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道路交通监测系统的可行性研究报告

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为了切实保障“公交优先”、“市民优先”战略的顺利实施,加大对非公交车辆“违法驶入公交专用车道”违法行为的查处力度,根据公安部有 关要求,依据《道路交通安全法》、《道 路交通安全违法行为处理程序规定》规定,交警总队提出通过在公交车上安装 “电子警察”设备,记录非公交车辆违法驶入公交专用车道的创新执法模式,强 化社会车辆违法占用公交专用道违法 行为的整治力度和震慑作用,同时也能有效监督公交车不占用社会车道,做到 公交车辆与非公交车辆各行其道,提高城市交通管理水平的目标。

机动车违法占用公交专用道检测系统前端采集违法车辆数据,包括识别数据、抓拍图片、视频录像,在本地进行存贮的同时,采用Wi-Fi无线 局域网方式,按照一定传输机制传输至公交场站数据服务器,再以人工定 期取盘方式将数据汇总至数据采集 中心,进行无效数据的剔除与中心存储,并按照一定数据规格要求,将违法车辆数据导出。电子警察运营部门在对导入的违法车辆数据进行确认判断后,交换至公安内网违法车辆 数据库,以进行执法处罚。

系统设计

一、概述

机动车违法占用公交专用道监测系统运用高清智能摄像机+高集成度智能控制主机+Wi-Fi无线传输 技术+GPS定位技术采用自主研发 专门技术集成而成。整个系统采用低功耗设计,可以采用公交车供电方 式运行。另外,系统采用无线数据传输方式,使得该系统高度精简,可以安装在公交车的车头或车尾,随车一起对全程路段进行监控。

系统采用高清智能200万像素 摄像机,不但可以看清占道车辆车牌还可以显示整个车身及占道地点 的周边环境,保证抓拍图片中包含 车身、车牌、车道线等细节信息,真 正做到执法依据充分。另外,高清 智能摄像机中固化的DSP芯片集成视频算法程序,在集成化的主控 制器抓拍指令触发下对占道车辆行 为进行自动分析检测、跟踪,从而实 现对机动车违法占用公交车道行驶 的情况进行抓拍,对于抓拍结果系 统可自动对其进行车辆号牌自动识 别。

本系统具有成像质量高、抓拍图 片效果好、没备集成度高、安装方式灵活等特点,必将成为保障公交车辆正常运行、发挥公交车道作用的有力 技术手段。

(一)系统结构示意图。

“机动车违法占用公交专用车道监测系统”系统结构示意如图1。

(二)前端工作流程图。

满足违法占用专用公交车道期待抓拍条件有:

1.违法地点确认,在公交专用车道内。

2.违法时间确认,在禁止社会车辆驶入专用公交车道时间段内,上海 规定上午:7:00至10:00,下午:16: O0至19:00。

3.非公交车辆确认。

满足上述三项条件,系统开始抓拍,并对违法嫌疑车辆进行跟踪,复合抓拍条件,系统自动保存违法图片 和视频录像。

二、系统组成说明。

(一)GPS行驶路径检测和定位单元。

系统采工业级的GPS模块,采用USB供电方式,功耗仅为0.5w,设 备运行稳定,接收信号准确,定位前 端设备装载车辆的位置,确定车辆行 进路段,保证违法行为发生地在公交 专用道区段内。

(二)违法占用公交专用道违法行为和车辆检测单元。

车辆检测单元主要完成对通过对监控区域的车辆进行检测,返回车 辆信息,本方案采用采用视频检测的 方式。

视频检测是一种基于视频图像分析和汁算机视觉技术对路面运动 目标物体进行检测分析的视频处理 技术,采用汁算机智能算法对视频直 接进行分析,通过对连续视频图像的 分析,跟踪监控区域里行驶的机动 车,依据违法行为的判定条件,通过 分析对违法驶行的机动画进行抓拍 和记录。基于视频图像处理的电子 警察系统监视面积大,信息丰富,能 提供多种交通信息。电子警察系统作为智能交通系统(ITS)的一部分,发展基于视频检测的电子警察系统也是其发展的必然方向。

(三)图像采集单元。

系统图像采集抓拍部分是整个系统工作的基础,图像质量的好坏、 可靠的抓拍是决定违法抓拍效果和 车牌识别率直接因素。因此,本系统中我们采用专门设计针对智能交通 ( ITS)领域应用的高清晰工业摄像机 以达到系统设计的目的。

摄像机均采用索尼CCD,200万 摄像机分辨率为1600*1200,帧率达 到l 5帧/秒,能捕获所有过往车辆, 确保视频及线圈检测效果,拍摄图像清晰反映车辆所有信息。

(四)录像单元。

录像单元为高清录像,高清录像为利用抓拍摄像机的双码流输出功 能,能输出百万像素高清视频,压缩 方式均为H.264,MPEG-4。录像可 根据需要录取违法录像,进行本地和中心的存储。

(五)网络单元

网络单元包括网WIFI发射设 备或者3G路由器等,用于前端电子 警察设备中心和的联网,系统支持 WI-FI和3G网络。

(六)防雷单元。

防雷单元主要包括防雷器及接 地等,避免雷击造成的没备损坏、使 用寿命降低、数据干扰丢失等现象发 生。

三、系统基本功能。

(一)高清视频流检测功能。

系统采用单高清200w视频流 检测方式,所获得到的违法图片质量 整体清晰通透、检测场景较大、机动 车违法过程明显、车型车体车牌号码 清晰可见、道路信息标识标志反映准 确。

当车辆驶入监测区域时,系统将会快速地检测到这一变化,并通过 对这一变化进行分析处理来判断是 否为车辆通过,当检测到有车辆通过 时,系统会立即保存该车的车牌识别 图片并上传至中心,指挥中心可以实 H寸分析比对回传数据打击逃逸、盗抢 等布控车辆。

(二)车辆牌照自动识别功能。

系统可以根据抓拍的图片对车牌号码进行自动识别、车牌颜色识 别、车牌结构识别,单车号牌识别时 间≤200ms。可识别的字符包括:

1、车牌识别的范围包括:

92式车牌:大型民用车、教练车(黄底黑字),警车、武警车牌(白底黑 字),普通民用车(蓝底白字),大使馆 外籍汽车(黑底白字);

92式货车后牌照(双行黄色车牌);02式牌照(白底黑字);04式、07 式军车牌照(白底黑字)。

所能识别的字符包括:

“O至9”十个阿拉伯数字;

“A至Z”二十六个英文字母;

省市区汉字简称(京、津、晋、冀、 蒙、辽、吉、黑、沪、苏、浙、皖、闽、赣、 鲁、豫、鄂、湘、粤、桂、琼、川、贵、云、 藏、陕、甘、青、宁、新、渝、港、澳、台); 军用车牌汉字(军、空、海、北、 沈、兰、济、南、广、成);

其他车辆分类用汉字(警、学、 领、试、农、挂、拖、境)。

2.号牌识别系统采用多种基于 计算机视觉和机器学习的车牌定位、 识别算法,具有很高的系统稳定性和 通用性。不会受到恶劣天气(烟雾、 雨雪、强光),复杂环境(广告牌,行人 干扰),车牌污损(污迹、个别字符遮 挡)的影响。

对于拍摄质量不够理想的图像, 系统还会自动判断并采用各种图像 增强技术对图像进行矫正,例如对色 彩失真的图像进行白平衡调整,对烟雾环境下进行去雾处理。

3.系统可以根据车牌颜色和车 辆特征对车辆进行分型。类型包括: 大型车、中小型车、警车、运钞车等。 对于民用车,以颜色为主要依据,蓝 色车牌对应的是中小型车辆,而黄色 车牌对应的是大型车辆;对于其他类 型,综合运用纹理、颜色等特征判断 车辆类型。

对于车身颜色,系统根据车牌位 置进一步确定车身范围,通过图像处 理技术寻找关键点,然后利用机器学 习方法进行车身颜色的识别。可进 行识别的颜色包括白色、黑色、红色、 蓝色、绿色、黄色。

(三)行驶路段判别和双黄道线 识别功能。

系统根据GPS实时收集到的经 纬度坐标信息,智能机内部通过算法 匹配,对获得到的经纬度信息进行的 坐标定位与方向判断,来判别公交行 驶的线路以及行驶方向属于公交专 用道区段,系统内嵌智能识别算法, 通过视频检测可以识别公交专用道 双黄道线,有效减小误拍。

(四)违法占用公交车道监测功 能。

系统安装在公交车前或者车尾, 通过视频分析机动车的车牌号码, 并实时判别GPS获得的路段信息, 当发现有机动车占用公交车道行驶 时,系统可以对行驶在公交车前的 机动车进行实时抓拍2至3张图像, 同时保存15至55秒的机动车违法 占用公交车道的视频录像,以便反 映机动车违法行为有据可依,有效 打击违法占用公交车道行为。并对 这类违法行为进行自动记录和数据 上传。

系统还支持三种路段采用不同 的抓拍模式:

1.在直行的公交专用道且沿线无车辆进出口的路段,视频能够记录 前方专用车道内的社会车辆行驶轨迹。

2.在直行带右转的公交专用道且沿线无车辆进出口的路段,视频能 够清晰记录在专用车道内行驶的社 会车辆直行或右转的行驶轨迹。

3.在直行的公交专用道且沿线有车辆进出口的路段,视频能够清晰 记录车辆进入路口和出路口的连续 行驶轨迹。

(五)违法行为高清视频录像功能。

系统除了采用图片证据,另外增加动态违法过程视频录像,增加违法 处罚依据的严肃性,减少违法认定的 争议,且实现违法图片与视频关联, 视频证据作为违法行为的关键证据。

采用动态视频来取证机动车交通安全违法行为,其动态视频记录符 合相应的图片特征要求,视频记录长 度与违法事件长度相关,一般时长不 小于55秒。用于机动车违法取证的 视频,可以排除外界环境、安装、镜头 漂移等因素的影响,原动态视频记录 帧中包括精确的时间、地点、方向,可以看清车牌号码。

高清智能摄像机中的高清压缩编码芯片,可向外输出H.264高清视 频编码 系统安装有SSD固态硬盘, 可对整个车辆的运行过程进行不间 断录像,录像帧率达15帧/秒。整个 画面清晰流程,可用于取证和实时视 频查看。

(六)前端数据存储功能。

系统抓拍的数据(图片+录像)通过相机后面的USB接口存储在 SSD固态硬盘上,硬盘容量大于或等 于64G,能保存7天以上的数据。

数据按照每条6M(数据+图片+视频片段),每天500条,7天存储 大小=6×500×7=21G,系统完全满 足存储要求

(七)系统校时功能。

系统通过GPS进行时钟校对,能够保证24小时的误差不大于ls。

(八)通信功能。

在公交公司场站,通过Wi—Fi通信设备,每套系统可通过Wi-Fi传输 模块将数据自动上传汇聚到该没备 上。同时,系统支持人工取盘。

(九)断点续传功能。

当网络传输出现断网、传输不稳定等情况时,会导致数据不能正常传 送到中心平台。系统具备断点续传 功能,待网络正常时系统能自动恢复 数据上传中心平台,保证数据的完整 性。

(十)异常自动诊断及自动恢复功能。

系统具有异常自动诊断及自动恢复功能,系统能自动检测到系统故 障并恢复正常工作,可以针对系统软 件崩溃,硬件故障等事件做出恰当的 处理,保证系统在出现意外情况时实 现较大限度的可用性。

(十一)图片合成与防篡改功能。

系统具有将如下图片合成功能:前端设备获取的违法车辆的4 张图片,3张违法过程全景图片,l张 号牌特写图片(从l张全景图片中截 取的)。系统完成2张违法图片的合成:l张将特写图片与截取特写的这 张全景图片进行合成;另一张将其余 2张全景图片进行合成。

合成图片上所贴文字按相应的技术标准设定。

系统通过图片加水印的方法来实现图片防篡改功能。抓拍主机抓 拍图片时会对原图加水印(水印在图 片上不显示),图片通过网络传输到 中心管理服务器,中心管理软件自动 对每一张图片进行水印验证,在图片 查询中列出正常图片、被篡改图片等 信息。

(十二)前端设备管理功能

1.摄像机连接状态统计。

通过调试器实时监控前端摄像机状态,记录摄相机的较后一次抓拍 结果与数据上传结果的时间,统计自 调试器启动后,数据上传的数量。

2.摄像机参数管理。

通过调试器可管理摄像机参数,修改摄像机IP地址,摄像机名称、编 号,并可设置车辆识别的区域,检测 车牌宽度的范围,没置相机增益,曝 光时问,期望灰度等参数。

3.校时同步。

在调试器启动时,程序自动进行校时,将前端相机的时间与中心管理 服务器同步,之后每隔一小时再进行 一次校时,如果某路摄像机校时不成 功,则凋试器一直对该路摄像机进行 校时。

4.实时图像查看。

中心管理服务器可实时查看前端摄像机的图像,查看摄像机画面质 量,安装角度等信息,时刻知道前端 摄像机的状况。

(十三)路段与禁行时间管理功能。

1、路段管理。

在公交车安装的GPS设备将GPS数据和摄像机的抓拍图片一同 传回中心管理服务器,数据上传工具 根据这些GPS数据,自动计算公交 车所在支队信息。

2.禁行时间管理。

可设置每路公交车的禁行时间,在禁行时间抓拍的结果不上传 到场站服务器,数据上传工具自动 过滤。

(十四)远程系统管理维护功能。

系统具备远程维护及参数的设置等功能,能通过网络通信获取系统运行的状态和异常报警信息,便于 及时、准确的发现系统运行存在的问 题;也可以通过网络通信随时对系统 运行的参数、配置文件进行修改,便 于针对不同的时期、场景或算法改进 时系统及时的进行更新。

系统具备故障自动检测功能,能通过软硬件自动检测系统故障并恢复正常工作。具有断电自动重启动、 自动侦错报错、自动监测主要设备 (摄像机、终端管理设备、服务器等) 和主要运行软件的工作状态(采集识 别软件、传输软件等)等功能。

系统具备权限管理功能,能够对 不同对象分配不同类型的使用权限。

系统具备日志记录功能。可记 录主要设备、网络状态和主要运行软 件的工作日志,还能记录设备或者网 络状态改变(重启、或者重新连接)、主 要软件发生重启或故障等事件日志。

(十五)网络建设运营成本低。

系统采用满足带宽要求的Wi-Fi 无线传输设备,相比建没安装3G网 络系统整体后期运营成本较低,系统 建设费用低,维护方便,运营费用低。

(十六)系统嵌入式高度集成。

整个系统只有三部分组成:高清 智能摄像机+Wi-Fi无线传输设备 +GPS模块,系统整体结构高度精简。 其次高清智能摄像机、Wi-Fi无线传 输设备和GPS模块均为高集成化嵌 入式设备,故障率低。使得系统安装 维护量都很低。

四、系统性能指标。

五、违法占用公交专用道行为检 测原理。

(一)视频检测关键技术。

视频图像智能分析与检测一直 都是计算机视觉领域的一个难题,较 大的困难来自于该技术容易受到局 部光照条件变化、噪声、现场环境不 可控等的影响、车辆图像检测区域背 景上产生的阴影往往被误判为车辆、 车辆在与背景相似的情况下,容易被 检测为背景、恶劣天气如刮风、下雨、 下雪等造成的视频区域内图像灰度、 亮度、等变化也在较大程度上影响着 车辆检测的效果。

为了避免背景环境造成的影响, 系统引进了自适应的学习策略,该方 法可以适应缓慢和突然的环境变化, 并对自行车、行人等根据面积、长宽 比等规则结合形态学处理的方法进 行预处理,有效提高车辆检测的准确 率。

根据监测目标在通行过程中所 处阶段不同系统所关注的重点也不 同这一特性,采用视频跟踪技术,结 合号牌识别和车型识别技术,系统能 够实现对多种交通违法行为的自动 检测记录。

本系统采用一种综合性混合优 化的计算机人工智能算法,利用大量 学习样本训练的特征库,引入反馈型 学习策略来自适应环境的变化,提高 了系统对环境的适应能力,结合对 自定义检测区域信息的识别处理和 车辆的运动矢量轨迹两方面的信息 来对车辆是否违法行判断,并采用形 态学滤波方式对噪声进行预处理,大 大的提高了对环境变化的适应能力。 与传统的系统只针对虚拟线圈所标 识的区域进行分析计算相比,本设计 的算法能有效处理车辆被遮挡和车 速较快的情况,对环境的适应能力 强。

视频跟踪技术应用于目标确认后通过监测区域事业范围的全过程, 该阶段交通违法概率会明显增加, 所以关注的重点为监测目标是否发生了交通违法行为。当目标触发确认后,系统通过视频跟踪检测算法 对目标进行实时跟踪,通过对目标 车辆的轨迹分析、预测和判别,适时 做出记录决策。以往系统只是把识 别的目标限定在虚拟线圈所标识的 区域,系统对光照和环境的变化非 常敏感,检测率较低,而本系统则结合对虚拟线圈所标识的区域信息的 识别处理和车辆的运动矢量轨迹两 方面的信息来对车辆是否有违法占道行为进行判断,这样就大大的提 高了对环境变化的适应能力。为保 证跟踪的准确性、实时性以及持续 性,系统综合了目前国际上较流行的几种跟踪算法,采用车身跟踪方 式,基于车辆轮廓的跟踪算法能提 高区分前后跟车的准确性,即使车 辆无车牌,也能捕获与跟踪,同时效跟踪的距离得以大幅度延伸,为从 容判断目标行驶轨迹创造了很为有 利的条件。

(二)违法占用公交专用道实现原理。

系统安装在公交 车辆前端驾驶台,系统通过GPS定 位实现公交专用道区段判断,在公 交专用道区段且在社会车辆禁止驶 入的时间段系统自动内启动监控,系统内置公交专用双侧黄道线自动 检测功能,当社会车辆进入监控区 域,系统开始启动抓拍三张图片,同 时开始高清录像,系统开始跟踪和判断,满足系统设定的准则,系统停 止录像并保存数据,通过路段勘察, 我们发现有两种渠化类型的公交专 用道:

种:在直行的公交专用道且沿线无车辆进出口的路段。如图7所示,这种类型路段称之为全路段执 法监控路段,只要发现非公交车辆驶入,且在禁行的时间段内,系统就可以马上启动抓拍,并开始录像跟踪, 录像终止可以通过设定录像时长来 完成。

第二种:在直行带右转的公交专用道且沿线有出入口的路段。如图8所示,系统要在公交车道路段内起 拍,且视频跟踪到下一个路口,且再 次进入公交车道内为违法有效数据,根据上述规则,我们认为图中三辆车 违法认定如图9所示。

六、实拍违法占用公交专用道行为高清图片。

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