方永定

（江蘇潤(rùn)揚(yáng)大橋發(fā)展有限責(zé)任公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212115）

1 研究背景和意義

潤(rùn)揚(yáng)大橋是我國長(zhǎng)江上第一座由懸索橋和斜拉橋兩座大跨徑橋梁組合的特大型橋梁，素有“三四”之稱：四縱-四橫-四聯(lián)，這座橋是江蘇交通的重要構(gòu)成，促進(jìn)了區(qū)域交通運(yùn)輸與沿江經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)交通事故及安全隱患成為潤(rùn)揚(yáng)大橋安全運(yùn)營的重中之重。

同時(shí)，如何利用現(xiàn)有的海量ETC 數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)提取交通流參數(shù)，掌握交通流規(guī)律，識(shí)別交通狀態(tài)異常路段，為交通事件的預(yù)報(bào)預(yù)警，交通流的誘導(dǎo)控制提供決策支持，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)交通管理，成為亟待解決的問題。

本文以潤(rùn)揚(yáng)大橋可視化智能服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)實(shí)施為實(shí)例，以國家交通建設(shè)需求為基礎(chǔ)，把人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)與之整合在一起，大力推動(dòng)了交通的發(fā)展。將基于深度學(xué)習(xí)算法的視頻識(shí)別技術(shù)首次應(yīng)用在跨江公路橋上，通過對(duì)ETC 數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取車流量、區(qū)間車速、行程時(shí)間等交通參數(shù)，建立比較完善可靠的模型，應(yīng)用公式科學(xué)計(jì)算出車流量、速度及擁堵閾值，實(shí)現(xiàn)路段交通狀態(tài)的判斷，進(jìn)而構(gòu)建一套交通可視化主動(dòng)智能管理與服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)揚(yáng)大橋暢通水平和應(yīng)急管理水平的提升。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 管理現(xiàn)狀

潤(rùn)揚(yáng)大橋目前異常事件的上報(bào)主要依賴人工視頻巡查，發(fā)現(xiàn)率在90%以上，其余由報(bào)警、路面巡查上報(bào)構(gòu)成。視頻巡查、異常事件臺(tái)賬記錄、流量統(tǒng)計(jì)等工作均由人工完成，工作量很大。

2.2 數(shù)據(jù)現(xiàn)狀

視頻數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)接入，ETC、收費(fèi)站數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)傳輸。非節(jié)假日收費(fèi)站數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率較高，ETC 車牌識(shí)別數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率不高，ETC 流量大概占匝道收費(fèi)站流量的80%。節(jié)假日期間無收費(fèi)站數(shù)據(jù)，ETC 由于車輛緩行，準(zhǔn)確率大幅下降。

目前潤(rùn)揚(yáng)大橋沒有電子地圖，位置標(biāo)注依賴樁號(hào)，需要重新繪制路線圖并將樁號(hào)與經(jīng)緯度關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)攝像頭、收費(fèi)站、事故信息地圖展示。

2.3 需求分析

通過視頻識(shí)別、交通分析實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化交通事件預(yù)警，具體需求包括：

一是梳理重點(diǎn)管控區(qū)域視頻情況；

二是提出重點(diǎn)區(qū)域視頻盲點(diǎn)設(shè)備布設(shè)需求；

三是基于視頻識(shí)別建設(shè)可視化應(yīng)急系統(tǒng)，提升處置效率。

3 關(guān)鍵技術(shù)、難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 視頻識(shí)別技術(shù)

為了滿足潤(rùn)揚(yáng)大橋的交通可視化主動(dòng)智能管理與服務(wù)，不僅需要對(duì)跨江大橋的天氣因素，例如一些特殊的天氣，如大雪、大霧、雷雨暴風(fēng)等等，以及一些交通問題進(jìn)行監(jiān)控，這些交通問題包括事故、堵塞等。同時(shí)，還需要對(duì)道路上車輛行駛的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，車速測(cè)量法包括：激光法、雷達(dá)法、感應(yīng)線圈法、視頻分析法等。

激光法、雷達(dá)法、感應(yīng)線圈法這三種要先安裝好設(shè)備，對(duì)物力人力有不完整對(duì)比。相比之下視頻分析法運(yùn)用更廣，且能獲得豐富的信息，對(duì)設(shè)備要求低，在維護(hù)方面省了不少事。這種方法主要分成了攝像機(jī)標(biāo)定法、虛擬線圈法兩種。傳統(tǒng)攝像機(jī)標(biāo)定通過對(duì)攝像機(jī)作旋轉(zhuǎn)、平移或平面正交運(yùn)動(dòng)，可以獲得多種圖像，并對(duì)圖像加以分析處理。這種方法要對(duì)攝像機(jī)的位置進(jìn)行改變，才能完成參數(shù)的標(biāo)定工作。當(dāng)前多種監(jiān)控設(shè)備未能滿足這點(diǎn)需求。而虛擬線圈法對(duì)于計(jì)算復(fù)雜度要求比較低，但因?yàn)榫哂幸欢ǖ臅r(shí)間采樣性特點(diǎn)，當(dāng)一輛車經(jīng)歷了這個(gè)先設(shè)定好的虛擬線圈時(shí)，時(shí)間間隔是沒有辦法準(zhǔn)確得出的。

采用計(jì)算機(jī)視覺+數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)輸入攝像頭視頻圖像進(jìn)行采集之后采用計(jì)算法，做好視頻處理工作，可以實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)檢測(cè)以及跟蹤。

3.1.2 事件檢測(cè)技術(shù)

由于高速公路車速快、車流量大，一旦有行人闖入、故障停車、拋灑物、車輛超速和逆行等異常事件發(fā)生，往往會(huì)因不能及時(shí)救援而發(fā)生較為嚴(yán)重的事故。

交通事件檢測(cè)方法可分為直接檢測(cè)法和間接檢測(cè)法。直接檢測(cè)法包括人工手段如閉路電視、航空監(jiān)視、警察和公路巡邏車、電話報(bào)警等，通過多種檢測(cè)方式獲取交通事件的具體的數(shù)據(jù)，其運(yùn)行成本較高，受時(shí)間和天氣影響明顯，檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，檢測(cè)率低。間接檢測(cè)法，是通過參數(shù)變化，對(duì)交通事件進(jìn)行判斷，如行車的速度、車輛的流量等等，可24 小時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)前間接檢測(cè)法比較多，如SND-標(biāo)準(zhǔn)偏差算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等等，都是常用的檢測(cè)法。但因?yàn)榻煌ōh(huán)境非常復(fù)雜，當(dāng)前所提出的方法在實(shí)踐中仍然受到制約，運(yùn)行速度不夠快，且在復(fù)雜的交通環(huán)境下魯棒性不夠好。

3.1.3 應(yīng)急救援技術(shù)

有研究調(diào)查顯示，一旦發(fā)生了較為嚴(yán)重的交通事故，30 分鐘內(nèi)救治重度傷員的，其存活率可高達(dá)80%。一小時(shí)內(nèi)得到必要救治的生存率為40%。而1.5 小時(shí)之內(nèi)才得到救治的，生存率低于10%。

同時(shí)，高速公路交通事故容易造成二次事故發(fā)生。所以需要做好高速公路交通事故的救援規(guī)劃以及應(yīng)急管理控制。當(dāng)前由國內(nèi)和國外的研究成果分析后援路徑集中于數(shù)學(xué)規(guī)劃、排隊(duì)論等相關(guān)方面的理論研究，同時(shí)也包括一些算法的求解算法研究。雖然對(duì)于應(yīng)急道路救援路徑選擇研究的起步時(shí)間比較早，且成果較多，但多數(shù)是針對(duì)城市道路網(wǎng)的，針對(duì)高速公路以及周邊路網(wǎng)的研究則非常少。

3.2 難點(diǎn)

結(jié)合國內(nèi)外研究情況，跨江大橋視頻識(shí)別與事件預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究的重點(diǎn)在于交通視頻流中實(shí)時(shí)和魯棒性的交通事件檢測(cè)算法。為了保證對(duì)交通事件快速和精確地檢測(cè)，并達(dá)到實(shí)際運(yùn)用的目的，研究難點(diǎn)包括：

3.2.1 能夠處理復(fù)雜的交通環(huán)境，包括較差的天氣、不同的光照條件、復(fù)雜的道路狀況和不同的交通參與者。

3.2.2 能夠處理不同的交通流狀態(tài)，也就是不同程度的交通擁堵。

3.3 創(chuàng)新點(diǎn)

研究的創(chuàng)新點(diǎn)包括：

一是構(gòu)建了跨江大橋全息感知自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，潤(rùn)揚(yáng)大橋?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)主橋面實(shí)現(xiàn)了視頻自動(dòng)監(jiān)測(cè)的全覆蓋。

二是將基于深度學(xué)習(xí)算法的異常事件檢測(cè)模型應(yīng)用在實(shí)際運(yùn)營中，模型具有極強(qiáng)的泛化能力，對(duì)多種常見異常交通事件均能準(zhǔn)確識(shí)別。

三是融合多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建可視化智能服務(wù)系統(tǒng)，輔助決策運(yùn)營，提升管理效率。

4 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

潤(rùn)揚(yáng)大橋數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、ETC 數(shù)據(jù)和事故數(shù)據(jù)（見表1）。

表1 數(shù)據(jù)情況匯總表

5 視頻點(diǎn)位布設(shè)

視頻點(diǎn)位布設(shè)選取側(cè)裝、400 萬像素及以下、高度8 米以下無遮擋的視頻點(diǎn)位，剔除相機(jī)架設(shè)高度偏低（高速場(chǎng)景要求至少6 米）或者畫面抖動(dòng)的點(diǎn)位，其余視頻點(diǎn)位可以支持交通事件檢測(cè)（擁堵、停車、交通事故、行人、拋灑物、路障、施工、逆行、壓線、變道、占用應(yīng)急車道）及交通參數(shù)提?。ㄒ妶D1）。

圖1 斜拉橋視頻點(diǎn)位布設(shè)

橋面在車輛經(jīng)過時(shí)會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，對(duì)事件檢測(cè)服務(wù)器產(chǎn)生極大的干擾。建議在重要點(diǎn)位更換更加穩(wěn)固的立桿和防抖相機(jī)。同時(shí)夜間效果由于受到汽車大燈的影響，事件檢測(cè)準(zhǔn)確率較差，故在關(guān)鍵點(diǎn)位處新增毫米波雷達(dá)與視頻融合雷視一體機(jī)，夜間通過雷達(dá)與視頻融合檢測(cè)的方式提高事件檢測(cè)準(zhǔn)確率。

6 系統(tǒng)方案

6.1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)總體架構(gòu)分為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)接入層、平臺(tái)層、應(yīng)用層（見圖2）。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

6.1.1 數(shù)據(jù)接入層：從ETC 檢測(cè)設(shè)備、攝像頭等基礎(chǔ)設(shè)施接入ETC 數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)。從管理系統(tǒng)接入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、事故數(shù)據(jù)。

6.1.2 平臺(tái)層：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析后通過深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)交通流預(yù)測(cè)、交通事件自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別及交通事件預(yù)警。

6.1.3 應(yīng)用層：多源信息管理模塊展示多源數(shù)據(jù)接入及分析情況，交通狀態(tài)識(shí)別模塊展示道路交通狀態(tài)，交通事件報(bào)警模塊提示異常交通事件及預(yù)案并可通過車道控制系統(tǒng)、語音提示系統(tǒng)通知后來車輛，應(yīng)急預(yù)案管理模塊實(shí)現(xiàn)預(yù)案的管理及統(tǒng)計(jì)。

6.2 系統(tǒng)功能介紹

系統(tǒng)包括四個(gè)功能模塊：多源信息管理模塊、交通狀態(tài)識(shí)別模塊、交通事件報(bào)警模塊、應(yīng)急預(yù)案管理模塊。

6.2.1 多源信息管理模塊

地圖顯示實(shí)時(shí)路況及接入檢測(cè)器位置。

檢測(cè)器在線顯示檢測(cè)器接入量和在線率；檢測(cè)器列表中顯示檢測(cè)器名稱和類型，點(diǎn)擊可定位；數(shù)據(jù)接入情況展示累計(jì)接入數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)接入條數(shù)、有效率、更新時(shí)間。流量態(tài)勢(shì)展示各路段流量時(shí)變圖，速度態(tài)勢(shì)展示各路段速度時(shí)變圖。

6.2.2 交通狀態(tài)識(shí)別模塊

地圖顯示實(shí)時(shí)路況及接入檢測(cè)器位置。

路段列表顯示所有路段實(shí)時(shí)和歷史的速度、流量、空間占有率、時(shí)間占有率等指標(biāo)及路段狀態(tài)。實(shí)時(shí)擁堵路段顯示擁堵路段的速度、流量、狀態(tài)，點(diǎn)擊可定位至路段，顯示選中路段今日流量時(shí)變圖。常發(fā)擁堵路段默認(rèn)顯示當(dāng)前時(shí)段常發(fā)擁堵路段的速度、流量、狀態(tài)信息，擁堵時(shí)段下拉框可查看其他時(shí)段常發(fā)擁堵路段。統(tǒng)計(jì)分析顯示空間占有率排名、平均車速小時(shí)統(tǒng)計(jì)、平均車速日統(tǒng)計(jì)、交通事件統(tǒng)計(jì)圖。

6.2.3 交通事件報(bào)警模塊

地圖上顯示檢測(cè)到異常交通事件的攝像機(jī)位置，事件列表顯示識(shí)別到的事件路段、事件類型、最近攝像機(jī)。異常事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別異常事件類型，警鈴會(huì)閃爍并發(fā)出報(bào)警聲，提示管理人員迅速處置。警鈴的氣泡顯示當(dāng)前報(bào)警事件數(shù)量，鼠標(biāo)移動(dòng)至警鈴處，下拉列表顯示當(dāng)前報(bào)警事件列表，點(diǎn)擊事件可跳轉(zhuǎn)至交通事件報(bào)警模塊。

點(diǎn)擊事件圖片可查看抓拍，點(diǎn)擊預(yù)案可查看對(duì)應(yīng)預(yù)案。

圖3 事件識(shí)別案例

根據(jù)預(yù)案內(nèi)容可通過車道控制系統(tǒng)、語音提示系統(tǒng)通知后來車輛，避免二次事故的發(fā)生。

圖4 車道控制系統(tǒng)

6.2.4 應(yīng)急預(yù)案管理模塊

顯示預(yù)案列表，可根據(jù)事件路段、事件類型、組織機(jī)構(gòu)查詢預(yù)案。預(yù)案不僅包含停車、拋灑物、逆行、行人等類型，對(duì)于節(jié)假日大流量等情況也有相應(yīng)的收費(fèi)站分流和誘導(dǎo)管控方案。管理員可通過應(yīng)急預(yù)案管理模塊對(duì)預(yù)案進(jìn)行新增、修改和刪除。預(yù)案事件類型分布統(tǒng)計(jì)圖和預(yù)案事件路段分布統(tǒng)計(jì)圖，幫助管理員查漏補(bǔ)缺。

7 結(jié)語

本文的研究成果主要應(yīng)用在跨江大橋上，交通安全和橋梁安全都得到了本質(zhì)提升。在事件發(fā)生的第一時(shí)間能自動(dòng)報(bào)警提示監(jiān)控員處置，避免因夜間視線不清或人員疏忽導(dǎo)致事件不能及時(shí)處理，造成二次事故。提高工作效率的同時(shí)減輕了監(jiān)控員的工作負(fù)擔(dān)，降低了錯(cuò)誤率，真正實(shí)現(xiàn)從人工識(shí)別到自動(dòng)識(shí)別的轉(zhuǎn)變。同時(shí)通過可視化交通管控與應(yīng)急處置，真正提高了跨江大橋及高速公路交通管理的科技水平。