基于移動視頻接入的交通流應急控制策略

曹志威，尹心明，邵旭東，陳國梁，胡正梁，劉 兵

(1.公安部第三研究所信息安全技術部,上海 201204；2.同濟大學 電子與信息工程學院,上海 200125)

基于移動視頻接入的交通流應急控制策略

曹志威1,2，尹心明1，邵旭東1，陳國梁1，胡正梁1，劉 兵2

(1.公安部第三研究所信息安全技術部,上海 201204；2.同濟大學 電子與信息工程學院,上海 200125)

對城市緊急事件交通流的合理誘導與控制是各級交通應急指揮部門必須面臨的一項重大挑戰。在有線視頻安全接入方案的基礎上，提出一種基于無線移動視頻接入的交通流應急控制策略來誘導緊急事件影響范圍內的車流輛。該策略以實時接入事發現場的視頻信息為基礎，同時結合緊急事件交通流誘導的模糊控制策略，確定了影響范圍內道路的信號配時方案，從而在微觀層面上實現對路網上擁堵車輛的誘導和控制;同時依據緊急事件事發現場交通流的運行情況，出具了緊急事件應急車輛的信號優先控制模型，以便應急車輛能夠快速到達事發現場，從而為影響范圍內的交通流與應急車輛提供微觀上的控制策略，有助于各級指揮中心制定合理的應急救援措施。該方案已在多地公安省廳試點運行，效果良好。

交通緊急事件；交通流誘導；移動視頻接入；應急控制策略；信號優先控制

0 引 言

隨著城市機動車輛的不斷增加，應運而生的交通緊急事件發生量也在增多。然而緊急事件發生后得不到及時救助的現象普遍存在，這種情況嚴重影響了社會發展。同時事件發生后僅僅依靠人工誘導的方法明顯落后，并且投入的人力成本也較大，因此需要運用計算機網絡、智能交通等技術，從交通流誘導與控制理論出發探索并制定應急策略，從而真正實現科技強警的目的。

目前政府為了保障城市交通的順暢運行，在重要路段上部署了固定式監控設備，同時安裝了大量移動監控設施。這些設備取得的數據不僅能夠反映緊急事件影響范圍內道路的交通流量、飽和度、信號配時等指標，還能反映出應急車輛的運行情況，對制定合理的救援方案起到關鍵作用。

文中提出了事發現場實時視頻的安全接入方案，然后依據接入到的視頻信息提出了緊急事件交通流的控制策略和應急車輛信號優先控制策略，從而對受控車輛進行疏導。

1 事發現場實時視頻的安全接入

為了更全面地收集緊急事件事發現場的實時信息，文中參照有線視頻的接入方案，提出了無線移動警務視頻終端的接入方案[1-6]。

1.1 有線視頻的安全接入方案

有線視頻安全接入系統作為邊界接入系統的一個分支，是支持公安視頻業務的有力保障，為公安信息化建設發揮著舉足輕重的作用。按照公安部科技信息化局的規定，有線視頻安全接入系統采用2+1的安全模式，分別是視頻用戶認證服務器、視頻接入認證服務器和視頻安全隔離網閘，其作用分別如下：

(1)視頻用戶認證服務器：是接近應急指揮系統內網的認證設備，主要負責對指揮系統內網用戶進行管理。

(2)視頻接入認證服務器：是接近視頻采集資源的認證設備，主要負責對接入對象進行認證。

(3)視頻安全隔離網閘：具備單向和雙向通道，主要負責實現視頻控制信令的雙向傳輸、視頻流的單向傳輸。

1.2 無線視頻的安全接入方案

移動警務視頻的接入方案主要是在有線視頻安全接入方案的基礎上增加了一臺安全接入VPN網關，其拓撲結構如圖1所示。

圖1 無線移動警務視頻安全接入方案

該網關主要實現以下功能：

(1)支持網絡層加密的安全傳輸協議對會話通道進行加密傳輸；

(2)實現移動警務終端的TF卡證書認證；

(3)對傳輸的視頻內容進行完整性檢驗。

事發現場實時視頻資源的獲取除了通過路口固定攝像頭外，還需要通過移動無線視頻終端進行獲取。文中提出的有線與無線視頻安全接入系統能將不同網域間緊急事件事發現場的實時信息安全、快速地接入到應急指揮系統內網，對指揮部門出臺正確、合理的應急策略起到了關鍵作用。同時提出的移動警務視頻安全接入系統由兩部分組成，一部分是實現不同網域間邊界接入的視頻安全接入系統，一部分是實現移動警務設備認證、加密傳輸的安全接入VPN網關，通過這兩個模塊實現移動視頻資源的安全傳輸，從而為緊急事件事發現場的交通管制提供有力的技術保障。

2 緊急事件交通流誘導的模糊控制

本節主要通過上述有線和無線的視頻安全接入方案將事發現場的道路信息完整、安全地接入到應急指揮系統內網，以便管理部門依據現場的數據信息以及下文提到的方法來確定緊急事件影響范圍內路況的信號配時策略，從而在微觀層面上實現對路網上擁堵車輛的誘導、控制[7-12]。

2.1 模糊控制器的組成及數據信息的采集

城市交通系統是一個具有時變性、非線性、不確定性等特點的復雜大系統，由于模糊控制不需要精確的數學模型，易于解決這種問題，因此文中在交通擁擠形成之前利用模糊控制原理實現對交叉口的信號控制，從而緩解相應道路的交通擁堵。

由于交叉口之間的路段容量受到路段的長短、寬度、車道數等因素的影響，因此單純以車輛數為輸入變量缺乏實用性。文中選擇當前路段的路段擁擠度作為模糊控制器的一個輸入量，其中路段擁擠度是指以路段上現有的車輛排隊長度為被除數，路段的長度為除數得到的比值，用x1表示；同時選擇與本路段下游路口相交路段的路段擁擠度為另一個輸入量，用x2表示；綠燈延長時間為輸出量，用Δg表示。

為了能夠提供合理的模糊控制輸入量數據信息，在一條道路的上下游同時埋下了檢測器，如圖2中a1、a2所示。

圖2 簡單路網示意圖

2.2 城市交通流誘導的模糊控制

在圖2的網絡中，假設通過檢測器a2檢測到此處車流趨于擁擠形成狀態，那么交通應急指揮部門就可以根據路段②-③的擁堵情況，合理地制定配時方案，以便盡快緩解緊急事件影響范圍內的交通擁擠。同時再結合前面的分析，文中運用模糊理論對擁擠路段內的車輛進行控制。

(1)輸入和輸出變量的模糊化。

分別對隸屬函數、模糊控制規則、模糊推理以及反模糊化過程進行確定。其中路段擁擠度x的取值范圍為0～1，將其分為5個語言變量，分別為：VS(很低)、S(低)、M(中等)、H(高)、VH(很高)。選擇高斯型隸屬函數將其模糊化，如圖3所示。輸出量綠燈延長時間Δg的取值范圍為{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}，也將其分為5個語言變量，分別為：VS(很短)、S(短)、M(中等)、L(長)、VL(很長)。選擇三角型隸屬函數將其模糊化，如圖4所示。

圖3 路段擁擠度x隸屬度函數

圖4 綠燈延長時間Δg隸屬度函數

(2)模糊規則推理及逆模糊化。

模糊控制規則主要是根據專家和設計人員的經驗知識確定下來的。文中為了使所建立的模糊控制系統得到滿意的結果，專門咨詢了一些專家，得到了如表1所示的模糊控制庫。

表1 模糊控制規則表

例如規則：如果輸入x1為VH，x2為VS，則輸出Δg為VL。這表示當前路段的擁擠度很高，交通運行很擁堵，然而此時下游相交路段的擁擠度很低，在這種情況下，為了緩解當前路段的交通壓力，可以對下游路口的綠燈時間適當延長，同時誘導上游路口的車輛駛向其他路段。其他規則也以此類推。文中將每條規則的權重均設為1，實際運用時也可以根據規則的重要程度賦予不同權重。

同時選擇Mamdani型推理系統中的“centroid(區域重心法)”來實現輸出量Δg的逆模糊化，因為重心法有利于抑制參數的變化和隨機擾動，其計算過程為：

(1)

(3)模糊控制結果分析。

根據上面建立的模糊控制系統，借助MATLAB軟件實現了路段擁擠度x與綠燈延長時間Δg之間的輸入/輸出特性曲面，如圖5所示。

圖5 路段擁擠度x與綠燈延長時間Δg的關系

從圖5中可以看出：當前路段擁擠度大時，綠燈延長時間相應較大；當前路段擁擠度小時，綠燈延長時間相應較小。而當下游相交路段擁擠度比較大時，為了防止過長的綠燈延長可能造成相交路段的擁堵加劇，因此有必要減緩當前路段的綠燈延長時間。

3 緊急事件應急車輛信號優先控制策略

通過基于路徑的信號優先控制策略，為應急車輛提供能夠快速到達事發現場的出行路徑和信號優先控制方案。

3.1 應急車輛最優路徑選擇

鑒于交通緊急事件發生后車流量的固有特征，在對應急車輛有效路徑集的求解過程中，不是僅考慮了路徑長度這一因素，而是將路徑長度與路徑飽和度這兩個影響因素通過加權平均數法轉換為一個因素，作為求解最短路徑的指標。其中，路徑長度影響因素的權重取0.3，路徑飽和度影響因素的權重取0.7。然后運用Dijkstra算法，以這項指標為篩選條件，在路網圖中尋找起始節點至目標節點之間滿足條件的最短路徑。

然而在計算中，由于各項指標數據單位及量級(即計算指標xj的數量級)的不同，為比較綜合指標y的大小帶來了不便。因此，需要對評價指標作無量綱化處理，文中采用極值法。

(2)

通過上述方法找到一條最優路徑，然后在該路徑上實施信號優先控制方案，從而為應急車輛查找最佳出行路徑。

3.2 應急車輛單點信號優先控制策略

結合視頻安全接入系統獲得的實時信息，提出了以應急車輛交叉口平均延誤時間最小為目標的兩種不同優先控制策略[13-15]，分別如下：

(1)縮短紅燈時間。

當應急車輛到達交叉口時剛好是紅燈，采取縮短紅燈時間的方式進行優先控制。在這個時候，應設置通行方向的最小綠燈時間Gmin。如果此時相位的綠燈時間達到Gmin，則應提前開啟綠燈，縮短應急相位的紅燈時間，給應急車輛提供盡量多的通過交叉口的時間；否則當綠燈時間達到Gmin后，馬上開啟應急車輛所在相位的綠燈。

Gmin的確定應保證行人過街安全和行車安全。其計算過程如下：

Gmin=max{Gmin1,Gmin2}

(3)

(4)

其中，Gmin1主要是為了保證行車安全，以免綠燈時間太短、后車剎車太慢，從而造成事故的最小綠燈時間，一般取7～13s；Gmin2為保證行人安全過街的最小綠燈時間；LP為行人過街道路長度；vP為行人過街速度，一般取1.2m/s；I為綠燈間隔時間。

(2)延長綠燈時間。

當應急車輛剛好在綠燈期間到達交叉口時，首先判斷應急車輛能否在正常綠燈時間G0內通過交叉口：如果應急車輛能夠正常通過交叉口，則不采取任何信號優先控制策略；如果應急車輛不能順利通過交叉口，則應該將最大綠燈時間Gmax(一般不超過60s)與應急車輛通過交叉口時間ΔG及相位剩余綠燈時間GL之和進行比較。如果這兩者之和大于Gmax，則在下個周期提前開啟這一相位綠燈，從而降低應急車輛在交叉口的延誤；如果這兩者之和在Gmax內，則應繼續延長這一相位的綠燈時間，使應急車輛快速通過交叉口。

該應急車輛單點信號優先控制的計算過程如下所示：

(5)

ΔG=hs(Q-1)

(6)

其中，hs為飽和車頭時距；Q為綠燈相位應急車輛進口道路交通流量。

4 結束語

為了保證事發現場的監控資源能夠安全、快速地接入到應急指揮中心內網，在有線視頻安全接入方案的基礎上，重點提出了無線警用移動視頻的安全接入方案。該方案已在多地公安省廳投入運行，效果良好。同時依據上述獲得的實時數據，提出了緊急事件交通流誘導的模糊控制策略，確定了緊急事件影響范圍內路況的信號配時方案，從而在微觀層面上實現對路網上擁堵車輛的誘導和控制。依據緊急事件事發現場交通流的運行情況，提出了緊急事件應急車輛的信號優先控制策略，以便應急車輛能夠快速到達事發現場?？偟膩碚f，提出的交通流應急控制策略能夠充分運用不同網域間接入的視頻信息，同時結合相應的控制策略來實現影響范圍內交通流的誘導以及應急車輛的信號優先控制。然而還存在一定的不足，主要體現在所采取的模糊控制策略只考慮到單個路段或者單個交叉口的信息，而對整個影響范圍內交通流的分布特征考慮不足。

[1] 黃凱奇,陳曉棠,康運鋒,等.智能視頻監控技術綜述[J].計算機學報,2015,38(6):1093-1118.

[2] 劉 陽.基于USBkey認證的SSLVPN網絡的設計與實現[D].長春:吉林大學,2014.

[3] 吳冀衍,程 渤,南國順,等.面向異構無線網移動視頻傳輸的聯合信源信道編碼方式[J].計算機學報,2015,38(2):439-454.

[4] 陳希宏,金躍輝,楊 談.3G網絡中移動視頻質量評估模型的研究[J].計算機科學,2015,42(9):86-93.

[5]WuJiyan,ChengBo,ShangYanlei,etal.Anovelschedulingapproachtoconcurrentmultipathtransmissionofhighdefinitionvideoinoverlaynetworks[J].JournalofNetworkandComputerApplications,2014,44(5):17-29.

[6] 馬 卓,馬建峰,李興華,等.可證明安全的可信網絡連接協議模型[J].計算機學報,2011,34(9):1669-1678.

[8]FonzoneA,SchmockerJD,MaJiangshan,etal.Link-basedroutechoiceconsideringriskaversionandregret[J].TransportationResearchRecords,2012,2322:119-128.

[9] 王國明,李夏苗,鄒華鵬.城市群道路網絡上交通流的演化分析[J].交通運輸系統工程與信息,2014,14(2):7-12.

[10]EngelsonL.Ondynamicsoftrafficqueuesinaroadnetworkwithroutechoicebasedonrealtimetrafficformation[J].TransportationResearchPartC,2003,11(2):161-183.

[11] 王 力,李 岱,何忠賀,等.基于多智能體分群同步的城市路網交通控制[J].控制理論與應用,2014,31(11):1448-1456.

[12] 陳岳明,蕭德云.基于動態交通分配的路網應急疏散模型[J].清華大學學報:自然科學版,2009,49(8):1102-1105.

[13] 趙韓濤,翟 京,毛宏燕,等.城市應急車輛調度模型優化研究[J].交通運輸系統工程與信息,2010,10(4):125-130.

[14]XuTiandong,HaoYuan,PengZhongren,etal.Real-timetraveltimepredictorforrouteguidanceconsistentwithdriverbehavior[J].CanadianJournalofCivilEngineering,2011,39(10):1113-1124.

[15]XiangHuaikun,JiWenchao.Researchofearlywarningmechanismfortrafficsafetybasedoninternetofthings[J].AdvancesinInformationSciencesandServiceSciences,2012,4(3):131-138.

Control Strategy of Traffic Flow Emergency Based on Mobile Video Access

CAO Zhi-wei1,2，YIN Xin-ming1，SHAO Xu-dong1，CHEN Guo-liang1， HU Zheng-liang1，LIU Bing2

(1.Information Security Technology Division,Third Research Institute of Ministry of Public Security,Shanghai 201204,China; 2.School of Electronics and Information Engineering,Tongji University,Shanghai 200125,China)

It is challenging for the traffic emergency department to develop a reasonable guidance and control strategy of traffic flow in urban emergency.In order to guide the vehicle of the traffic emergency incident influence range,a control strategy of traffic flow emergency based on mobile video access is proposed.After monitoring the road emergency scenes,the proposed scheme establishes the signal timing scheme for the road within the scope of influence based on fuzzy control strategy,and presents a signal priority control model of emergency vehicle.On the one hand,these actions propose a microcosmic control strategy for the traffic flow and the emergency vehicle within the scope of influence.On the other hand,these actions would be favorable for the traffic emergency department to develop the effective emergency rescue measures.Recently,the scheme has been conducted the pilot run in some ministries and agencies,and has achieved good results.

traffic emergency incident;traffic flow guidance;mobile video access;emergency control strategy;signal priority control

2016-03-18

2016-06-22

時間：2017-01-04

國家自然科學基金資助項目(61403255)；上海理工大學國家級項目培育基金項目(16HJPY-QN14)

曹志威(1985-)，男，研究實習員，博士研究生，CCF會員，研究方向為計算機網絡安全、智能交通；尹心明，通訊作者，助理研究員，碩士，研究方向為信息安全。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170104.1102.092.html

TP399

A

1673-629X(2017)01-0143-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.01.032