高清视频综合监测系统在路口监控的综合应用

　　1.交叉路口交通管理面临的问题

　　交叉路口作为交通网络的节点，在整个城市路网的交通秩序管理中起着至关重要的作用。如果把路网比喻成通信网络，那么路口则相当于通信网络中的交换机或HUB，车流与人流相当于通信网络中的信息流。假如交换机或者HUB出现异常或者超负荷，则网络的服务质量大大下降，由此可以理解监测路口交通流的重要性。

　　在路口实施路权分配的设备是道路交通信号控制机（以下简称信号机）。信号机有两方面的作用：一是根据路口各方向的交通需求分配路权、调节各方向的流量，使路口的通行能力最大化；二是通过路权控制冲突的交通流，避免交通事故。

　　但在实际应用中，由于多种因素的影响使信号机的两个作用效能降低，主要因素包括：

　　（1）车辆保有量的迅猛增长、交通需求迅速上升，路口的通行压力急剧增大，这要求信号机的控制方案能及时对交通需求进行响应。因此现代路口信号机都能够装备不同类型的车辆检测器，所检测的数据送入信号机并上传至控制中心，使其实现智能化实时控制。但是目前的控制是开环的，即根据车辆检测器的数据调整信号控制方案而不能对方案调整后的效果进行及时有效地评价，如信号相位绿灯损失时间等无法进行检测和评价；

　　（2）缺少对路口内通行车辆的行车行为进行检测。当进入路口内的车辆出现异常甚至造成堵塞时不能及时检测，进而造成更大范围的拥堵；

　　（3）有些车辆不按规定的车道通过路口，或者进入路口后不按信号当前相位规定的方向行驶。这种行为如果没有得到有效的监控，一方面增加了交通事故的发生概率，另一方面影响了正常行驶的车辆，造成绿灯相位内路口的通行能力大大下降，增加了路口延误。

　　2.以往采取的技术措施及其局限性

　　为了解决上述的问题，通常的技术手段不外乎两方面：一是采用配置了车辆检测器的自适应信号机，二是在灯控路口安装交通违法检测与抓拍系统。

　　（1）自适应信号机

　　自适应信号机具有车辆检测器接入端口，可以采用线圈、微波、地磁及视频等检测手段，获取路口的交通需求，并且通过信号机或指挥中心的算法自动调整信号控制方案，以使路口的通行能力最大化。车辆检测器的检测区域一般位于入口道上游，以上检测技术均能满足要求。但是如果要想观察和评估路口的实际通行能力进而反映控制方案的有效性，必须在路口内设置监测区域，这种情况下就只能采用视频检测技术了。

　　在高清摄像机出现之前，视频检测主要采用的是标清摄像机，像素数量大约44万。在路口有限的安装空间下，其观测范围、图像的精细度都受到限制，虽然能够检测路口内车辆的交通流，但是信号灯的状态还需要配置专门的检测器，由此才能确定在绿灯相位下的交通流数据。

　　（2）路口交通违法行为检测与抓拍系统

　　通常将路口交通违法行为检测只是指闯红灯电子警察，近年来又把车牌识别技术引入到违法检测系统中。如果单纯从闯红灯违法检测和抓拍的要求来看，无论是数码相机方式还是全视频方式都能够在一定程度上解决问题，并满足新标准的要求。

　　但是对于影响路口通行能力、存在交通安全隐患的越线、不按规定车道的绿灯相位行驶等交通违法行为，原有的检测方法存在缺陷：

　　（a）基于标清摄像机的检测方法可以检测以上违法行为，但是不能同时获得清晰的车牌图片；

　　（b）如果采用检测和抓拍设备分置的方式（即采用独立的检测摄像机和抓拍摄像机），则违法记录必须进行数字拼接而遭到质疑。

　　（c）除在路口安装闯红灯电子警察系统外，还必须安装另外的检测以上路口多种交通违法行为的检测和抓拍系统。

　　3.高清视频综合监测技术的优势

　　高清视频综合监测技术的根本优势在于它解决了标清摄像机存在的分辨率与观测范围的矛盾。

　　标清摄像机的像素数量仅仅44万左右，如果要求获得清晰的车牌甚至实现自动识别，车牌所占用的像素数量必须达到一定的分辨率，这导致摄像机的视场范围受到限制。全视频标清违法检测系统的每个车牌抓拍摄像机仅能监测一条车道。一个完整的记录需要几幅反映过程的全景和包含车牌的特写图片合成。

　　高清摄像机的分辨率可以达到140万、200万、甚至500万。一台摄像机可以监测多条车道，同时能够看清信号灯的灯色状态。这种技术上的提升可以克服基于标清摄像机的监测系统的缺陷。

　　4.高清视频综合监测系统的设计理念

　　可以说，高清摄像机在交通监控中的应用给交通管理带来了一场革命。不同的厂家在不同的设计理念下利用高清摄像机开发了不同的应用系统。

　　本文推出了“路口高清视频综合监测系统”。该系统在设计理念上与其他的系统有很大不同。

　　从根本上讲，该系统的设计理念打破了传统的电子警察、交通流检测等具体功能的传统性思维，把路口的交通管理需求放在整个城市或者区域的交通智能化系统的背景下，视点聚焦于为城市或者区域的智能交通系统提供丰富的信息并对交通系统的服务水平进行评估。因此这样的系统并不是简单的多功能组合，而是面向实际需求，提供集成化的交通信息数据。如图一为“路口高清视频综合监测系统”路口设备安装示意图。

　　

图一 “路口高清视频综合监测系统”路口设备安装示意图

 
　　5.路口高清视频综合监测系统的功能

　　（1）多种违法行为检测和记录功能

　　“路口高清视频综合监测系统”可以检测和记录多种交通违法行为，包括：闯红灯、压线越线、不按规定车道行驶以及不按信号相位行驶等。

　　（2）车牌识别功能-卡口

　　对通过路口的每一辆车进行检测、记录和车牌识别，具有卡口功能。

　　（3）交通流信息采集功能

　　可以检测路口的交通流参数以及直行、左转、右转各方向的流量。这个功能除了可以用来获得交通流参数外，还为评估信号控制方案的效能提供了基础的数据源。

　　（4）交通事件检测功能

　　可以在整个高清摄像机视野范围内检测交通事件，对交通异常进行报警和图像记录。对于路口内来说，主要是拥堵、停车以及交通事故等。

　　（5）高清监控功能

　　可以以流畅的帧率实现高清监控。

　　（6）交通设施监测功能

　　可以通过视频分析手段检测路口的标线状况、交通信号灯的工作状态，而不需要采用独立的信号灯状态监测设备。

　　（7）路口通行能力评估功能

　　可以利用交通流参数和路口的设计通行能力，对当前的实际通行能力进行评估。这个功能不仅为交警部门的路口交通流疏导、路网交通流分配，而且也为交通规划部门、交通政策制定部门进行路网规划和交通政策的决策提供基础、科学的数据。另外，可以对绿灯相位实际绿灯损失时间进行统计分析，交警部门可以根据其分析结果调整信号相位时间，从而提高路口的交通通行能力，有效地减少路口延误。

　　6.路口高清视频综合监测系统的特点

　　“路口高清视频综合监测系统”具有以下特点：

　　（1）在一个系统内实现了以往需要多个系统实现的功能，大大减少了路口设备的种类，提高了系统的可靠性，降低了路口交通监控设施的总体投资。

　　（2）信息的同源性：所有的检测信息来自同一个信号源。这种同源性杜绝了对多源信息融合而带来的法律上的质疑。

　　（3）证据链的完整性：对于违法行为监测来说，该设计采用同一个信息源并采取车牌识别图片与轨迹跟踪录像相结合的方式，为违法处罚提供了完整的证据链，可以毫无疑义地区分不按车道行驶、不按信号灯相位行驶、利用渠化违规行驶等行为，而且能够区分占道行驶和借道行驶两种其他技术不能区分的行为。

　　（4）系统的独立性：系统工作安装和使用过程中，不需要从信号机中引出红灯信号线，直接通过图像分析判定当前的灯色状态。

　　（5）高可靠性和可维护性：系统构成简单，设备数量少，减少了故障隐患点，提高了可靠性和可维护性。

　　7.路口高清视频综合监测系统的应用

　　7.1 路口多种交通违法行为检测

　　“路口高清视频综合监测系统”是通过对进入路口的车辆进行轨迹跟踪和车辆位置检测，并结合车辆所在车道属性、信号灯状态来判别车辆是否违法行驶。包括：闯红灯、压线越线、不按规定车道行驶以及不按信号相位行驶等。限于篇幅，以下只介绍不按规定车道行驶等三种交通违法行为的抓拍。

　　7.1.1 不按规定车道行驶闯红灯行为

　　系统能够自动记录由绿灯相位车道进入路口的车辆，改变行驶轨迹，其行为与当前信号灯显示冲突。如图二所示违法行为包括：

　　

图二  不按规定车道行驶闯红灯行为

 
　　1）左转信号为绿灯，直行信号为红灯，机动车左转车道进入直行行为，如上图①。

　　2）直行信号为绿灯，左转信号为红灯，机动车直行车道进入左转行为，如上图②。

　　3）右转信号为绿灯，直行信号为红灯，机动车右转车道进入直行行为，如上图③。

　　4）机动车右转渠化车道进入，绕行直行行为，如上图④。

　　以上违法行为通过二个位置的图片及一段高清视频录像可以清晰反映机动车交通违法行为过程。

　　7.1.2 车辆逆行违法行为

　　系统对车辆行驶轨迹进行跟踪，当车辆行驶方向与车道规定行驶方向不同时，自动记录两张车辆图片及一段高清视频录像可以清晰反映机动车交通违法行为过程。如图三所示的车辆逆行违法行为。

　　

图三  车辆逆行违法行为

　　7.1.3 车辆压线越线违法行为

　　系统能够自动记录车辆压越车道分割实线行为，自动记录两张车辆图片及一段高清视频录像可以清晰反映机动车压越实线交通违法行为过程。如图四所示。

　　

图四  车辆压线越线违法行为

　　7.2  车辆抓拍和车牌识别功能

　　对通过路口的每一辆车进行检测及抓拍，自动记录车辆速度、车型、通过时间、车道、方向和识别车牌，具有卡口功能。如图五所示。

　　

图五 路口通行车辆车牌识别

　　7.3 交通流信息采集

　　对每一通过路口的车辆实时检测车型、车速、占有率等信息，如图六所示。

　　
图六  流量检测信息

 
　　可按入口每一车道统计平均车速、平均路口穿越时间、平均占有率、小车流量、大车流量、平均车头时距、高峰小时流量等。如图七所示。

　　

图七 按车道统计交通流量

　　7.4 交通事件检测

　　通过“路口高清视频综合监测系统”可以对路口的交通事件进行检测，主要包括：路口拥堵、交通事故、抛洒物等。

　　对每一起事件，“路口高清视频综合监测系统”都会对其进行高清录像，帧率为12.5帧，压缩格式为H.264，如下图八所示。

　　

图八  路口交通事件检测高清录像

　　对于检测到的交通事件，系统都会主动报警，通知用户对路口事件进行处理。

　　7.5 高清监控

　　“路口高清视频综合监测系统”的高清监控功能每路视频同时支持高清和标清双码流传输，支持组播传输方式。多个用户可以同时察看同一路高清视频。标清视频传输至中心后，可以通过编码器接入现有的视频矩阵系统。

　　系统支持每一路高清视频流进行录像，也支持用户对高清视频录像的察看。

　　7.6 交通设施检测

　　7.6.1 信号灯色视频检测

　　“路口高清视频综合监测系统”通过视频图像分析技术，系统自动对路口每个信号灯的灯色进行检测，自动判别当前各车道对应的信号灯状态，当车辆在红灯状态继续行驶时，输出信号，由高清相机进行抓拍。

　　7.6.2 信号灯故障检测及报警

　　系统根据信号灯色检测结果，自动进行故障判别。主要判别信号灯绿冲突、信号灯全灭、某一信号灯熄灭等。检测到信号灯故障后，自动报警至指挥中心，由管理人员进行确认。如图九所示。

　　

图九 视频实时检测信号灯状态并故障报警

　　7.6.3 路口交通设施图片获取

　　通过图像算法，系统自动消除机动车、非机动车、行人等干扰，获取路口交通设施图片，包括路面标志、标线、信号灯和杆件等。用户可以根据图片对交通设施进行状况进行判别，定量分析设施老化情况。如图十所示。

　　

图十  路口交通设施情况

　　7.7 路口通行能力评估

 
　　7.7.1 交通流量统计

　　“路口高清视频综合监测系统”通过对路口交通流量的统计，反映路口实际通行能力，获取路口实际交通流需求信息，为信号配时奠定基础。如图十一所示为路口日小时流量报表。

　　

图十一 路口日小时流量报表

　　7.7.2 信号灯控制效率评估

　　“路口高清视频综合监测系统”通过对无车通行时间与该相位绿灯时间的比值来评估信号灯控制效率，从而调整信号配时，减少绿灯损失时间，提高控制效率。好的配时方案，无车绿灯时间应当小于10%。如图十二为信号控制效率评估。

　　

图十二 信号灯效率评估

　　7.7.3  路口延误评估

　　“路口高清视频综合监测系统”通过对车辆在各时段穿越路口时间进行统计分析，评估车辆通行路口的延误。如图十三为路口延误评估。

　　

图十三  路口延误评估

　　7.7.4  路口交通安全评估

　　“路口高清视频综合监测系统” 通过对路口各时段交通事件和交通违法发生频次进行分析，实现对路口交通安全评估。如图十四为路口交通安全评估。

　　

图十四  路口交通安全评估

　　8.总结

　　高清摄像机给交通监控系统带来了一场革命。但是在不同的设计理念下，采用不同的方式最大限度的开发高清摄像机在交通监控中的潜在应用将对行业内各厂商以及用户带来不同的效益。

　　“路口高清视频综合监测系统”在设计理念上取得了突破，并且在此理念的指导下所开发的系统无疑将对未来交通管理的智能化建设起到引导、推动的作用。