智能交通行業(yè)中車(chē)輛檢測技術(shù)那些事

近日，騰訊11.73億入股四圖維新的消息無(wú)疑又是給智能交通行業(yè)帶來(lái)了一股新生力量。智能交通作為解決城市交通擁堵的有效突進(jìn)，近兩年快速發(fā)展，在全國范圍內得到廣泛應用，對我國城市發(fā)展有很大促進(jìn)作用。

車(chē)輛檢測技術(shù)是智能交通系統的重要組成部分，交通智能化管理需要通過(guò)車(chē)輛檢測方式采集客觀(guān)、有效的道路交通信息，獲得交通流量、車(chē)速、道路占有率、車(chē)間距、車(chē)輛類(lèi)型等基礎數據，從而有目的地實(shí)現監測、控制、分析、決策、調度和疏導等智能化手段。

目前，國內外誕生的車(chē)輛檢測器產(chǎn)品的種類(lèi)很多，技術(shù)原理和實(shí)現方式各不相同，如有線(xiàn)圈檢測、視頻檢測、微波檢測、激光檢測、聲波檢測、超聲波檢測、磁力檢測、紅外線(xiàn)檢測等。我國幅員遼闊，道路里程長(cháng)，車(chē)多人多，交通狀況比較復雜，各地交通管理部門(mén)對于車(chē)輛檢測方式的要求具有多樣性，從性能指標、產(chǎn)品成本、安裝方式、天氣路況、管理政策等方面都有諸多不同。

本文通過(guò)對國內智能交通系統應用情況的調研，結合筆者所在企業(yè)多年來(lái)在智能交通領(lǐng)域實(shí)施項目的經(jīng)驗數據，列舉了幾種國內智能交通系統中常用的車(chē)輛檢測方式的工作原理、環(huán)境適應性以及優(yōu)缺點(diǎn)分析，并對普遍采用的線(xiàn)圈檢測和視頻檢測的應用進(jìn)行重點(diǎn)研究。

1.車(chē)輛檢測方式特點(diǎn)比較

1.1線(xiàn)圈檢測方式

通過(guò)一個(gè)電感器件即環(huán)形線(xiàn)圈與車(chē)輛檢測器構成一個(gè)調諧電子系統，當車(chē)輛通過(guò)或停在線(xiàn)圈上會(huì )改變線(xiàn)圈的電感量，激發(fā)電路產(chǎn)生一個(gè)輸出，從而檢測到通過(guò)或停在線(xiàn)圈上的車(chē)輛。

線(xiàn)圈檢測技術(shù)成熟、易于掌握、計數非常精確、性能穩定。缺點(diǎn)是交通流數據單一、安裝過(guò)程對可靠性和壽命影響很大、修理或安裝需中斷交通、影響路面壽命、易被重型車(chē)輛、路面修理等損壞。另外高緯度開(kāi)凍期和低緯度夏季路面以及路面質(zhì)量不好的地方對線(xiàn)圈的維護工作量比較大的。

1.2視頻檢測方式

視頻檢測方式是一種基于視頻圖像分析和計算機視覺(jué)技術(shù)對路面運動(dòng)目標物體進(jìn)行檢測分析的視頻處理技術(shù)。它能實(shí)時(shí)分析輸入的交通圖像，通過(guò)判斷圖像中劃定的一個(gè)或者多個(gè)檢測區域內的運動(dòng)目標物體，獲得所需的交通數據。

該系統的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需破壞路面，安裝和維護比較方便，可為事故管理提供可視圖像、可提供大量交通管理信息、單臺攝像機和處理器可檢測多車(chē)道。它的缺點(diǎn)是精度不高，容易受環(huán)境、天氣、照度、干擾物等影響，對高速移動(dòng)車(chē)輛的檢測和捕獲有一定困難。因為，拍攝高速移動(dòng)車(chē)輛需要有足夠快的快門(mén)(至少是1/3000S)、足夠數目的像素以及好的圖像檢測算法的支持，視頻檢測由于需要進(jìn)行計算往往無(wú)法捕獲到高速運動(dòng)物體。

本文將在第4部分重點(diǎn)針對視頻檢測方式進(jìn)行深入分析研究。

1.3微波(多卜勒)檢測方式

微波式交通檢測器通過(guò)發(fā)射低能量的連續頻率調制微波信號，處理回波信號，可以檢測出多達8個(gè)車(chē)道的車(chē)流量、道路占有率、平均車(chē)速、長(cháng)車(chē)流量等交通流參數。微波檢測由發(fā)射天線(xiàn)和發(fā)射接收器組成。發(fā)射器對檢測區域發(fā)射微波，當車(chē)輛通過(guò)時(shí)，由于多普勒效應反射波會(huì )以不同的頻率返回，通過(guò)檢測反射波的頻率來(lái)檢測車(chē)輛是否通過(guò)。

優(yōu)點(diǎn)是在惡劣氣候下性能出色,可以全天候工作、可檢測靜止的車(chē)輛、直接檢測速度、可以側向方式檢測多車(chē)道、安裝維護方便，缺點(diǎn)是側面安裝只能區分長(cháng)車(chē)短車(chē)，相鄰車(chē)道同時(shí)過(guò)車(chē)時(shí)可能漏記車(chē)輛數。

雷達就是依據“多卜勒效應”的一種微波檢測方式。雷達先發(fā)出一個(gè)頻率為1000兆赫的脈沖微波，如果微波射在靜止不動(dòng)的車(chē)輛上，被反射回來(lái)，它的反射波頻率不會(huì )改變，仍然是1000兆赫。反之，如果車(chē)輛在行駛，而且速度很快，那么，根據多卜勒效應，反射波頻率與發(fā)射波的頻率就不相同。通過(guò)對這種微波頻率微細變化的精確測定，求出頻率的差異，就可以換算出汽車(chē)的速度。

雷達測速有效范圍大約在每小時(shí)24公里到255公里之間，測速范圍比較大，精確度也相當高。對于速度較快，車(chē)流量較少且方向統一的高速公路上面，采用微波雷達配合高速攝像機是一種不錯的選擇。而對于多車(chē)道、車(chē)輛并行、人車(chē)混雜的復雜路段，單純只使用多普勒效應的微波雷達對路口、路段違法車(chē)輛的進(jìn)行檢測，則具有較大困難，在檢測范圍內如果出現多個(gè)車(chē)輛，往往無(wú)法區分目標車(chē)輛。另外，測速雷達一般安裝在公路中間6米高的橫臂上面，如果比較高的大型車(chē)輛(如掛車(chē)、貨柜車(chē)等)經(jīng)過(guò)，由于車(chē)體比較高，造成車(chē)體頂部距離雷達太近，雷達發(fā)出的脈沖微波射在車(chē)體頂部被反射回來(lái)的距離大大縮短，往往造成了計算出來(lái)的速度值比較大，會(huì )產(chǎn)生比較大的誤差。

1.4磁力檢測方式

在鐵磁材料中會(huì )發(fā)生磁阻的非均質(zhì)現象(AMR)，當沿著(zhù)一條長(cháng)而且薄的鐵磁合金帶的長(cháng)度方向施加一個(gè)電流，在垂直于電流的方向施加一個(gè)磁場(chǎng)。合金帶自身的阻值會(huì )發(fā)生變化。利用AMR磁阻效應生產(chǎn)的AMR磁阻傳感器成功地將三維方向(x，y，z)的單個(gè)傳感器件集成在同一個(gè)芯片上，而且將傳感器與調節、補償電路集成一體化，可以很好地感測地磁范圍內低于1高斯的磁場(chǎng)，可以根據一些鐵磁物體對地磁的擾動(dòng)，來(lái)檢測車(chē)輛的存在，也可以根據不同車(chē)輛對地磁產(chǎn)生的擾動(dòng)不同來(lái)識別車(chē)輛類(lèi)型。

磁阻傳感器的優(yōu)點(diǎn)有：安裝、維修方便，不必封閉車(chē)道、破壞路面。缺點(diǎn)也非常明顯，對于縱向過(guò)于靠近的車(chē)輛的干擾排除能力較差，即當車(chē)流速度較低，前后車(chē)輛之間的離較小時(shí)對測量精度影響較大。

1.5超聲波檢測方式

超聲波檢測的原理與雷達測速類(lèi)似，都是利用“多卜勒效應”的反射原理，發(fā)射器從頂部發(fā)出超聲波，當有車(chē)輛通過(guò)時(shí)，接收器接收到回波的時(shí)間是不一樣的，據此可以判斷是否有車(chē)通過(guò)。與雷達測速不同的只不過(guò)其傳感器探頭發(fā)出的是聲波而不是電磁波。此種檢測設備的缺點(diǎn)是必須頂置安裝，安裝條件受到一定的限制，并且傳感頭在路口這種灰塵極大的惡劣環(huán)境中使用，壽命非常短。因此這種檢測方法并不實(shí)用。

1.6激光檢測方式

激光檢測為點(diǎn)測量行為，從理論上講是可行的并且檢測精度過(guò)程都相當高，但與微波雷達一樣，同樣面臨路口多道路，多車(chē)輛和多行人的三多影響，點(diǎn)測量的效率無(wú)法滿(mǎn)足監管要求，最重要的是：激光檢測中的激光束對人體(主要是人眼的傷害)是其在使用中極為嚴重的問(wèn)題。在歐美等國家又用激光測速的交通測速儀器，其性能指標不僅要達到國際Class1安全標準，同時(shí)在使用中必須用人工操控，以避免對人眼造成傷害。

在日本是嚴格禁止用激光作交通檢測設備的，因此，激光檢測在理論上講比較好，但目前在使用中的安全問(wèn)題仍未解決。

1.7紅外檢測方式

紅外檢測器是頂置式或路側式的交通流檢測器。該檢測器一般采用反射式檢測技術(shù)。反射式檢測器探頭由一個(gè)紅外發(fā)光管和一個(gè)紅外接收管組成，其工作原理是由調制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生調制脈沖，經(jīng)紅外探頭向道路上輻射，當有車(chē)輛通過(guò)時(shí)，紅外線(xiàn)脈沖從車(chē)體反射回來(lái)被探頭的接收管接收，經(jīng)紅外解調器解調再通過(guò)選通、放大、整流和濾波后觸發(fā)驅動(dòng)器輸出一個(gè)檢測信號。這種檢測器具有快速準確、輪廓清晰的檢測能力。其缺點(diǎn)是工作現場(chǎng)的灰塵、冰霧會(huì )影響系統的正常工作。

2.線(xiàn)圈檢測方式研究

線(xiàn)圈檢測技術(shù)是目前世界上應用最普遍的車(chē)輛檢測方式，其靈敏度高、技術(shù)成熟度高、計數精確、穩定性好，不受環(huán)境的影響。它的缺點(diǎn)是安裝過(guò)程對可靠性和壽命影響很大，維修或安裝需中斷交通，破壞路面，影響路面壽命。同時(shí)線(xiàn)圈易被重型車(chē)輛、路面修理等損壞，而且它的維護難度較大。

3.視頻檢測方式研究

3.1視頻檢測技術(shù)原理

視頻檢測技術(shù)是一種計算機視覺(jué)和圖像處理技術(shù)，通過(guò)視頻攝像機和計算機模仿人眼的功能，為實(shí)際應用提供實(shí)時(shí)交通信息的先進(jìn)技術(shù)。其工作原理是通過(guò)視頻攝像機和計算機模擬人眼視覺(jué)技術(shù),通過(guò)分析攝像機拍攝的交通圖像，在視頻范圍內劃定虛擬線(xiàn)圈，運動(dòng)物體進(jìn)入檢測區域導致背景灰度發(fā)生變化，從而感知運動(dòng)目標的存在，實(shí)現對車(chē)輛、行人等交通目標的運動(dòng)進(jìn)行檢測、定位、識別和跟蹤，并對檢測、跟蹤和識別的交通運動(dòng)目標的交通行為進(jìn)行分析和判斷，從而既完成各種交通數據信息的采集。

3.3視頻檢測算法優(yōu)化探討

3.3.1視頻算法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

常用的三種視頻檢測算法有著(zhù)它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)：

(1)背景差分法：攝像機固定，算法簡(jiǎn)單易于實(shí)現，在背景已知的情況下，能夠提供最完全的特征數據，并能完整地檢測出運動(dòng)目標。由于背景建模對光照、天氣變化以及突發(fā)事件等外部動(dòng)態(tài)場(chǎng)景變化極其敏感，所以當背景更新不能很好的適應變化場(chǎng)景時(shí)，無(wú)疑將影響到目標的檢測。

(2)相鄰幀差分法：采用固定攝像機，對動(dòng)態(tài)變化環(huán)境中的運動(dòng)目標檢測有較強的自適應性。在實(shí)時(shí)性方面顯示出優(yōu)越性，由于連續兩幀時(shí)間間隔短，受光線(xiàn)變化、攝像頭抖動(dòng)的影響很小。但總體來(lái)說(shuō)該方法不能完全提取所有相關(guān)的特征像素點(diǎn)，得到的背景并不是純背景圖像，故檢測結果不十分精確，在運動(dòng)實(shí)體內部易產(chǎn)生空洞現象，不利于進(jìn)一步的目標分析與識別。

(3)光流場(chǎng)法：該方法的優(yōu)點(diǎn)是在攝像機運動(dòng)存在的前提下也能檢測出獨立的運動(dòng)目標。然而，大多數的光流計算方法相當復雜，運算量很大，且抗噪性能差，除非有特殊的硬件支持，否則很難實(shí)現動(dòng)目標的實(shí)時(shí)檢測。

3.3.2視頻算法的改進(jìn)建議

(1)解決背景差分中的背景更新問(wèn)題。設定一個(gè)時(shí)間開(kāi)關(guān)t，每經(jīng)過(guò)時(shí)間t時(shí)，將當前幀與上一個(gè)背景相差分，并統計它們差值的灰度直方圖，如果有運動(dòng)目標存在，則在直方圖圖上存在至少兩個(gè)波峰，其中一個(gè)為背景其他為運動(dòng)目標，否則只有一個(gè)波峰。以此來(lái)判斷當前幀是否有運動(dòng)目標，如果沒(méi)有，即將當前幀設為背景，否則計算下一幀，直到有新背景更新為止，以此類(lèi)推，這就很好的解決了捕獲率隨著(zhù)外界變化而降低的問(wèn)題。保證了背景圖像的不斷更新。

(2)解決效率問(wèn)題。將每幀圖像分成幾塊，比如9塊，分布。在做相鄰幀差分時(shí)，第一次對應塊相差分，如果第一列的三個(gè)塊中有目標被檢測出來(lái)，則在下一次相鄰幀差分時(shí)，只計算第一列或者第三列，為了進(jìn)一步提高速度，只針對每一行進(jìn)行差分，比如第一行第一列檢測到目標，則在后面的差分中，只處理第一行的第二列或者第三列，當目標駛出第三列時(shí)，再開(kāi)始新的計算。

(3)將幾種方法相互結合，相互補償，才能達到更好的使用效果。

4.結束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)深入調研和分析，目前使用最多的是感應線(xiàn)圈和視頻檢測這兩種方式。綜合考慮使用環(huán)境、性能要求、成本、使用壽命、日常維護和系統升級等方面，在普通道路或者車(chē)流密集的情況下優(yōu)先考慮使用線(xiàn)圈檢測方式，在大橋、高架橋、隧道等不能破壞路面的情況下優(yōu)先考慮視頻檢測方式，在高速公路、快速環(huán)路等封閉型道路又需測速的情況下優(yōu)先考慮微波(雷達)檢測方式。由于當前不同檢測方式的優(yōu)缺點(diǎn)都十分明顯，所以可以采取多種檢測設備配合使用組成功能完備的綜合檢測系統，相互取長(cháng)補短。

視頻檢測技術(shù)不如線(xiàn)圈檢測方式成熟和穩定，現階段受到使用環(huán)境、檢測算法、硬件平臺等的制約，還存在一些自身缺陷有待進(jìn)一步完善和提高。但是它具有不可取代的優(yōu)越性，隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展，檢測方法的不斷更新，視頻檢測技術(shù)將會(huì )越來(lái)越多地在諸多方面取代其他檢測方式，成為交通管理工作中獲取交通信息的重要來(lái)源和手段。今后，隨著(zhù)對基于視頻的車(chē)輛檢測算法研究的不斷進(jìn)展，立體視覺(jué)檢測方式和多傳感器檢測方式將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢。