高速公路能見度檢測與廣播報警系統(tǒng)探析

李玖霖

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

1 雙亮度差算法

2005年，呂偉濤等[1]研究了雙亮度差法的大氣能見度檢測方法。該法能準(zhǔn)確地檢測大氣的能見度，擴(kuò)大了觀測系統(tǒng)的測量范圍，提高了測量的準(zhǔn)確度，在不同可見性環(huán)境、不同可視范圍條件下合理利用規(guī)則，打破傳統(tǒng)的檢測方法。郭庚山[2]提出了一種改進(jìn)的原始雙亮度差方法的新算法，對天空區(qū)域進(jìn)行重新劃分，得到了更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。陳曉婷等[3]提出了天空信息重構(gòu)的方法，對天空圖像分割后進(jìn)行重建，再計算可見度。

雙亮度差算法的工作原理是利用不同距離兩組目標(biāo)與其背景所呈現(xiàn)出的亮度差進(jìn)行比較，計算出所選圖片中的氣象能見度。雙亮度差算法檢測原理如圖1所示。

圖1 雙亮度差算法檢測原理

根據(jù)Koschmieder定律，兩個黑體目標(biāo)物之間存在以下關(guān)系：

式中：R1、R2——攝像機(jī)鏡頭距離兩組目標(biāo)物體的不同直線距離；Bt1、Bt2——黑體目標(biāo)t1、t2視亮度；Bt10、Bt20——黑體目標(biāo)t1、t2的固有亮度；Bg1、Bg2——黑體目標(biāo)t1、t2對應(yīng)無限遠(yuǎn)天空的視亮度；Bg10、Bg20——黑體目標(biāo)t1、t2對應(yīng)天空遠(yuǎn)處的原有亮度。

考慮到目標(biāo)物呈現(xiàn)亮度與圖像對應(yīng)灰度值為線性關(guān)系，經(jīng)驗(yàn)算可得到消光系數(shù)σ：

式中：GL1、GL2——光源目標(biāo)L1、L2的灰度值；BL10、BL20——光源目標(biāo)L1、L2的原有亮度比。

每組目標(biāo)與背景視線方向同向時，兩組目標(biāo)與背景的視線方向也彼此接近。假設(shè)視線方向上氣柱光學(xué)特性和照明條件均默認(rèn)一致，采用實(shí)用黑體作為目標(biāo)物時，可變換得到：

在實(shí)際計算時，受到材料和制造工藝的影響，目標(biāo)物的固有亮度Bt10、Bt20、BL10、BL20難以量化，且天空的初始亮度難以準(zhǔn)確測量。為解決原始公式中部分參數(shù)獲取困難的問題，實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常采用式（7），即理想中的雙亮度差算法計算能見度。

2 暗通道算法

能見度檢測算法如圖2所示。

圖2 能見度檢測算法

暗通道先驗(yàn)算法是將視頻圖像轉(zhuǎn)換為暗通道圖像，采用區(qū)域增長法將圖像分為天空與其他區(qū)域，運(yùn)用修正系數(shù)法對天空區(qū)域的透射率進(jìn)行優(yōu)化[4]。為了消除暗通道先驗(yàn)理論假設(shè)帶來的誤差，根據(jù)不同的能見度條件，設(shè)計了一種多模分割方法校正透射比。采用導(dǎo)波消去法消除塊狀效應(yīng)，得到各像素點(diǎn)的透射率。采用可見度公式、朗伯比爾定律的透射率與消光系數(shù)的聯(lián)系得出能見度的值。該方法僅需要一個攝像頭，不需要專門設(shè)置參考目標(biāo)和搭建硬件設(shè)施供其觀測就能夠快速計算出能見度。

在戶外圖像的大多數(shù)無霧區(qū)域里，存在較多局部像素，至少滿足一個通道的顏色強(qiáng)度值通常較低，最小像素值趨近于0，這類像素稱為暗像素。

進(jìn)行數(shù)字圖像與計算機(jī)視覺處理時，圖像亮度計算公式為：

式中：I——圖像亮度；A——大氣光強(qiáng)；J——場景亮度；t——大氣透射率。

式中：c——蘭基色空間顏色通道；Jc( )y——y像素位置顏色通道的像素值；Ω( )x——x像素點(diǎn)的局部區(qū)域；Jdark——J的暗通道。

對于任意一個沒有霧的天氣，大氣之中仍然存在少許粒子。因此，需要把一個固有參數(shù)引入檢測到的圖像。

通過實(shí)驗(yàn)確立ω0的值，視頻圖像大氣透射率的預(yù)估值是(x)[5]。

3 廣播通信技術(shù)

目前高速公路大部分采用基于IP的網(wǎng)絡(luò)型廣播。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的廣播相比，基于TCP/IP協(xié)議傳輸語音編碼可以更好地與視頻監(jiān)控、事件監(jiān)測、交通管理等系統(tǒng)兼容，擴(kuò)展更便利，且支持分布式架構(gòu)，無須為系統(tǒng)專門設(shè)置專用光纖，利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)傳輸更有保障，接入更方便、要求更靈活、成本更節(jié)約。同時IP廣播可以直接接入標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在關(guān)鍵的信息點(diǎn)上設(shè)置多個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，保證其中一個或兩個以上節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時，不會影響整個系統(tǒng)的正常運(yùn)作。可以通過系統(tǒng)SDK開發(fā)包，直接與第三方系統(tǒng)對接，無須另加對接設(shè)備。采用純數(shù)字信號傳輸，不易受外圍干擾信號的干擾，失真率低，傳輸質(zhì)量更有保障，音質(zhì)更清晰。

IP網(wǎng)絡(luò)廣播使用語音編碼（比如PCM）算法，模擬音頻信號A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)為數(shù)字音頻壓縮文件（目前主流格式采用MP3/WAV格式）或?qū)㈩A(yù)制數(shù)字音頻文件從存儲的服務(wù)器中拿出，根據(jù)TCP/IP（部分廠家采用HTTP或SIP協(xié)議）通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，將音頻文件轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)包的格式，發(fā)送到接收終端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)廣播。最終通過網(wǎng)絡(luò)廣播終端D/A轉(zhuǎn)換回模擬音頻信號，通過功放驅(qū)動高音喇叭工作。IP網(wǎng)絡(luò)廣播終端建議選用具有音頻編解碼和網(wǎng)絡(luò)通信功能的嵌入式終端，具有獨(dú)立IP地址，按照TCP/IP進(jìn)行通信。道路監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)廣播子系統(tǒng)由監(jiān)測信息網(wǎng)絡(luò)廣播主機(jī)、語音合成主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)電話終端、網(wǎng)絡(luò)錄音主機(jī)、觸控網(wǎng)絡(luò)配置和網(wǎng)絡(luò)播放終端、記錄分布在收費(fèi)廣場和服務(wù)區(qū)廣場的高音喇叭、網(wǎng)絡(luò)功率放大器（功放）等組成。高速公路道路監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)廣播子系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 高速公路道路監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)廣播子系統(tǒng)

路段監(jiān)控中心的設(shè)備包括IP廣播主機(jī)、IP預(yù)案觸控臺、IP廣播工作臺、語音合成主機(jī)（可以不設(shè)置）、網(wǎng)絡(luò)錄音主機(jī)（可以不設(shè)置）、IP話筒、網(wǎng)絡(luò)音頻播放終端以及一系列配套軟件。道路攝像立柱配備1臺IP網(wǎng)絡(luò)功率放大器（300 W）和2臺150 W戶外防雨（防護(hù)等級不建議低于IP65）高音號角。位于服務(wù)區(qū)中心的高空攝像頭立柱配備1臺功率不低于100 W的IP網(wǎng)絡(luò)功率放大器和2臺50 W室外防雨（防護(hù)等級不建議低于IP65）音柱。監(jiān)控大廳內(nèi)需要設(shè)置一套網(wǎng)絡(luò)音頻終端便于發(fā)布語音信息。道路廣播子系統(tǒng)中，外場IP網(wǎng)絡(luò)功率放大器利用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成的環(huán)網(wǎng)接入局域網(wǎng)。在局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)廣播設(shè)備監(jiān)控分中心，通過10/100 m以太網(wǎng)傳輸通道提供的工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)絡(luò)和通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的共享和傳播。

4 結(jié)語

基于視頻聯(lián)動的事前預(yù)警機(jī)制，將IP有線廣播系統(tǒng)與視頻能見度檢測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)建立聯(lián)動實(shí)現(xiàn)事前預(yù)警機(jī)制。能見度降低時，通過視頻聯(lián)動的方式發(fā)送事件信息至有線廣播平臺，通過事件與監(jiān)控畫面聯(lián)動，調(diào)取現(xiàn)場及相關(guān)的監(jiān)控畫面，經(jīng)過人工確認(rèn)事件后，自動播放與事件相關(guān)的預(yù)案類型或者人工播放指令，實(shí)現(xiàn)報警的作用。本文將視頻檢測與道路廣播報警結(jié)合，通過一系列智能化處理服務(wù)，提升高速公路智能管理水平，加快高速公路信息化建設(shè)。實(shí)現(xiàn)對高速公路沿線段能見度低、氣象災(zāi)害導(dǎo)致交通事故頻發(fā)現(xiàn)象的快速應(yīng)對，以降低交通事故的發(fā)生率，保證人們的生命安全，推進(jìn)高速公路行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。