趙成晨

(華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司,江蘇 南京 210001)

交通事件檢測系統(tǒng)是隧道交通監(jiān)控系統(tǒng)中的重要組成部分,以蘇錫常南部高速公路常州至無錫段太湖隧道為例作具體介紹。太湖隧道為湖底特長隧道,車流量大、救援難度大,事故救援不及時容易造成二次事故,因此交通突發(fā)事件自動檢測是隧道日常運營管理中必不可少的功能,能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)交通異常事件。基于常規(guī)的視頻事件檢測系統(tǒng)的誤報率高,在系統(tǒng)實際運行中往往無法使用的現(xiàn)狀,項目設(shè)置了多種交通事件自動檢測系統(tǒng),分別基于雙光譜、多目標雷達、光纖振動等技術(shù),且多種交通事件自動檢測系統(tǒng)相互獨立運行,并與視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動,可以協(xié)助監(jiān)控人員快速發(fā)現(xiàn)并確認交通異常事件[1]。

1 隧道概況

太湖隧道位于蘇錫常南部高速公路常州至無錫段,隧道全長10.790 km,其中暗埋段長度10 km,隧道按雙向六車道高速公路標準設(shè)計,設(shè)計速度100 km/h。根據(jù)隧道交通工程設(shè)計規(guī)范的相關(guān)規(guī)定,太湖隧道交通工程分級根據(jù)隧道長度和隧道交通量兩個因素劃分確定為A+級,各類監(jiān)控設(shè)施按照A+級進行設(shè)施配置,交通事件檢測系統(tǒng)是隧道監(jiān)控系統(tǒng)中一個重要組成部分。

該項目目前已建成通車,經(jīng)過通行數(shù)據(jù)分析,目前太湖隧道日均流量約2.5萬輛,最高單日流量近5萬輛。

2 交通事件檢測系統(tǒng)設(shè)計方案

交通事件檢測系統(tǒng)在隧道全線范圍內(nèi)收集各類交通運行信息,對全線交通流的變化進行監(jiān)控,實現(xiàn)事故檢測(包括車輛停止、交通堵塞、行人進入隧道、車輛逆行、火災(zāi)檢測)和交通參數(shù)檢測(包括交通流量、速度、占有率、車距、排隊長度等)。系統(tǒng)對以上事故進行檢測報警,并能在一定時間范圍內(nèi)將事故(前/后)再現(xiàn)(包括事故顯示、存檔、查詢),提供事故數(shù)據(jù)庫[2]。

交通事件自動檢測系統(tǒng)是監(jiān)控人員實行交通引導(dǎo)控制的參考依據(jù),并通過實時圖像監(jiān)視的配合,給出控制交通的命令,在發(fā)生交通事故時,及時采取措施,疏通阻塞,平滑交通量,達到減少車輛排隊、暢通全線交通的目的。

2.1 雙光譜交通事件檢測系統(tǒng)

基于監(jiān)控圖像分析的視頻交通事件智能檢測技術(shù),在20世紀90年代末引入我國,隨著交通監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展,視頻事件檢測技術(shù)已在高速公路、隧道、橋梁等交通監(jiān)控系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用[3]。視頻事件檢測具有直觀、實時、信息量大等優(yōu)點,但也容易受制于可見光圖像固有的缺點,如:受環(huán)境光(無照明、強光、逆光等)、車燈眩光、鏡頭污損干擾、惡劣天氣等影響,導(dǎo)致傳統(tǒng)的可見光視頻事件檢測系統(tǒng)存在有效范圍小、報警延遲、誤報率高、可靠性差等問題。因此,當(dāng)前視頻監(jiān)控系統(tǒng)中對于異常交通事件的發(fā)現(xiàn)和處理仍然主要依賴人工[4]。本項目通過可見光視頻和熱成像視頻的雙光譜交通事件檢測技術(shù),一旦監(jiān)測到隧道內(nèi)溫度異常,就會發(fā)出預(yù)警信號,提前對車輛火災(zāi)事件進行重點監(jiān)測和救援準備,提升隧道運行的安全保障。

(1)系統(tǒng)原理

熱成像基于被動式熱紅外感應(yīng)成像原理,與外界是否存在光源無關(guān),因此在晝、夜有無照明的情況下均可正常工作,性能完全一致?？稍谒淼馈⒊鞘械裙饩€復(fù)雜的環(huán)境,以及高速公路等夜間無光源照明的環(huán)境下正常工作。同時還能避免傳統(tǒng)技術(shù)對車頭和車尾燈光不能有效處理的問題[5]。由于系統(tǒng)對熱敏感,在隧道內(nèi)火災(zāi)等異常事件的檢測方面具有先天優(yōu)勢。

熱感圖像中對于人、車等強紅外輻射源目標的圖像亮度高,而路面、水面及其他環(huán)境則溫度較低,圖像背景變暗,由于其對于監(jiān)控場景中的感興趣目標具有天然的選擇性,因此不容易受到陰影、逆光、順光、車輛眩光等復(fù)雜光線的干擾。同時,由于紅外波長較長,因此穿透煙、霧的能力遠強于可見光,一般的薄霧、中霧對紅外成像幾乎不造成影響。紅外波長長的另外一個特點是衍射能力強,熱成像鏡頭前方出現(xiàn)部分遮擋或鏡頭上有污漬對紅外成像基本視覺效果不造成影響,因此易于維護,安裝條件限制也較少。

近年來隨著熱成像傳感器發(fā)展日漸成熟,以及氧化釩非致冷紅外傳感器重要部件的成本降低,原本只能用于軍事領(lǐng)域的熱成像監(jiān)控技術(shù)也在交通監(jiān)控中開始應(yīng)用[5]。

熱成像傳感器本身所呈現(xiàn)的視頻圖像并不符合人眼正常的視頻監(jiān)控習(xí)慣,將可見光圖像和紅外熱成像雙光譜融合的視頻事件檢測系統(tǒng)則可以很好地解決這個問題。雙光譜視頻檢測系統(tǒng),既有效利用可見光圖像直觀、實時性好、信息量大的優(yōu)勢,又充分發(fā)揮熱成像不受環(huán)境光限制、不受車輛燈光干擾、不受灰塵污漬影響的優(yōu)點。雙光譜圖像充分融合后進行事件檢測可以有效提升交通事件檢測系統(tǒng)的檢測范圍,降低誤報率、提升可靠性。

基于雙光譜融合的隧道交通事件檢測系統(tǒng),不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)視頻事件檢測系統(tǒng)所具備的停車、逆行、擁堵、排隊、行人、煙霧、能見度等常規(guī)檢測功能,還能實現(xiàn)隧道火災(zāi)、明火等的自動檢測和實時報警。

(2)系統(tǒng)功能

①車輛檢測:系統(tǒng)應(yīng)具備車輛檢測及軌跡跟蹤能力,可實現(xiàn)車輛(包含機動車和非機動車)目標的檢測、定位和跟蹤,能夠?qū)崟r給出車輛所在圖像的位置坐標(經(jīng)緯度坐標)、行進速度、目標ID等必要信息,并以約定的通信協(xié)議傳輸給上端系統(tǒng)。系統(tǒng)可同時具備不少于128個目標的檢測跟蹤和位置定位能力,最小可實現(xiàn)不低于10×10目標像素的目標檢測及跟蹤[6]。

②行人檢測:系統(tǒng)應(yīng)具備對視域中設(shè)定區(qū)域里出現(xiàn)的行人目標的自動檢測和識別能力。系統(tǒng)可給出行人目標ID及位置坐標(經(jīng)緯度坐標)、運動方向和速度,并輸出給上端系統(tǒng)。

③目標測量:系統(tǒng)應(yīng)能夠區(qū)分車道、應(yīng)急車道、港灣停車區(qū)內(nèi)的停止車輛或事故車輛,以及行人、遺撒物品、火災(zāi)點等目標信息,可輸出目標的大小、位置、速度,位置誤差不超過2 m,對于速度信息可提供矯正系數(shù)對其均值進行線性矯正。

④車輛檢測及身份識別:系統(tǒng)應(yīng)支持自動車輛檢測功能,并可對視頻中出現(xiàn)的車輛(包括機動車和非機動車)進行跟蹤,可對肉眼能夠清晰辨識的車輛牌照信息進行自動識別,并與車輛跟蹤的目標ID相關(guān)聯(lián)。

⑤車輛顏色、品牌、款式、類型識別:系統(tǒng)應(yīng)支持車輛顏色、品牌、款式及類型識別功能,當(dāng)系統(tǒng)檢測到車輛目標后,可對其進行顏色、品牌、款式及類型的識別?？勺R別常見的超過兩百種車輛品牌,七千余種車輛款式。

⑥車輛特征識別:系統(tǒng)應(yīng)支持車輛的特征識別,即當(dāng)系統(tǒng)檢測到車輛目標后,可實現(xiàn)車輛圖像特征的特征向量提取,并與目標ID相關(guān)聯(lián),通過特征向量,可在平臺端實現(xiàn)跨鏡頭的車輛匹配與關(guān)聯(lián),從而實現(xiàn)跨鏡頭的車輛跟蹤。

⑦雙光譜事件檢測:系統(tǒng)應(yīng)采用紅外熱成像+可見光雙光譜視覺采集、感知、檢測及軌跡跟蹤等技術(shù),應(yīng)提供對路面、隧道等交通場景中出現(xiàn)的異常交通事件進行的實時檢測、定位和預(yù)警,可實時定位目標車輛及事件發(fā)生點位信息,并上傳到數(shù)字孿生平臺系統(tǒng)進行三維呈現(xiàn)。事件檢測類型包括:異常停車、車輛逆行、低速車流、大貨車檢測、施工檢測、排隊超限、行人穿越、非機動車檢測、遺灑物品、能見度及能見度異常檢測、交通參數(shù)采集等[7]。

(3)系統(tǒng)構(gòu)成

雙光譜交通事件檢測系統(tǒng)由前端雙光譜攝像機和監(jiān)控中心的分析儀及服務(wù)器組成,設(shè)于隧道內(nèi)的前端設(shè)備設(shè)置間距為100 m,通過視頻以太環(huán)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù),視頻數(shù)據(jù)存儲統(tǒng)一采用視頻存儲平臺,交通事件分析儀及服務(wù)器預(yù)裝交通事件分析軟件,實現(xiàn)交通事件的自動檢測與報警。

雙光譜交通事件檢測組網(wǎng)所需的視頻工業(yè)以太網(wǎng)交換機、光纖、視頻存儲及調(diào)用設(shè)施,均與視頻監(jiān)控系統(tǒng)共用。

2.2 光纖振動交通事件檢測系統(tǒng)

(1)系統(tǒng)原理

基于光纖振動檢測的交通事件檢測系統(tǒng)由感知光纜、系統(tǒng)采集分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)平臺顯示、聯(lián)動遠程等設(shè)備組成,基于環(huán)境振動對光纜傳輸光波的影響,實現(xiàn)對現(xiàn)場隧道車輛超速、違停、堵塞、逆行、物品掉落、車輛運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)的采集、管理、分析與定位,對公路隧道車輛運行安全進行智能化監(jiān)測,實現(xiàn)高效管理、安全運維、智能同行的要求,準確判斷車輛運行狀態(tài),并可實現(xiàn)定點定位維護,從而實現(xiàn)節(jié)省人力資源、提高工作效率、實現(xiàn)設(shè)備管理自動化、提高管理水平的目的。

隧道內(nèi)車輛在正常行駛過程中,其光纖振動信號運動軌跡為一條移動式的平緩的斜線,當(dāng)車輛遇到突發(fā)事件而變慢、急剎甚至停止時,其振動信號強度會變大,同時振動信號線越來越垂直,直至信號停止。系統(tǒng)通過振動信號捕捉及特征分析,可自動定位出交通事件的地理位置[8]。

為實現(xiàn)系統(tǒng)對信號的空間范圍和定點的良好探測效果,明顯提升信號分析區(qū)分的能力,光纖振動系統(tǒng)空間分辨精度應(yīng)達到2～3 m,從而在信號圖示上明顯分辨出不同的振動信號特征,如超速、擁擠、物品掉落、撞擊事件等,通過對不同振動信號的采集、形成數(shù)據(jù)庫樣本,并對樣本數(shù)據(jù)庫進行驗證,從而正確識別不同的振動信號。

對于隧道車輛安全運行狀態(tài)監(jiān)測信號的識別分析,首先是基于裝置對振動數(shù)據(jù)的探測采集能力,其次是事件預(yù)警算法。算法負責(zé)分析后臺采集層傳輸來的振動信號,并與內(nèi)建的基礎(chǔ)樣本進行比對,給出對于各信號的分析結(jié)果并告知數(shù)據(jù)庫和消息服務(wù)層。數(shù)據(jù)庫包括系統(tǒng)軟件特征的信號建模、分類、系統(tǒng)各分區(qū)類型等數(shù)據(jù)模型,并可與算法層依據(jù)一定規(guī)則形成動態(tài)的模型參數(shù)修正。

(2)系統(tǒng)功能

①車輛跟蹤檢測:系統(tǒng)應(yīng)具備車輛移動運行振動軌跡跟蹤能力,可實現(xiàn)車輛目標的定位和跟蹤,能夠?qū)崟r給出車輛所在隧道內(nèi)的車道和位置、行進速度等必要信息,并以約定的通信協(xié)議傳輸給上端系統(tǒng)。系統(tǒng)可同時對隧道內(nèi)的所有車輛完成跟蹤檢測。

②目標測量:系統(tǒng)應(yīng)能夠區(qū)分車道內(nèi)、應(yīng)急車道內(nèi)的停止車輛或事故車輛、遺落物品、撞擊等目標信息,可輸出目標的位置、速度,位置誤差不超過5 m[9]。

③車輛振動特征識別:系統(tǒng)應(yīng)支持車輛的振動特征識別,即當(dāng)系統(tǒng)檢測到車輛目標后,可顯現(xiàn)車輛振動特征的信號提取,通過振動特征信號提取,可在平臺端顯現(xiàn)車輛運行軌跡,從而實現(xiàn)車輛跟蹤。

④隧道車輛異常事件檢測:系統(tǒng)應(yīng)采用光纖振動+可傳感光纜采集、感知、檢測及軌跡跟蹤等技術(shù),應(yīng)提供對路面、隧道等交通場景中出現(xiàn)的異常交通事件進行的實時檢測、定位和預(yù)警,可實時定位目標車輛及事件發(fā)生點位信息,并上傳到綜合監(jiān)控平臺系統(tǒng)進行三維呈現(xiàn)。事件檢測類型包括:擁堵、排隊超限、逆行、違停、物品掉落、超速、撞擊、急剎車、施工等的檢測定位,大貨車檢測、交通參數(shù)采集等。

(3)系統(tǒng)構(gòu)成

光纖振動交通事件檢測系統(tǒng)由敷設(shè)于每條車道中線下方的光纖,以及設(shè)于湖西、湖東地面設(shè)備用房內(nèi)的光纖振動分析主機、設(shè)于監(jiān)控中心的應(yīng)用及數(shù)據(jù)服務(wù)器組成,通過設(shè)于隧道湖西、湖東地面設(shè)備用房機房內(nèi)的監(jiān)控以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心,分析主機及服務(wù)器預(yù)裝交通事件分析軟件,實現(xiàn)交通事件的自動檢測與報警[10]。

太湖隧道暗埋段全長10 km,隧道內(nèi)為單向3車道,兩端地面設(shè)備用房內(nèi)設(shè)有監(jiān)控機房,在每個機房中安放6臺單通道5 km的光纖振動主機,總共12臺主機,且每個機房放置1臺服務(wù)器。隧道機房中監(jiān)測主機采集的數(shù)據(jù)傳輸至管理中心服務(wù)器,預(yù)裝隧道車輛運行狀態(tài)監(jiān)測平臺軟件實現(xiàn)隧道內(nèi)異常振動事件的定位。

3 結(jié) 論

結(jié)合太湖隧道項目案例,圍繞隧道內(nèi)多種交通事件檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)原理、系統(tǒng)功能和系統(tǒng)構(gòu)成進行闡述,該項目目前已經(jīng)建成并通車運行,經(jīng)過一段時間的運行,證實了該系統(tǒng)的設(shè)置對平滑交通量、減少車輛排隊、暢通交通、避免隧道內(nèi)二次事故的發(fā)生有著顯著的作用,可以廣泛地應(yīng)用于城市隧道、公路隧道以及其他類似場景中。