卡口系統(tǒng)是系統(tǒng)工程，其成功與否取決于所有設(shè)備間有效的協(xié)調(diào)工作。卡口系統(tǒng)的性能跟工程設(shè)計和施工質(zhì)量也有很大的關(guān)系。高捕獲率和高圖像質(zhì)量是卡口系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。

智能卡口系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，已成為智能交通及平安城市工程中應(yīng)用最為廣泛且不可或缺的系統(tǒng)，是機(jī)動車通行自動監(jiān)測最重要的手段，卡口系統(tǒng)的應(yīng)用在提高涉車案件偵破率、緩解交通擁堵、提高道路通行效率、提供車輛出行服務(wù)方面發(fā)揮著越來越重要的作用，政府相關(guān)主管部門對卡口系統(tǒng)的重視程度也越來越高，建設(shè)的力度也越來越大。

卡口系統(tǒng)技術(shù)需求

從應(yīng)用方向看，卡口系統(tǒng)最重要的性能指標(biāo)包括四方面：高捕獲率、高質(zhì)量圖像、高識別率、高穩(wěn)定性。

高捕獲率：全天候車輛捕獲率不低于99%，不僅要求有可靠的車輛檢測手段，還需要整套系統(tǒng)運(yùn)行的各個環(huán)節(jié)保證不能出現(xiàn)車輛漏檢漏拍；

高質(zhì)量圖像：各種環(huán)境光線下拍攝的車輛圖片必須是清晰可辨的，需要有清晰的車輛、車牌特征，和較好的司乘人員面部特征；

高識別率：自動識別的車輛特征準(zhǔn)確可靠，車牌識別率要達(dá)到95%以上；

高穩(wěn)定性：卡口系統(tǒng)需要7×24小時不間斷工作，所以穩(wěn)定性是一個非常重要的指標(biāo)。

綜上所述，卡口系統(tǒng)是系統(tǒng)工程，其成功與否取決于所有設(shè)備間有效的協(xié)調(diào)工作?？谙到y(tǒng)的性能跟工程設(shè)計和施工質(zhì)量也有很大的關(guān)系。

高捕獲率和高圖像質(zhì)量是卡口系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是我們本文闡述的重點。

卡口檢測技術(shù)分析

目前比較成熟的檢測技術(shù)包括：地感線圈、窄波雷達(dá)和視頻檢測，視頻檢測主要采用基于虛擬線圈的檢測和基于車輛建模的檢測以及兩種方式的綜合。

任何領(lǐng)域都沒有全能的技術(shù)，每種檢測方式的工作原理決定了它的功能和限制，表1從幾個方面對現(xiàn)有幾種技術(shù)進(jìn)行了分析對比。

綜上所述，每種檢測方式均有其適用范圍。項目實施時應(yīng)盡可能根據(jù)建設(shè)點的具體情況合理選擇。但受現(xiàn)在政府招標(biāo)模式的限制和設(shè)備提供廠家的技術(shù)側(cè)重點不同，招標(biāo)時選擇建設(shè)方案會有一定的傾向性，往往造成后期部分系統(tǒng)運(yùn)行情況不佳，影響系統(tǒng)的使用和項目驗收。隨著相關(guān)部門管理人員對行業(yè)理解的加深，能提供綜合解決方案的廠商將會在市場逐步占據(jù)優(yōu)勢。

表1：常規(guī)檢測方式對比表

傳統(tǒng)卡口檢測方式的技術(shù)發(fā)展雖然已比較成熟，但是還存在實用性方面的限制，因此，我們逐步將一些新興技術(shù)應(yīng)用到智能卡口系統(tǒng)中，對現(xiàn)有技術(shù)形成很好的補(bǔ)充，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步提升和成本的降低，將有可能逐步取代現(xiàn)有技術(shù)。

目前翔迅科技已經(jīng)將地磁檢測技術(shù)、激光檢測技術(shù)、多目標(biāo)雷達(dá)檢測技術(shù)應(yīng)用于卡口系統(tǒng)中。

地磁檢測

即利用GMR地磁傳感器實現(xiàn)車輛的檢測。GMR是Giant Magneto Resistive的簡寫，中文稱為巨磁阻效應(yīng)。GMR效應(yīng)是指：外部磁場的微量變化可使特定材料的電阻發(fā)生巨大變化。GMR效應(yīng)是由幾納米厚的多層金屬膜的磁場產(chǎn)生的電阻變化導(dǎo)致的。簡單來說，該金屬膜由具備固定的穩(wěn)定磁化方向（參考方向）的參考層和磁化方向由外部磁場決定（如指南針）的傳感層構(gòu)成。傳感層和參考層通過僅為幾個原子厚的銅層隔開，從而產(chǎn)生GMR效應(yīng)。施加的磁場和傳感器參考層之間的角度決定了金屬膜的電阻變化。

地球是一個大磁鐵，地球表面的磁場大約為0.5Oe，地磁場平行地球表面并始終指向北方，地磁場在一定的空間范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，為檢測器形成一個穩(wěn)定的磁背景。各種不同的車輛進(jìn)入地磁場中都有其自身特征的磁場分布，當(dāng)車輛靠近GMR傳感器時，會使周圍的磁場產(chǎn)生輕微的變化，GMR傳感器可檢測到這種變化，從而發(fā)現(xiàn)車輛。利用GMR傳感器不僅可探測靜止車輛的狀況進(jìn)而用在交通燈處的交通控制和停車場處停車位置的監(jiān)控，而且也可探測移動車輛的情況。具體來說，埋設(shè)在高速公路邊的GMR傳感器可以計算和區(qū)別通過傳感器的車輛。如果同時分開放置兩個GMR傳感器，還可以探測出通過車輛的速度和車輛的長度。

地磁檢測器可以設(shè)計成較小的尺寸，一般只需在路面打直徑9CM，深度10CM的孔即可安裝，大大降低施工難度，且一般的路面損傷不會對其產(chǎn)生影響。由于功耗極低，地磁檢測器采用內(nèi)置電池供電可提供超過5年的工作時間，無需線纜連接。地磁檢測器通過Zigbee技術(shù)實現(xiàn)無線聯(lián)網(wǎng)，使用和配置均比較方便。如地磁傳感器可替代地感線圈，將大大減少道路施工時間，降低施工成本。

應(yīng)用于智能卡口的地磁檢測器設(shè)計時序需考慮兩個關(guān)鍵問題：檢測器對高速運(yùn)動車輛可實時檢測并發(fā)出檢測信號，應(yīng)用于同一車道的一組檢測器有一致的定位精度。

地磁檢測器對一般車輛的響應(yīng)距離在1米左右，為保證可實時檢測車輛對車輛精確定位，需要保證每輛車至少有100個采樣點，檢測器的采樣周期需要小于1.2ms，這要求檢測器具備較高運(yùn)算能力的同時保持較低的功耗，對硬件設(shè)計要求較高。

為保證測速精度，需要車輛在距離檢測器同樣的距離被檢測到，因此每組檢測器的靈敏度需要保持一致，需要對檢測器的檢測算法和參數(shù)進(jìn)行精確的調(diào)校。

針對智能卡口的應(yīng)用場景，翔迅公司在地磁檢測器的硬件設(shè)計上選用高性能低功耗微處理器，并通過控制算法的優(yōu)化，降低其在無車時的功耗，使檢測器在較高的檢測周期下還保持較低的功耗，保持長期穩(wěn)定運(yùn)行。檢測器出廠時均經(jīng)過一致性調(diào)校，在現(xiàn)場還可以通過軟件快速完成檢測器靈敏度設(shè)置，可保證工程應(yīng)用中達(dá)到較高的檢測和測速精度。

地磁檢測器的適用場景，可快速施工安裝，適用于城市快速路、高速公路等封路施工較困難的道路。

激光檢測

激光檢測技術(shù)應(yīng)用十分廣泛。激光測量是一種非接觸式測量，不影響被測物體的運(yùn)動，精度高、測量范圍大、檢測時間短，具有很高的空間分辨率。

智能卡口的激光檢測技術(shù)是激光測距技術(shù)的一種應(yīng)用。

激光測距原理：先由激光發(fā)射器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時間，即可測定目標(biāo)距離。道路上使用的激光測距器精度可達(dá)到5cm。

激光檢測器一般安裝在道路上方，以每秒32KHz的掃描速度進(jìn)行檢測，通過車輛不同部位與檢測器距離的不同，可掃描出通行車輛的外輪廓。通過兩個間隔一定距離安裝的檢測器，可計算出車輛運(yùn)行速度和運(yùn)行方向。

激光發(fā)射器發(fā)射的是點光束，無法覆蓋整條車道，為避免車輛漏檢，可通過安裝波束擴(kuò)散器，將波束擴(kuò)展到整條車道。

相對于其他檢測技術(shù)，激光檢測不僅可準(zhǔn)確定位車輛，測量車輛速度，還可以根據(jù)輪廓對車輛準(zhǔn)確分型，并且不受車輛排隊限制，是比較理想的車輛檢測手段。成本較高是激光檢測器的缺點。

激光檢測適用場景：適用于車流密度較大的城市道路，同時有車輛分型統(tǒng)計要求的場合。

多目標(biāo)雷達(dá)

目前常用的窄波雷達(dá)通過對車輛的更高的指向性和波束覆蓋區(qū)域更小的性能，從而一定程度上避免了相鄰車道目標(biāo)的干擾，可以在一定角度下，相對比較精準(zhǔn)的定位車輛，可用于卡口攝像機(jī)的觸發(fā)拍照。但是，窄波的定位是通過波束的相對較窄來取得定位能力的，不是精準(zhǔn)定位，因此，仍然會有一定數(shù)量的目標(biāo)定位不準(zhǔn)或漏檢的情況發(fā)生。每臺窄波雷達(dá)只能覆蓋一條車道，使用更多的設(shè)備數(shù)量也提高了施工難度和故障率。

多目標(biāo)雷達(dá)技術(shù)源于軍用的相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)。相控陣?yán)走_(dá)（Phased Array Radar）即電子掃描陣列雷達(dá)（AESA），可通過改變天線表面陣列所發(fā)出波束的合成方式，來改變波束掃描方向的雷達(dá)。目前使用的電子掃描方式包括改變頻率或者是改變相位的方式，將合成的波束發(fā)射的方向加以變化。

多目標(biāo)雷達(dá)輸出的目標(biāo)數(shù)據(jù)不僅包括車輛的速度，而且還包括車輛的空間位置信息（距離、水平角度、垂直角度），通過坐標(biāo)換算，可計算出目標(biāo)在地面的精準(zhǔn)位置，其定位精度可達(dá)0.25米，可準(zhǔn)確分析目前車輛處于哪條車道。通過目標(biāo)反射雷達(dá)波強(qiáng)度，可區(qū)分目標(biāo)大小，對目標(biāo)進(jìn)行初步的分型，可區(qū)分大型車、轎車、自行車、行人等目標(biāo)。通過數(shù)字信號處理技術(shù)，可實現(xiàn)對數(shù)十個目標(biāo)的連續(xù)跟蹤，記錄目標(biāo)運(yùn)動軌跡。

圖1：激光檢測工作原理圖

圖2：激光檢測波束擴(kuò)散示意圖

圖3：多目標(biāo)雷達(dá)水平及垂直波束覆蓋示意圖

一臺多目標(biāo)雷達(dá)可同時檢測4-8車道的車輛目標(biāo)，可替代多臺窄波雷達(dá)，分別控制每條車道的相機(jī)抓拍車輛，也可配合更高分辨率的攝像機(jī)實現(xiàn)單相機(jī)多車道車輛抓拍，可大大降低現(xiàn)有卡口系統(tǒng)的施工成本，提高系統(tǒng)可靠性。

翔迅科技的多目標(biāo)雷達(dá)卡口產(chǎn)品提供單相機(jī)單車道或單相機(jī)多車道的不同解決方案，用戶可根據(jù)工程項目的實際需求合理選擇。

卡口成像技術(shù)分析

經(jīng)過多年的發(fā)展，智能卡口系統(tǒng)使用的攝像機(jī)經(jīng)歷了標(biāo)清攝像機(jī)、高清工業(yè)相機(jī)、高清抓拍機(jī)、智能一體機(jī)等幾個時代?？谟孟鄼C(jī)目前的發(fā)展趨勢仍然是：更高的分辨率、更高的幀率，更強(qiáng)的算法處理能力。

圖4：雷達(dá)多目標(biāo)跟蹤示意圖

圖5：攝像機(jī)不同分辨率場景對比圖

目前常規(guī)的卡口系統(tǒng)一般使用200萬像素攝像機(jī)拍攝一條車道，拍攝場景見圖5，此場景下可拍攝清晰的車牌和人臉照片。如果需要單相機(jī)拍攝多車道車輛，為保證車牌與人臉質(zhì)量，水平像素需要按比例提高，2車道需要300萬-500萬像素，3車道需要800萬像素。高像素大場景可以為卡口生成真正意義上的“全景圖像”，為事后分析提供除車輛以外更多的圖像信息。

為減少拍攝車輛延遲，卡口攝像機(jī)的幀率也在不斷提升，200萬像素攝像機(jī)的幀率從15幀/秒提高到30幀/秒甚至到50幀/秒，500萬像素攝像機(jī)的幀率從7.5幀提高到15幀/秒。對200萬相機(jī)拍攝單車道而言，目前的幀率已能滿足實時抓拍的要求。隨分辨率的提升，拍攝范圍增加，同時拍攝車輛的可能性也增加，越高分辨率的攝像機(jī)對幀率有更高的要求。從現(xiàn)在的CCD制造工藝上看，幀率的提升已達(dá)到瓶頸，需等待元件制造商的技術(shù)突破。CMOS攝像機(jī)在成像幀率上相對CCD有很強(qiáng)的優(yōu)勢，長遠(yuǎn)來看是未來技術(shù)發(fā)展的方向。

攝像機(jī)內(nèi)智能分析芯片的處理能力在近幾年有了很大的提升，使得一些交通領(lǐng)域的視頻算法例如：車牌識別和視頻檢測等都得以集成到相機(jī)中。多核處理器不僅有DSP內(nèi)核可以運(yùn)行算法，還有強(qiáng)勁的ARM內(nèi)核可以用作更多外設(shè)的控制，使得原來的一些必須在后端主機(jī)上實現(xiàn)的功能逐步移植到相機(jī)中。針對嵌入式多核處理器的開發(fā)提高了技術(shù)進(jìn)入門檻，一些開發(fā)能力較弱的廠商逐步被淘汰。

結(jié)束語

我國幅員遼闊，南北、東西各5000公里的跨度不僅使得地理、氣候上有較大差異，而且?guī)韰^(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不均衡，因此，智能卡口系統(tǒng)的設(shè)計建設(shè)需要綜合考慮道路規(guī)劃、環(huán)境因素、投資水平等多方面因素，因地制宜的選取技術(shù)方案，更好的發(fā)揮智能卡口系統(tǒng)的作用。