胡朝暉，林 丹

(1.武漢大學遙感信息工程學院,湖北武漢 430079；2.江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局贛西地質(zhì)調(diào)查大隊測繪院，江西南昌 330201)

LiDAR在車輛檢測與智能交通信號控制中的應用探討

胡朝暉1，林 丹2

(1.武漢大學遙感信息工程學院,湖北武漢 430079；2.江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局贛西地質(zhì)調(diào)查大隊測繪院，江西南昌 330201)

城市的交通路口往往是交通管理的重點難點，傳統(tǒng)的基于圖像處理和模式識別技術的交通流信息檢測系統(tǒng)，由于其安裝簡單、獲取的信息豐富、便于維護等優(yōu)點，已經(jīng)成為交通檢測的主要發(fā)展方向，但在實際應用中還存在許多不足之處。提出了一種新的車輛檢測技術，利用地面三維激光掃描系統(tǒng)獲取道路車流量點云數(shù)據(jù)，從而對車流量進行檢測，實現(xiàn)全天候交通信號控制系統(tǒng)適應不同的交通流，優(yōu)化交通路口管理，提高道路通行能力。

智能交通；LiDAR；車流量檢測；交通信號控制

隨著汽車化社會的到來，人們已經(jīng)意識到單純地進行道路基礎設施建設已不可能從根本上解決目前交通所面臨的問題，并開始將注意力從完善交通設施和擴大路網(wǎng)規(guī)模逐步轉(zhuǎn)移到運用高新技術來優(yōu)化和管理現(xiàn)有的交通系統(tǒng)，通過建立高效、便捷的路網(wǎng)管理體系來滿足日益增長的交通需求，智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System，ITS)正是在這種條件下應運而生并得以迅速發(fā)展[1]。

智能交通監(jiān)控系統(tǒng)的主要目的是檢測交通路口的車流量信息，獲取實時、動態(tài)的交通模型，并對道路車輛的運動情況進行監(jiān)控。我國城市智能交通研究和交通路網(wǎng)的智能化水平較低，從城市交通信號的控制方式來看，主要以程序優(yōu)化以及人工調(diào)配為主，大部分城市的上下班高峰期都要派出大量警力對交通路口進行疏導，幾乎所有重要路口的交通信號控制系統(tǒng)都要人工進行調(diào)配。由于缺乏對動態(tài)交通流的實時感知能力、學習能力和應變能力,使得無法滿足更高的智能交通控制以及城市交通發(fā)展的需要。國家未來的發(fā)展規(guī)劃將繼續(xù)加大城市 ITS建設的投入：推廣交通信息服務平臺建設，提供交通信息查詢、交通誘導等服務；發(fā)展城市智能控制信號系統(tǒng)，形成智能化的交通指揮系統(tǒng)；推進大城市公共交通區(qū)域調(diào)度和相應系統(tǒng)的建設，加大電子化票務（如不停車收費系統(tǒng) ETC）的建設與應用[2]。交通控制的智能化將是解決城市道路交通擁擠、提高行車安全和運輸效率的最佳途徑，可以說“智能交通”是交通運輸進入信息時代的重要標志。

1 智能交通信號控制系統(tǒng)

交通問題作為全球所共同面對的問題，引起了世界各國的高度重視，城市交通環(huán)境的改善已迫在眉睫。而改善城市交通不外乎兩個方面：一是在控制車輛的數(shù)量同時拓寬現(xiàn)有的道路和修建高等級公路或多修路；二是充分利用現(xiàn)有的交通資源，通過信息技術、通信技術、自動控制技術等使其發(fā)揮更高的運轉(zhuǎn)效率。顯然，采用傳統(tǒng)的依靠擴大路網(wǎng)和控制車輛增加方式來解決這些問題都十分困難，只有借鑒發(fā)達國家的經(jīng)驗，盡快開發(fā)應用能夠改善道路通行性能的系統(tǒng)和產(chǎn)品，才有可能盡快解決這一日益嚴重的問題。現(xiàn)代城市交通的智能控制與管理 (UTCS)是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，而交叉路口的通行能力又是決定道路通行的關鍵所在，若對城市交通網(wǎng)絡的交叉口信號控制系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，可緩解擁堵區(qū)域的交通壓力，使交通流量在整個城市范圍內(nèi)的分配趨于合理，降低或消除對道路的瓶頸影響，提高道路的通行能力和服務水平。所以，城市交通控制的核心在于如何根據(jù)交通需求來合理分配交通資源，提高通行效率。ITS的研究目標為：以提高現(xiàn)有交通設備利用效率為主要目標的先進交通管理系統(tǒng)、信息服務系統(tǒng)、自動收費系統(tǒng)和實現(xiàn)合理交通結(jié)構(gòu)為中心的先進的公交交通系統(tǒng)；以實現(xiàn)先進的車輛控制系統(tǒng)和先進的公路系統(tǒng)為目標的著眼未來的部分[3]。其中，車輛檢測和識別是 ITS服務領域的應用基礎，它是ITS系統(tǒng)重要信息的來源。

1.1 城市交通信號控制系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

1963年，世界上第一個中心式的交通信號控制系統(tǒng)在加拿大的多倫多建成，該系統(tǒng)將檢測器的應用與交通信號控制系統(tǒng)結(jié)合起來，通過使用不同的檢測器，利用交通控制算法及通信技術進行交通管理，建立起了早期的ATMS管理中心。隨著信息技術的發(fā)展和交通流理論的不斷完善、交通模型的不斷優(yōu)化，世界上出現(xiàn)了多種城市交通信號控制系統(tǒng),如澳大利亞的SCATS系統(tǒng)、加拿大的RTOP系統(tǒng)、英國的TRANSYT和SCOOT系統(tǒng)、美國的UTCS-3GC系統(tǒng)以及ASCOT系統(tǒng)，其中TRANSYT系統(tǒng)、SCOOT系統(tǒng)和SCATS系統(tǒng)都使道路交通平均速度至少提高了10-29%，旅行時間減少10-20%，并在世界上很多城市得到廣泛應用[4]。

TRANSYT(Traffic Network Study Tools)系統(tǒng)是英國道路研究所提出的離線優(yōu)化交通網(wǎng)絡信號配時系統(tǒng)。該系統(tǒng)將車輛延誤時間和停車次數(shù)以加權(quán)和的形式折合成總運行費用 PI，以總運行費用最小為系統(tǒng)的優(yōu)化目標；控制參數(shù)為綠信比與相位差，采用“爬山法”建立數(shù)學模型進行離線優(yōu)化計算確定，再利用上位機進行控制；周期為選擇確定，即從事先確定的方案中通過對運行指標進行比較，從而選出最佳的周期。TRANSYT系統(tǒng)的缺點是計算量較大、很難獲得整體最優(yōu)的配時方案、需要大量的路網(wǎng)幾何尺寸和交通流數(shù)據(jù)等不足限制著它的發(fā)展。SCOOT(Split Cycle and Offset Optim ization Technique)系統(tǒng)是TRRL在TRANSYT系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的基于交通網(wǎng)絡協(xié)調(diào)控制的自適應控制系統(tǒng)。SCOOT模型的優(yōu)化原理與TRANSYT系統(tǒng)相似，所不同的是SCOOT系統(tǒng)是方案生成式的控制系統(tǒng)，通過安裝在交叉路口每條進口道最上游的車輛檢測器所采集的到達車輛信息，聯(lián)機處理形成控制方案，連續(xù)實時調(diào)整周期、綠信比和相位差以適應不同的交通流。SCOOT系統(tǒng)采用小步長漸進尋優(yōu)方法，無需大量的計算。SCOOT系統(tǒng)的缺點是相位不能自動增減，相序不能自動改變，需要大量的車輛檢測器，單個檢測器的失效可能引起系統(tǒng)的崩潰；飽和流率的校核未能實現(xiàn)自動化，使得現(xiàn)場安裝調(diào)試相當繁瑣。SCATS (Sydney Coordinated Adaptive Traffic System)系統(tǒng)采用地區(qū)級聯(lián)機控制，中央級聯(lián)機與脫機同時進行的控制模式；以類飽和度 (車流有效利用綠燈時間與綠燈顯示時間之比)綜合流量最大為系統(tǒng)目標；控制參數(shù)為綠信比、相位差和周期，其選取是從預先確定的多個參數(shù)中通過比較法確定；但缺乏實時交通模型的支持。SCATS系統(tǒng)的缺點是沒有實時交通模型，而是根據(jù)類飽和度和綜合流量從既定方案中選擇信號控制參數(shù)，限制了控制參數(shù)的優(yōu)化程度；選擇相位差方案時，無車流實時信息反饋，可靠性低；無法檢測到排隊長度，難以最大化消除擁擠。

1.2 道路車輛檢測技術

交通流信息采集是交通信號控制系統(tǒng)的重要基礎，實時、準確的交通流信息可以使 ITS及時獲取交通狀況信息，對交通狀況進行有效的監(jiān)控，并發(fā)出誘導信息，從而自動調(diào)節(jié)車流，減少車輛在道路順暢時在紅燈前的等待時間、疏導交通、肇事報故等；還能進一步預測未來的交通流量和道路交通狀況，為制定交通規(guī)劃、道路網(wǎng)規(guī)劃提供依據(jù)?，F(xiàn)在常用的交通信息采集設備有測速雷達、環(huán)形檢測線圈、超聲波檢測器、交通微波探測器和基于計算機圖像處理和模式識別的視頻檢測器等。按檢測器的工作方式及工作時候的電磁波波長范圍，將檢測器分成：感應線圈車輛檢測器、波頻車輛檢測器、視頻車輛檢測器等三大類[5]。

1）感應線圈車輛檢測器。感應線圈車輛檢測器屬于傳統(tǒng)的接觸式被動交通檢測技術，是目前世界上用量最大的一種檢測設備。該方法主要是將感應線圈傳感器埋于被檢測路面下，并加上高頻電流，通過自動檢測車輛通過線圈所引起的高頻電流等參數(shù)的變化，從而獲得車輛的相關參數(shù)，以識別不同類型的車輛。它由三部分組成；埋設在路面下的環(huán)形線圈傳感器、信號檢測處理單元 (包括檢測信號放大單元、數(shù)據(jù)處理單元和通信接口)及引入線。該方法對于檢測交通流量、車速和車道占有率等交通參數(shù)的準確率較高，且技術成熟易于掌握，并有成本較低的優(yōu)點。但是，這種方法也有以下缺點：在安裝線圈時必須直接埋入車道，這樣暫時會阻礙交通；切割路面面積比較大，埋置線圈的切縫軟化了路面，使路基遭到破壞；感應線圈由于自身的測量原理所限制，當車流擁堵，車間距小于3 m的時候，其檢測精度大幅度降低，甚至無法檢測，而且一個環(huán)型線圈檢測器不能同時監(jiān)測多個車道；對于一些特殊路段，如立交橋橋體表面，由于厚度限制，不能埋設線圈。

2）波頻車輛檢測器。波頻車輛檢測器是以微波、超聲波和紅外線等對車輛發(fā)射電磁波產(chǎn)生感應的檢測器。這種檢測器是通過接受由超聲波探頭發(fā)出并經(jīng)過車輛反射的超聲波來檢測車輛的，其工作原理可分為兩種：傳播時間差法和多普勒法。由于波頻車輛檢測器采用懸掛式安裝，這與需要路面埋設的感應線圈車輛檢測器相比有很多優(yōu)點。首先是不需要破壞路面，也不受路面變形的影響；其次是使用壽命長，可移動、架設方便。然而也存在許多不足之處，如設備成本較高，超聲波檢測的性能隨環(huán)境變化和氣候影響而降低，當風速6級以上時，超聲波產(chǎn)生漂移而無法正常檢測；探頭下方通過的人或物也會產(chǎn)生反射波，造成誤檢。微波多普勒檢測雖在惡劣天氣下有較好的性能，但不能檢測靜止或低速行駛的車輛；可見光檢測會面對大型車輛遮擋隨行的小型車輛，陰影和積水反射或晝夜轉(zhuǎn)換可造成檢測誤差；紅外檢測則在大雨或大雪天氣條件下性能差，受大氣中的粉塵或懸浮顆粒的影響；波頻車輛檢測器已成為目前使用量僅次于感應線圈車輛檢測器的一種檢測器。

3）視頻車輛檢測器。視頻檢測器是基于視頻圖像的檢測技術，也被稱為計算機圖像處理或人工視覺，是一種基于視頻圖像和模式識別的技術。利用視頻攝像機實時獲取道路車流圖像信息，通過光流法、背景法和幀間差法對車輛進行提取，視頻檢測技術為無數(shù)的實際應用提供了工作平臺。視頻檢測技術應用于交通領域已經(jīng)越來越廣泛，這種檢測方法省去了埋設和維護感應線圈所需要的高額費用，并且仍可以獲得大區(qū)域范圍內(nèi)的車輛檢測數(shù)據(jù)和交通參數(shù)，從而引起了國內(nèi)外的廣泛研究。與傳統(tǒng)接觸式檢測方法比較，這類非接觸式檢測方法的安裝工程量小、檢測范圍大、系統(tǒng)可靠性高，是一種很有前途的車輛檢測方式。但視頻檢測還存在很多不足有待改進，如視頻監(jiān)控在惡劣天氣條件（暴雨、大霧、雪和雷電）下難以對背景進行建模；在道路積水，夜晚的檢測精度和可靠性很低；而且在交通場景中，還存在著車輛之間相互遮擋的問題嚴重影響目標的分割；以及車燈產(chǎn)生的眩光導致圖像灰度分布不均勻等。

2 LiDAR在車輛檢測與智能交通信號控制中的應用

2.1 地面三維激光掃描系統(tǒng)

激光雷達（LiDAR-LightDetectionand Ranging）是一種高精度的激光測量技術，其基本原理是利用激光器發(fā)射激光脈沖信號，探測器接收前方物體反射的光脈沖信號，通過測定光脈沖發(fā)射和接收的時間差來確定前方物體的距離(或運行速度)，LiDAR是繼GPS以來在測繪領域的又一次技術革命[6]。地面三維激光掃描系統(tǒng)類似于傳統(tǒng)測量中的全站儀測量，系統(tǒng)由一個激光掃描儀集成一個內(nèi)置或外置的數(shù)碼相機和配套的軟件控制系統(tǒng)及電源組成，并聯(lián)合GPS進行作業(yè)，它與全站儀的不同之處在于固定式掃描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)不是離散的單點三維坐標，而是實體表面一系列的“點云”數(shù)據(jù)。這些點云數(shù)據(jù)可以直接用來進行三維建模，數(shù)碼相機的功能是提供對應掃描點云數(shù)據(jù)的紋理信息和實體的邊緣信息[7]。

2.2 LiDAR在智能交通信號控制系統(tǒng)中的應用

目前汽車系統(tǒng)設計師已經(jīng)開發(fā)成熟的LiDAR系統(tǒng)，可以根據(jù)道路交通情況自動地控制汽車速度和剎車系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)還能動態(tài)地控制與其他汽車和障礙物的距離，甚至能管理像氣囊這樣的安全功能，該技術的發(fā)展大大提高了駕駛員的舒適性和安全性[8]。

在城市重要交通路口的信號控制系統(tǒng)中集成一個地面三維激光掃描系統(tǒng)，通過地面三維激光掃描儀對道路一定距離（如300m道路長度）進行連續(xù)掃描，可以獲得道路上的實時、動態(tài)的車流量點云數(shù)據(jù)，通過對原始車流量點云數(shù)據(jù)進行去噪、平滑、分割及濾波等操作，接著進行高程的重建和數(shù)據(jù)內(nèi)插，從而可以等到高精度的車流DEM數(shù)據(jù)，利用這些車流DEM數(shù)據(jù)可以獲取道路車輛到達信息（車流量、道路占有率、排隊長度等參數(shù)），并與其他檢測設備聯(lián)機處理形成控制方案，從而連續(xù)實時調(diào)整周期、綠信比和相位差以適應不同的交通流。城市道路一般都比較寬敞平坦，信號控制系統(tǒng)也安置在重要的道路交叉口，這樣可以預先獲取路面高程并在系統(tǒng)中預設初始值。而車輛都有一定的大小和高度，即使是最矮的私家小汽車至少也有15 cm的離地高度，相當于車輛的高程要比路面的高程高出15 cm以上，根據(jù)獲取的道路車流點云數(shù)據(jù)量的大小、高程值和道路占有率可以計算出道路上的車流量信息，根據(jù)對東西向和南北向車流量大小的比較以及短暫車流量預測，從而自動調(diào)節(jié)東西向和南北向信號燈周期，其工作方式如圖 1所示。例如，在一個十字路口，根據(jù)獲取的道路點云數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)南北向車道的車流量較大，并且在未來10 s-30 s之間會出現(xiàn)車流小高峰，而在此時間段內(nèi)，東西方向的車流量相對要少的多，在未來30 s內(nèi)不會出現(xiàn)車流高峰，這時系統(tǒng)就可以自動調(diào)節(jié)信號等待時間，自動延長南北方向的車輛通行時間，而讓東西方向的車流進行等待。而其最大亮點在可以預測未來30 s時間內(nèi)的車流量大小，通過對南北向和東西向道路一定距離（例如100m-300 m的道路長度）上車流量的檢測可以預測未來的短暫車輛排隊長度，從而自動調(diào)節(jié)紅綠燈周期，如果某一方向的車流量很大，而另一方向的車流量較小，這時就可以自動延長車流量小的方向車道的紅燈時間，但還需在信號控制系統(tǒng)中預設一個固定的紅綠燈時間周期（因為還需考慮司機的忍耐程度），這樣就可以提高交通效益，最大效率地利用路網(wǎng)資源，減少擁堵，提高道路通行效率。

地面三維激光掃描系統(tǒng)在陰雨天氣或雨雪等惡劣天氣仍能正常穩(wěn)定的工作，視頻監(jiān)控的最大弱點在陰雨天氣和夜晚，而激光不受外部光源、陰影和太陽高度角的影響，在夜晚工作可以獲得與白天一樣穩(wěn)定的工作性能，所以將地面三維激光掃描系統(tǒng)應用于信號控制系統(tǒng)中將有很大的研究潛力。在夜晚，特別是晚上 9點鐘之后，道路上的車流量會明顯的減少，此時視頻檢測的可靠性和精度很低，信號控制系統(tǒng)只能按預設的固定周期進行紅綠燈的調(diào)節(jié)控制。此時三維激光掃描系統(tǒng)可以發(fā)揮其巨大優(yōu)勢，根據(jù)路面點車流云數(shù)據(jù)計算道路車流量，從而自動調(diào)整信號燈的周期和相位差，并顯著提高綠信比，以適應夜晚的交通流，從而提高車流通行效，節(jié)省旅行時間。此外，在交通事故調(diào)查中，“事故現(xiàn)場”的精確調(diào)查資料時至關重要的。由于交通事故可能發(fā)生在任何時間 (白天或夜晚)、任何天氣 (晴天、陰天或雨雪天氣)，對傳統(tǒng)的監(jiān)控方法如視頻監(jiān)控就會有很大的挑戰(zhàn)。

圖1 LiDAR工作示意圖

3結(jié)語

智能交通信號控制系統(tǒng)可以對路口交通信號燈的智能控制、道路交通流的檢測、交通密度和排隊長度的分析，還可以向交通信息顯示牌輸出道路通信信號，從而改善交通堵塞問題、疏導擁堵、提高道路通行能力，還能夠節(jié)省大量交通管理人力、物力資源。本文提出的將地面三維激光掃描系統(tǒng)應用到信號控制系統(tǒng)中，并不是取代視頻監(jiān)控，而是彌補視頻檢測和監(jiān)控的不足，使智能交通信號控制系統(tǒng)能夠獲取實時的交通模型和車流實時信息反饋，并檢測車輛排隊長度，預測短暫未來交通流趨勢，從而實時調(diào)整周期、綠信比和相位差以適應不同的交通流，減少擁堵，降低延誤，提高道路通行能力。

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Research on Application of LiDAR Technology in Vehicles Detection and Intelligent Traffic SignalControlling

by Hu Zhaohui

The urban traffic intersections are usually the focus and nodus of the traffic management.As the advantage of the simple installation and access to the rich-information and easy maintenance,the traditional traffic flow inform ation detection system based on image processing and Pattern Recognition has been the main trends of the traffic detection.However,there are many shortcomings in practice.This paper proposed a new vehicle detection to detect the traffic flow by the LiDAR to get the point cloud data of the vehicles flow,which could help the traffic signal control system adapt to the different traffic flow and optimized the management of the traffic intersection.

Intelligent Traffic System,LiDAR,vehicle flow inspection,traffic signal control （Page:114）

P208

B

1672-4623(2011)01-0114-04

2010-10-29

項目來源：精密工程與工業(yè)測量國家測繪局重點實驗室開放基金資助項目（2009-4）。

胡朝暉，碩士，研究方向為 WebGIS，LiDAR數(shù)據(jù)處理與應用。