基于濟南市視頻反饋的路段溢流智能控制系統的開發

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

關鍵詞：交通溢流；視頻反饋；智能調控

隨著人類社會的進步，物質生活飛速發展，汽車已經成為必不可少的交通工具。問題也隨之出現，“堵車”已經成為家常便飯。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量。城市交通擁堵的表現形式主要是路段溢流。由于交叉路口的瓶頸作用，使得駛入路段的車輛數量大于駛出路段的數量而形成排隊，若交通信號協調配時不當，隨著時間的演化，滯留在路段上的車輛數逐漸增多，當車輛排隊超出路段長度的時候，部分車輛占據上游交叉口，這就是典型的交通溢流現象。如果不加以預防和控制，整個城市會因為交叉路口處的車輛互相鎖死而導致大規模的交通擁堵，最終結果將會使整個城市的交通處于癱瘓狀態，造成極大的經濟損失。

山東省會城市濟南，每當上下班高峰期，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”現象司空見慣。當前濟南市部分主干路段，如經十路、歷山路，在上下班高峰時間，經常發生交通溢流現象，甚至出現從山大路開始，順次溢流到羊頭峪東溝街、山師東路、歷山路的情況，造成連鎖響應影響周圍的眾多主干路，導致局部路網在一定時間內的交通癱瘓，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濟效益的損失。

當前，國內交通溢流主要是通過交通警察的人工參與來疏導和控制。因此，通過研究交通溢流的形成機理，探索交通信號的協調控制策略，實現交通溢流的自動識別和控制，不僅對濟南市，而且對國內眾多其他城市而言，也具有重大的理論意義和實際的應用價值。

濟南市城市智能交通系統管理平臺，實現的功能包括集成指揮中心各職能子系統于一個統一的操作平臺；采集各子系統產生的信息集中到交通管理信息中心；監視全市范圍內的交通態勢；對交通事件進行指揮調度；預案及輔助決策支持；對業務部門及社會提供信息服務等。

交通信號控制系統作為智能交通管理平臺的核心業務之一，目前實現的功能包括：（1）信號控制設備的管理，即系統信號機設備信息維護和信號機參數設置；（2）設備及信號狀態的實時監視與報警，即以多種方式顯示設備工作狀態和信號狀態以及自動記錄并提示設備或通訊狀態的異常與故障；（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，即系統定期自動對時；中心協調控制、本地感應控制、本地時間表控制、中心手動配時、閃光控制等控制方式；（5）控制區域管理，即控制區域劃分和子區控制策略管理等。

濟南市目前的交通信號控制系統在城市交通管理與控制方面發揮了重大的作用，保障了全市人民出行的便捷與安全。但是，在交通溢流發生的情況下，目前所能采取的措施，主要仍是依靠現場交通警察的指揮，或者警察現場調配信號機狀態來人為干預，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，且警察之間的統一通信調度指揮也很困難，很難實現人工方式下的最優協調與控制。因此，以系統科學的觀點，從中心級實施統一協調控制的角度出發，開發一套路段溢流的交通控制系統，勢在必行。

1.1 交通溢流視頻圖像處理技術

因視頻技術以近似“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比線圈、雷達等技術更適合于交通溢流現象的識別和分析。交通溢流的識別也是實施控制的前提條件，研究中以DirectShow、OpenCV技術和幀差法、背景圖像消除法、光流法等為基礎，結合濟南市路網的實際特征，解決交通溢流現象的識別問題。

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交通流不同的特性，此時的交通波的波長、波速等參數呈現的特點和具有的特性，將決定著后期交通溢流現象預測的時長以及精度問題。

1.3 交通溢流預測建模技術

為了更好地實現交通的管理與控制，希望盡早地發現交通溢流現象，這即是交通溢流的預測技術。如何將這些模型與濟南市交通的實際情況結合起來，科學合理地標定模型中的參數，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

在常規交通流優化算法（周期、綠信比和相位差優化）的基礎上，仍不可避免地發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鍵。從傳統的數學建模的角度和人工智能的方法（如模糊控制、專家系統等）探討模型的建立及求解算法。

1.5 路段溢流控制系統

控制系統集“溢流識別-溢流預測-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自動控制的情況下，交通警察能夠根據生成的交通溢流信號控制預案，采取遠程（中心）人工手動調節交通信號配時的功能。

2 所需配置

2.1 數字圖像處理基礎軟件

環境配置：Vs.net2005， c/s架構；實現的功能包括圖像的點運算、幾何運算、數學形態學圖像處理方法、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技術，可作為進一步研究數字圖像處理的基礎平臺。

2.2 交通視頻圖像處理系統

環境配置：VC++6.0；OpenCv1.0；DXSDK_SUM2004；Microsoft Platform SDK February 2003；實現的功能包括：視頻設備的輸入選擇、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 創新點

3.1 基于視頻圖像處理的交通溢流模型

結合DirectShow、OpenCV、模式識別技術，對交通流進行視頻圖像處理，提取路段車隊信息和路網信息，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、數值仿真等手段，以交通流理論為基礎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生時間預測模型

以視頻設備為主要采集手段，根據視頻圖像分析處理結果，結合其他交通流檢測手段，以神經網絡、遺傳算法等智能化算法建立交通溢流發生時間的預測模型。

交通溢流情形下的交通流后向波動行為建模的技術路線：首先對某路段的上下游路口施以控制，通過數值模擬再現路段溢流現象，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生過程中的交通流量、速度和密度的相互關系圖；利用非線性分析方法，結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，為后續交通溢流的強制控制研究提供重要的理論依據；最后，通過數值仿真模擬再現整條經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系，通過兩兩關系演化圖，分析三者之間基本關系的變化趨勢，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在機理和傳播規律，為后續整條主干路的優化控制研究提供理論基礎。

該系統的開發與應用，在促進交通信號控制系統的發展、完善方面也有著不可替代的作用，將彌補當前系統缺少溢流控制的功能不足，使交通控制系統能更好地滿足交通發展的需要。