摘 要：以視頻攝像機為主，以線圈、雷達等采集設(shè)備為輔，采集路段的交通流隊列，以視頻圖像處理技術(shù)對視頻數(shù)據(jù)進行實時分析處理，預(yù)測識別路段是否存在交通溢流現(xiàn)象，若存在，則及時啟動溢流控制器，實現(xiàn)路段交通的反饋控制。

關(guān)鍵詞：交通溢流；視頻反饋；智能調(diào)控

隨著人類社會的進步，物質(zhì)生活飛速發(fā)展，汽車已經(jīng)成為必不可少的交通工具。問題也隨之出現(xiàn)，“堵車”已經(jīng)成為家常便飯。交通擁擠不但降低了城市的活力，延長了居民的出行時間和成本，嚴重降低工作效率，影響了居民的生活質(zhì)量。城市交通擁堵的表現(xiàn)形式主要是路段溢流。由于交叉路口的瓶頸作用，使得駛?cè)肼范蔚能囕v數(shù)量大于駛出路段的數(shù)量而形成排隊，若交通信號協(xié)調(diào)配時不當(dāng)，隨著時間的演化，滯留在路段上的車輛數(shù)逐漸增多，當(dāng)車輛排隊超出路段長度的時候，部分車輛占據(jù)上游交叉口，這就是典型的交通溢流現(xiàn)象。如果不加以預(yù)防和控制，整個城市會因為交叉路口處的車輛互相鎖死而導(dǎo)致大規(guī)模的交通擁堵，最終結(jié)果將會使整個城市的交通處于癱瘓狀態(tài)，造成極大的經(jīng)濟損失。

山東省會城市濟南，每當(dāng)上下班高峰期，主干道路上車流浩浩蕩蕩，次干道上車輛舉步維艱，“鋼鐵長龍”、“高架停車場”現(xiàn)象司空見慣。當(dāng)前濟南市部分主干路段，如經(jīng)十路、歷山路，在上下班高峰時間，經(jīng)常發(fā)生交通溢流現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)從山大路開始，順次溢流到羊頭峪東溝街、山師東路、歷山路的情況，造成連鎖響應(yīng)影響周圍的眾多主干路，導(dǎo)致局部路網(wǎng)在一定時間內(nèi)的交通癱瘓，極大地影響了群眾的出行效率，帶來了間接的社會效益和經(jīng)濟效益的損失。

當(dāng)前，國內(nèi)交通溢流主要是通過交通警察的人工參與來疏導(dǎo)和控制。因此，通過研究交通溢流的形成機理，探索交通信號的協(xié)調(diào)控制策略，實現(xiàn)交通溢流的自動識別和控制，不僅對濟南市，而且對國內(nèi)眾多其他城市而言，也具有重大的理論意義和實際的應(yīng)用價值。

濟南市城市智能交通系統(tǒng)管理平臺，實現(xiàn)的功能包括集成指揮中心各職能子系統(tǒng)于一個統(tǒng)一的操作平臺；采集各子系統(tǒng)產(chǎn)生的信息集中到交通管理信息中心；監(jiān)視全市范圍內(nèi)的交通態(tài)勢；對交通事件進行指揮調(diào)度；預(yù)案及輔助決策支持；對業(yè)務(wù)部門及社會提供信息服務(wù)等。

交通信號控制系統(tǒng)作為智能交通管理平臺的核心業(yè)務(wù)之一，目前實現(xiàn)的功能包括：（1）信號控制設(shè)備的管理，即系統(tǒng)信號機設(shè)備信息維護和信號機參數(shù)設(shè)置；（2）設(shè)備及信號狀態(tài)的實時監(jiān)視與報警，即以多種方式顯示設(shè)備工作狀態(tài)和信號狀態(tài)以及自動記錄并提示設(shè)備或通訊狀態(tài)的異常與故障；（3）交通信號控制方案管理，即控制方案顯示、編輯；控制方案上傳、下載；（4）信號控制功能，即系統(tǒng)定期自動對時；中心協(xié)調(diào)控制、本地感應(yīng)控制、本地時間表控制、中心手動配時、閃光控制等控制方式；（5）控制區(qū)域管理，即控制區(qū)域劃分和子區(qū)控制策略管理等。

濟南市目前的交通信號控制系統(tǒng)在城市交通管理與控制方面發(fā)揮了重大的作用，保障了全市人民出行的便捷與安全。但是，在交通溢流發(fā)生的情況下，目前所能采取的措施，主要仍是依靠現(xiàn)場交通警察的指揮，或者警察現(xiàn)場調(diào)配信號機狀態(tài)來人為干預(yù)，缺少一種集中式、自動化的控制手段，濟南市的交通路口有近千個，而溢流的發(fā)生又具有一定的不確定性、隨機性，因此通過派駐警察的方式工作量過大，且警察之間的統(tǒng)一通信調(diào)度指揮也很困難，很難實現(xiàn)人工方式下的最優(yōu)協(xié)調(diào)與控制。因此，以系統(tǒng)科學(xué)的觀點，從中心級實施統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制的角度出發(fā)，開發(fā)一套路段溢流的交通控制系統(tǒng)，勢在必行。

1.1 交通溢流視頻圖像處理技術(shù)

因視頻技術(shù)以近似“人眼”的識別功能，能夠避免大部分的誤識別，且可幫助交通管理人員人為識別，因此視頻交通路況獲取技術(shù)比線圈、雷達等技術(shù)更適合于交通溢流現(xiàn)象的識別和分析。交通溢流的識別也是實施控制的前提條件，研究中以DirectShow、OpenCV技術(shù)和幀差法、背景圖像消除法、光流法等為基礎(chǔ)，結(jié)合濟南市路網(wǎng)的實際特征，解決交通溢流現(xiàn)象的識別問題。

1.2 交通溢流情形下的交通流波動特性

交通流具有波動特性，交通溢流是一種特殊的交通事件，在該情況中，交通流中的車輛流明顯具有與常規(guī)交通流不同的特性，此時的交通波的波長、波速等參數(shù)呈現(xiàn)的特點和具有的特性，將決定著后期交通溢流現(xiàn)象預(yù)測的時長以及精度問題。

1.3 交通溢流預(yù)測建模技術(shù)

為了更好地實現(xiàn)交通的管理與控制，希望盡早地發(fā)現(xiàn)交通溢流現(xiàn)象，這即是交通溢流的預(yù)測技術(shù)。如何將這些模型與濟南市交通的實際情況結(jié)合起來，科學(xué)合理地標定模型中的參數(shù)，是要重點解決的問題之一。

1.4 交通溢流路段交通信號控制算法

在常規(guī)交通流優(yōu)化算法（周期、綠信比和相位差優(yōu)化）的基礎(chǔ)上，仍不可避免地發(fā)生交通溢流的情況下，采取何種模型實施控制，是能否解決交通溢流問題的關(guān)鍵。從傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模的角度和人工智能的方法（如模糊控制、專家系統(tǒng)等）探討模型的建立及求解算法。

1.5 路段溢流控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)集“溢流識別-溢流預(yù)測-溢流控制-方案評價”于一體，具備上述研究得到的各項技術(shù)成果，即交通溢流視頻圖像處理、交通溢流波動特性顯示、交通溢流預(yù)測功能、交通信號控制方案生成功能等；且具備降階控制能力，即控制中心確實無法實現(xiàn)自動控制的情況下，交通警察能夠根據(jù)生成的交通溢流信號控制預(yù)案，采取遠程（中心）人工手動調(diào)節(jié)交通信號配時的功能。

2 所需配置

2.1 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)軟件

環(huán)境配置：Vs.net2005， c/s架構(gòu)；實現(xiàn)的功能包括圖像的點運算、幾何運算、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)圖像處理方法、頻率變換、圖像平滑與去噪、邊緣檢測、圖像分割、圖像壓縮編碼和彩色圖像處理等相關(guān)技術(shù)，可作為進一步研究數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)平臺。

2.2 交通視頻圖像處理系統(tǒng)

環(huán)境配置：VC++6.0；OpenCv1.0；DXSDK_SUM2004；Microsoft Platform SDK February 2003；實現(xiàn)的功能包括：視頻設(shè)備的輸入選擇、輸入視頻圖像的實時顯示、邊緣檢測算法如sobel算法等、運動跟蹤算法（Laplician算法、光流法等）、視頻輸入文件的邊緣檢測與運動跟蹤等。

3 創(chuàng)新點

3.1 基于視頻圖像處理的交通溢流模型

結(jié)合DirectShow、OpenCV、模式識別技術(shù)，對交通流進行視頻圖像處理，提取路段車隊信息和路網(wǎng)信息，建立基于視頻圖像處理的交通溢流模型。

3.2 交通溢流情況下的交通流后向波動速度模型

通過理論推導(dǎo)、數(shù)值仿真等手段，以交通流理論為基礎(chǔ)探討交通溢流情況下的交通波的傳播特性，建立基于物理排隊的交通流后向波傳播速度模型。

3.3 基于視頻反饋的交通溢流發(fā)生時間預(yù)測模型

以視頻設(shè)備為主要采集手段，根據(jù)視頻圖像分析處理結(jié)果，結(jié)合其他交通流檢測手段，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能化算法建立交通溢流發(fā)生時間的預(yù)測模型。

交通溢流情形下的交通流后向波動行為建模的技術(shù)路線：首先對某路段的上下游路口施以控制，通過數(shù)值模擬再現(xiàn)路段溢流現(xiàn)象，分析擁擠情況下交通流“物理排隊”的后向波動行為；其次，畫出各種信號控制作用下路段交通溢流產(chǎn)生過程中的交通流量、速度和密度的相互關(guān)系圖；利用非線性分析方法，結(jié)合車流波動理論解析計算出車輛進行排隊時后向波的傳播速度，為后續(xù)交通溢流的強制控制研究提供重要的理論依據(jù)；最后，通過數(shù)值仿真模擬再現(xiàn)整條經(jīng)十路交通溢流的形成及其傳播過程，配置主干路所有單元的信號周期、綠信比、相位差等，觀測主干道路交通溢流的形成、演化過程，描述出主干道路的交通流量、速度和密度之間的相互關(guān)系，通過兩兩關(guān)系演化圖，分析三者之間基本關(guān)系的變化趨勢，挖掘出某路段交通溢流形成后在主干道路上造成交通擁擠的內(nèi)在機理和傳播規(guī)律，為后續(xù)整條主干路的優(yōu)化控制研究提供理論基礎(chǔ)。

該系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，在促進交通信號控制系統(tǒng)的發(fā)展、完善方面也有著不可替代的作用，將彌補當(dāng)前系統(tǒng)缺少溢流控制的功能不足，使交通控制系統(tǒng)能更好地滿足交通發(fā)展的需要。