公路交通事故預(yù)警系統(tǒng)研究

郭銀寶

（張家口市高速公路路政執(zhí)法大隊(duì) 河北 張家口 075000）

0 背景

近幾年隨著汽車(chē)的普及度越來(lái)越高，我國(guó)汽車(chē)保有量也增長(zhǎng)迅速，交通事故所造成的影響和損失也越來(lái)越大，交通事故頻發(fā)成為世界關(guān)注的重要問(wèn)題之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001-2005年中國(guó)交通事故死亡人數(shù)均在每年10萬(wàn)人左右，位居世界第一，并且呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。中國(guó)普通公路的事故率為0.238起/km，死亡率為0.059起/km，而高速公路的事故率和死亡率數(shù)據(jù)更高，分別達(dá)到1.894起/km和0.248起/km，道路交通安全形勢(shì)極其嚴(yán)峻，因此采用交通預(yù)警的主動(dòng)安全方式就勢(shì)在必行。這種方式在國(guó)外建設(shè)比較早，一些較為先進(jìn)的車(chē)載GPS定位技術(shù)也較為成熟，而在我國(guó)則起步較晚，大部分公路僅為人工監(jiān)控，很難做到面面俱到。而隨著我國(guó)3G網(wǎng)絡(luò)的普及以及網(wǎng)絡(luò)機(jī)房建設(shè)的日趨成熟，由計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)評(píng)判交通違章成為一種趨勢(shì)。

1 交通事故預(yù)警系統(tǒng)

交通事故預(yù)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示：利用高速公路上的攝像頭，針對(duì)高速公路上的違章如：非法倒車(chē)、超速、車(chē)距過(guò)近等進(jìn)行遠(yuǎn)程判斷和報(bào)警，由網(wǎng)絡(luò)中心人員進(jìn)行分析發(fā)布，由最近的公路巡警找到違章車(chē)輛并加以制止，從而對(duì)可能發(fā)生的交通事故做出預(yù)警，從而大大降低交通事故發(fā)生的可能性。

本系統(tǒng)是一種軟硬結(jié)合的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)式管理系統(tǒng)。采用了高速攝像、圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、和模式識(shí)別等手段，以先進(jìn)的窄帶圖像壓縮技術(shù)來(lái)處理圖像，以2G/3G網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸方式，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)終端和監(jiān)控中心的信息交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程路面的有效實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控。通過(guò)高速公路上的高速相機(jī)陣列拍攝車(chē)輛轉(zhuǎn)向架、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、車(chē)鉤緩沖裝置等車(chē)輛關(guān)鍵部位的圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)分析處理后傳輸?shù)绞覂?nèi)分析室，然后對(duì)抓拍到的圖像進(jìn)行判別，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)檢測(cè)車(chē)輛違章的主要目的。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 圖像動(dòng)態(tài)偵測(cè)原理

本系統(tǒng)通過(guò)視頻幀的比較來(lái)檢測(cè)圖像的變化。其中MPEG視頻流由三類(lèi)編碼幀組成，它們分別是：內(nèi)幀（I幀），預(yù)測(cè)幀（P幀）和內(nèi)插雙向幀（B幀）。I幀按JPEG標(biāo)準(zhǔn)編碼，獨(dú)立于其他編碼幀，它是MPEG視頻流中唯一可存取的幀，每12幀出現(xiàn)一次?？梢越厝∵B續(xù)的I幀，來(lái)作為檢測(cè)比較材料。另外，也可以利用視頻采集卡附帶的驅(qū)動(dòng)程序中的函數(shù)來(lái)截取進(jìn)行的幀。在一些公司設(shè)計(jì)的數(shù)碼監(jiān)控系統(tǒng)中，視頻流經(jīng)過(guò)解碼運(yùn)算，以幀為單位連續(xù)存放在內(nèi)存的緩沖區(qū)中，利用函數(shù)在緩沖區(qū)中將連續(xù)兩幀轉(zhuǎn)化為位圖形式存放在另外的內(nèi)存空間并作比較。在PAL的制式下，每秒刷新25幀，不必對(duì)每一幀都作出比較，只需按固定的間隔采樣緩沖區(qū)中的幀即可。視頻幀的比較有多種方法：

2.1 圖像減法

用幀差分可以檢測(cè)場(chǎng)景變化，一個(gè)簡(jiǎn)單幀差分可通過(guò)計(jì)算兩個(gè)連續(xù)幀的象素獲得。對(duì)幀內(nèi)每個(gè)象素點(diǎn)（x，y），T時(shí)刻與 T－1 時(shí)刻象素值之差為 Dx，y(T)=||Sx，y(T)－Sx，y(T-1)||。 設(shè)定內(nèi)幀差分系數(shù) IDsum=ΣL ， IF||Sx，y(T)－Sx，y(T-1)||≥Ta THEN L=TRUE，實(shí)際決定是否報(bào)警，可以通過(guò)計(jì)算三幀以上IDsum數(shù)量。

程序每隔一定時(shí)間間隔，會(huì)重復(fù)上述同樣的操作，截取屏幕上同一監(jiān)測(cè)區(qū)域的位圖，并會(huì)將這一幅位圖與上一幅位圖的象素值進(jìn)行比較，如果超出一定數(shù)量的象素點(diǎn)的值不同，就發(fā)出報(bào)警信號(hào)。如正常進(jìn)行車(chē)輛應(yīng)向前位移，但是在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)不能倒車(chē)的區(qū)域有車(chē)輛發(fā)生向后位移，則程序自動(dòng)截取圖像或視頻發(fā)回到數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行觀看分析。

2.2 直方圖法

幀間差分對(duì)照明變化和鏡頭移動(dòng)是非常敏感的，而視頻幀的直方圖是用于在視頻序列中可鑒別變化的多種樣條，它可以避免這類(lèi)敏感性，而就有關(guān)圖像的外形提供一個(gè)總體描述。直方圖可通過(guò)度量全部圖像中象素的概率分布來(lái)計(jì)算。假設(shè)圖像中有N個(gè)象素，則象素值為i的標(biāo)準(zhǔn)化直方圖數(shù)量Hi計(jì)算如下：

由于錄像背景一般是固定不變的，而我們感興趣的往往不是整個(gè)畫(huà)面的比較，而是畫(huà)面中特定區(qū)域的比較，因此以上的幀比較方法含有一些不必要的計(jì)算。利用捕捉的位圖來(lái)比較則可以較好的解決這個(gè)問(wèn)題：我們可以在屛畫(huà)面中上畫(huà)出一個(gè)小矩形作為要檢測(cè)的地方，然后求得矩形的坐標(biāo)和大小，最后與屏幕直接截取的位圖進(jìn)行比較。

3 網(wǎng)絡(luò)機(jī)房的架設(shè)

采用統(tǒng)一的可以兼容各種硬件監(jiān)控設(shè)施的監(jiān)控管理方式。對(duì)于系統(tǒng)的改造和升級(jí)，要在保證實(shí)際效果的同時(shí)充分利用現(xiàn)有的監(jiān)控設(shè)備的硬件設(shè)施；對(duì)于本地監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備要進(jìn)行有機(jī)融合以節(jié)省資金投入；系統(tǒng)平臺(tái)的建設(shè)可以分步實(shí)施：在建立中心監(jiān)控平臺(tái)的前提下，可以先行建縣市級(jí)平臺(tái)試點(diǎn)。在系統(tǒng)功能方面，可逐步接入其他功能模塊以降低投入和實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)。一個(gè)統(tǒng)一的監(jiān)控管理平臺(tái)的建立，可為未來(lái)系統(tǒng)平滑升級(jí)全省和全國(guó)統(tǒng)一監(jiān)控管理平臺(tái)奠定基礎(chǔ)。 另外，還要對(duì)系統(tǒng)的重要信息進(jìn)行多重備份管理以保證錄像數(shù)據(jù)等資料的安全性。

服務(wù)器可安裝數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行用戶(hù)權(quán)限配置與管理，從而使得監(jiān)控系統(tǒng)的管理與維護(hù)變得更加容易。數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的特點(diǎn)是通過(guò)建立數(shù)據(jù)模型來(lái)存放相互間具有一定關(guān)系的數(shù)據(jù)，這樣的數(shù)據(jù)模型也可稱(chēng)之為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)?？梢园严到y(tǒng)中所有可以用數(shù)據(jù)方式來(lái)表示的內(nèi)容均存放在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，如監(jiān)控點(diǎn)的分布情況，攝像機(jī)的分布情況及與監(jiān)控點(diǎn)的關(guān)系，用戶(hù)的名稱(chēng)、密碼、權(quán)限及其他相關(guān)屬性，日志信息，以及其他需要管理的數(shù)據(jù)等。要對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的信息進(jìn)行統(tǒng)一處理，包括信息的設(shè)置、信息的記錄、信息的轉(zhuǎn)發(fā)及信息的查詢(xún)等。

在需要做事故預(yù)警的路段要加設(shè)網(wǎng)絡(luò)機(jī)房，偏遠(yuǎn)路段上傳方式可采用2G/3G。然后截取重要路段監(jiān)控探頭圖像進(jìn)行分析,由服務(wù)器將數(shù)據(jù)模糊篩選后發(fā)回各市的交通指揮中心，由專(zhuān)人篩選疑似違章信息上傳給最近的交通巡警以進(jìn)行處理。這種處理方式既節(jié)省了人工又加大了對(duì)違章車(chē)輛的監(jiān)控力度。

機(jī)房服務(wù)器主要功能如下：

■對(duì)監(jiān)控地點(diǎn)及信息的編輯，包括新建、修改、刪除。

■對(duì)來(lái)自報(bào)警管理主機(jī)的報(bào)警信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)生成報(bào)警日志，不同DVR產(chǎn)生的報(bào)警信息可設(shè)成轉(zhuǎn)發(fā)到不同的客戶(hù)端主機(jī)（分控）。

■操作日志、報(bào)警日志的維護(hù)與查詢(xún)。

■巡檢與校時(shí)功能：定時(shí)檢查DVR工作狀態(tài)，巡視DVR工作是否正常（如硬盤(pán)錄像是否正常、網(wǎng)絡(luò)是否正常及報(bào)警信息能否正常上傳等工作狀態(tài)）。

4 結(jié)論

4.1 對(duì)公路違章檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的建立進(jìn)行了分析和簡(jiǎn)介。

4.2 對(duì)圖像動(dòng)態(tài)偵測(cè)以及網(wǎng)絡(luò)架設(shè)做了簡(jiǎn)要說(shuō)明。

4.3 對(duì)預(yù)警系統(tǒng)的作用以及效果做了預(yù)測(cè)。

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