道路交通安全與智能控制畢業(yè)設(shè)計

1、道路交通安全與智能控制畢業(yè)設(shè)計- 路口紅綠燈電子警察系統(tǒng)分析緒論1 研究背景隨著我國社會與經(jīng)濟的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，日益擁堵的城市交通狀況迫切需要更為先進、有效的交通管理方式。以通信技術(shù)、計算機圖像處理技術(shù)為核心的智能化道路交通系統(tǒng)電子警察系統(tǒng)應(yīng)運而生，成為了前公路交通管現(xiàn)的發(fā)展方向。現(xiàn)如今世界各國都在建設(shè)并完善著自己的電子警察系統(tǒng)。路門電子警察系統(tǒng)的作用不僅僅在于抓拍違章車輛，它對對于路口交通配時調(diào)控、此路口到下個路口的車流銜接、區(qū)域的交通流控制、整個城市新建道路的規(guī)劃、老路的修繕，甚至對整個城市路口的重新布局都有著深遠的影響。電子警察系統(tǒng)在國內(nèi)的發(fā)展并不完善。在路口監(jiān)控系統(tǒng)布設(shè)中，通

2、常存在著車牌抓拍靈敏度過高、因施工時間過長而阻塞交通、信號燈配時不合理，拍攝廢片率高，識別率差等問題，解決這些問題就有待電子警察系統(tǒng)的進一步完善。電子警察系統(tǒng)在現(xiàn)代交通系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，建立高質(zhì)量的電了警察系統(tǒng)是交通管現(xiàn)方面的迫切需求，交通管理自動化也是城市現(xiàn)代化的標志之一。2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀八十年代后，全世界各國開始大量投入人力、物力、財力開展智能交通系統(tǒng)的研發(fā)。目前而言，ITS 在日本得到最廣泛的應(yīng)用，如日本的 VIcS 系統(tǒng)已經(jīng)相完備和成熟，其次美國、歐洲等地區(qū)也普遍應(yīng)用。在中國，北京、上海、廣東等地也已廣泛使用。美國目前在智能交通系統(tǒng)領(lǐng)域同樣處于領(lǐng)先水平。90 年代初，美國就開

3、始對 ITS 研究開展投資。 1998 年，其簽署的“面向 21 世紀運輸權(quán)益法案”贏得了公路系統(tǒng)的重建與繼續(xù)發(fā)展的大筆投資。 現(xiàn)今而言， ITS 對美國交通的覆蓋率達到 80% 以上。日本對 ITS 的研究早在20 世紀 70 年代便開始進行。日本現(xiàn)今成為 ITS 實用化程度最高的國家，日本對交通控制、出行信息提供方面都十分健全。歐洲在ITS 研發(fā)應(yīng)用方面與美國相似。目前全歐洲計劃打造專門的交通無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。我國在 ITS 領(lǐng)域的研究起步較晚，但隨著時代的發(fā)展、科技的進步，我國也在逐漸加快智能交通系統(tǒng)的研發(fā)步伐。科技部安排的 “智能交通系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和示范工程”及“智能交通系統(tǒng)標準和檢測

4、技術(shù)開發(fā)”項目就是對適合國情的智能運輸系統(tǒng)發(fā)展模式和技術(shù)進行研發(fā)的范例。我國鼓勵I(lǐng)TS優(yōu)秀的示范工程并進行大范圍的推廣開發(fā)，這對我國的發(fā)展事業(yè)起到了良好的促進作用。3 論文的主要工作及內(nèi)容安排3.1論文的主要工作論文主要完成以下幾方面的工作：首先描述了系統(tǒng)的建設(shè)背景；然后對電子警察系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)做了詳細的介紹；論文核心章節(jié)重點介紹了電子警察系統(tǒng)的構(gòu)造及工作原理；論文最后結(jié)合目前市場中電子警察布設(shè)中存在的一些問題提出了電子警察路口布設(shè)方式的改良措施。3.2論文的主要內(nèi)容論文共分為五個章節(jié)，其中：緒論。介紹電子警察的發(fā)展現(xiàn)狀及論文的研究背景，概述了論文的主要工作安排和重點內(nèi)容。第二章：電子警察系

5、統(tǒng)介紹。分別介紹了電子警察系統(tǒng)的構(gòu)成情況， 并對電子警察系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)， 如車輛檢測技術(shù)、線圈技術(shù)等進行了詳細論述。第三章：電子警察系統(tǒng)設(shè)計及工作原理。詳細論述了電子警察系統(tǒng)設(shè)計的原則及設(shè)計過程中應(yīng)參考的相關(guān)標準，分析了系統(tǒng)的組成及工作原理，針對電子警察系統(tǒng)的總體功能和特點做了詳細論述。第四章：電子警察路口布設(shè)方式改良研究。從降低電子警察抓拍靈敏度、提高施工作業(yè)時效及節(jié)約線材方法以及車檢器線圈布設(shè)位置等角度提出了改良策略。第五章：結(jié)論。對論文總體研究成果進行總結(jié)和展望。第二章電子警察系統(tǒng)介紹1 電子警察系統(tǒng)的構(gòu)成電子警察系統(tǒng)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上劃分，由路口前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、中心管理信息系統(tǒng)組成。目前，

6、外部與其相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)有車管和駕管系統(tǒng)，向上還有可能關(guān)聯(lián)智能交通集成系統(tǒng)。具體如圖 2.1 所示。圖中所示設(shè)備為組成系統(tǒng)所需，可以與現(xiàn)有電子警察系統(tǒng)設(shè)備共用或與其他系統(tǒng)設(shè)備共用。在整個電子警察系統(tǒng)中，路口前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)， 其主體設(shè)備包括： 路口主機、攝像部分、車檢部分、 LED輔助照明部分和通訊部分。其組成如圖2.2所示：圖 2.1 電子警察系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖 2.2 闖紅燈抓拍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)分析2.1車輛檢測技術(shù)目前在交通檢測及采集系統(tǒng)中，集中應(yīng)用了許多高新技術(shù)。如電磁傳感、視頻雷達、超聲波通信等，均被應(yīng)用到交通控制中。常用的交通信息檢測器主要有：電感量

7、檢測器、超聲波檢測器、紅外檢測器、 雷達檢測器。 按照安裝方式的不同，交通信息檢測器可分為埋設(shè)式和懸掛式。就目前而言，由于性價比和可靠性上的優(yōu)勢，環(huán)形線圈式車輛檢測器仍占據(jù)市場的大部分額。環(huán)形線圈檢測環(huán)形線圈檢測是目前世界上使用量最大、最廣泛的一種檢測方式。當車輛通過埋設(shè)于車道內(nèi)的環(huán)形線圈時，感應(yīng)線圈利用切割磁感線原理對車流量進行檢測。遠端的戰(zhàn)略車檢器統(tǒng)計總車流，近端的戰(zhàn)術(shù)車檢器統(tǒng)計停車線前各方向車流。檢測器可根據(jù)需要， 獲得車流量、 行車速度、車輛通行密度、車輛排隊長度等數(shù)據(jù)，并提供給中央控制系統(tǒng)。中央控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)可以進行有效的提取利用，使得交通向最為通達順暢的方向發(fā)展。環(huán)形線圈檢測方法具

8、有施工工藝純熟，施工手段簡雄易行，以及成本低廉等優(yōu)點。波頻檢測波頻車輛檢測器多以懸掛式檢測系統(tǒng)的方式呈現(xiàn)。波頻車輛檢測器的工作原理為：檢測器向車輛發(fā)射微波、紅外線等電磁波，接收反饋信息對車輛產(chǎn)生感應(yīng)。波頻車輛檢測先劃分出一個同定長度的區(qū)域，假設(shè)各種車輛的車長。運作時，檢測器用車輛駛出的時間減去車輛進入的時間，以計算出車輛在一定長度內(nèi)行駛的時間差來計算出車速。目前常見的波頻車輛檢測器有微波車輛檢測器，它是一種性價比相對高的交通檢測器。視頻檢測視頻車輛檢測是通過視頻攝像機進行拍攝，先在監(jiān)控范圍內(nèi)劃分出虛擬線圈對車道進行監(jiān)控，背景灰度值會在車輛進入檢測區(qū)時產(chǎn)生變化，以此原理可檢測出車輛的存在，同時可

9、根據(jù)需要來檢測車流量和車行速度。檢測器的安裝位置不固定，車行道的側(cè)面或是正上方均可安置，視頻檢測的優(yōu)勢很明顯，它利用動態(tài)視頻監(jiān)控的方式使得交通檢測工作更加直觀，在對違章判別時可以提供現(xiàn)場的視頻錄像， 同時可根據(jù)路口擴建、改造、施工等具體情況，重設(shè)檢測線圈。2.2線圈檢測線圈檢測原理介紹環(huán)型線圈檢測利用的是電磁感應(yīng)原理，它利用環(huán)形線圈來感應(yīng)車流，環(huán)形線圈的規(guī)格一般為：行車道 2× 2 的口字型線圈，路口處 2× 1 的矩形線圈。環(huán)形線圈工作時，因為有電流的通過，會在線圈周圍形成電磁場，車流經(jīng)過線圈上方時，根據(jù)切割磁感線的原理，線圈回路電感量會發(fā)生變化。這又會引起電路的振蕩頻率

10、以及相位出現(xiàn)變動，環(huán)形線圈依此原理可以對是否有車輛通過做出檢測。車輛檢測器對檢測到的信息進行處理，向工控機發(fā)送信號，工控機根據(jù)信號的不同，相應(yīng)的做出闖紅燈抓拍，電子警察超速抓拍，車流量統(tǒng)計等對應(yīng)操作。圖 2.3 闖紅燈抓拍系統(tǒng)原理圖傳統(tǒng)線圈檢測工作流程當路口綠燈長亮時，系統(tǒng)判定是否有車輛通過檢測區(qū)域且這種判定有一定的延續(xù)性，同步于信號燈狀態(tài)。當路口紅燈亮起，有車輛靠近停車線并壓上個線圈時，系統(tǒng)監(jiān)控功能啟動。在整個紅燈周期內(nèi)，若是車輛沒有繼續(xù)前行而只是停留在個線圈內(nèi)，系統(tǒng)判定車輛并不違法。圖 2.4 綠燈長亮時，線圈檢測是否車輛通過圖 2.5 紅燈亮時，車輛壓上個線圈若是車輛在紅燈周期內(nèi)繼續(xù)前行

11、，車輛越過個線圈而壓上了停車線，此時系統(tǒng)判定違法事件發(fā)生，電子警察主機拍攝張視頻照片。圖 2.6 車輛壓上停車線，判斷違法當車輛壓上第二個線圈，系統(tǒng)拍攝第二張違法照片，同吋拍攝特寫照片，啟動違法車輛的錄像監(jiān)控，將車輛越過停車線前后 5 秒內(nèi)的活動進行錄制，之后對視頻錄像進行收縮存儲，為后續(xù)的違章處罰提供佐證，減少爭議。圖 2.7 車輛進入第二個線圈，拍攝第二章違章照片車輛最終離開第二個線圈時，拍攝第三張違章照片。為了避免抓拍相鄰方向的左轉(zhuǎn)車輛或是對象來車，系統(tǒng)必須對車輛壓線圈的順序進行邏輯判斷，與正常闖紅燈壓線圈順序相反的車輛則不拍攝，但在抓拍違章調(diào)頭車輛時，邏輯順序則相反。圖 2.8 車輛駛

12、離線圈，拍攝三張違章照片第三章電子警察系統(tǒng)設(shè)計及工作原理1 設(shè)計原則與設(shè)計標準1.1設(shè)計原則本著“技術(shù)上的先進性、使用上的實用性、經(jīng)濟上的合理性”的原則，結(jié)合交警部門交通管理工作的發(fā)展需要進行設(shè)計。系統(tǒng)在具有先進性、 實用性、 經(jīng)濟性、可靠性、 規(guī)范性、開放性的同時，具有良好的升級、擴展能力。系統(tǒng)設(shè)備的選型在符合要求的前提下，要綜合考慮性能指標和性能價格比。其具體原則為：先進性：充分借鑒、吸收國內(nèi)外最新技術(shù)和成功經(jīng)驗，選擇技術(shù)先進、實用的軟件和硬件設(shè)備，采用符合當今 IT 技術(shù)發(fā)展潮流并且代表當今計算機、圖像處理、通訊技術(shù)發(fā)展方向的技術(shù)，使得研究設(shè)計的系統(tǒng)易于升級更新，確保其先進性。實用性：全

13、面分析未來需求與現(xiàn)有條件，充分考慮現(xiàn)時功能要求與整體人員技術(shù)素質(zhì)，力求實現(xiàn)系統(tǒng)建設(shè)與使用同步，使開發(fā)設(shè)計的系統(tǒng)充分滿足交通管理部門的實戰(zhàn)需求，并且易于操作。經(jīng)濟性：充分利用成熟的先進技術(shù)，采用性價比較高的產(chǎn)品?？煽啃裕翰捎弥髁鞯募夹g(shù)和產(chǎn)品， 確保系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠。只有力求系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定地運行，才能提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，真正體現(xiàn)系統(tǒng)的價值?？尚行裕涸O(shè)計建設(shè)方案應(yīng)具體可行，能最大限度的滿足公安交警交通管理實際工作的需求。規(guī)范性：應(yīng)符合國際標準和國家標準，并充分考慮公安部已經(jīng)制定和正在制定的標準，適應(yīng)實際情況，確保各子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)配合。開放性和兼容性：接口開放，提供二次開發(fā)接口，易于各類交通管理系統(tǒng)

14、的集成?？蓴U展性和易升級性：面對中國智能交通行業(yè)的飛速發(fā)展，系統(tǒng)的計算機設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)具有非常好的可擴充性。并且，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，主干網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)能平滑升級。因此，在設(shè)計中，保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化，采用積木式拼裝，以增強系統(tǒng)的延續(xù)性。良好的可管理性和易維護性：本系統(tǒng)是由多種設(shè)備組成的復雜系統(tǒng)，因此選擇產(chǎn)品時應(yīng)著重考慮它的可管理性和易維護性。1.2設(shè)計標準公安部交管局全國城市道路暢通工程總體方案；公安部闖紅燈自動記錄系統(tǒng)通用技術(shù)條件；國家技術(shù)監(jiān)督局測量、控制和試驗室用電氣設(shè)備的安全要求；通用用電設(shè)備配電設(shè)計規(guī)范；工業(yè)自動化儀表工程施工及驗收標準；公安部公安交通指揮中心建設(shè)與發(fā)展的若干意見 ；

15、公安部交管局、建設(shè)部建設(shè)司城市道路交通管理評價指標體系；中華人民共和國道路交通法；國家技術(shù)監(jiān)督局信息技術(shù)設(shè)備的安全；電力工程電纜設(shè)計規(guī)范；有線電視系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范。2 系統(tǒng)工作原理前端路口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為闖紅燈電子警察的核心部分，直接對違法車輛生成可作為執(zhí)法依據(jù)的違法記錄。其取證原理如圖 3.1 所示：圖 3.1 闖紅燈抓拍工作流程圖當紅色信號控制燈處在亮的狀態(tài)時，中央控制模塊將采集卡當前跟蹤畫面自動切換到由已亮紅色信號燈所控制的車道全景畫面，線圈檢測器不間斷地對感應(yīng)線圈進行掃描，當檢測到有車輛進入線圈時，立即由中央控制模塊進行邏輯判斷是否為闖紅燈行為，若不是則放棄對該車輛的跟蹤，若是則通知中

16、央控制模塊調(diào)用圖像采集過程，此時前端設(shè)備系統(tǒng)將對違法車輛自動采集四張圖片，其中三張是記錄車輛闖紅燈動態(tài)過程的全景圖片，一張是牌照特寫圖片。采集來的牌照特寫原始圖像被發(fā)送至牌照自動識別模塊進行分析并解讀出車輛牌照，然后系統(tǒng)將圖像壓縮成 jEPG 文件格式，并在其下方以相同格式粘貼上闖紅燈地點、 車道編號、 方向、時間、紅燈已亮時間等相關(guān)信息。由于牌照相機、全景相機清晰度高，并且圖片處理算法先進，所以圖像上違法車輛的車牌號碼、車牌顏色、車身顏色、車型等信息清晰可見，最后將圖片存入指定路徑，將違章信息添加到違法記錄數(shù)據(jù)庫。以上過程就完成了路口單次闖紅燈行為的檢測、數(shù)據(jù)生成和數(shù)據(jù)存儲。第四章電子警察路

17、口布設(shè)方式改良研究1 降低電子警察抓拍靈敏度研究為了降低電子警察抓拍靈敏度，提升拍照的合理性，本文采用將線圈向停車線后方移動的方式，如圖4.1 所示。圖 4.1 改進后線圈布設(shè)方式圖中線圈移至停車線后方30c 處，線圈位置考慮因素如下：線圈不能緊挨停車線，一方面切割線圈容易破壞路面標線，而路面標線翻新也會破壞線圈，另一方面淺埋于地下的線圈必須承受車輛加速或是制動的累積破壞效應(yīng)；線圈也不能遠離停車線， 否者會造成過松執(zhí)法。 根據(jù)現(xiàn)場實驗與經(jīng)驗積累，確定為停車線后 30c 處。 30c 尚為初探值，隨著實踐經(jīng)驗的累積與反復的實驗測試，才能找出線圓布設(shè)的最佳值。線圈布設(shè)技術(shù)要求為：切縫槽中敷設(shè)地磁線

18、，車輛檢測器與線圈之間使用雙絞線，每米節(jié)點數(shù)不少于20 個。線長度一般不超過 50，引線與線圈連接后必須做防水處理。 線圈離路面伸縮縫距離應(yīng)大于 200，同一水平線上兩組線的最小距離為 1000。線槽寬度不大于 10，深度在 100 左右，線槽四周不得有銳角。電子警察所有電源線和屏蔽線不得敷設(shè)在同一電纜保護管內(nèi)，電源線和屏蔽線應(yīng)分別套管敷設(shè)。改進后的線圈布設(shè)可以有效的降低線圈檢測的靈敏度，當車輛越過個線圈時，若為紅燈時間，電子警察判定其違章無爭議。這就使得對于違章車輛的抓拍更加合理，減免了一些因車輛制動操作失誤而引發(fā)的不必要爭端，提高了照片的可利用率。線圈設(shè)于停車線之后，汽車的制動和起步對線圈

19、的損害明顯降低，延長了線圈的壽命。同時，切割路面埋設(shè)線圈的施工操作對于停車線之前各種路而標識沒有任何破壞，提升了路面美觀度。2 提高施工作業(yè)時效及節(jié)約線材方法的研究由于線圈的切縫埋線工作是在路口標線畫完并已經(jīng)開始通車后才開始進行的，怎樣盡快完成路口施工，并盡早解除對道路的封堵，關(guān)系到市民的出行和正常交通秩序的維持。對于線槽合理的切割應(yīng)當在不影響線圈靈敏度的前提下，盡量縮短切割長度，以達到節(jié)約施工時間的目的。改進后的呂字型線圈如圖 4.2 所示。此方法主要是對切線槽的方式進行了改良，從而變更拉線方式。前后線圈全部也有利于線圈定位。縮短了切縫長度，從中間進行分邊拉線，改進方法的線圈切縫理論值為&#

20、215; 4+×2=45，對應(yīng)的地磁線埋設(shè)長度理論值為：× 7×4+× 2=214。改進后的方法與前兩種方法對比，切縫與接線的理論值都達到了最小，從而節(jié)約了施工時問和線材量。圖 4.2 改進后的呂字型線圈切縫和接線方法此種線圈布設(shè)方式、切縫、拉線的施工方法在后續(xù)的現(xiàn)場試驗階段迅，已經(jīng)驗證了其可靠性。在不影響其檢測靈敏度的前提下，能夠提高抓拍車輛照片的合理性，減小汽車的制動和起步對線圈的影響，避免對路面標志的破壞，延長了線圈的壽命，同時節(jié)約線材，縮短了施工時間。3 車檢器線圈布設(shè)位置的改良在安裝戰(zhàn)術(shù)車檢器時，因注意將其設(shè)于車輛變道位置之前，如圖 4.3 所

21、示，車檢器線埋設(shè)在理論變道位置后的位置，車檢器此吋不僅可以精確的統(tǒng)計出車輛變道各方向的車流量，而且減少了因司機未及時變道而引起的對車流走向的誤判。特別是在交通高峰時段，因車輛擁堵而使得變道不及時的時候，將線圈設(shè)于變道之后就可給予信號燈配時以更準確的數(shù)據(jù)提供。圖 4.3 精確統(tǒng)計車輛行駛方向的車輛檢測線圈布設(shè)第五章總結(jié)如今，電子監(jiān)控系統(tǒng)正處于飛速發(fā)展階段，新的技術(shù)，新的算法正在不斷取代著過去。電子警察系統(tǒng)不論從外部硬件配置、整個系統(tǒng)配合緊密性、車牌識別算法上都還有很大的發(fā)展空間，很多問題都需要進行更加深入的研究。線圈檢測以其穩(wěn)定、廉價等優(yōu)勢在車輛檢測方式上仍處于主導地位，但諸如視頻檢測這樣的高新技術(shù)方法正在蓬勃的發(fā)展中。高新技術(shù)取代傳統(tǒng)工藝是一種趨勢，也是時代進步的標志。車牌識別率目前處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，算法改進對識別率的提高效果不算明顯。應(yīng)著力于研發(fā)和利用可靠度，分辨率、實時性等性能更加優(yōu)越的硬件設(shè)備上。 特別是在夜間，車牌識別的準確率和有效照片抓拍率比起白天有明顯的降低，這對電子警察、補光設(shè)備和線圈之間的配合提出更高的要求，應(yīng)加強整個電子警察系統(tǒng)之間的配合與聯(lián)系。參考文獻1