淺談智慧交通監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵技術應用及監(jiān)理措施

劉佳月

【摘 要】近年來，隨著數(shù)字化終端設備的普及，交通數(shù)據(jù)量不斷膨脹，現(xiàn)有智能交通管理水平面臨著更高的挑戰(zhàn)。“智能交通”已成為我國交通領域建設的重點項目，本文將結合我國智慧城市發(fā)展路線，從智慧交通角度出發(fā)，分析智慧交通監(jiān)控系統(tǒng)的搭建過程，以及所應用到的信息網絡技術，重點闡述智慧交通監(jiān)理的工作內容。

【關鍵詞】智慧交通 信息化監(jiān)理 監(jiān)控系統(tǒng)

1 城市交通監(jiān)控系統(tǒng)概述

城市交通監(jiān)控系統(tǒng)是采用先進的圖像識別技術、計算機網絡與通信技術、數(shù)據(jù)庫管理技術等高新技術手段形成的一個特殊系統(tǒng)。城市交通監(jiān)控系統(tǒng)架構如圖1所示。

系統(tǒng)通過位于感知層的前端監(jiān)控設備對視頻圖像進行采集和初步的分析，然后利用有線通信網或無線網絡將各監(jiān)控點的交通實時情況快速、準確地傳回后臺。后臺建設有綜合的交通管理和指揮平臺。在這個高度集成的平臺上，交通管理人員可以了解和掌控布設監(jiān)控區(qū)域的車輛通行狀況、流量等信息。同時可以對車輛違法、交通堵塞、突發(fā)事件等進行視頻取證并及時處理，從而達到非現(xiàn)場執(zhí)法的目的。城市交通監(jiān)控系統(tǒng)還貫穿于智慧交通體系之中，滿足了交通管理不同崗位上的工作者的業(yè)務需求。城市交通監(jiān)控系統(tǒng)的功能主要體現(xiàn)在交通信息的采集與處理，交通信息管理以及智能交通調控等幾個方面。

2 城市交通監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵—圖像識別技術

交通監(jiān)控系統(tǒng)的圖像識別技術是通過成像傳感器獲取道路交通圖像，然后利用前端設備的嵌入式芯片或中心機房的服務器對圖像進行處理與識別，以模仿人的視覺功能，獲得智能交通系統(tǒng)所需的有用信息。圖像識別的處理過程如圖2所示。圖像識別技術主要應用在車輛的檢測、識別、跟蹤、違章報警、流量統(tǒng)計等。

近年來，隨著經濟的發(fā)展，城市中的機動車保有量不斷增加，而受限于城市規(guī)劃和地理環(huán)境，城市的交通道路不可能無限制增加，擁堵成為大多數(shù)一線城市共同面對的難題。車輛與道路的矛盾除了導致?lián)矶?，隨之而來的是各種交通違章、交通事故的增多。交通部門的壓力與日俱增，由于警力有限，不可能純粹依靠人力對所有路段、路口實施全天候、全方位的監(jiān)控管理，所以只能依靠現(xiàn)代化科學技術手段來進行交通協(xié)管。利用圖像識別技術可以完成自動交通監(jiān)管功能，即建立所謂的“電子警察”。通過交通路口安裝攝像機，拍攝交通路口的視頻，經過計算機對數(shù)字圖像信號的閥值比對和分析處理，完成自動違章識別和自動車牌識別的任務。

自動違章識別是對動態(tài)物體（如車輛）進行識別，并對其運動軌跡進行跟蹤，然后依靠監(jiān)控區(qū)域內的道路標志和路口信號燈狀態(tài)自動判斷車輛違章情況。其中涉及的關鍵環(huán)節(jié)有：

2.1 對運動目標的檢測。

在這一環(huán)節(jié)主要采用的技術手段有背景圖像差分法、幀間差分法和光流法等圖像識別方法。這三種方法各自擁有自己的特點，結合不同實際情況使用可以取得很好的應用效果。

2.1.1 背景圖像差分法

其基本原理是首先將監(jiān)控視野內的靜態(tài)背景儲存起來。在實際運行中通過將拍攝到的實時圖片與靜態(tài)背景進行減除，將所得差的每一像素的值和預定閾值相比較，若這個像素值大于閾值，則認為這點是前景點，否則是背景點。利用這種技術解決方案時，受光線和天氣等外界條件的影響較大。因為在不同天氣、不同光照的情況下，背景圖像并不是一成不變的，因此很難構造一個理想的靜態(tài)背景圖像作為基礎；另一個問題在于預定閾值的確定，只有恰當?shù)拈撝挡拍苷_分割出目標所占的區(qū)域，而這也需要根據(jù)實際情況進行調整和確定。

2.1.2 幀間差分法

這種解決方案是通過將記錄的視頻圖像中一系列的相鄰兩幀作差分運算來獲得目標輪廓。在多個運動目標的識別中該方案可以取得良好的效果。由于視頻中兩幀圖像間隔時間很短，所以背景的變化也非常小，對差分的影響很小。其缺點在于所差分的圖像并不是由理想封閉的輪廓區(qū)域組成，得出的目標往往是局部的、不連續(xù)的，這對運動目標的識別是不利的。

2.1.3 光流法

其基本原理是給視頻中的每一個像素都設定了一個速度矢量，形成一個整體的圖像運動場，在運動的定格時刻，圖像上的點與三維物體上的點一一對應，再根據(jù)各像素點的速度矢量特征對圖像進行動態(tài)分析，根據(jù)圖像的光流矢量分析這一區(qū)域是否是連續(xù)變化，從而判斷是否有運動目標。光流法方法規(guī)避了差分時基礎靜態(tài)背景和閥值的選取工作，但是對每個像素的矢量進行分析，計算量大、易受視頻噪聲影響，依照現(xiàn)有的硬件處理能力，還不能做到圖像的實時處理，應用范圍受到一定限制。

2.2 對多目標的跟蹤

在視頻流中分割目標，再將分割的目標與上一幀圖像的目標進行匹配，從而達到跟蹤的目的。一些文獻介紹了利用目標匹配的方法實現(xiàn)多目標跟蹤，其基本原理是將當前圖像幀中的區(qū)域和已知圖像的目標區(qū)域進行匹配，如果已知的目標區(qū)域表示為一個目標列表，將當前圖像幀中的所有區(qū)域表示為一個測量列表，針對測量列表中的每一個元素，在目標列表中找到與之最相似的元素，這類方法適用于目標之間相互作用較小的情況，且與目標特征的選取關系較大。

2.3 對車輛違章的判別

在車輛運動軌跡提取之后，根據(jù)紅綠燈信號和道路交通標志線自動判別車輛違章情況。在對交通違章行為進行處理時必須記錄三個重要證據(jù)：違章畫面；違章車輛全景位置，表明該車當時確實處在違章位置；清晰的車牌號碼，明確違章車輛身份。所以只有利用了基于計算機技術的視頻監(jiān)控系統(tǒng)才能完成自動監(jiān)控。

車輛自動識別作為當前智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，逐漸形成幾種成熟、有效的識別技術，如射頻識別、車牌識別以及條形碼識別。其中條形碼識別以及射頻識別都隸屬于間接識別，很難對車輛同其車牌信息是否相真實相符進行有效識別。車牌識別是一種直接識別，不需要在車輛當中安裝相應的條形碼或者其他的射頻識別標志，且維護和使用簡便。

車牌自動識別是以攝像機拍攝的車輛畫面作為輸入圖像，利用計算機圖像處理和模式識別技術識別車牌字符。目前的技術水平為字母和數(shù)字的識別率可達到96%，漢字的識別率可達到95%。中國軟件評測中心同時提供專業(yè)的第三方測試服務，為項目建設成果保駕護航。

車牌識別系統(tǒng)有兩種觸發(fā)方式，一種是外設觸發(fā)，另一種是視頻觸發(fā)。如圖3所示。

外設觸發(fā)工作方式是指采用線圈、紅外或其他檢測器檢測車輛通過信號，車牌識別系統(tǒng)接受到車輛觸發(fā)信號后，采集車輛圖像，自動識別車牌，以及進行后續(xù)處理。

視頻觸發(fā)方式是指車牌識別系統(tǒng)采用動態(tài)運動目標序列圖像分析處理技術，實時檢測車道上車輛移動狀況，發(fā)現(xiàn)車輛通過時捕捉車輛圖像，識別車牌照，并進行后續(xù)處理。視頻觸發(fā)方式不需借助線圈、紅外或其他硬件車輛檢測器。

3 城市交通信息管理系統(tǒng)的應用

城市交通信息管理系統(tǒng)包含車輛信息采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)集中管理以及信息存儲于一體的綜合系統(tǒng)，將采集的信息經過分析、處理、提煉，并結合地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographical Information System）可以動態(tài)查詢車輛信息、跟蹤車輛、自動形成路況信息，通過現(xiàn)代通信手段向外實時發(fā)布相關信息，以及發(fā)送相關車輛的違章信息。

城市交通信息管理方式是以車牌號作為車輛的唯一身份，配合自動車輛識別系統(tǒng)進行半自動或人工方式進行管理。因此，有必要在城市交通信息管理系統(tǒng)中引入更先進的身份標識傳感器以實現(xiàn)自動化管理。

4 城市交通監(jiān)控系統(tǒng)建設監(jiān)理措施

北京賽迪工業(yè)和信息化工程賽迪監(jiān)理中心有限公司隸屬于國家工業(yè)和信息化部中國電子信息產業(yè)發(fā)展研究院，依托工業(yè)和信息化部計算機與微電子發(fā)展研究中心（中國軟件評測中心）和賽迪信息產業(yè)（集團）有限公司的優(yōu)質資源，業(yè)務涵蓋信息工程、智能交通、智慧城市、涉密工程、運維管理等類型。城市交通監(jiān)控系統(tǒng)建設的監(jiān)理工作將重點放在感知系統(tǒng)設備安裝，軟件系統(tǒng)開發(fā)兩方面。本節(jié)主要對城市交通信息管理系統(tǒng)開發(fā)整個賽迪監(jiān)理實施進行闡述，對前端設備選型、監(jiān)控點位進行描述，具體設備安裝工藝不再作具體介紹。

4.1 城市交通監(jiān)控系統(tǒng)感知設備選型監(jiān)理措施

前端監(jiān)控設備系統(tǒng)建設主要包括監(jiān)控點位確認、現(xiàn)場踏勘、施工圖紙設計、立桿、設備安裝調試、纜線敷設、系統(tǒng)聯(lián)調測試、系統(tǒng)驗收等施工工作。設備選型需從視頻采集、傳輸、控制、顯示、存儲等方面進行考慮。同時還要考慮外圍因素，如存儲設備接入視頻流的最少節(jié)點、讀寫速度、網絡帶寬等。選擇符合本項目需求的設備不僅可以達到項目建設的最終目的，也可以減少因設備問題后續(xù)施工產生的不良后果。所以在設備選型上，賽迪監(jiān)理人員應堅持設備選型一致性、確保技術參數(shù)相同，減少設備與設備間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗袉栴}。保證了應用效果的統(tǒng)一，為項目整體系統(tǒng)擴充、更新?lián)Q代打好了基礎。項目所用產品必須滿足合同和規(guī)范要求，國家強制執(zhí)行第三方檢測的設備需提供檢測報告上交賽迪監(jiān)理人員審查。

4.2 城市交通監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控布點監(jiān)理措施

監(jiān)控點的分布設計主要以道路、交通設施情況、人口分布程度等因素共同決定。對重點政府機構、軍隊駐地、繁華商業(yè)街區(qū)、城市公共交通樞紐，人口稠密地區(qū)，易擁堵的道路周邊監(jiān)控點分布密度相對較大。對稀疏地區(qū)，山林等交通順暢地區(qū)，監(jiān)控點宜減少。

賽迪監(jiān)理應參與監(jiān)控點設備的到貨安裝全過程，因城市交通系統(tǒng)前端感知點位較多，賽迪監(jiān)理方可采取分批檢查或抽查的方式對承建方的工作進行監(jiān)督和管理。在后期設備全部接入后，可要求承建單位提交監(jiān)控測試計劃，制定監(jiān)測攝像機檢查方案。

4.3 城市交通信息管理系統(tǒng)建設監(jiān)理措施

對交通信息管理系統(tǒng)開發(fā)需求內容的確認是整個軟件開發(fā)實施階段尤為重要的工作。此階段監(jiān)理人員應對承建單位需求分析和設計階段工作成果進行評審，保障軟件需求分析設計過程和產品符合規(guī)范和要求。

4.3.1 城市交通信息管理系統(tǒng)需求分析階段

賽迪監(jiān)理主要任務是聽取業(yè)主單位從業(yè)務角度出發(fā)提出的對開發(fā)方設計的意見，對軟件交通信息管理系統(tǒng)需求分析過程、需求分析活動、概要設計內容、詳細設計內容等進行審查，確認是否滿足要求：給出是否符合要求的結論；確定其可否作為軟件開發(fā)的前提和相關依據(jù)。從文檔的規(guī)范性、可實施性出發(fā)，以國家相關標準為依據(jù)，從軟件工程學的角度對承建單位提出意見與建議，配合業(yè)主單位工作，敦促承建單位做好工程項目的設計工作。在設計階段，賽迪監(jiān)理主要針對需求的覆蓋性及可跟蹤性、模塊劃分的合理性、接口的清晰性、技術適用性、技術清晰度、可維護性、約束與需求的一致性、可測試性、對軟件設計的質量特性的評估、對軟件設計的風險評估、對比情況、文檔格式的規(guī)范性等方面進行評審。在此過程中，業(yè)主單位也需要對設計文檔進行檢查，主要在功能設計是否全面準確地反映了需求、輸入項是否完全與正確并符合需求、輸出項是否符合需求、與外界的數(shù)據(jù)接口是否完全與正確并符合需求、各類編碼表是否完全與準確并符合需求、界面設計是否符合需求、維護設計是否符合需求、各類數(shù)據(jù)表格式和內容是否符合要求、是否存在其他有疑問的設計等方面進行核查。

4.3.2 城市交通信息管理系統(tǒng)設計階段

在交通監(jiān)控系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中，賽迪監(jiān)理應監(jiān)督承建單位嚴格按照工程設計階段所制定的進度計劃、質量保證計劃、系統(tǒng)設計進行開發(fā)工作，檢查承建單位是否按照設計中制定的規(guī)范與計劃進行編碼與測試。同時注意軟件版本控制，檢查單元測試、集成測試、系統(tǒng)測試。如有必要，宜進行壓力測試、安全性測評等。確認測試是否按計劃進行并有測試與修改記錄、測試環(huán)節(jié)是否按計劃進行，問題發(fā)現(xiàn)與解決是否有文檔記錄。

本類系統(tǒng)涉及多個子系統(tǒng)，多類接口的接入，多種數(shù)據(jù)輸入，實現(xiàn)圖像處理、數(shù)值分析、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)較為復雜，功能點多。賽迪監(jiān)理應積極協(xié)助建設單位檢查違章車輛的抓拍能力，是否有漏拍情況，車牌拍攝質量等合同中提及的內容進行主觀篩查。要求承建單位制定系統(tǒng)功能測試表，包括圖像接入情況、信息處理的真實性、違章環(huán)節(jié)的處理情況等，以便各方人員的檢查、問題統(tǒng)計、解決情況等。賽迪監(jiān)理此時應積極做好業(yè)主方和承建方之間的協(xié)調工作，在保證項目質量前提下確保項目順利推進。

5 結語

目前我國的城市交通監(jiān)控系統(tǒng)對于系統(tǒng)的運行環(huán)境具有非常強的依賴，受到外來各種因素的干擾和影響較多，隨著計算機視覺、圖像處理、模式識別等技術的不斷發(fā)展和成熟，也從某種程度上促進和完善了我國的智能交通系統(tǒng)。中國軟件評測中心，作為國內權威的第三方軟、硬件產品及信息系統(tǒng)工程質量安全與可靠性檢測機構，全方位從咨詢、測試、監(jiān)理等方面提供優(yōu)質服務。作為中國軟件評測中心的一員，賽迪監(jiān)理工程師將不斷學習新一代領先技術，憑借豐富的智慧交通項目管理經驗，為業(yè)主單位提供強有力的支持和依靠。