瀝青罐車在途風險監測系統設計

樊金禹，張瀚坤，郭承進，高立曉，李 穎

（1.山東高速物資儲運有限公司，山東 淄博 255000；2.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031；3.山東省路域安全與應急保障交通運輸行業重點實驗室，山東 濟南 250102）

1 研究背景

據公安部統計，截至2021 年9 月，載貨汽車保有量達3 242 萬輛，占汽車總量的10.91%，而貨車引起的責任事故更是占汽車責任事故總量的30.5%，遠高于貨車保有量占汽車總量的比例。其中因為駕駛盲區所導致的交通事故約占17.1%，造成的傷亡人數占貨車責任事故總量的27.81%。

通過事故分析發現，大型車輛事故率高的主要原因：（1）由于大型車輛自身具有“長、寬、高”的結構特點，駕駛員無法通過右側后視鏡及時觀察到車輛右側路況，存在右轉盲區；同時，大車在右轉彎時，內前輪轉彎半徑大于內后輪轉彎半徑，存在內輪差盲區。（2）由于運輸路程遠、時間長，易出現疲勞駕駛現象，導致駕駛員對車輛的操控精度下降，產生事故風險隱患。（3）由于瀝青運輸具有單次運輸量大、價值高的特點，瀝青失竊或泄露事件也時有發生，不僅給運輸公司造成了經濟損害，也給道路留下安全隱患，危害公眾安全。

國內已有相關對大型車輛監測系統的研究與應用，此方向研究開展初期，不少基于車聯網的車載終端設計實現了對車輛運行狀態及駕駛過程中視頻數據的采集與存儲，但并未對視頻數據進行深層次的提取與分析［1-3］。隨著技術的發展，李磊磊［4］開發的大型貨車視野盲區層疊式預警系統，可依據貨車轉彎速度與角度計算盲區范圍，發出預警提醒行人或其他車輛避讓。張洋［5］設計的罐車在途實時監控系統結合了GPS 定位技術與罐體監測技術，可將車輛GPS 信息與罐體監測信息上傳至云端，在網頁中以地圖形式實時顯示各車輛罐體狀態。盛敬［6］開發了駕駛員疲勞監控系統，通過圖像處理技術對駕駛員狀況進行分析，對駕駛員疲勞駕駛行為進行有效識別與預警。上述研究僅可實現單一功能，缺乏系統性與綜合性。因此，亟需建立起同時具有盲區監測、疲勞駕駛監測、車輛定位與軌跡回放等功能于一體的罐車在途風險監測系統。

2 系統總體方案

設計系統采用6 路監控相機，分別監控前方路況、駕駛員狀態、兩側駕駛盲區與罐體進出口。所拍攝畫面通過監控終端進行視頻格式整合與分析，判別駕駛員是否存在疲勞駕駛行為、駕駛盲區是否存在行人或車輛。若發生情況，則通過車載喇叭進行警告信息播報，及時提醒駕駛員注意安全。將監控視頻在車載顯示屏上實時顯示、在本地硬盤備份并通過GPRS 模塊上傳至云平臺，供罐車運營公司遠程查看車輛運行情況。通過GPS 模塊記錄車輛軌跡信息，將車輛運行軌跡上傳至云平臺，系統架構見圖1。

圖1 系統工作流程

3 瀝青罐車在途風險監測系統硬件設計

3.1 車載終端

車載終端中央處理器為Hi3520D，是內核為ARM Cortex-A9 的高性能處理器芯片，具有視頻硬件加速引擎，能夠實現系統調度，符合車載視頻監控系統的實時性要求；片內集成了高性能視頻編解碼器，集成TDE、VPSS 和VCMP 三部分對視頻圖像進行加工和處理，并且接口資源豐富，可采集和處理GPS、GPRS 等模塊信息，滿足系統應用需求。

3.1.1 控制器最小系統設計

（1）電源電路。系統中各模塊電壓需求共有兩種，其中處理器 Hi3520D 的核心電壓為1.25 V，攝像頭所需電壓為5 V。（2）時鐘電路設計。所需時鐘信號共有三種：頻率為32.768 kHz 的Hi3520D 時鐘模塊外接信號；頻率為24 MHz 的Hi3520D 的系統時鐘信號；頻率為12 MHz 的SD 卡數據讀取芯片時鐘信號。（3）復位電路設計。為完成系統上電復位，本系統包含復位電路，采用專用復位芯片ADM809，可以精確檢測處理器電壓。

3.1.2 GPS 定位模塊

GPS 定位模塊的功能是通過接收衛星信號，解算出車輛當前位置、速度、時間等信息。本系統選用的GPS 模塊為韓國Gstar 的GS-87 模塊。

3.1.3 GPRS 通信模塊

GPRS 模塊的功能是無線通信，可將所采集視頻信號通過GSM-GPRS 網絡上傳至云平臺。本系統中GPRS 模塊選用SIMCom 公司的SIM300，功耗較低，信息傳輸穩定。

視頻采集電路設計采用Richnex 公司的RN6318A芯片對六路監控視頻進行合成。該芯片可同時支持ITU-R BT.656、BT.1302、YCbCr 4 ∶2 ∶2 等多種格式的輸出，符合后文圖像處理算法對視頻格式的需求。

3.2 監控相機

選用6 臺VIS-108P 寬動態監控相機，分別監控前方路況、駕駛員狀態、兩側駕駛盲區與罐體進出口。相機安裝位置與監控范圍見圖2。

圖2 監控相機布設位置及監控范圍

3.3 車載顯示屏

采用Nexcom公司的IPPD1100加固車載顯示屏，采用電容式觸屏原理，識別精度高，能有效減少駕駛員誤操作概率，降低駕駛員因操作系統而導致的分心駕駛時間。顯示屏下方設有亮度調節按鍵，方便駕駛員在外界亮度變化時快速改變屏幕亮度，以便觀察駕駛盲區畫面。

4 瀝青罐車在途風險監測系統軟件設計

4.1 軟件總體流程設計

車輛啟動時，系統軟件運行流程見圖3。

圖3 軟件流程

4.2 監控相機寬動態功能

監控相機的寬動態功能可通過二次曝光技術解決車輛受強光照射而導致的圖像質量下降問題。如夜間行車時若監控相機受到遠光燈照射，被遠光燈直射的區域會因曝光過度成為白色，其他區域會因曝光不足而成為黑色。故采用寬動態技術，可同時對當前畫面進行不同速度的兩次曝光，在對快慢兩次曝光的圖像進行標記后，將兩張圖像亮度、色度、對比度等色調屬性進行映射，再檢測并去除圖片中運動物體所產生的偽影，最后即可進行圖像合并，輸出一幀寬動態圖像。

4.3 盲區監測功能

系統的盲區監測功能通過視頻圖像處理的方式實現，先提取左右路監視盲區監控相機的當前幀視頻畫面，為降低算法復雜度，加快圖像處理速度，采用灰度化處理算法去除圖像的色彩信息。借助積分圖算法計算圖像亮度后，利用動態模板匹配算法，找到畫面中可能存在車輛或行人的區域，再使用Adaboost 分類器對各區域內是否存在車輛或行人進行判斷，并發布對應警報信息，提醒駕駛員注意。

4.4 疲勞駕駛監測

（1）使用基于膚色模型與最大類間方差的人臉分割算法，對駕駛員狀態監控畫面中的駕駛員面部區域進行捕捉。（2）使用基于卡爾曼濾波的面部跟蹤算法對面部畫面進行跟蹤；并通過像素指針的方式，分別提取畫面中駕駛員眼睛與嘴部開度信息。（3）利用神經網絡，根據駕駛員疲勞時的眨眼頻率與打哈欠幅度確定疲勞駕駛判斷閾值，當駕駛員眼部開合頻率與嘴部張開幅度超過閾值時，通過車載喇叭發布疲勞駕駛警告，提醒駕駛員安全駕駛。

4.5 車輛定位與軌跡回放功能

在車輛運行過程中，GPS 模塊將車輛位置信息實時上傳至云平臺上，云平臺網頁頁面中設有地圖插件，用戶可在地圖上查看各車輛實時位置。各車輛歷史位置數據也將存儲在數據庫中，在用戶使用軌跡回放功能時，需選定軌跡回放時間區間，系統從數據庫中調取該車輛在此目標區間內的歷史點位數據，在地圖中連點成線即可生成車輛歷史軌跡。

5 系統功能實現

試運行系統運行情況良好，可基本滿足用戶需求。根據反饋意見進一步完善舉措：（1）陰天或夜晚時，顯示屏亮度過高，此時手動調節顯示屏亮度將造成分心駕駛，存在安全隱患。后期可加入亮度傳感器，根據環境亮度自動調節顯示器屏幕亮度。（2）疲勞駕駛預警算法偶爾會產生誤判，經過對誤判影像分析，為駕駛員在說話時的嘴部狀態被算法誤判為打哈欠，后期可針對打哈欠與說話時嘴部的區別完善算法，進一步減少算法誤判率。

6 結語

瀝青罐車在途風險監測系統功能綜合性強，試運行后可滿足日常運營需求，針對駕駛員所反饋的亮度與疲勞駕駛誤判問題，后期將增加顯示屏亮度自動調節功能，并完善疲勞駕駛判別算法。