王亞飛
(平頂山學(xué)院 信息工程學(xué)院,河南 平頂山 467000)
THMR-V平臺上的智能交通監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
王亞飛
(平頂山學(xué)院 信息工程學(xué)院,河南 平頂山 467000)
隨著我國經(jīng)濟水平增長,汽車的占有率不斷增高,尤其是家用汽車已經(jīng)成為當(dāng)今最為普遍的交通工具;為此,提高我國交通管制手段,提高管理監(jiān)控能力是當(dāng)前我國交通事業(yè)發(fā)展中非常重要的一部分;設(shè)計出一種智能交通系統(tǒng),依靠THMR-V室外移動機器人及視覺臨場遙感系統(tǒng),配合計算機智能分析技術(shù)以及信息處理和傳遞技術(shù)為基礎(chǔ),對當(dāng)前的交通環(huán)境實現(xiàn)智能監(jiān)控和管理;對該系統(tǒng)進行實際應(yīng)用測試,并且做出分析與結(jié)果;研究表明,此系統(tǒng)在設(shè)計方面大大的改善了原有系統(tǒng)中不成熟的部分,具有很高的智能化、實時化、自動化特點,提高了當(dāng)前我國交通監(jiān)控當(dāng)中的效率和準(zhǔn)確性,加強了在實際應(yīng)用中的可行性,督促駕駛?cè)藛T遵守交通法規(guī),推動我國交通事業(yè)朝智能化以及自動化方向發(fā)展。
THMR-V;交通監(jiān)控系統(tǒng);智能
隨著目前我國經(jīng)濟持續(xù)增長,人民生活水平提高,使得汽車逐漸成為家用必需品。隨著我國人均擁有汽車和各行業(yè)企業(yè)當(dāng)中公用汽車數(shù)量的增多,對當(dāng)前我國交通事業(yè)管制方面產(chǎn)生了巨大的壓力。汽車數(shù)量的增加無形中導(dǎo)致道路中交通事故以及違法違規(guī)現(xiàn)象的增多,對于如何及時發(fā)現(xiàn)交通事故和違反交通法的現(xiàn)象以及提供較為清楚的責(zé)任劃分依據(jù),同時對道路汽車的監(jiān)控管理提出了很高的要求。而原有的監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足日益增長的信息數(shù)據(jù)監(jiān)控需求,亟需設(shè)計出一種可以對現(xiàn)在交通環(huán)境實現(xiàn)智能化能自動化以及更加全面的監(jiān)控方式。
隨著當(dāng)今計算機網(wǎng)路技術(shù)的發(fā)展,通過此類技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)對于信息的收集、處理、傳遞自動化和智能化。為此,依靠計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用,結(jié)合當(dāng)前的交通管理設(shè)計出一種智能交通監(jiān)控系統(tǒng),保證對于我國越來越復(fù)雜的交通環(huán)境都可以做到完善的監(jiān)控管理工作。而在以往的管理系統(tǒng)和方法中普遍存在著自動化較弱以及實時性不夠強等缺點,并且對于信息的收集和處理效果不佳。通過對于當(dāng)前交通管理和監(jiān)控方面的要求以及自動化和智能化發(fā)展的需要,設(shè)計出一款利用THMR-V平臺的交通監(jiān)控系統(tǒng)。THMR-V平臺是由清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室智能移動機器人課題組獨立開發(fā)的多功能室外移動機器人實驗平臺[1]。本文通過對于當(dāng)前我國交通監(jiān)控管理需求的研究,根據(jù)THMR-V平臺的基本特性設(shè)計出一款監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)交通監(jiān)控智能化發(fā)展。
通過對某實際路段的監(jiān)控進行實際監(jiān)測,并且與以往的監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控效果進行比對,分析出其具備的優(yōu)勢和發(fā)展的前景。提出此系統(tǒng)開發(fā)的可行性以及必要性,旨在推動當(dāng)前我國交通事業(yè)的智能化以及自動化方向發(fā)展。
1.1 系統(tǒng)設(shè)計的意義
智能交通監(jiān)控系統(tǒng)是一種利用計算機技術(shù)對行駛車輛進行信息采集、處理、儲存的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對行駛中的違章車輛進行更有效的監(jiān)控和管理,并且隱形含義下可以減少許多對于違章報有僥幸心里的司機給予警告[2]。其在當(dāng)前的交通管理過程中有效的保證了事故的發(fā)生率并且提高了道路的運行程度,是當(dāng)今社會交通安全中一個必不可少的關(guān)鍵部分。而對于當(dāng)前的智能交通監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與研究我國一直處于一個相對落后的環(huán)境中,而引進先進系統(tǒng)又面臨著高昂的費用,并且外國的系統(tǒng)設(shè)計對于中國的交通環(huán)境出現(xiàn)了“水土不服”的尷尬現(xiàn)狀。為此,我國獨立設(shè)計出一款智能交通監(jiān)控系統(tǒng),滿足當(dāng)前我國逐漸增大的交通管控壓力是非常有意義的。
其系統(tǒng)從功能上來說,可以對車輛進行檢測、跟蹤以及定位的作用,加之應(yīng)用了計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了信息的實時查詢以及跟蹤更新等自動化、智能化的功能??梢暂^為完善的對于當(dāng)前我國交通環(huán)境進行可靠的管理和監(jiān)控作用。
1.2 系統(tǒng)的關(guān)鍵部分
在目前的智能交通監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中,由于應(yīng)用了計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行信息的自動捕捉和傳遞儲存的作用。為此智能交通監(jiān)控系統(tǒng)最為核心的部分就是核心數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方向。因為當(dāng)前我國交通環(huán)境的復(fù)雜化程度越來越嚴(yán)重,所收集到的信息種類和差異性也越來越多,如何將所收集來的信息進行合理的處理和傳遞都要依靠核心數(shù)據(jù)庫。
其次則是此系統(tǒng)與交通部門及相關(guān)部門的其他系統(tǒng)兼容性和協(xié)作性的要求。作為智能交通監(jiān)控系統(tǒng)是當(dāng)前交通事業(yè)管理體系中一個重要的系統(tǒng)分支,而為保證整個交通事業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展和監(jiān)控管理的科學(xué)性提高,對于其與各個系統(tǒng)間的協(xié)同合作有著很高的要求。
最后則是對于信息的傳遞和查詢功能。在交通監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中因為信息時代的到來,保證其運行的重要部分則是信息,其中包括對于事故現(xiàn)場信息、車輛違章拍照信息、車輛跟蹤信息等多方面信息綜合。為使得這些信息對于交通案件處理中可以有很大的幫助,則要強調(diào)對于系統(tǒng)中儲存的信息進行有效的查詢以及傳遞功能的設(shè)計[3]。
2.1 THMR-V平臺結(jié)構(gòu)
此系統(tǒng)的設(shè)計依靠THMR-V平臺來進行,而此平臺配備了光碼盤、電磁羅盤以及DGPS定位方式。而這種定位方式可以大大的加強定位的精準(zhǔn)度,以至于達到1米的范圍內(nèi)。而且此平臺最為基礎(chǔ)的設(shè)備則是遠程遙感機器人,利用此機器人可以實現(xiàn)遠程對于違章車輛的監(jiān)控管理工作。這種機器人配備了無線數(shù)據(jù)通訊以及臨場感遙控駕駛系統(tǒng),可以對于現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息進行及時的傳遞和面對復(fù)雜交通環(huán)境中達到跟蹤監(jiān)控的功能。其體系當(dāng)中允許不同子系統(tǒng)進行組合以及車體控制系統(tǒng)接收命令,使得THMR-V可以隨著環(huán)境的改變更換自身的軟硬件設(shè)備以達到各種交通監(jiān)控任務(wù)。在當(dāng)前交通監(jiān)控管理當(dāng)中最為重要的就是對于現(xiàn)場信息的收集和傳遞功能。在遠程遙控機器人身上配備了攝像頭,可以對于實時情況進行錄像和拍照功能,并且可以將收集到的影響資料進行處理并傳遞到總控制中心,而且它還可以做到圖像同步傳輸?shù)墓δ埽瑢崟r性的要求做到更加完善。
2.2 基于平臺設(shè)計的智能交通監(jiān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.2.1 主要技術(shù)
在總體智能交通監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中最為基礎(chǔ)和重要3個技術(shù)為車牌識別技術(shù)、圖像信息儲存處理技術(shù)和信息儲存?zhèn)鬟f技術(shù)。
在交通監(jiān)控管理當(dāng)中最為直接和有效的監(jiān)控方式就是對于行駛中的車輛車牌進行識別和監(jiān)控功能。為此在整體構(gòu)架當(dāng)中對于系統(tǒng)對于車牌識別的能力程度是當(dāng)前交通監(jiān)控管理當(dāng)中一個非常重要的技術(shù)部分?,F(xiàn)如今,一般采用的計算機視覺技術(shù),其可以做到更高的精準(zhǔn)度的識別車牌信息。在當(dāng)前較為復(fù)雜的交通環(huán)境當(dāng)中,對于違章和事故車牌進行精準(zhǔn)的識別功能,并且將信息傳遞到中央控制當(dāng)中,根據(jù)數(shù)據(jù)庫當(dāng)中所儲存的車牌信息進行比對,可以及時發(fā)現(xiàn)交通違章車輛的基本信息,做到對于交通監(jiān)控的合理管理。其次則是圖像處理技術(shù),因為在當(dāng)前的車輛行駛當(dāng)中,THMR-V機器人對于現(xiàn)場所拍的圖像或是車牌在大多數(shù)情況下很難進行辨認,為此,需要利用OpenCV計算機視覺函數(shù)庫的能力進行圖像處理和分析工作。其不僅可以對收集來的圖像錄像文件進行特征提取和分類工作,其中是利用矩陣操作和線性代數(shù)運算等等來實現(xiàn)基本的圖像分類操作。并且加上數(shù)字化圖像處理方法,其中有圖像采樣與插值。圖像色彩模式變化等圖像處理的方法對無法辨認的圖像進行處理,好能對現(xiàn)場的信息進行有效的辨認和分析[4]。其次,應(yīng)用OpenCV計算機視覺庫可以做到錄像設(shè)備自動跟蹤和定位功能,并且進行矩陣計算和參數(shù)坐標(biāo)計算等操作,使得所監(jiān)控的車輛可以被系統(tǒng)實時監(jiān)控,以達到最佳的效果。
最后則是信息的儲存和傳遞技術(shù)。因為此系統(tǒng)所采用的THMR-V機器人遠程遙感監(jiān)控,為達到較高的跟蹤和監(jiān)控需求需要總控制中心對機器人進行遠程遙感工作。而為保證這一項要求的達成,需要在遠程機器人中配備信息傳遞和接收功能。目前最為常用的傳遞方式則是利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)無線傳輸操作,控制中心通過內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)將指令傳遞到機器人中,機器人通過接收裝置對得到的指令進行解析和儲存,并且執(zhí)行指令以達到對于現(xiàn)場的實時監(jiān)控作用。而遠端的機器人可以將收集到的信息通過預(yù)處理之后傳遞回控制中心,控制中心通過與互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫以及內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的信息進行比對,得到當(dāng)前監(jiān)控任務(wù)目標(biāo)的位置以及詳細信息。
而整個系統(tǒng)智能化的體現(xiàn)則是在其設(shè)定了較為詳細的智能法規(guī)等相關(guān)信息的儲存,其自身配備了一個較為完整的數(shù)據(jù)庫,遠端的設(shè)備可以將道路中發(fā)生的一切事件進行數(shù)字化模擬,并傳送到數(shù)據(jù)庫當(dāng)中與其中所儲存的資料和信息進行比對,自動分辨此事件的類型。通過對于這種類型的分別做出是否屬于違章現(xiàn)象。如果此事件屬于違章現(xiàn)象,系統(tǒng)將自動對違章車輛的基本信息登錄到交通部門的管理中心當(dāng)中,對于通常的交通違規(guī)現(xiàn)象可以做到自動化管理方法,減少人員操作的工作量。最為常見的就是道路中配備的電子眼,其24小時對所監(jiān)控的路段進行拍照和錄像,當(dāng)出現(xiàn)闖紅燈或是不按照當(dāng)前路段規(guī)定行使的行為時,電子眼會在眾多的圖像中篩選出違章車輛的圖像信息并將其傳遞到監(jiān)控中心當(dāng)中,以供其對違章車輛進行處罰決定。而且為保證數(shù)據(jù)庫當(dāng)中的空間,系統(tǒng)還進行智能刪除無違章現(xiàn)象的圖像信息。
2.2.2 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和流程
圖1與圖2為該系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)以及流程結(jié)構(gòu)圖。
圖1 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖
圖2 系統(tǒng)的工作流程圖
而該系統(tǒng)所采用的是多線程控制結(jié)構(gòu),便于定期的維修與更新。主要分為4個線程分別為主程序界面、傳感器信息收集和傳遞、智能控制線程、模擬控制線程。而且為了保證信息傳遞通道的穩(wěn)定性加配了一個網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控模塊。其中在主程序界面里有信息顯示以及故障調(diào)試窗口以及相應(yīng)監(jiān)控路段的地理位置顯示。傳感器信息收集和傳遞線程中主要是對下位機傳遞過來的信息進行處理和解析。在長時間沒有接收到信息時則被歸為網(wǎng)絡(luò)故障并反映到控制中心。該部分采用802.3的以太網(wǎng)幀,接受協(xié)議選擇UDP協(xié)議。系統(tǒng)需要建立一個Raw Socket對命令進行攔截和顯示。模擬控制線程則是在需要進行調(diào)試和維護的過程中進入到離線自動模擬運行當(dāng)中,在遇到無法連接或是系統(tǒng)維護的時候不干擾正常的工作。
程序在使用的過程中有離線狀態(tài)(Manual)、智能控制狀態(tài)(Autonomous)、遠程控制狀態(tài)(Renmote)以及正常使用的在線狀態(tài)(Manual-Online)。在出現(xiàn)斷網(wǎng)的情況是系統(tǒng)自動進入到自控模式當(dāng)中,模擬設(shè)定好的規(guī)則進行離線操作。而在正常的使用情況時,傳感器獲得連接狀態(tài),可以根據(jù)下位機傳遞回來的信息對當(dāng)前路段信息的狀態(tài)進行分析。而處于遠程模式時傳感器將獲得融合線程的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽,并將遠程控制機所傳遞回來的數(shù)據(jù)和信息提供給操作人員[5]。
該系統(tǒng)在功能結(jié)構(gòu)組成上應(yīng)對交通監(jiān)控管理當(dāng)中的主要要求分為交通規(guī)則設(shè)置、交通信息處理、交通信息處理以及交通信息回訪。在交通規(guī)則設(shè)置中主要是有交通規(guī)則定義以及新規(guī)定的增加以及原有規(guī)定的修改和刪除。因為所監(jiān)控的路段會因為不同的現(xiàn)實情況而需要不同的規(guī)則設(shè)定。在交通信息處理模塊當(dāng)中主要是對于其現(xiàn)場的交通信息進行收錄以及儲存發(fā)送等。其作為智能交通監(jiān)控活動當(dāng)中處理模塊和信息管理部分進行對接的重要部分。交通信息管理模塊則是對于交通方面的各種信息查詢和統(tǒng)計,并且實時修改和刪除的部分。交通信息回放功能模塊則是交通信息查詢之后對出現(xiàn)的異議或是對車輛違章現(xiàn)象的現(xiàn)場查詢功能部分。
在進行了基于原有的監(jiān)控系統(tǒng)與當(dāng)前采用的THMR-V平臺設(shè)計的智能監(jiān)控系統(tǒng)進行對比。首先在操作窗口頁面上,其增加了多個輸出窗口以及日志時間戳。這個增加對系統(tǒng)可以實現(xiàn)多方向多設(shè)備遠程監(jiān)控坐下了基礎(chǔ)。并且在外部監(jiān)控設(shè)備在長時間工作或是遇到環(huán)境因素導(dǎo)致系統(tǒng)過熱的情況是會自動通過輸出窗口將設(shè)備的異常信息傳導(dǎo)到管理人員監(jiān)視界面,給維修和保養(yǎng)以及設(shè)備的穩(wěn)定使用打下了基礎(chǔ)。在這一點上,該系統(tǒng)設(shè)備與原有的監(jiān)控系統(tǒng)來說對于故障的檢測以及維護有這個針對性。而日志時間戳可以改善由于外部環(huán)境變化導(dǎo)致的系統(tǒng)參數(shù)自動更改的參數(shù)統(tǒng)計。利用日志時間戳可以對每一次的控制循環(huán)實際操作所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和輸出的結(jié)果進行定量分析。通過收集來的更改數(shù)據(jù)與原有的數(shù)據(jù)進行對比,找出隨著系統(tǒng)自動改后產(chǎn)生的不穩(wěn)定以及數(shù)據(jù)差錯的問題所在。
在新系統(tǒng)應(yīng)用中,由于以上的功能設(shè)置也加強了其實時性,這相較與以往的系統(tǒng)有著很大的提高。而且其穩(wěn)定性的保證通過對于日志記錄的數(shù)據(jù)進行分析得出其在于縮短了器械反應(yīng)中可能產(chǎn)生的延遲現(xiàn)象,大大的增加了信息接收和傳出的速度以保證實時性和穩(wěn)定性。并且新系統(tǒng)當(dāng)中所采用的網(wǎng)絡(luò)通信方面,主要是由有線網(wǎng)絡(luò)傳輸,可以避免許多因為信號不穩(wěn)定以及現(xiàn)場環(huán)境影響因素過多導(dǎo)致的信息傳遞不完全和無法傳輸?shù)那闆r[6-7]。為此,系統(tǒng)在設(shè)計方面中大大的改善了原有系統(tǒng)中不成熟的部分,加強了在實際應(yīng)用當(dāng)中的可行性。
根據(jù)以上所分析設(shè)計的在THMR-V平臺下建立的一個較為完善的智能交通監(jiān)控系統(tǒng),為監(jiān)測系統(tǒng)的運行情況和對于實際操作中是否有效和準(zhǔn)確性進行某路段中的所出現(xiàn)的違章車輛監(jiān)控分析,并對其監(jiān)控結(jié)果的有效性進行分析。其中所應(yīng)用平臺下的遠程遙感機器人即為監(jiān)控路段的電子眼設(shè)備。
首先將電子眼所監(jiān)控的路段通過文件編輯形成Sln文件,并且在系統(tǒng)中打開調(diào)試結(jié)果如圖3。以及對該路段進行交通規(guī)則設(shè)定。其中對于設(shè)定路段圖像中畫框區(qū)域設(shè)定為相應(yīng)的規(guī)則,而箭頭方向則是該道路中車輛行駛的正常方向,將這種方向規(guī)則定義為禁止逆行模式。規(guī)則交互設(shè)置對話框的為圖4。
圖3 系統(tǒng)的主操作頁面
圖4 規(guī)則交互設(shè)置對話框
以上為測試前路段規(guī)則設(shè)定的準(zhǔn)備階段。此規(guī)則和信息都傳遞到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫當(dāng)中,接下來,將出現(xiàn)此路段的違章現(xiàn)象的發(fā)生并且考察此系統(tǒng)對于出現(xiàn)違章現(xiàn)象時能否做到智能判定,將信息傳遞和儲存在總體數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。在檢測當(dāng)中出現(xiàn)某車輛此道路逆行狀態(tài),進行違章信息查詢時進入到信息查詢頁面輸入所查詢的違章車輛車牌號。
為觀察系統(tǒng)對于違章車輛的檢測效果是否準(zhǔn)確,以及對于當(dāng)前違章圖像的處理分析合理性,本文觀察了對于檢測中處于違章狀態(tài)的車輛現(xiàn)場圖像回放。如下圖5所示。
圖5 違章現(xiàn)場回放
在圖像中可以看出首先此違章車輛確實存在違章現(xiàn)象,為此可以保證此監(jiān)控系統(tǒng)對于違章現(xiàn)場的辨識程度極高,可以準(zhǔn)確的判斷出行駛中的車輛是否屬于違章現(xiàn)象。其次,該系統(tǒng)會自動標(biāo)示出違章車輛,由于當(dāng)前檢測當(dāng)中現(xiàn)場并沒有其他車輛行駛的情況,但是系統(tǒng)都會對違章車輛進行自動畫框提示,標(biāo)示出違章車輛,供交通管理部門進行處理。最后圖像清晰度較為完整,周遭的基本情況基本顯示清楚,具備很好的違章辨識度。
本文通過對當(dāng)前的交通環(huán)境進行分析,提出設(shè)計一種智能交通監(jiān)控系統(tǒng)的必要性,并根據(jù)THMR-V平臺,設(shè)計出一款以信息傳遞和自動辨識功能為主體,實現(xiàn)自動化監(jiān)控和智能化信息處理的智能交通監(jiān)控系統(tǒng)。通過對于此系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計方向的研究提出此系統(tǒng)的總體設(shè)計理念。并且通過實踐檢測,得出基本路段上可以做到很完善的車輛行駛狀況監(jiān)控。此系統(tǒng)做到了很高的智能化、實時化、自動化的特點,提高了當(dāng)前我國交通監(jiān)控當(dāng)中的效率和準(zhǔn)確性,并且督促駕駛?cè)藛T遵守交通法規(guī)。
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Design and Implementation of Intelligent Traffic Monitoring System Based on THMR-V Platform
Wang Yafei
(Information Engineering College, Pingdingshan University, Pingdingshan 467000, China)
With the development of our country's economy, the increasing of the share of the car, especially the domestic car has become the most popular means of transportation. To improve the means of traffic control in our country, and to improve the ability of management and supervision is a very important part of the development of China's transportation industry. Design a kind of intelligent traffic system, rely on the THMR-V outdoor mobile robot and visual telepresence remote sensing system, with intelligent analysis technology and computer information processing and transmission technology, the realization of intelligent monitoring and management of the current traffic environment. According to the deficiencies of the previous monitoring system, the improvement scheme is designed, and the system is tested, and the results are analyzed. Studies have shown that this system greatly improve the immature part of the original system in design aspect, having the characteristics of high intelligent, real-time and automation, to improve the efficiency and accuracy of our country traffic monitoring, to strengthen the feasibility in the practical application, supervise the drivers obey the traffic rules, to promote our country’s transportation enterprise development in the direction of the intelligent and automation direction.
THMR-V; traffic monitoring and control system; intelligence
2016-12-26;
2017-02-06。
王亞飛(1981-),女,河南平頂山人,碩士研究生,講師,主要從事計算機應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全方向的研究。
1671-4598(2017)07-0106-04
10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.027
TP242
A