, , ,,

(1.北京物資學(xué)院 信息學(xué)院，北京 101149; 2.北京工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)部，北京 100124;3.北京市交通運行監(jiān)測調(diào)度中心，北京 100073; 4.北京市交通委員會，北京 100073)

0 引言

據(jù)公安部對我國汽車保有量的統(tǒng)計調(diào)查，截至2017年底，全國汽車保有量高達2.17億輛，其中，2017年度汽車增長量為2304萬輛。通過對汽車歸屬地數(shù)據(jù)分析可知，全國汽車保有量超百萬輛的城市53個，超200萬輛的城市24個，超300萬輛的城市7個。盡管繼2010年北京首次推行汽車限購政策以來，全國相繼另有7個城市推行了限購政策，但仍然難以有效遏制全國汽車高速增長的勢頭，北京更是以564萬汽車保有量高居榜首。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，鑒于公共停車位數(shù)量不足、地下車庫利用率不高、立體車庫建設(shè)步伐緩慢等原因，占道停車已成普遍現(xiàn)象，“行車難、停車難”的交通亂象日益凸顯[1]。盡管北京推行了“夜間占道停車”相關(guān)政策，仍無法緩解城市停車問題。因此，亟待深入研究并有效緩解“停車難”這一社會性問題。

1 研究現(xiàn)狀

在智能交通系統(tǒng)中，路側(cè)占道停車是對固定停車場的重要補充。當(dāng)前的路側(cè)停車基本靠人工管理方式，傳統(tǒng)的人工模式工作效率低下，而且車位利用率不高。隨著科技的進步，智能停車檢測技術(shù)[2-3]已逐漸成為智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，車位檢測技術(shù)是提高車位管理、停車誘導(dǎo)、合理調(diào)度與統(tǒng)籌的重要手段。通過調(diào)研與分析，當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的停車檢測技術(shù)主要有地磁和視頻兩大類。

1.1 視頻檢測技術(shù)

視頻停車檢測技術(shù)是近年來較為流行的一種檢測方式，常用的視頻檢測技術(shù)有圖像背景差分法[4-5]、圖像邊界檢測法、運動目標(biāo)標(biāo)記和跟蹤法等。

王衛(wèi)鋒等人[6]采用昆蟲復(fù)眼仿生學(xué)原理，對視頻前景按區(qū)域分塊并構(gòu)建塊模型，實現(xiàn)了道路停車事件自動監(jiān)控。趙敏等人[7]利用混合高斯模型提取停車現(xiàn)場背景圖像，并通過時間序列分析識別靜止車輛，實現(xiàn)了適應(yīng)露天場景環(huán)境變化的高速違章停車視頻檢測方法。Carletti等人[8]提出了一種利用傳統(tǒng)監(jiān)控攝像機分析并自動檢測禁停區(qū)所停車輛信息的方法。Wu等人[9]提出一種基于多級支持向量機分類器的新型停車空間檢測方法。Huang等人[10]針對車位光照、遮擋等問題，基于最大后驗概率理論設(shè)計了三層貝葉斯層次架構(gòu)，實現(xiàn)對空閑車位場景的高效建模。姜明新等人[11]針對傳統(tǒng)違章停車人工檢測方式準確率低、成本高等缺點，提出一種基于監(jiān)控視頻的違章停車檢測算法。

目前，視頻停車檢測技術(shù)正逐步推廣應(yīng)用。長春市采取多方位優(yōu)化措施提高道路通行能力，已設(shè)置近三百處視頻監(jiān)測點，并派專人監(jiān)控，智能提取違規(guī)停車信息，加強對全市道路交通安全與停車信息的監(jiān)控；淮南市已配置道路視頻監(jiān)控270余處，基本覆蓋全市主要道路出入口、事故多發(fā)路段、交通擁堵路段等，并配以道路卡口、燈控路口電子警察等對全市交通及路側(cè)停車情況進行實時監(jiān)控；北京市朝陽區(qū)根據(jù)路側(cè)占道監(jiān)控的實際需求，在部分路側(cè)車位設(shè)置高清視頻監(jiān)控點，構(gòu)建了路側(cè)停車場數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了無線、高清的視頻監(jiān)控體系。

1.2 地磁檢測技術(shù)

自2008年起，地磁停車檢測技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用于道路交通領(lǐng)域[12]。王維鋒等人[13]基于車輛磁偶極子模型提出一種車位占用檢測算法。根據(jù)地磁傳感器對車輛駛?cè)搿Ⅰ傠x車位時的磁感應(yīng)效應(yīng)，提取多種車型的磁感效應(yīng)強度和變化方向特征，用以檢測車位占用情況。茅嘉磊[14]通過對路側(cè)停車時間及視頻取證等的分析研究，提出一種基于視頻分析技術(shù)的車輛檢測方法。通過視頻技術(shù)對泊位停車狀態(tài)自動取證，實現(xiàn)停車計時計費自動化。

根據(jù)Tranbbs調(diào)研，中國約有50%以上地區(qū)采用磁性線圈檢測技術(shù)采集交通流量。北京市朝陽區(qū)于2012年5月在東大橋路、朝外南街等10條大街的972個路側(cè)占道停車位，采用“路側(cè)停車場聯(lián)網(wǎng)收費管理系統(tǒng)”。該系統(tǒng)中的停車位檢測子系統(tǒng)即利用地磁檢測技術(shù)實時監(jiān)測車位狀態(tài)，實現(xiàn)對車位的實時監(jiān)測與遠程監(jiān)控；浙江省東陽市于2015年2月初在城市統(tǒng)一實施路側(cè)占道收費系統(tǒng)。初期在核心路段的200個車位安裝地磁探測器，通過無線傳輸模式將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時發(fā)送至后臺管理系統(tǒng)，后臺再將車位狀態(tài)信息同步到車主手持終端設(shè)備，實現(xiàn)了收費數(shù)據(jù)交互與快速收費管理，緩解了路側(cè)占道停車擁堵現(xiàn)象。

本文重點探討視頻和地磁停車檢測技術(shù)機理和技術(shù)適用性，提出多種檢測技術(shù)的數(shù)據(jù)層融合機制模型，并通過實地試驗驗證方法的可行性和有效性。多種停車動態(tài)檢測技術(shù)的融合應(yīng)用，可獲取統(tǒng)一的停車監(jiān)測信息，提升路側(cè)停車收費監(jiān)管與管理水平，促進路側(cè)停車規(guī)范有序，提高路側(cè)停車監(jiān)測準確性與可靠性，并對未來智能交通相關(guān)應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2 停車檢測技術(shù)機理

2.1 視頻檢測機理

視頻停車檢測方法通常采用攝像機對車位狀態(tài)數(shù)據(jù)進行實時采集，再利用圖像處理、模式識別等多種分析處理技術(shù)有效擬合視頻數(shù)據(jù)，提取有效的判別特征用于車位占用信息檢測，是一種主動式檢測方法。

與地磁和射頻等方法相比，視頻監(jiān)控范圍較廣、設(shè)備利用率高，可提供實時、豐富的車位監(jiān)測數(shù)據(jù)并具有追蹤功能，便于管理、取證與應(yīng)用拓展；視頻設(shè)備通常安裝于地表之上，對路面和交通影響較小，安裝方便、可靠性高、維護費低。

視頻檢測技術(shù)是未來停車檢測與監(jiān)控的發(fā)展趨勢，具有較強的適用性和廣泛的應(yīng)用前景，但受環(huán)境光線強度、天氣能見度、車輛駐停規(guī)范程度等因素影響較大，仍需進一步深入研究。

2.2 地磁檢測機理

地磁檢測方法通常利用磁力傳感器采集車輛駐停數(shù)據(jù)，利用地球磁場會因鐵磁物體靠近而產(chǎn)生磁力線擾動的原理，對車輛駛?cè)牒婉傠x車位狀態(tài)進行監(jiān)測，是一種被動式檢測方法。

當(dāng)鐵磁物體靠近磁力傳感器時，原有地磁場磁力線分布狀態(tài)被打破，傳感器周邊地磁場磁力線發(fā)生一定程度扭曲變形；鐵磁物體越大，對地磁場的干擾和影響也越大。鑒于汽車發(fā)動機、車軸等主要部件均由鐵磁物質(zhì)鑄造而成，因此，車輛靠近磁力傳感器時，會使地磁場磁力線受到不同程度的擠壓變形。車輛與磁力傳感器距離越近，磁力線受擠壓程度越大、越向磁感中心區(qū)域聚合；反之，當(dāng)車輛距磁感器越遠，磁力線越沿中心區(qū)向外發(fā)散，直至恢復(fù)初始狀態(tài)。鐵磁物質(zhì)對地磁場的干擾程度會因該物質(zhì)結(jié)構(gòu)和質(zhì)量不同而產(chǎn)生差異。磁力傳感器正是利用上述原理完成對車輛駐停狀態(tài)的監(jiān)測，并可通過分析磁力線擠壓程度與分布狀態(tài)對車型進行判別。

磁力傳感器鑒于其安裝位置原因，通常采用自供電模式，性能比較穩(wěn)定，工作時間較長，但也存在一些挑戰(zhàn)性問題，如無線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、周邊磁性物質(zhì)干擾、檢測范圍有限等。

3 融合檢測機制與分析

鑒于視頻和地磁檢測技術(shù)各具一定優(yōu)勢與局限性，如融合應(yīng)用上述兩種技術(shù)協(xié)同完成對車輛的駐停監(jiān)測，則可在技術(shù)與數(shù)據(jù)層面取長補短，協(xié)同提升檢測效率。在充分研究視頻和地磁檢測技術(shù)機理基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性與一致性，設(shè)計了視頻、地磁數(shù)據(jù)定義模式和數(shù)據(jù)層融合模式，并詳細分析了融合技術(shù)的優(yōu)勢。

3.1 數(shù)據(jù)層融合模式

視頻監(jiān)測信息較為豐富，在違章取證、糾紛排除等方面均起到了積極作用，結(jié)合實際應(yīng)用需求，視頻數(shù)據(jù)可定義為表1所示模式。

表1 視頻數(shù)據(jù)定義模式

其中，攝像機編號(CameraID)可定義為全區(qū)域唯一編碼，用于標(biāo)記視頻設(shè)備位置，每個攝像機設(shè)備可同時監(jiān)控一個(視頻樁設(shè)備)或多個(高架攝像頭設(shè)備)車位；車位編號(ParkID)用于存儲當(dāng)前檢測車位位置；車輛號牌(CarId)用于存儲車牌信息；駛?cè)霑r間(InTime)和駛離時間(OutTime)可定義為如下格式：“2016/09/02 08:03:05”；車輛品牌(CarBrand)、車身顏色(CarColor)可與交管局車輛信息數(shù)據(jù)對接，保證數(shù)據(jù)一致性。攝像機編號(CameraID)、車位編號(ParkID)、車輛號牌(CarId)和駛?cè)霑r間(InTime)共同構(gòu)成視頻數(shù)據(jù)主屬性，用于檢索每條監(jiān)測記錄。

鑒于地磁技術(shù)工作原理，地磁設(shè)備可監(jiān)測信息較少，其數(shù)據(jù)模式相對簡單，如表2所示。

表2 地磁數(shù)據(jù)定義模式

其中，地磁設(shè)備編號(MagneticID)可定義為全區(qū)域唯一編碼，用于標(biāo)記車位位置；車位編號(ParkID)、駛?cè)霑r間(InTime)、駛離時間(OutTime)同視頻數(shù)據(jù)相應(yīng)字段定義模式，后兩字段用于記錄磁力感應(yīng)器捕獲的脈沖信號變化時刻；設(shè)備當(dāng)前脈沖信息(PulseInfor)可定義為布爾型，無車狀態(tài)設(shè)備不產(chǎn)生脈沖突變，記錄為假；車輛駛?cè)霑r，設(shè)備附近磁場發(fā)生變化，產(chǎn)生脈沖信號，記錄為真。地磁設(shè)備編號(MagneticID)、車位編號(ParkID)和駛?cè)霑r間(InTime)共同構(gòu)成地磁數(shù)據(jù)主屬性，用于檢索每條監(jiān)測記錄。

對于視頻和地磁設(shè)備的監(jiān)測記錄，可通過監(jiān)測車位編號屬性進行信息關(guān)聯(lián)，并通過數(shù)據(jù)篩選、清洗、關(guān)聯(lián)度分析等技術(shù)，可有效校正車輛駛?cè)霑r間和駛離時間數(shù)據(jù)，并形成統(tǒng)一、完備的監(jiān)測記錄，從而可構(gòu)建視頻和地磁技術(shù)的數(shù)據(jù)層融合模式，如表3所示。

表3 融合機制數(shù)據(jù)定義模式

上表中各字段含義同表1和表2，地磁數(shù)據(jù)模式中的設(shè)備當(dāng)前脈沖信息(PulseInfor)字段在充分矯正車輛駛?cè)霑r間(InTime)和駛離時間(OutTime)字段后可舍棄。表3中的車位編號(ParkID)、車輛號牌(CarId)和駛?cè)霑r間(InTime)可共同構(gòu)成融合數(shù)據(jù)模式主屬性，用于檢索每條監(jiān)測記錄。

上述視頻和地磁技術(shù)數(shù)據(jù)層融合模式可對部分缺失的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行有效擬合與補充，更有利于構(gòu)建統(tǒng)一、完備的停車監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，提升檢測性能，并為智能停車相關(guān)應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 融合技術(shù)優(yōu)勢

鑒于視頻和地磁技術(shù)的工作原理，其監(jiān)測數(shù)據(jù)的形式、環(huán)境適應(yīng)性等方面均存在一定的局限性，而且每種技術(shù)均存在一定的適用性，故兩種技術(shù)在數(shù)據(jù)層的融合應(yīng)用，可豐富監(jiān)測信息，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)完整性起到一定的積極作用。

視頻技術(shù)可捕獲更多停車現(xiàn)場數(shù)據(jù)，例如車牌、車身顏色、停車模式、當(dāng)前路況等，但視頻技術(shù)受環(huán)境光線影響較大，在特殊、惡劣環(huán)境下，因捕獲的視頻圖像質(zhì)量下降會導(dǎo)致其檢測效率急劇降低，甚至檢測失敗，造成數(shù)據(jù)漏檢或檢測不準確，需進行一定補償。地磁技術(shù)通過磁感原理可準確探測車輛駐停過程，環(huán)境適應(yīng)性較強，對環(huán)境變化相對魯棒，檢測結(jié)果相對穩(wěn)定，但限于地磁技術(shù)檢測機理，其監(jiān)測數(shù)據(jù)相對單一。因此，在惡劣環(huán)境下，地磁監(jiān)測數(shù)據(jù)可對視頻數(shù)據(jù)進行有效校正，并為其提供必要支撐，有效緩解視頻技術(shù)因環(huán)境惡劣造成圖像無法識別等問題；針對地磁監(jiān)測數(shù)據(jù)單一性問題，可利用同步獲得的視頻數(shù)據(jù)進行有效補充，豐富其數(shù)據(jù)形式。

因此，視頻與地磁技術(shù)的融合應(yīng)用，可充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，取長補短，提升路側(cè)停車檢測效率與穩(wěn)定性。此外，無論何種監(jiān)測設(shè)備，均可能因技術(shù)、人為等故障產(chǎn)生誤檢、漏檢現(xiàn)象，引發(fā)爭議。多種技術(shù)融合應(yīng)用可有效規(guī)避應(yīng)用風(fēng)險，減少爭議，提高服務(wù)質(zhì)量和水平。

4 停車檢測試驗與分析

為進一步驗證視頻、地磁技術(shù)融合應(yīng)用的有效性和可用性，設(shè)計了試驗場測試方案，搭建真實試驗環(huán)境(圖1、圖2)，并進行了實地測試。

圖1 試驗場視頻檢測應(yīng)用環(huán)境

圖2 試驗場地磁檢測應(yīng)用環(huán)境及示意圖

針對4種天氣環(huán)境(晴天、霧天、傍晚、夜間)、5種停車模式(正常、跨位、半側(cè)位、斜位、反復(fù)入位)，測試了300組停車過程，測試結(jié)果見表4。

表4 試驗測試結(jié)果

經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計、比對與分析，基于視頻技術(shù)的停車檢測試驗正確率為95%左右。絕大多數(shù)情況下，視頻檢測設(shè)備都能識別出車輛信息，并實時跟蹤整個駛?cè)?駛離過程，對車輛駐停狀態(tài)做出準確判斷，試驗結(jié)果尚可；但特殊情況下，例如漆黑夜晚、大霧、黑暗，或者車輛開啟大燈或遠光燈等外界極端條件(見圖3范例)，視頻檢測結(jié)果產(chǎn)生了一定的誤差，甚至完全失效。

圖3 視頻檢測極端環(huán)境范例

鑒于地磁檢測技術(shù)受天氣影響較小，故試驗主要針對5中停車模式進行了反復(fù)測試，共采集回323條地磁檢測記錄。經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗與統(tǒng)計分析，地磁停車技術(shù)檢測正確率僅為85%左右，實驗結(jié)果不太理想。分析可知，在正常停車模式下，地磁檢測設(shè)備檢測成功率逼近100%；但停車不規(guī)范時，地磁檢測效率急劇下降。在跨位、半側(cè)位、斜位停車模式下，若駐停位置未覆蓋地磁監(jiān)測區(qū)域，則會直接造成地磁監(jiān)測記錄缺失，進而檢測失?。蝗赳v停位置少部分覆蓋地磁監(jiān)測區(qū)域，也會造成檢測結(jié)果不準確；而反復(fù)入位停車模式，可能造成重復(fù)的地磁監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄，導(dǎo)致檢測結(jié)果不準確。

圖4 視頻、地磁融合檢測機制示意圖

鑒于視頻、地磁技術(shù)各具優(yōu)勢和局限性，對融合檢測機制進行了試驗(見圖4)。經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗、擬合與統(tǒng)計分析，在融合機制下停車試驗的檢測正確率接近99%，試驗結(jié)果較為理想。在絕多數(shù)情況下(天氣較好、停車較為規(guī)范等)，視頻和地磁檢測設(shè)備均能正確檢測出停車過程，并對車輛停車狀態(tài)做出準確判斷。

在特殊、極端條件下(天氣惡劣、停車不規(guī)范等)，融合機制也保障了停車檢測的準確性和有效性。在天氣或光線環(huán)境比較惡劣的情況下，雖然視頻技術(shù)一定程度失效，但在地磁檢測技術(shù)的輔助下，一定程度上仍可正確識別出車輛駐停狀態(tài)；在天氣或光線較為正常的情況下，對于反復(fù)入位停車模式，地磁設(shè)備雖監(jiān)測到多條停車記錄，但在視頻技術(shù)輔助下，可有效剔除地磁設(shè)備監(jiān)測到的重復(fù)、無效等停車信息。但對于極個別的測試情況，融合機制也存在一定局限性。例如，天氣或光線環(huán)境比較惡劣時，視頻設(shè)備一定程度上失效，地磁設(shè)備雖不受天氣或光線影響，但對于反復(fù)入位停車模式，仍會監(jiān)測到多條重復(fù)、無效的停車信息，因而導(dǎo)致最終檢測結(jié)果不準確。

5 結(jié)束語

通過歸納總結(jié)并深入研究視頻和地磁停車檢測技術(shù)基本原理和實際應(yīng)用情況，搭建了視頻和地磁停車檢測試驗環(huán)境，并針對晴天、霧天、傍晚、夜間4種天氣環(huán)境，正常、跨位、半側(cè)位、斜位、反復(fù)入位5種停車模式進行了大量測試；在此基礎(chǔ)上，深入分析了視頻和地磁檢測技術(shù)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)性問題；鑒于每種檢測方法的技術(shù)優(yōu)勢和不足，探索了融合視頻與地磁技術(shù)的停車檢測方案，并分析了融合機制的優(yōu)勢。該方案可充分發(fā)揮各種技術(shù)優(yōu)勢，取長補短，提升停車檢測性能。

在當(dāng)前停車矛盾愈加激烈的情況下，多技術(shù)融合檢測機制具有較強的研究價值和廣泛的應(yīng)用前景。未來可圍繞融合檢測機制的失敗案例展開深入研究，以提升系統(tǒng)魯棒性；同時，可進一步拓展其他檢測技術(shù)的融合應(yīng)用模式。