#基于3G通信技術(shù)的智能交通指揮系統(tǒng)研究

1、基于 3G 通信技術(shù)的智能交通指揮系統(tǒng)研究董 昕 董昕，男， 1963 年出生，碩士，講師，教研室主任，主要研究方向：光通信技術(shù)、計算機(jī) 通信（電子科技大學(xué)成都學(xué)院，成都， 611731 ）摘 要 通過將 3G移動通信技術(shù)使用于智能交通指揮控制系統(tǒng)， 并利用發(fā)展迅速的 3G 移動通信網(wǎng)組成 3G無線局域網(wǎng)來傳輸各交通路口信號點(diǎn)的視頻和控制信息，為智能交通指 揮系統(tǒng)組網(wǎng)提供了一條新路。 系統(tǒng)綜合使用了智能圖像處理和識別技術(shù)， 智能控制技術(shù)、 數(shù) 字圖像傳輸技術(shù)、數(shù)字圖像壓縮編解碼技術(shù)和3G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，可實(shí)現(xiàn)交通監(jiān)控現(xiàn)場的實(shí)時圖像顯示和網(wǎng)絡(luò)傳輸、 智能調(diào)整攝像機(jī)的位置

2、、 清晰度和亮度、 實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動物體的跟蹤 和識別，實(shí)時智能調(diào)整控制區(qū)域內(nèi)交通信號燈的切換等主要功能。關(guān)健詞 3G通信 智能交通 數(shù)字圖像 智能控制1、引言我國交通管理事業(yè)經(jīng)過幾年的發(fā)展， 同以往相比， 有了長足的進(jìn)步。 但因城 市化交通持續(xù)發(fā)展和汽車擁有量的穩(wěn)定快速增加， 城市交通的發(fā)展已經(jīng)超過了我 國交通管理發(fā)展的速度。 而由城市交通中交通違章 （違法） 行為給交通管理所帶 來的負(fù)面影響，往往是危害最大的一種。 再加上我國各地城市交通發(fā)展情況不同， 交通情況錯綜復(fù)雜， 管理難度非常大。 在我國大中型城市中交通路口眾多， 交通 流量較大，違章事件頻繁，在此情況下基于 3G通信技術(shù)的智能交通指揮

3、控制系 統(tǒng)就能為控制交通違章行為的發(fā)生、智能化調(diào)節(jié)交通流量起到很大的作用。2、系統(tǒng)的主要構(gòu)成及框圖基于 3G通信技術(shù)的 智能交通指揮系統(tǒng)主要由 3G（TD-SCDMA 或 CDMA2000） 數(shù)據(jù)通信鏈路，監(jiān)控中心和多個監(jiān)控遠(yuǎn)端組成。 3G 數(shù)據(jù)通信鏈路采用標(biāo)準(zhǔn)的 TCP/IP 協(xié)議，可直接運(yùn)行在交通部門的內(nèi)部無線局域網(wǎng)上。前端攝像機(jī)的視頻 信號利用網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒止?jié)點(diǎn)，在分節(jié)點(diǎn)可以直接傳輸上網(wǎng)， 或者分節(jié)點(diǎn)有矩陣時，也可以把矩陣連接到 DVR 上，然后再傳輸上網(wǎng)。監(jiān)控中 心可以通過多級級聯(lián)構(gòu)成多級監(jiān)控系統(tǒng)， 系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場情況和用戶的需求配 置不同的外圍硬件設(shè)備。監(jiān)控遠(yuǎn)端使用

4、系統(tǒng)外圍設(shè)備有遠(yuǎn)端監(jiān)控主機(jī)、3G 數(shù)據(jù)傳輸模塊、告警采集器、溫濕度傳感器、畫面分割器、攝像機(jī)、數(shù)字解碼器、高 速云臺和可變鏡頭、話筒、揚(yáng)聲器等，完成監(jiān)控中心所需的圖像實(shí)時監(jiān)控、現(xiàn)場 交通信號智能控制和報警聯(lián)動功能。監(jiān)控中心使用系統(tǒng)外圍設(shè)備有主控臺、 3G無線路由器、監(jiān)視器陣列、視頻切換矩陣、主交換機(jī)、視頻服務(wù)器、電視墻等。具體可根據(jù)用戶要求進(jìn)行靈活配置圖1 智能交通指揮系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖利用發(fā)展迅速的 3G網(wǎng)組成 3G無線局域網(wǎng)來傳輸各交通路口信號點(diǎn)的視頻和 控制信息， 為智能交通指揮系統(tǒng)組網(wǎng)提供了一條新路。 網(wǎng)絡(luò)管理用戶可以對多個 監(jiān)控現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時瀏覽監(jiān)控。 系統(tǒng)綜合使用了智能圖像處理和識別技術(shù)

5、， 智能控 制技術(shù)、數(shù)字圖像傳輸技術(shù)、數(shù)字圖像壓縮編解碼技術(shù)和 3G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等， 可實(shí)現(xiàn)交通監(jiān)控現(xiàn)場的實(shí)時圖像顯示和網(wǎng)絡(luò)傳輸、 智能調(diào)整攝像機(jī)的位置、 清晰 度和亮度、 實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動物體的跟蹤和識別， 對監(jiān)控情況進(jìn)行紀(jì)錄及報警， 實(shí)時智 能調(diào)整控制區(qū)域內(nèi)交通信號燈的切換等。3、系統(tǒng)的主要功能及特點(diǎn)系統(tǒng)采用高速 DSP 實(shí)現(xiàn)圖像信號的實(shí)時采集處理，經(jīng)過圖像預(yù)處理模塊實(shí) 現(xiàn)對采集圖像的復(fù)原、 增強(qiáng)后， 數(shù)字圖像分別發(fā)送給自動控制模塊、 運(yùn)動目標(biāo)檢 測模塊、特定顏色目標(biāo)檢測模塊、 人機(jī)接口模塊和數(shù)據(jù)庫模塊。 系統(tǒng)采用模糊跟 蹤控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)的智能跟蹤；采用現(xiàn)場總線技術(shù)、 3G無線以太網(wǎng)通信

6、技術(shù)、數(shù)字圖像傳輸技術(shù)和數(shù)字圖像壓縮編解碼實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻、 控制及語音信號的傳輸，采用圖像動畫和多媒體技術(shù)和 Web 數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像的網(wǎng)上瀏覽和 歷史數(shù)據(jù)回放及查詢。系統(tǒng)中嵌入式系統(tǒng)以使用為中心，軟硬件可裁減，適用于對功能、可靠性、 成本、體積等綜合性嚴(yán)格要求的專用系統(tǒng)， 亦即為智能控制系統(tǒng)量體裁衣的專用 系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、 相關(guān)支撐硬件、 嵌入式操作系統(tǒng)及使用 軟件系統(tǒng)等組成，集軟硬件于一體，可以獨(dú)立工作。視頻服務(wù)器內(nèi)置一個嵌入式 Web 服務(wù)器，采用嵌入式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)。 攝像機(jī)送來的視頻信號數(shù)字化后由高效壓縮芯片壓縮， 通過內(nèi)部總線送到內(nèi)置的 Web 服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)

7、上用戶可以直接用瀏覽器觀看 Web 服務(wù)器上的攝像機(jī)圖像， 授權(quán)用戶還可以控制攝像機(jī)、鏡頭的動作或?qū)ο到y(tǒng)配置進(jìn)行操作。智能交通指揮系統(tǒng)有以下特點(diǎn)： 實(shí)時性：視頻數(shù)據(jù)屬于實(shí)時數(shù)據(jù)必須實(shí)時處理，例如實(shí)時壓縮、解壓縮、傳 輸?shù)?。分布性：現(xiàn)場圖像采集和發(fā)送主機(jī)和圖像接收顯示主機(jī)位于不同地點(diǎn)， 通過 計算機(jī)有、無線局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)連接。同步性：盡管視頻信息具有分布性， 但在用戶終端顯示時必須保持同步， 聲 音和視頻也必須保持同步。系統(tǒng)可以組成多級系統(tǒng) , 監(jiān)控中心還可以通過級聯(lián)的方式構(gòu)成多級交通監(jiān) 控系統(tǒng)，以擴(kuò)大交通監(jiān)控范圍和系統(tǒng)容量。 監(jiān)控機(jī)將采集的圖像信息實(shí)時地傳送 給服務(wù)器并通過服務(wù)器向外廣播發(fā)送，

8、 相關(guān)客戶只要通過瀏覽器打開網(wǎng)頁便能實(shí) 時地進(jìn)行監(jiān)控。4、系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)4.1 最佳交通流量預(yù)測算法利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的預(yù)測模型有獨(dú)特的優(yōu)越性。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用輸入 數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行建模， 是一種并行的計算模型， 具有高速運(yùn)算能力， 有很好 的非線性映射能力和很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)、 自適應(yīng)能力及高度的靈活性。 在各種形式的 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中， 又以誤差逆?zhèn)鞑?（BP）網(wǎng)絡(luò)使用最為廣泛， 它已成為前向網(wǎng)絡(luò)的 核心部分， 并體現(xiàn)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最精華的部分。 目前，在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際 使用中， 絕大部分的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型都采用 BP 網(wǎng)絡(luò)和它的變化形式。高階神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種，它和傳統(tǒng)

9、 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的不同在于 構(gòu)成高階神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元是智能神經(jīng)元， 即這種神經(jīng)元具有 “思考 ”的能力， 它 能根據(jù)自身外部網(wǎng)絡(luò)的變化調(diào)整內(nèi)部的轉(zhuǎn)移函數(shù)， 在內(nèi)外雙調(diào)的情況下， 達(dá)到更 好的學(xué)習(xí)效果。一個初步的模型是對于一個交叉口而言， 影響交叉口一個出口的交通流量 Q （預(yù)測的輸出變量）的因素共有 6 個 （即輸入變量為 6 個），它們分別是： Q1、 Q2、Q3、 Qt-1（這個出口前 15 分鐘流量）、 Qt-2（這個出口前 30 分鐘流量）、 t（時間）；輸出層一個神經(jīng)元（需預(yù)測的 15 分鐘后的出口交通流量）；隱層采 用試算的方法優(yōu)化， 最后確定第一個隱層 11 個神經(jīng)元，第二個隱層

10、 4個神經(jīng)元。 這樣建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，可以使用并能夠勝任于實(shí)時交通流預(yù)測。4.2 TD-SCDMA3G移動通信技術(shù)TD-SCDM是A 目前世界上唯一采用智能天線的第三代移動通信系統(tǒng)。在系統(tǒng) 中，由于采用了 TDD模式，上、下行鏈路采用同一頻率，在同一時刻上下行鏈路 的空間物理特性是完全相同的， 因此，只要在基站端依據(jù)上行數(shù)據(jù)進(jìn)行空間參數(shù) 的估底再根據(jù)這些估值對下行鏈路的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字賦形， 就可以達(dá)到自適應(yīng)波束 賦形的目的，充分發(fā)揮智能天線的作用。智能天線的采用可大致定位用戶的方位和距離， 因此，基站和基站控制器可 采用接力切換方式， 根據(jù)用戶的方位。 距離信息來判斷手機(jī)用戶現(xiàn)在是否移動到 了應(yīng)

11、該切換給另一基站的臨近區(qū)域， 如果進(jìn)入切換區(qū)， 便可通過基站控制器通知 另一基站做好切換的準(zhǔn)備， 達(dá)到接力切換的目的。 接力切換可提高切換的成功率， 降低切換時對鄰近基站信道資源的占用。TD-SCDM系A(chǔ)統(tǒng)僅采用 1.28Mbs 的碼片速率，只需占用單一的 11Mbs 頻 帶寬度，就可傳送 2Mbs 的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而其他的 3G FDD（頻分雙工）的方案，要傳送 2Mbs的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)均需要 25Mb s 的帶寬即需兩個對稱的 5Mbs 帶寬分 別作為上、 下行頻段，且上下行頻段間需要有幾十兆的頻率間隔作為保護(hù)， 在目 前頻譜資源十分緊張的情況下要找到符合要求的對稱頻段非常困難， 而 D-SCDMA

12、系統(tǒng)可以“見縫插針”只要有滿足一個載彼的頻段 （1.6Mbs）就可使用， 可以 靈活有效地利用現(xiàn)有的頻率資源。43 CDMA2000移動通信技術(shù)CDMA即碼分多止是由美國 Qualcomm公司首先提出的技術(shù)。 其原理基于擴(kuò)頻 技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號帶寬的信息數(shù)據(jù)， 用一個帶寬遠(yuǎn)大于信號帶寬 的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴(kuò)昆再經(jīng)載波調(diào)制后發(fā)送出 去，接收端由使用完全相同的偽隨機(jī)碼和接收的寬帶信號做相關(guān)處理， 以恢復(fù)信 息數(shù)據(jù)，和 FDMA和 TDMA相比， CDMA具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。歸納起來 CDMA使用 于數(shù)字移動通信的優(yōu)點(diǎn)有：（1）系統(tǒng)容量大，在 CDMA系統(tǒng)中所有

13、用戶共用一個無線信直當(dāng)用戶不講話 時，該信道內(nèi)的所有其他用戶會由于干擾減小而得益。 因此利用人類話音特點(diǎn)的 CDMA系統(tǒng)可大幅降低相互干憂增大其實(shí)際容量近 3 倍。 CDMA數(shù)字移動通信網(wǎng)的 系統(tǒng)容量理論上比模擬網(wǎng)大 20 倍，實(shí)際上比模擬網(wǎng)大 10 倍、比 GSM大 45 倍。（2）系統(tǒng)通信質(zhì)量更佳。軟切換技術(shù)（先連接再斷開）可以克服硬切換容 易掉話的缺點(diǎn)， CDMA系統(tǒng)工作在相同的頻率和帶寬上比 TDMA系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)軟 切換技術(shù)，從而提高通信質(zhì)量。 CDMA系統(tǒng)采用確定聲碼器速率的自適應(yīng)閾值技 術(shù)、強(qiáng)有力的誤碼糾錯、軟切換技術(shù)和分離多徑分集接收帆可提供TDMA系統(tǒng)不能比擬的、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)

14、。（3）頻帶利用率高， CDMA是一種擴(kuò)頻通信技木盡管擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾性 能的提高是以占用頻帶帶寬為代價的，但是 CDMA允許單一頻率在整個系統(tǒng)區(qū)域 內(nèi)可重復(fù)使用，使許多用戶共用這一頻帶同時進(jìn)行通稻大大提高了頻帶利用率， 這種擴(kuò)頻 CDMA方式雖然要占用較寬的頻帶，但按每個用戶占用的平均頻帶來計 算，其頻帶利用率是很高的。 CDMA系統(tǒng)還可以根據(jù)不同信號速率的情況，提供 不同的信道頻帶利用形式，使給定頻帶得到更有效的利用。CDMA200采0 用了以下的技術(shù)：（1）功率控制技術(shù)：功率控制技術(shù)是 CDMA系統(tǒng)的核心技術(shù)。 CDMA系統(tǒng)是 一個自擾系統(tǒng)所有移動用戶都占用相同帶寬和頻率， CDMA功

15、率控制的目的就是 使系統(tǒng)既能維護(hù)高質(zhì)量通信，又不對其他用戶產(chǎn)生干擾。（2）PN碼（偽隨機(jī)碼）技術(shù)： PN碼的選擇直接影響到 CDMA系統(tǒng)的容量、 抗干擾能力、接入和切換速度等性能， CDMA信道的區(qū)分是靠 PN碼來進(jìn)行的，因 而要求 PN碼具有自相關(guān)性好、互相關(guān)性弱、實(shí)現(xiàn)和編碼方案簡單等特征。目前 的 CDMA系統(tǒng)就是采用一種基本的 m 序列 m序列作為地址碼，利用它的不同 相位來區(qū)分不同用戶。（3）RAKE接收技術(shù)： 移動通信信道是一種多徑衰落信道， RAKE接收技術(shù)就 是分別接收每一路的信號進(jìn)行解調(diào)，然后疊加輸出來增強(qiáng)接收效果，在CDMA系統(tǒng)中多徑信號不再是一個不利因氛而且變成了一個可供利

16、用的有利因素。44 數(shù)字圖像壓縮編解碼技術(shù)MPEG-4除采用第一代視頻編碼的核心技術(shù)，如變換編碼、運(yùn)動估計和運(yùn)動 補(bǔ)償、量化、熵編碼外，還提出了一些新的有創(chuàng)見性的關(guān)鍵技術(shù)，并在第一代視 頻編碼技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行了卓有成效的完善和改進(jìn)。 下面重點(diǎn)介紹其中的一些關(guān)鍵 技術(shù)：（ 1） 視頻對象提取技術(shù)MPEG-4 實(shí)現(xiàn)基于內(nèi)容交互的首要任務(wù)就是把視頻 / 圖像分割成不同對象或 者把運(yùn)動對象從背景中分離出來， 然后針對不同對象采用相應(yīng)編碼方法， 以實(shí)現(xiàn) 高效壓縮。 因此視頻對象提取即視頻對象分割， 是 MPEG-4視頻編碼的關(guān)鍵技術(shù)， 也是新一代視頻編碼的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。在視頻分割中基于數(shù)學(xué)形態(tài)理論的分水

17、嶺（ watershed ）算法被廣泛使用， 它又稱水線算法，其基本過程是連續(xù)腐蝕二值圖像，由圖像簡化、標(biāo)記提取、決 策、后處理四個階段構(gòu)成。分水嶺算法具有運(yùn)算簡單、性能優(yōu)良，能夠較好提取 運(yùn)動對象輪廓、準(zhǔn)確得到運(yùn)動物體邊緣的優(yōu)點(diǎn)。（2） VOP視頻編碼技術(shù)視頻對象平面（ VOP，Video Object Plane ）是視頻對象（ VO）在某一時刻 的采樣， VOP是 MPEG-4視頻編碼的核心概念。 MPEG-4在編碼過程中針對不同 VO 采用不同的編碼策略，即對前景 VO的壓縮編碼盡可能保留細(xì)節(jié)和平滑；對背景VO則采用高壓縮率的編碼策略， 甚至不予傳輸而在解碼端由其他背景拼接而成。 這種

18、基于對象的視頻編碼不僅克服了第一代視頻編碼中高壓縮率編碼所產(chǎn)生的 方塊效應(yīng)， 而且使用戶可和場景交互， 從而既提高了壓縮比， 又實(shí)現(xiàn)了基于內(nèi)容 的交互，為視頻編碼提供了廣闊的發(fā)展空間。( 3) 視頻編碼可分級性技術(shù)MPEG- 4通過視頻對象層( VOL，Video Object Layer )數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)分 級編碼。MPEG-4提供了兩種基本分級工具， 即時域分級(Temporal Scalability ) 和空域分級( Spatial Scalability )，此外還支持時域和空域的混合分級。每 一種分級編碼都至少有兩層 VOL，低層稱為基本層，高層稱為增強(qiáng)層?；緦犹?供了視頻序列的

19、基本信息，增強(qiáng)層提供了視頻序列更高的分辨率和細(xì)節(jié)。在隨后增補(bǔ)的視頻流使用框架中， MPEG-4提出了 FGS(Fine Granularity Scalable ，精細(xì)可伸縮性)視頻編碼算法以及 PFGS( Progressive Fine Granularity Scalable ，漸進(jìn)精細(xì)可伸縮性)視頻編碼算法。運(yùn)動估計和運(yùn)動補(bǔ)償技術(shù)MPEG-4 采用 I-VOP、P-VOP、B-VOP三種幀格式來表征不同的運(yùn)動補(bǔ)償類型。 它采用了 H.263 中的半像素搜索( half pixel searching )技術(shù)和重疊運(yùn)動補(bǔ)償 ( overlapped motion compensation

20、 )技術(shù)，同時又引入重復(fù)填充( repetitive padding )技術(shù)和修改的塊(多邊形)匹配(modified block (polygon )matching ) 技術(shù)以支持任意形狀的 VOP區(qū)域。5、結(jié)束語系統(tǒng)綜合使用了智能圖像處理和識別技術(shù)， 最佳交通流量算法、 智能控制技 術(shù)、數(shù)字圖像傳輸技術(shù)、數(shù)字圖像壓縮編解碼技術(shù)和 3G網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)。所構(gòu) 建的智能交通系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)及時準(zhǔn)確地掌握所監(jiān)視路口、 路段周圍的車輛、 行人的 流量、交通治安情況等， 為指揮人員提供迅速直觀的信息從而對交通事故和交通 堵塞做出準(zhǔn)確判斷并及時響應(yīng)。 最佳交通流量預(yù)測算法使用目前國際上較為先進(jìn) 的高階神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測算法，預(yù)測精度高。高階神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元是智能神經(jīng)元， 即這種神經(jīng)元具有“思考”的能力，極大地提高了智能交通指揮系統(tǒng)的智能水 平，在公交、地鐵及物流運(yùn)輸?shù)认到y(tǒng)中都有比較廣闊的使用前景。參考文獻(xiàn)：. GB/T17975-2000 信息技術(shù) 運(yùn)動圖像及其伴音信息