對基于視頻檢測技術(shù)的智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

辛奇峰

上海浦江橋隧運(yùn)營管理有限公司 上海 200120

前言：在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，交通網(wǎng)絡(luò)的修建已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)國家戰(zhàn)略規(guī)劃的主要途徑。其中，由于隧道具有節(jié)約土地資源、改善路網(wǎng)等方面的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為公路建設(shè)的關(guān)鍵部分。但是，隧道也存在視線差、結(jié)構(gòu)封閉、空間狹窄等方面的不足。因此，一旦發(fā)生交通事故，很難及時(shí)開展救援工作，甚至容易引導(dǎo)其他方面的事故。針對這一現(xiàn)象，需要積極做好交通安全監(jiān)控，規(guī)范駕駛?cè)藛T的行為。

一、智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)的目標(biāo)檢測與目標(biāo)跟蹤

（一）目標(biāo)檢測

以視頻檢測技術(shù)為基礎(chǔ)的智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)，可以采用不同的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，如幀差法、光流法、邊緣檢測法以及背景法。在本文中采用背景法技術(shù)對目標(biāo)檢測進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，背景建模。這一環(huán)節(jié)中應(yīng)該對視頻列序中包含的圖像進(jìn)行做差，然后對差值實(shí)現(xiàn)二值化處理，并對相應(yīng)的參考值進(jìn)行確定。其次，提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。根據(jù)已經(jīng)建完的模型，將背景模型、當(dāng)前幀進(jìn)行做差處理。同時(shí)運(yùn)用Otsu算法實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的提取。其中，Otsu算法的判斷依據(jù)為類間方差，最終以間內(nèi)方差最小灰度值、類間方差最大值作為最佳的閾值。

（二）目標(biāo)跟蹤

以視頻檢測技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)，需要運(yùn)用卡爾曼濾波的理論與技術(shù)，解決運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤問題。具體而言，在運(yùn)用卡爾曼濾波的過程中，應(yīng)該對系統(tǒng)進(jìn)行線性假定，即系統(tǒng)噪聲、輸入信號、觀測噪聲均為線性的。此時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)方程為：xk=Ak，k-1·xk-1+ξk-1；觀測方程為：zk=Hk·xk+ηk。在公式中，xk表示k的狀態(tài)向量；xk-1表示k-1的狀態(tài)向量；Ak，k-1以及Hk表示已知的系統(tǒng)矩、測量矩陣；ηk、ξk-1的均值等于0。在運(yùn)用此種技術(shù)方式進(jìn)行目標(biāo)跟蹤時(shí)，具體的步驟包括時(shí)間更新（預(yù)測）、測量更新（修正）?；诖?，便可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤，為實(shí)現(xiàn)智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)的作用奠定基礎(chǔ)。

（三）結(jié)果分析

在本文設(shè)計(jì)的智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)中，為了對其性能進(jìn)行分析，將其應(yīng)用在一段上海越江隧道道路上進(jìn)行測試。其中，系統(tǒng)測試的條件為：PC端的內(nèi)端為8GB，硬盤為320GB，型號為Inter Core Duo CPU E7200。視頻的分辨率設(shè)置為320*240；幀率為每秒15幀。本次測試使用的開發(fā)工具為VC++6.0。經(jīng)過一段時(shí)間監(jiān)控以后，選擇視頻中第110幀、119幀、128幀作為跟蹤結(jié)果，并使用綠色、粉色以及紅色將車輛運(yùn)動(dòng)軌跡描繪出來。根據(jù)最終的結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)對行駛狀態(tài)下，車輛具有良好的跟蹤效果，同時(shí)目標(biāo)定位、目標(biāo)檢測十分準(zhǔn)確。經(jīng)過測試結(jié)果表明，可以將智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在隧道交通的監(jiān)管中。

二、智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方式

（一）圖像采集模塊的設(shè)計(jì)

智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)中的圖像采集模塊，主要由視頻采集卡、攝像機(jī)構(gòu)成。其中，攝像機(jī)應(yīng)該使用MTSC制式或者PAL制式，然后運(yùn)用其中的視頻采集卡對其進(jìn)行壓縮、編碼。在這一過程中，壓縮格式應(yīng)該采用高壓縮率、高性能的H.264格式。將智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在隧道中，因?yàn)閮?nèi)部高度的限制，所以對攝像機(jī)的有效監(jiān)控現(xiàn)場產(chǎn)生了不良影響。針對這一問題，可以增加隧道中攝像機(jī)的設(shè)置密度，如延安東路隧道大修后每隔60m便設(shè)置一臺攝像機(jī)?；诖?，能夠避免隧道監(jiān)控出現(xiàn)死角問題，強(qiáng)化系統(tǒng)監(jiān)控的整體性能。

（二）視頻存儲模塊與數(shù)據(jù)庫模塊

在智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)中，視頻存儲模塊的構(gòu)成包括專用磁盤列陣、視頻服務(wù)器兩部分。該模塊的應(yīng)用范圍為檢測后存在交通故事的視頻信息、存儲圖像模塊在壓縮以后的原始視頻。如果從時(shí)間的角度分析，包含交通事故的視頻起止時(shí)間為：事故前5s、事故后5s。另外，智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫模塊，則主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)構(gòu)成，其可以實(shí)現(xiàn)對視頻檢測結(jié)果的及時(shí)存儲，避免出現(xiàn)信息丟失問題。實(shí)際上，以上的兩個(gè)模塊均需要與專用網(wǎng)絡(luò)或者互聯(lián)網(wǎng)連接，否則數(shù)據(jù)信息無法第一時(shí)間進(jìn)行傳遞，同時(shí)為交通監(jiān)管部門的遠(yuǎn)程訪問提供保障。

（三）視頻圖像處理模塊設(shè)計(jì)

視頻圖像處理模塊是智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)中，最為重要的構(gòu)成部分之一，占據(jù)著核心地位。在設(shè)計(jì)視頻圖像處理模塊的過程中，主要以數(shù)字圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)為基礎(chǔ)。以此為前提，可以對智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)圖像信息進(jìn)行處理，達(dá)到自動(dòng)跟蹤車輛、預(yù)測運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、檢測車輛自動(dòng)的目標(biāo)。采用這一基礎(chǔ)，可以統(tǒng)計(jì)隧道交通中的平均車速、車型信息、交通堵塞情況以及車輛停止、慢速、超速、變道、行人、拋灑物等相關(guān)的數(shù)據(jù)，然后對其進(jìn)行自動(dòng)記錄，為監(jiān)控人員及時(shí)采取措施、啟動(dòng)預(yù)案提供參考。由此能夠發(fā)現(xiàn)，視頻圖像處理模塊的設(shè)計(jì)，與系統(tǒng)的有效性有著緊密關(guān)系，需要得到相關(guān)人員的重視。

（四）信息管理系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

在智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)中，信息管理系統(tǒng)模塊可以為系統(tǒng)用戶提供一個(gè)統(tǒng)一管理平臺、操作界面。也就是說，系統(tǒng)中的諸多功能均能夠在該平臺中得到集成，為管理人員提供相應(yīng)的訪問接口。以信息管理系統(tǒng)模塊為基礎(chǔ)，管理人員可以對智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行管理、設(shè)置、查看。另外，還能夠查詢與分析歷史數(shù)據(jù)、交通問題處理結(jié)果、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。不僅如此，設(shè)計(jì)人員還需要對智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)中CCTV模塊與輔助模塊（現(xiàn)場通知預(yù)警模塊、事故報(bào)警模塊等）進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，強(qiáng)化整個(gè)系統(tǒng)的性能。首先要對接口協(xié)議進(jìn)行統(tǒng)一，數(shù)據(jù)輸出接口：標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口，事件、事故報(bào)警數(shù)據(jù)可通過TCP/IP協(xié)議對其他應(yīng)用系統(tǒng)開放。如下圖所示：

然而這種模式在實(shí)際操作中，跳過的綜合監(jiān)控平臺，直接控制到了CCTV矩陣，無法集成進(jìn)系統(tǒng)，且產(chǎn)生的事件無法聯(lián)動(dòng)到相關(guān)地點(diǎn)的情報(bào)板、信號燈、火災(zāi)報(bào)警等設(shè)施設(shè)備。并沒有實(shí)現(xiàn)事件真正意義上的動(dòng)作聯(lián)動(dòng)。

通過反復(fù)研究與實(shí)驗(yàn)，通過這樣的實(shí)現(xiàn)過程：在綜合監(jiān)控圖控平臺上制作一個(gè)模擬矩陣通過以太網(wǎng)控制到CCTV系統(tǒng)的矩陣系統(tǒng)的切換功能中。然而這個(gè)模擬的矩陣系統(tǒng)就是一個(gè)中間介質(zhì)，通過視頻檢測系統(tǒng)的MediaTCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)對綜合監(jiān)控平臺的接口對接。并通過即時(shí)5秒的握手協(xié)議模式對接。對多條隧道監(jiān)控的事件統(tǒng)一事件彈屏動(dòng)作，大屏控制系統(tǒng)開放三條獨(dú)立的通道進(jìn)行彈屏操作。

系統(tǒng)有操作界面以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提供擴(kuò)容的可能；實(shí)現(xiàn)圖像分析處理和維護(hù)管理的異地化組網(wǎng)功能，并盡可能少的占用網(wǎng)絡(luò)資源。當(dāng)前端事件檢測分析處理設(shè)備在與中心服務(wù)器通訊出現(xiàn)故障時(shí)能夠滿足本地的全部檢測功能不受任何影響，所有數(shù)據(jù)全部存儲在事件檢測分析儀內(nèi)部存儲器上，存儲部少于15天的交通事件事故錄像信息，一旦與中心服務(wù)器通訊恢復(fù)，事件檢測分析儀能夠自動(dòng)的將全部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到中心服務(wù)器，保證分析儀與服務(wù)器通訊中斷時(shí)數(shù)據(jù)不丟失。

三、智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)方式

（一）確定軟件的結(jié)構(gòu)

以視頻檢測技術(shù)為基礎(chǔ)對智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須確定軟件的整體結(jié)構(gòu)。其中，軟件的結(jié)構(gòu)包括系統(tǒng)管理、目標(biāo)檢測、圖像采集、目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)識別、交通事件檢測、交通參數(shù)檢測、數(shù)據(jù)庫查詢構(gòu)成。其中，系統(tǒng)管理模塊包含用戶權(quán)限管理模塊、系統(tǒng)初始化模塊。圖像采集模塊包含圖像捕獲模塊、圖像壓縮編碼模塊。目標(biāo)識別模塊包含車型識別模塊、行人識別模塊、墜落物識別模塊。交通參數(shù)檢測模塊包含車速檢測模塊、車流量檢測模塊、道路占有率檢測模塊。交通事件檢測模塊則包含交通堵塞檢測模塊、違法變道檢測模塊。數(shù)據(jù)庫查詢模塊包含歷史數(shù)據(jù)查詢與分析模塊、交通時(shí)間查詢與回放模塊。

（二）設(shè)計(jì)關(guān)鍵的模塊

1.車流量檢測

對于智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用而言，對車流量進(jìn)行檢測是十分重要的，不僅可以為監(jiān)管部門提供指導(dǎo)，還能夠幫助出行人選擇合理的路線。因此，在進(jìn)行車流量檢測模塊的設(shè)計(jì)中，可以基于視頻檢測技術(shù)運(yùn)用虛擬線圈進(jìn)行車流量的檢測。為了實(shí)現(xiàn)檢測車流量的目的，必須設(shè)計(jì)檢測算法的流程，如圖1所示。其中，flag的作用是判斷虛擬線圈內(nèi)是否存在車輛標(biāo)志；area表示虛擬線圈之中的面積；count表示車流量的計(jì)數(shù)結(jié)果；sum表示虛擬線圈中車輛的面積。

圖 1 智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)檢測車流量的流程圖

2.車速檢測

智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)在檢測車速的過程中，其具體的步驟為：（1）對虛擬線圈進(jìn)行設(shè)置；（2）確定虛擬線圈的寬度；（3）對車輛接觸虛擬線圈、離開虛擬線圈時(shí)間間隔T進(jìn)行記錄；（4）運(yùn)用公式v（k）=S/T進(jìn)行計(jì)算。其中，S表示線圈寬度。完成檢測以后，系統(tǒng)會依據(jù)該路段既定的行駛速度進(jìn)行比較，判斷車輛是否存在低速行駛、超速行駛的問題。另外，還能夠?qū)囕v是否存在逆行問題進(jìn)行檢測、分析。

3.違法變道檢測

在隧道交通中，違法變道是威脅交通安全的重要因素。因此，智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)必須具備檢測違法變道信息的功能。結(jié)合車速檢測、車流量檢測中設(shè)置虛擬線圈的技術(shù)方式，在檢測違法變道的過程中也可以設(shè)置相應(yīng)的檢測線。該檢測線與車道中的實(shí)線重合，當(dāng)車輛存在壓線行為時(shí)，系統(tǒng)將會發(fā)出提醒。一旦車輛越過中心實(shí)線進(jìn)行違法變道時(shí)，系統(tǒng)將會自動(dòng)發(fā)出告警信號?；诖?，系統(tǒng)會自動(dòng)采集車輛的信息，并傳輸至監(jiān)管部門的顯示屏中。根據(jù)智能隧道交通安全監(jiān)控系統(tǒng)獲取的信息，監(jiān)管人員能夠?qū)︸{駛?cè)诉M(jìn)行合理處罰。

總結(jié)與未來前景展望：

綜上所述，由于隧道交通的獨(dú)特性，對其進(jìn)行安全監(jiān)控具有較強(qiáng)的必要性。為了進(jìn)一步強(qiáng)化安全監(jiān)控系統(tǒng)的性能，可以將視頻檢測技術(shù)應(yīng)用在其中，并引入先進(jìn)的目標(biāo)跟蹤理論、技術(shù)，通過構(gòu)建系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)對隧道交通的監(jiān)控?；诖?，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確獲取車流量信息、車速信息以及違法變道信息，進(jìn)而能夠有效提高隧道交通的安全性。

越江橋隧城市主干交通的重要車流量節(jié)點(diǎn)，建立人與車的鏈接、車與路的鏈接、車與車的鏈接，通過積累海量數(shù)據(jù)，結(jié)合應(yīng)用近期有突破性發(fā)展的人工智能計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，通過深度學(xué)習(xí)的模型CNN（卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）訓(xùn)練各類交通監(jiān)控模型，預(yù)測行為、流量等高級功能對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充，結(jié)合綜合監(jiān)控專家預(yù)案系統(tǒng)，為城市路網(wǎng)安全運(yùn)行保駕護(hù)航。