沙　薇

基于微地磁的高速公路擁堵事件檢測系統(tǒng)應用

沙薇

（江蘇蘇科暢聯(lián)科技有限公司，江蘇 南京 211112）

文章對基于微地磁技術(shù)的高速公路擁堵時間檢測系統(tǒng)進行介紹，研究表明該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)視頻事件檢測系統(tǒng)易受天氣等環(huán)境因素的影響，具有安裝簡單，檢測精度高的特點。該系統(tǒng)在蘇嘉杭高速公路得以應用，實施效果良好，有效幫助了監(jiān)控人員主動發(fā)現(xiàn)事件并采取相應措施，保障了蘇嘉杭高速公路的安全暢通。

高速公路；擁堵事件；微地磁；數(shù)據(jù)采集；事件檢測

1　概述

近年來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，高速公路車流量與日俱增。伴隨車流量的不斷增加，交通擁堵問題變得日益突出，各類交通事故發(fā)生的概率大幅上升，如何確保高速公路快速、安全、通暢成為社會各界關(guān)注的焦點。高速公路上交通擁堵及其所引發(fā)的一系列交通事故時常發(fā)生，如果不能及時發(fā)現(xiàn)并盡早處理，不僅使高速公路出行者蒙受時間損失，同時也將影響車輛行車安全。

20世紀60年代開始，交通擁堵作為一種交通事件被研究。交通狀態(tài)識別是根據(jù)當前的交通流特征參數(shù)做出判斷，識別出擁堵事件的存在，最大限度地減少擁堵事件對正常交通的影響，保證路網(wǎng)的暢通。已有的交通狀態(tài)（包括交通擁堵）檢測算法大致可分為間接與直接兩種方式，間接檢測方式是通過上下游斷面的車流量、占有率和延遲時間等參數(shù)進行交通狀態(tài)判斷的一種方法。直接檢測方式是通過直接的交通狀態(tài)檢測算法或人工監(jiān)控手段來檢測交通狀態(tài)［1］。交通事件發(fā)生的時間、地點和嚴重程度都是隨機的，由于事件的影響，會導致交通流狀態(tài)的改變，并表現(xiàn)為交通流參數(shù)隨著時間不斷變化［2］。目前江蘇省內(nèi)高速公路現(xiàn)有的事件管理主要以被動接警方式為主，途徑單一，發(fā)現(xiàn)解決問題周期長。及時而有效的交通擁堵狀態(tài)判別是進行動態(tài)交通擁堵預警和交通疏導、主動避免交通擁堵、保持道路暢通的前提和依據(jù)。實時準確地獲取道路交通擁堵狀況，是采取合理預警措施、主動避免交通擁堵的前提，已成為提高道路通行能力的有效手段之一。

傳統(tǒng)視頻事件檢測系統(tǒng)誤報率高，容易受到夜晚、雨霧天氣等因素影響，檢測精度較低，后期維護不便?；谖⒌卮艧o線傳感網(wǎng)絡(luò)的高速公路擁堵預警系統(tǒng)具有布設(shè)簡單、擁堵檢測準確率高的特點，系統(tǒng)能夠幫助高速公路管理者盡早發(fā)現(xiàn)事故，合理采取交通誘導措施，確保道路安全暢通，為公眾出行創(chuàng)造安全有序的道路交通環(huán)境。

2　基于微地磁的檢測系統(tǒng)

基于微地磁的高速公路擁堵事件檢測系統(tǒng)利用埋設(shè)在路面的微地磁車輛傳感器感應車輛通過時引起的局部地球磁場變化，記錄該車輛的磁譜特征，并通過路側(cè)接收器對采集的數(shù)據(jù)進行分析與預處理，最終上傳至后臺管理系統(tǒng)中，幫助管理者及時獲取交通運行狀況。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)圖

基于微地磁的高速公路擁堵事件檢測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)接收與處理、擁堵事件檢測3部分組成。

（1）數(shù)據(jù)采集與傳輸

根據(jù)微地磁傳感器的數(shù)據(jù)采集原理，分析高速公路機動車行駛規(guī)律，結(jié)合傳感器物理特性（包括傳感器布設(shè)間距及檢測靈敏度的設(shè)置）和高速公路實際交通流情況選擇合適的斷面布設(shè)微地磁傳感器，同時考慮供電及數(shù)據(jù)通訊的便利。

（2）數(shù)據(jù)接收與處理

通過有線或無線方式關(guān)聯(lián)前端數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)時的時鐘同步；對實時采集的原始數(shù)據(jù)進行接收、存儲、分析處理，將所有交通數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。

（3）擁堵事件檢測

從頂層設(shè)計的角度構(gòu)建擁堵事件檢測系統(tǒng)，對多個采集斷面數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，提供簡約化的用戶界面風格，展現(xiàn)每個斷面的實時交通信息及歷史信息；通過構(gòu)建專題數(shù)據(jù)庫將擁堵預警信息與實際擁堵情況進行對比，設(shè)置不同行駛條件下（如白天、夜晚、節(jié)假日等）的檢測參數(shù)，以適應不同交通流量應用需要，當自動檢測到擁堵事件時啟動實時報警。擁堵事件管理系統(tǒng)預留與其他系統(tǒng)之間的接口，確保系統(tǒng)擴展性。

寧夏貧困地區(qū)6～24月齡嬰幼兒輔食及時添加率為55.9%，首次添加輔食最多的為谷類泥糊狀食物占66.6%，遠低于張玲等[7]研究的貴州地區(qū)(分別為91.1%、74.5%)。本次嬰幼兒看護人兒童營養(yǎng)知識總知曉率僅為36.5%。可見嬰幼兒看護人在喂養(yǎng)過程中存在輔食添加過早和過晚現(xiàn)象普遍存在，直接影響嬰幼兒的生長發(fā)育。因此，加大健康教育覆蓋力度，是嬰幼兒營養(yǎng)改善干預措施的重要環(huán)節(jié)，對于改善下一代營養(yǎng)健康狀況具有長遠意義[8]。

2.1采集原理

微地磁車輛傳感器的安裝簡單快速，利用不破壞道路原有結(jié)構(gòu)的鉆孔方式將傳感器預埋入地表下，并灌環(huán)氧樹脂加固。微地磁車輛傳感器采用高能量密度的鋰電池組供電，不需要外接電源，微地磁車輛傳感器將通過的每一輛車的交通信息（時間、地點、速度等）通過無線通訊的方式傳輸至安裝在路側(cè)接收器（簡稱AP），接收器對每個車道的傳感器進行采集和處理，如圖2所示。再通過網(wǎng)絡(luò)將匯總的數(shù)據(jù)實時傳回監(jiān)控中心，管理系統(tǒng)可根據(jù)這些信息進行綜合分析，從而準確掌握高速公路運行狀態(tài)，及時判別交通擁堵。

圖2　數(shù)據(jù)采集示意圖

2.2布設(shè)方案

有效的數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的前提。為滿足擁堵檢測準確、實時，微地磁傳感器布設(shè)應當選取車流量大，并且事故頻發(fā)，容易擁堵的路段進行，同時根據(jù)實際交通流確定每兩個斷面之間的間距［3］。此外需要考慮供電與通訊的便利，由于高速公路上每隔一段距離都有視頻監(jiān)控攝像機，因此可以將接收器AP安裝在監(jiān)控立桿上。便于系統(tǒng)檢測到擁堵現(xiàn)象以后用視頻攝像機進行驗證。建議在監(jiān)控攝像機立桿上安裝AP，設(shè)備布設(shè)示意圖如圖3 所示。

2.3擁堵判別模型設(shè)計

2.3.1 速度判別

各車道擁堵狀態(tài)按照各個車道進行計算，檢測周期判定為擁堵情況［4］為：

（1）當同一斷面至少有2個車道車速同時≤V1，且另一車道平均車速≤V2；

（2）斷面整體平均車速≤V3時。

當連續(xù)3個檢測周期都滿足條件（1）或（2）時，判斷道路處于嚴重擁堵狀態(tài)，并發(fā)出警報。

圖3　設(shè)備布設(shè)示意圖

2.3.2 時間占有率判別

考察統(tǒng)計時間間隔T時，若通過傳感器的車輛數(shù)為N，可以計算得到以下參數(shù)：

式中：q為交通流率，單位與T的單位相關(guān)；Occ表示時間占有率；OTi為統(tǒng)計時間間隔T內(nèi)第i輛車的占有時間，AOT為平均占有時間（Average Occupied Time）。

針對斷面的時間占有率擁堵判別步驟如下：（1）計算上下游傳感器之間占有率的絕對差，和閾值T1比較，如果超過T1繼續(xù)第2步。

（2）計算上下游之間占有率量測之差與上游占有率之比，和閾值T2比較，如果超過T2繼續(xù)第3步。

（3）當下游占有率的數(shù)據(jù)低于某個閾值T3時，則判定該檢測周期為嚴重擁堵。

當連續(xù)3個檢測周期都滿足以上條件時，判斷道路處于嚴重擁堵狀態(tài)，并發(fā)出警報。

上述兩種判別方式中的檢測周期、閾值的設(shè)置需要結(jié)合實際道路的交通流狀況，并且可以在系統(tǒng)中調(diào)整該閾值。

2.4系統(tǒng)功能

2.4.1 擁堵預警

（1）準確獲取交通數(shù)據(jù)信息：包括車流量、車輛行駛速度、時間占有率；

（2）及時檢測交通事件：根據(jù)實際交通流狀態(tài)和擁堵判別模型實時檢測由于交通事故、車輛故障、獲取傾落等引起交通流狀態(tài)改變的交通擁堵事件。通過界面顏色變換、語音報警和視頻聯(lián)動3種方式提示監(jiān)控人員關(guān)注檢測到的擁堵事件。

2.4.2 視頻聯(lián)動

將視頻監(jiān)控與系統(tǒng)進行聯(lián)動，系統(tǒng)檢測到擁堵事件時自動切換至擁堵路段畫面，幫助管理者觀察現(xiàn)場交通狀況，節(jié)省救援指揮時間。系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4　擁堵事件檢測系統(tǒng)界面

2.4.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

利用系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，總結(jié)節(jié)假日、惡劣天氣、潮汐交通時數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，預測交通流趨勢。提供監(jiān)控人員手動輸入界面，將不同事故進行分類，自動統(tǒng)計擁堵檢測準確率以及擁堵原因分類，如圖5所示。

圖5　擁堵檢測原因分布圖

2.4.4 GIS地圖展示

結(jié)合GIS技術(shù)，把微地磁車輛傳感器所在斷面清楚地展示在GIS地圖上，直觀顯示傳感器采集到的實時交通數(shù)據(jù)，為工作人員在應急救援過程中的資源調(diào)配、指揮調(diào)度提供技術(shù)支持。

3　實施效果

目前，該系統(tǒng)在蘇嘉杭高速公路得到應用。系統(tǒng)布設(shè)時選取容易發(fā)生擁堵的6個斷面進行布設(shè)，結(jié)合蘇嘉杭高速實際車輛狀況，測算出車速、時間占有率閾值，根據(jù)設(shè)定的檢測周期進行數(shù)據(jù)分析和比對，由自動檢測算法對數(shù)據(jù)進行綜合分析，及時發(fā)現(xiàn)道路擁堵情況，縮短應急響應時間。目前系統(tǒng)運行良好，通過對采集的數(shù)據(jù)進行相關(guān)性算法分析及時發(fā)現(xiàn)道路事件，提高了交通事件主動發(fā)現(xiàn)率和處理效率，為道路安全保暢管理提供新的支撐手段。

4　結(jié)語

基于微地磁的高速公路擁堵事件檢測系統(tǒng)通過微地磁車輛傳感器實時有效地獲取交通流信息，利用擁堵時間檢測算法自動判別擁堵時間，幫助監(jiān)控人員第一時間發(fā)現(xiàn)交通擁堵事件，輔助管理者進行有效決策。系統(tǒng)在蘇嘉杭高速運行至今，效果良好。但由于蘇嘉杭高速全程100 km，僅僅6個斷面不能滿足管理需求。后期將進一步對原有布設(shè)斷面進行加密，并根據(jù)實際交通流狀況增加新斷面，不斷完善擁堵判別模型，提高擁堵主動發(fā)現(xiàn)率，保障高速公路的安全暢通。

［1］趙有婷，李熙瑩，佘永業(yè)，等.基于視頻全局光流場的交通擁堵檢測［J］.計算機應用研究，2010（11）：4535-4537.

［2］王衛(wèi)東，賀玉龍，李壽海.高速公路交通流和交通事故關(guān)系研究［J］.山西建筑，2008（29）：289-290.

［3］方青.高速公路固定檢測器布設(shè)方案分析［J］.交通科技與經(jīng)濟，2010（6）：1-4.

［4］交通運輸部.公路網(wǎng)運行監(jiān)測與服務(wù)暫行技術(shù)要求［M］.北京：人民交通出版社，2012：25-26.

Application of Highway Congestion Detection System Based on Micro Magnetic Sensors

Sha Wei
（Jiangsu Union of Science and Technology CO.LTD， Nanjing 211112， China）

This paper introduced highway congestion detection system based on micro magnetic sensors. The research showed that this system could overcome the limitation of traditional video detection system which was usually affected by weather or other environmental factors. The highway congestion detection system could be installed easily and had high precision of detection. This system had been applied to Sujiahang highway and achieved good effect. It help the monitoring staff initiatively detect events and take corresponding measures， which ensured the safety and smoothness of Sujiahang highway.

expressway； congestion； micro magnetic sensors； date acqnisition； event detection

U495

B

1672-9889（2015）06-0069-03

沙薇（1983-），女，江蘇金壇人，工程師，主要從事交通信息化相關(guān)產(chǎn)品研究工作。

（2015-10-09）