)視覺(jué)與物理原理結(jié)合運(yùn)用。Dan等[11]提出了一種用于監(jiān)視整個(gè)橋面交通流量負(fù)荷的方法，將動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)相結(jié)合，布置在橋頭的基于路面的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)用于獲取由攝像機(jī)捕獲的車(chē)輛重量，計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)用于識(shí)別車(chē)輛的實(shí)時(shí)位置，但這種方法要求橋梁上預(yù)先具備WIM系統(tǒng)，才可實(shí)時(shí)測(cè)量負(fù)載值。He等[12]運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)自動(dòng)檢測(cè)并分類(lèi)在佛羅里達(dá)州高速公路上行駛的卡車(chē)，但不足之處在于未將分類(lèi)檢測(cè)結(jié)果用于荷載統(tǒng)計(jì)分析中。在計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域，目標(biāo)檢測(cè)算法中較為常用的就是近幾年新興的YOLO[13]算法，大多數(shù)研究學(xué)者開(kāi)始將其運(yùn)用于車(chē)輛檢測(cè)工作中。李珣等[14]提出了一種基于Darknet框架下YOLOv2算法的車(chē)輛多目標(biāo)檢測(cè)方法。Shen等[15]將YOLO等卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架用于聯(lián)合檢測(cè)車(chē)輛并有效估計(jì)車(chē)輛距離。謝金龍等[16]運(yùn)用YOLOv3及Deep Sort算法對(duì)道路進(jìn)行了車(chē)流量檢測(cè)，但也未將檢測(cè)結(jié)果應(yīng)用于荷載分析中。趙雪峰等[17]將計(jì)算機(jī)視覺(jué)與智能手機(jī)相結(jié)合，利用智能手機(jī)進(jìn)行圖片收集，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了裂縫檢測(cè)，其充分利用了智能手機(jī)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)裂縫的檢測(cè)僅限于圖片檢測(cè)。隨著目標(biāo)檢測(cè)的廣泛應(yīng)用以及YOLOv3的提出，視頻檢測(cè)變得越來(lái)越快速且準(zhǔn)確。

本研究提出了一種基于智能手機(jī)的城市道路車(chē)輛即時(shí)識(shí)別方法。本方法使用普通智能手機(jī)采集視頻材料，運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)視頻材料進(jìn)行車(chē)輛的聚類(lèi)檢測(cè)并跟蹤，并根據(jù)已有的汽車(chē)荷載數(shù)據(jù)，對(duì)某一時(shí)間段某一公路或橋梁的負(fù)載情況進(jìn)行分析。最后，選取一條城市道路為研究對(duì)象，證明本方法的可行性和實(shí)用性，并對(duì)該道路是否限制交通流量給出建議。

1 YOLO算法

近年來(lái)，目標(biāo)檢測(cè)算法取得了很大的突破，比較流行的算法可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是基于區(qū)域生成的R-CNN[18]系算法，R-CNN，F(xiàn)ast R-CNN[19]，F(xiàn)aster R-CNN[20]等，這些算法是two-stage的，需要先由算法產(chǎn)生目標(biāo)候選框，然后再對(duì)候選框進(jìn)行分類(lèi)與回歸；另一類(lèi)是YOLO，SSD這類(lèi)one-stage算法，僅僅使用一個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN直接預(yù)測(cè)不同目標(biāo)的類(lèi)別和位置。

2016年，Redmon提出YOLO算法，YOLO成為計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域最知名的目標(biāo)檢測(cè)算法之一，被業(yè)界廣泛使用。YOLO的全稱(chēng)是You Only Look Once，與另一種著名的目標(biāo)檢測(cè)算法Fast R-CNN相比具有兩大優(yōu)勢(shì)：(1)速度快：每秒45幀的檢測(cè)速率，可用于實(shí)時(shí)視頻檢測(cè)中，在更小的模型上甚至達(dá)到155幀；(2)通用性好：在真實(shí)圖像數(shù)據(jù)上訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)，可用于虛構(gòu)的繪畫(huà)作品上。但YOLO也存在局限性，其正確率沒(méi)有Fast R-CNN高，每個(gè)檢測(cè)框只能檢測(cè)一個(gè)物體，邊緣不規(guī)則的物體會(huì)影響到周?chē)矬w的識(shí)別。Redmon后來(lái)又在原始的YOLO技術(shù)上，發(fā)展出了YOLO9000[21]，YOLOv3[22]等算法，擴(kuò)展了檢測(cè)物的種類(lèi)并提高了模型的準(zhǔn)確率。

1.1 YOLOv3

YOLO是一種端到端的目標(biāo)檢測(cè)模型，其核心思想為：利用整張圖作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，直接在輸出層回歸邊界框(Bounding Box)的位置及所屬類(lèi)別，在目前的目標(biāo)檢測(cè)中達(dá)到了最好的識(shí)別精度和速度的平衡。

YOLOv3的網(wǎng)絡(luò)輸入圖片尺寸為416×416，將輸入圖像分為S×S個(gè)網(wǎng)格(Grid Cell)，如果某個(gè)對(duì)象的中心坐標(biāo)落在某個(gè)網(wǎng)格中，就由該網(wǎng)格來(lái)預(yù)測(cè)這個(gè)對(duì)象。每個(gè)網(wǎng)格要預(yù)測(cè)B個(gè)邊界框，每個(gè)邊界框除了回歸自身位置之外，還要預(yù)測(cè)一個(gè)置信度(Confidence Score)以及C個(gè)類(lèi)別概率。其中，置信度反映檢測(cè)框?qū)z測(cè)結(jié)果的自信程度，其計(jì)算公式為：

Pr(Object)×IOU，

(1)

式中，Pr(Object)為當(dāng)前邊界框中含有對(duì)象的置信度；IOU(Intersection over Union)為交并比，其計(jì)算為預(yù)測(cè)邊框和真實(shí)邊框的交集和并集的比值，表示當(dāng)前邊界框預(yù)測(cè)目標(biāo)位置的準(zhǔn)確性，如圖1所示。

圖1 交并比(IOU)Fig.1 Intersection over union(IOU)

YOLOv3關(guān)于每個(gè)邊界框的位置預(yù)測(cè)出中心點(diǎn)相對(duì)于網(wǎng)格單元左上角的相對(duì)坐標(biāo)，分別為tx，ty，tw，th，通過(guò)坐標(biāo)偏移公式計(jì)算得到邊框的位置大小。

bx=σ(tx)+cx，

(2)

by=σ(ty)+cy，

(3)

bw=pwetw，

(4)

bh=pheth，

(5)

式中，tx，ty，tw，th為預(yù)測(cè)輸出；cx，cy為網(wǎng)格的坐標(biāo)，如某層的特征圖大小為13×13，則網(wǎng)格就有13×13個(gè)，第1行第1列的坐標(biāo)(cx，cy)就是(1，1)；pw，ph為預(yù)測(cè)前邊界框的尺寸；bx，by，bw，bh為得到的邊界框的中心坐標(biāo)和尺寸，具體見(jiàn)圖2。

圖2 坐標(biāo)圖Fig.2 Coordinate diagram

1.2 YOLOv3的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

YOLOv3的主干結(jié)構(gòu)是Darknet-53網(wǎng)絡(luò)，其他預(yù)測(cè)支路都是采用全卷積的結(jié)構(gòu)。YOLOv3的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 YOLOv3網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 YOLOv3 network structure

其中，DBL是YOLOv3的基本組件。正如Darknetconv2D_BN_Leaky函數(shù)的定義，Darknet的卷積層后接Batch Normalization(BN)和LeakyReLU(激活函數(shù))。除最后一層卷積層外，BN和LeakyReLU已成為卷積層不可缺少的部分，并和卷積層組成最小組件。resn中，n代表數(shù)字，有res1，res2,…，res8等，表示這個(gè)res_block(殘差層)中包含多少個(gè)res_unit(殘差單元)。這是YOLOv3的大組件，從YOLOv2的Darknet-19到Y(jié)OLOv3的Darknet-53，YOLOv3加入了YOLOv2沒(méi)有的殘差網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更深。其中，res_block和res_unit的基本組件也是DBL。

YOLOv3采用上采樣和融合做法，融合了3個(gè)尺度(13×13，26×26，52×52)，在多尺度融合特征圖上分別做獨(dú)立檢測(cè)，使小目標(biāo)的檢測(cè)效果明顯提高。

1.3 損失函數(shù)

在YOLO的運(yùn)用中，損失函數(shù)(Loss Function)是非常重要的。但在YOLOv3的論文中，作者并沒(méi)有明確提到所用的損失函數(shù)，只在YOLOv1中使用了一種叫作SSE(Sum-squared Error)的損失函數(shù)。SSE是一種常用的損失函數(shù)，只是簡(jiǎn)單的差方相加，易于優(yōu)化。從YOLOv3的代碼中可以看出，一部分的損失函數(shù)使用了二值交叉熵。損失函數(shù)由4部分組成：(1)對(duì)預(yù)測(cè)的中心坐標(biāo)做損失；(2)對(duì)預(yù)測(cè)的寬高做損失；(3)對(duì)預(yù)測(cè)的類(lèi)別做損失；(4)對(duì)預(yù)測(cè)的置信度做損失；其公式如下：

(6)

2 Deep Sort跟蹤算法

Deep Sort算法[23]是在Sort算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，在實(shí)時(shí)目標(biāo)追蹤過(guò)程中，提取目標(biāo)的表觀特征進(jìn)行最近鄰匹配，有效地改善了有遮擋情況下目標(biāo)的追蹤效果，同時(shí)減少了目標(biāo)跳變的情形。

常見(jiàn)的關(guān)聯(lián)檢測(cè)結(jié)果和追蹤預(yù)測(cè)結(jié)果的方法為匈牙利方法，這種Deep Sort算法同時(shí)考慮了運(yùn)動(dòng)信息的關(guān)聯(lián)和目標(biāo)外觀信息的關(guān)聯(lián)。運(yùn)動(dòng)信息的關(guān)聯(lián)是指對(duì)已存在的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的卡爾曼預(yù)測(cè)結(jié)果與檢測(cè)結(jié)果的關(guān)聯(lián)。其中，馬氏距離表示的是數(shù)據(jù)的協(xié)方差距離，是一種有效計(jì)算兩個(gè)未知樣本集相似度的方法。

(7)

式中，d(1)為馬式距離;dj為第j個(gè)檢測(cè)框的位置；yi為第i個(gè)追蹤器對(duì)目標(biāo)的預(yù)測(cè)位置；Si為檢測(cè)位置與追蹤位置之間的協(xié)方差矩陣。如果關(guān)聯(lián)的馬氏距離小于指定的閾值，則關(guān)聯(lián)成功。另一種關(guān)聯(lián)方法就是計(jì)算第i個(gè)追蹤器的最近100個(gè)成功關(guān)聯(lián)的特征集與當(dāng)前幀第j個(gè)檢測(cè)結(jié)果的特征向量間的最小余弦距離,其計(jì)算公式為:

(8)

如果這個(gè)距離小于指定的閾值，則這個(gè)關(guān)聯(lián)是成功的。將兩種關(guān)聯(lián)方法的結(jié)果線性加權(quán)，作為最終的度量。

ci,j=λd(1)(i,j)+(1-λ)d(2)(i,j)。

(9)

只有ci,j位于兩個(gè)閾值的交集內(nèi)時(shí)，才認(rèn)為關(guān)聯(lián)成功。

3 基于智能手機(jī)的城市車(chē)輛即時(shí)識(shí)別方法

本研究提出的基于智能手機(jī)以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的城市道路車(chē)輛即時(shí)識(shí)別方法，是使用普通智能手機(jī)對(duì)城市道路行駛中的車(chē)輛拍攝視頻，以YOLOv3算法實(shí)現(xiàn)初步的視頻中車(chē)輛的分類(lèi)檢測(cè)，之后通過(guò)Deep Sort跟蹤算法對(duì)各類(lèi)車(chē)輛進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)。根據(jù)各類(lèi)車(chē)輛的數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及分布擬合得到的汽車(chē)荷載代表值，統(tǒng)計(jì)出某一時(shí)段某一公路或橋梁的負(fù)載情況，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析，本方法的流程圖如圖4所示。

圖4 流程圖Fig.4 Flowchart

4 實(shí)例

對(duì)于本研究提出的基于智能手機(jī)的城市道路車(chē)輛即時(shí)識(shí)別方法，以一條普通城市道路的中間路段為例，分類(lèi)統(tǒng)計(jì)該路段7 d內(nèi)早中晚3個(gè)高峰期的車(chē)流量，并統(tǒng)計(jì)車(chē)輛荷載，對(duì)7 d內(nèi)該路段進(jìn)行荷載時(shí)程分析。由于該道路屬于城市主干路，卡車(chē)禁止通行，所以本試驗(yàn)僅涉及中小型私家車(chē)和公共汽車(chē)。

4.1 數(shù)據(jù)集

本實(shí)例采用的數(shù)據(jù)集為COCO數(shù)據(jù)集[24]，主要從復(fù)雜的日常場(chǎng)景中截取。該數(shù)據(jù)集提供的類(lèi)別有80類(lèi)，有超過(guò)33萬(wàn)張圖片，其中20萬(wàn)張有標(biāo)注，整個(gè)數(shù)據(jù)集中個(gè)體的數(shù)目超過(guò)150萬(wàn)個(gè)。其中，本研究的車(chē)輛檢測(cè)只涉及到兩種類(lèi)別，即“car”，“bus”，在COCO數(shù)據(jù)集中提取車(chē)輛類(lèi)別，并對(duì)YOLO的配置文件進(jìn)行修改，重新編譯，再進(jìn)行訓(xùn)練。

4.2 試驗(yàn)平臺(tái)

由于Darknet框架下的YOLOv3對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，計(jì)算量較大，車(chē)輛檢測(cè)過(guò)程中，需要處理的數(shù)據(jù)過(guò)多，所以本試驗(yàn)主要在服務(wù)器上完成。服務(wù)器的主要配置為：NVIDIA Quadro P5000顯卡，顯存容量16 GB，64 G內(nèi)存。使用的語(yǔ)言為Python語(yǔ)言，在Pycharm平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)樣本采集于人行橋上，采集連續(xù)7 d的早中晚高峰期車(chē)輛視頻。視頻使用三星SM9209手機(jī)拍攝，分辨率為1 920×1 080，所以使用普通經(jīng)濟(jì)型手機(jī)即可，降低了對(duì)采集設(shè)備的要求。視頻采集設(shè)備示意圖如圖5所示。

圖5 采集設(shè)備Fig.5 Acquisition equipment

4.3 車(chē)重統(tǒng)計(jì)分析

大多數(shù)對(duì)車(chē)重的統(tǒng)計(jì)分析都是基于WIM稱(chēng)重系統(tǒng)的，但是WIM系統(tǒng)目前僅廣泛用于橋梁及大型公路，對(duì)于這種城市主干道還沒(méi)有普及。本實(shí)例統(tǒng)計(jì)了通過(guò)該路段的1 000多輛汽車(chē)的型號(hào)以及所載人數(shù)，并對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分布擬合。其中，每輛車(chē)的車(chē)重取其出廠參數(shù)提供的整備質(zhì)量，每位男性體重均取75 kg，女性體重均取55 kg，小孩體重均取30 kg。據(jù)此，認(rèn)為小轎車(chē)、公交車(chē)的車(chē)重均服從偏態(tài)分布，分別對(duì)應(yīng)的頻率分布直方圖如圖6所示。

圖6 車(chē)重頻率分布直方圖Fig.6 Histograms of vehicle weight frequency distribution

如圖6所示，小轎車(chē)、公交車(chē)的車(chē)重均服從偏態(tài)分布。為了與各類(lèi)車(chē)的數(shù)量相結(jié)合，取各自的數(shù)學(xué)期望來(lái)反映平均取值的大小，小轎車(chē)車(chē)重的期望為1.727 t，公交車(chē)車(chē)重的期望為12.325 t。

4.4 車(chē)流量統(tǒng)計(jì)分析

本試驗(yàn)的研究對(duì)象為蘭州市的一條城市道路，對(duì)其進(jìn)行車(chē)輛識(shí)別計(jì)數(shù)。采集該道路連續(xù)7 d早中晚高峰期的車(chē)輛行駛視頻，各1 min。對(duì)采集到的視頻進(jìn)行識(shí)別，得到的效果如圖7所示。

圖7 YOLOv3檢測(cè)結(jié)果Fig.7 YOLOv3 test result

識(shí)別完畢，將每一幀檢測(cè)到的小轎車(chē)和公交車(chē)的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行分布擬合，得到1 min內(nèi)每一幀各類(lèi)車(chē)輛數(shù)量的頻率分布直方圖，通過(guò)比較，認(rèn)為該道路7 d內(nèi)每天同一時(shí)段通過(guò)的各類(lèi)車(chē)的數(shù)量很近似，如圖8所示。

圖8中，3 d同一時(shí)段的小轎車(chē)數(shù)量分布都大致相同，對(duì)7 d同一時(shí)段的小轎車(chē)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)整體的頻率分布直方圖與與圖8大致相同，則認(rèn)為某一天的偶然性沒(méi)有對(duì)整體水平產(chǎn)生很大影響。7 d早高峰期小轎車(chē)數(shù)量的整體頻率分布直方圖如圖9所示。

圖8 任意3 d同一時(shí)段同一類(lèi)車(chē)的頻率分布直方圖Fig.8 Frequency distribution histograms of same type of vehicles in same period of any 3 days

圖9 七天早高峰期小轎車(chē)數(shù)量的整體頻率分布直方圖Fig.9 Overall frequency distribution histogram of number of cars in 7-day morning rush hour

如圖9所示，可得出早高峰期小轎車(chē)的數(shù)量主要分布在7～12 veh之間。各個(gè)時(shí)段各類(lèi)車(chē)輛數(shù)量的頻率分布直方圖如圖10所示。

圖10 各個(gè)時(shí)段各類(lèi)車(chē)輛數(shù)量的頻率分布直方圖Fig.10 Frequency distribution histograms of number of each type of vehicles in each period

如圖10所示，早高峰期公交車(chē)的數(shù)量主要分布在0～2 veh之間，午高峰期小轎車(chē)的數(shù)量主要分布在8～13 veh之間，午高峰期公交車(chē)的數(shù)量主要分布在0～2 veh之間，晚高峰期小轎車(chē)的數(shù)量主要分布在8～15 veh之間，晚高峰期公交車(chē)的數(shù)量主要分布在0～2 veh之間，如表1所示。

表1 各高峰期汽車(chē)數(shù)量分布區(qū)間Tab.1 Distribution range of automobile number in each rush hour

綜上所述，7 d的高峰期中，每一幀通過(guò)的小轎車(chē)數(shù)量集中于7～15 veh，最多可達(dá)到20 veh，而每一瞬間通過(guò)的公交車(chē)數(shù)量集中于0～2 veh，最多可達(dá)到5 veh。

4.5 代入荷載代表值

由相關(guān)系數(shù)公式計(jì)算可得出每一幀的小轎車(chē)數(shù)量與公交車(chē)數(shù)量的相關(guān)系數(shù)，得到早高峰期小轎車(chē)數(shù)量與公交車(chē)數(shù)量的相關(guān)系數(shù)為-0.268 2，午高峰期小轎車(chē)數(shù)量與公交車(chē)數(shù)量的相關(guān)系數(shù)為-0.264，晚高峰期小轎車(chē)數(shù)量與公交車(chē)數(shù)量的相關(guān)系數(shù)為-0.045 9，絕對(duì)值均小于0.3，則近似認(rèn)為小轎車(chē)數(shù)量與公交車(chē)數(shù)量相互獨(dú)立，不具有相關(guān)性。

將公交車(chē)、小轎車(chē)重量的期望值直接代入檢測(cè)到的每幀公交車(chē)、小轎車(chē)數(shù)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，可得到每一幀的汽車(chē)總重量，如圖11所示。

圖11 各高峰期每幀汽車(chē)總重量統(tǒng)計(jì)Fig.11 Statistics of vehicle gross weight per frame in each rush hour

根據(jù)檢測(cè)情況看出，所能檢測(cè)到的路面范圍長(zhǎng)度約50 m，根據(jù)路面整體汽車(chē)荷載可求得其均布荷載，均布荷載的分布情況如圖12所示。

圖12 各高峰期每幀均布荷載頻率分布直方圖Fig.12 Frequency distribution histograms of uniformly distributed load per frame in each rush hour

如圖12所示，3個(gè)高峰期的每幀均布荷載分布在3～9 kN/m的情況較多。按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)規(guī)定，公路—Ⅰ級(jí)車(chē)道荷載均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk=10.5 kN/m，則該路段在車(chē)輛行駛高峰期的車(chē)輛荷載有時(shí)會(huì)超過(guò)規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值。各高峰期每幀均布荷載符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值規(guī)定的概率如表2所示。

如表2所示，每個(gè)高峰期的大部分時(shí)間內(nèi)車(chē)輛荷載符合規(guī)范規(guī)定，但也會(huì)有超過(guò)規(guī)范規(guī)定的情況出現(xiàn)，而在晚高峰期超限情況更多一些。因此，為減緩交通壓力并減少對(duì)道路路面的破壞，交通部門(mén)應(yīng)在各個(gè)高峰期對(duì)本道路進(jìn)行交通限制。

表2 各高峰期每幀均布荷載符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值的概率Tab.2 Probability of uniformly distributed load per frame in each rush hour meets specified standard value

5 結(jié)論

本研究提出了一種基于智能手機(jī)的城市道路車(chē)輛即時(shí)識(shí)別方法，并運(yùn)用這種方法對(duì)某一普通城市道路進(jìn)行荷載分析，得到以下結(jié)論：

(1)利用YOLOv3算法進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)具有較高的準(zhǔn)確性，可快速準(zhǔn)確地進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)和分類(lèi)計(jì)數(shù)。

(2)本方法使用的采集視頻設(shè)備具有清晰、便攜、簡(jiǎn)便以及經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，可隨時(shí)隨地采集視頻。

(3)本方法得出的結(jié)論是基于大數(shù)據(jù)支持下的，對(duì)某一普通城市道路的荷載分析，為得到更為精確的道路車(chē)輛荷載信息，應(yīng)與WIM系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)相結(jié)合。

(4)本方法中的YOLOv3算法也存在一定誤差，例如漏檢、誤檢、復(fù)檢等情況，之后還可嘗試使用YOLOv4等方法進(jìn)行完善；采集設(shè)備也有可能受到外界因素的干擾，例如風(fēng)大時(shí)或人行橋的振動(dòng)較大時(shí)，都會(huì)對(duì)視頻拍攝效果有干擾。