多目標(biāo)跟蹤陣列雷達(dá)交通事件檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

楊程

摘要：文章基于多目標(biāo)跟蹤陣列雷達(dá)的性能及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一套適應(yīng)于廣西南友高速公路特殊環(huán)境下的高速公路交通事件檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有信息采集、事件檢測(cè)、違法抓拍及報(bào)警、走私路口異常檢測(cè)等功能，能有效打擊不法分子走私行為，降低事故發(fā)生率，提升高速公路運(yùn)營(yíng)管理水平。

關(guān)鍵詞：多目標(biāo)跟蹤陣列雷達(dá);事件檢測(cè);高速公路交通檢控

Based on the performance and characteristics of multitarget tracking array radar，this article designs a set of expressway traffic incident detection system adapted to the special environment of Guangxi Nanyou Expressway.This system has the functions of information collection，event detection，violation capture and alarm，and smuggling intersection abnormal detection，which can effectively control the smuggling behavior of criminals，reduce the accident rate，and improve the expressway operation and management level.

Multitarget tracking array radar;Event detection;Expressway traffic control

0 引言

目前，我國(guó)在高速公路交通管控方面現(xiàn)有手段比較單一，主要側(cè)重于對(duì)超速行為以及治安卡口的管控，對(duì)于違法占用應(yīng)急車道、違法停車、逆行等交通事件并未進(jìn)行有效檢測(cè)和管控。廣西南友高速公路通向我國(guó)南大門憑祥友誼關(guān)，公路彎多，車輛平均運(yùn)行速度較快，夜間道路補(bǔ)光不足，且在憑祥至夏石路段之間存在很多不法分子私自鑿開的走私路口，致使高速公路事故頻發(fā)，極易引發(fā)大面積的交通擁堵。因此，急需一種受干擾小、能晝夜檢測(cè)、安裝便捷、維護(hù)量小并能夠智能地、準(zhǔn)確地、全天候地采集高速公路交通信息的檢測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)該系統(tǒng)能為高速公路管理部門提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的交通流信息及報(bào)警信息。

1 關(guān)鍵技術(shù)

目前高速公路現(xiàn)有的交通事件檢測(cè)系統(tǒng)主要有視頻檢測(cè)、斷面微波和多目標(biāo)跟蹤陣列雷達(dá)等多種檢測(cè)方式。下面對(duì)各種檢測(cè)方式的特點(diǎn)進(jìn)行描述：

（1）視頻檢測(cè)方式：可以通過視頻對(duì)前端道路狀況進(jìn)行人工觀察，但其檢測(cè)精度很低，容易受到外界環(huán)境影響，對(duì)道路環(huán)境和夜間照明系統(tǒng)的要求比較高。在南友高速公路夜間超低照明度的環(huán)境下無法滿足夜間對(duì)非法區(qū)域越界人員及附近車輛檢測(cè)的需求。

（2）斷面微波檢測(cè)方式：可檢測(cè)一個(gè)斷面，受環(huán)境影響較小，但無事件檢測(cè)功能。

（3）多目標(biāo)跟蹤陣列雷達(dá)檢測(cè)方式：可檢測(cè)長(zhǎng)達(dá)200 m的區(qū)域，同時(shí)具備信息采集和事件檢測(cè)功能，不受天氣和環(huán)境的影響，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性高，可以定位坐標(biāo)，對(duì)防護(hù)欄外劃定區(qū)域的人和車輛進(jìn)行有效實(shí)時(shí)偵測(cè)。

綜上，結(jié)合廣西南友高速公路私開的走私路口多、夜間燈光不足、車速快的實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用多目標(biāo)跟蹤陣列雷達(dá)檢測(cè)方式進(jìn)行交通信息采集和事件檢測(cè)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

多目標(biāo)跟蹤陣列雷達(dá)是利用毫米波長(zhǎng)雷達(dá)，采用多目標(biāo)掃描雷達(dá)天線，對(duì)道路車輛進(jìn)行精準(zhǔn)存在檢測(cè)或感應(yīng)檢測(cè)，同時(shí)還能提供精準(zhǔn)的單車次即時(shí)車速、車輛位置信息以及車流量、平均速度和占有率等交通量數(shù)據(jù)。通過多目標(biāo)跟蹤陣列雷達(dá)進(jìn)行交通信息采集和事件檢測(cè)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)及事件交互判斷，將檢測(cè)到的交通數(shù)據(jù)、交通事件檢測(cè)信息、走私路口異常事件、違法停車抓拍圖片等實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，可為信息采集系統(tǒng)、交通事件檢測(cè)系統(tǒng)和其它系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的交通信息，為保障路段交通的順暢運(yùn)行提供底層數(shù)據(jù)的支撐。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由檢測(cè)層、傳輸層、應(yīng)用層三部分組成。檢測(cè)層由多目標(biāo)跟蹤陣列雷達(dá)完成，其可以捕捉波束覆蓋區(qū)域以內(nèi)的多個(gè)目標(biāo)，同時(shí)測(cè)量該目標(biāo)的距離、速度和方位角度。傳輸層通過常規(guī)有線光纜傳輸或者以運(yùn)營(yíng)商4G無線傳輸。應(yīng)用層通過信息采集系統(tǒng)，達(dá)到對(duì)高速公路交通決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)的目標(biāo)。通過事件檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，縮短交通事故響應(yīng)時(shí)間;結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)交通違法行為進(jìn)行檢測(cè)并取證，保障交通的順暢運(yùn)行;通過交通信息發(fā)布系統(tǒng)進(jìn)行信息發(fā)布，起到緩解交通擁堵、縮短旅行時(shí)間的目的。多目標(biāo)跟蹤陣列雷達(dá)交通事件檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示;多目標(biāo)跟蹤陣列雷達(dá)交通事件檢測(cè)系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。

3 系統(tǒng)功能

3.1 信息采集交通誘導(dǎo)功能

（1）實(shí)現(xiàn)交通流量檢測(cè)

多目標(biāo)跟蹤陣列雷達(dá)微波檢測(cè)器可以很好地利用既有路段桿件進(jìn)行安裝，雷達(dá)覆蓋區(qū)域可實(shí)現(xiàn)對(duì)交通流參數(shù)信息的檢測(cè)，包括流量、平均速度、占有率等參數(shù)，可以更精確地替代傳統(tǒng)的交通流檢測(cè)設(shè)備。通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，為交通誘導(dǎo)系統(tǒng)提供斷面交通流參數(shù)，同時(shí)累積歷史數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)提供更多的信息服務(wù)功能。

（2）實(shí)現(xiàn)區(qū)域檢測(cè)，準(zhǔn)確反映路段交通流狀態(tài)

傳統(tǒng)檢測(cè)器只能對(duì)一個(gè)斷面進(jìn)行檢測(cè)，無法準(zhǔn)確描述整個(gè)路段的交通流狀態(tài);而多目標(biāo)跟蹤陣列雷達(dá)可對(duì)路段具有代表性區(qū)域交通流進(jìn)行檢測(cè)，輸出交通流統(tǒng)計(jì)信息，在每條道路上，形成唯一的道路運(yùn)行軌跡，更加真實(shí)地反映交通流狀態(tài)。

（3）即時(shí)反映交通流，優(yōu)化交通誘導(dǎo)模型

多目標(biāo)跟蹤陣列雷達(dá)可以即時(shí)反映路段交通狀況，包括排隊(duì)報(bào)警、擁堵情況、異常事件等。通過優(yōu)化誘導(dǎo)系統(tǒng)模型，可以直接判定路段擁堵狀態(tài)，并快速將擁堵報(bào)警信息上傳至交通誘導(dǎo)系統(tǒng)，報(bào)警信息無需分析計(jì)算，可直接發(fā)布擁堵信息，優(yōu)化交通誘導(dǎo)系統(tǒng)模型，使信息發(fā)布更具實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。通過系統(tǒng)內(nèi)多元信息融合及處理模型，實(shí)現(xiàn)高速公路交通實(shí)時(shí)路況和誘導(dǎo)屏的排隊(duì)報(bào)警、擁堵情況、異常事件、旅行時(shí)間估計(jì)等信息展示，并通過數(shù)據(jù)接口上傳至監(jiān)控中心大屏進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及交通播報(bào)。

3.2 事件檢測(cè)功能

傳統(tǒng)路段的事件檢測(cè)系統(tǒng)由視頻檢測(cè)完成，由于視頻檢測(cè)手段自身的缺陷，導(dǎo)致誤報(bào)率高，因此許多事件檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用未達(dá)到預(yù)期的效果;而多目標(biāo)跟蹤陣列雷達(dá)可以為事件檢測(cè)系統(tǒng)提供高精度的事件檢測(cè)報(bào)警。本系統(tǒng)提供以下事件報(bào)警信息：（1）排隊(duì)長(zhǎng)度超限報(bào)警;（2）異常停車報(bào)警;（3）超速行駛報(bào)警;（4）逆行報(bào)警。

3.3 違法抓拍及報(bào)警功能

結(jié)合視頻球機(jī)，可對(duì)交通事件進(jìn)行抓拍并觸發(fā)報(bào)警，形成M+V（雷達(dá)+視頻）系統(tǒng)。M+V系統(tǒng)采用雷達(dá)+視頻方式，視頻采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)路面交通實(shí)時(shí)狀況的直觀反饋，但由于視頻識(shí)別算法和視頻對(duì)道路環(huán)境的要求較高，導(dǎo)致其采集的交通數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，不能全天候地工作;而雷達(dá)采集系統(tǒng)準(zhǔn)確度較高，但沒有直觀的畫面去觀察道路事件狀況。因此，采用視頻+雷達(dá)的采集方式，可以對(duì)兩種檢測(cè)方式的不足進(jìn)行相互彌補(bǔ)，形成智能化、高準(zhǔn)確度、全天候、多維度的交通信息采集系統(tǒng)。M+V（雷達(dá)+視頻）系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖如圖3所示。

系統(tǒng)通過多目標(biāo)跟蹤陣列雷達(dá)對(duì)道路大區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，可精確定位每個(gè)進(jìn)入檢測(cè)范圍目標(biāo)的坐標(biāo)（x，y）并對(duì)其進(jìn)行跟蹤，識(shí)別出的有效跟蹤軌跡會(huì)傳遞給報(bào)警程序，若軌跡違背了一系列規(guī)則，則報(bào)警信號(hào)就會(huì)生成。如目標(biāo)在指定區(qū)域內(nèi)速度持續(xù)為0 km/h，且持續(xù)時(shí)間超過設(shè)定時(shí)間，則認(rèn)定為違法停車;同時(shí)將目標(biāo)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，將距離轉(zhuǎn)換為變倍系數(shù)，當(dāng)球機(jī)完成變倍變焦后，分析儀控制球機(jī)進(jìn)行抓拍并實(shí)時(shí)回傳第一組違法圖片;雷達(dá)持續(xù)跟蹤目標(biāo)，超過設(shè)定時(shí)間后，抓拍第二組違法圖片，及時(shí)回傳該跟蹤目標(biāo)的視頻至后臺(tái)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。所有的軌跡和報(bào)警都可以收入數(shù)據(jù)庫，根據(jù)需要和儲(chǔ)存空間，保存3個(gè)月以上。

3.4 走私路口異常檢測(cè)功能

本系統(tǒng)基于雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)功能，特別對(duì)南友高速公路走私路口區(qū)域出現(xiàn)的車輛、人員（100 m內(nèi)）等事件進(jìn)行走私路口自動(dòng)報(bào)警和抓拍。軟件中的跟蹤識(shí)別模塊接收每個(gè)目標(biāo)雷達(dá)，并將其與人、車等不同的運(yùn)動(dòng)模型及不同信號(hào)功率模型相匹配。這些匹配信息被處理成每個(gè)對(duì)象的跟蹤軌跡，用來判斷是否存在走私路口異常行為，例如長(zhǎng)時(shí)間停車、人員長(zhǎng)時(shí)間滯留路側(cè)、人員進(jìn)入高速公路等，并觸發(fā)報(bào)警。

4 應(yīng)用效果

多目標(biāo)跟蹤陣列雷達(dá)多設(shè)置在南友高速公路的較易私鑿走私路口處。利用雷達(dá)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)信息，建立交通事件快速檢測(cè)系統(tǒng)，為異常和突發(fā)事件的快速反應(yīng)提供先進(jìn)手段，實(shí)現(xiàn)多元化信息的自動(dòng)存儲(chǔ)與提取;采用多種智能算法對(duì)系統(tǒng)前端所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，為系統(tǒng)準(zhǔn)確判斷事件性質(zhì)提供了科學(xué)數(shù)據(jù)支撐，對(duì)不法分子私自鑿開的走私路口提供證據(jù)鏈，有效打擊了走私猖獗的狀況;對(duì)南友高速公路車況車速進(jìn)行監(jiān)控，降低了事故發(fā)生概率，提升了高速公路管理水平。經(jīng)過兩年多的實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)用效果良好。

5 結(jié)語

通過系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，將高速公路上的信息、監(jiān)控等功能實(shí)現(xiàn)智能化，并結(jié)合視頻、情報(bào)板等設(shè)備形成新的交通事件檢測(cè)系統(tǒng)，為高速公路信息化建設(shè)提供新的技術(shù)力量。隨著高速公路行業(yè)科技的進(jìn)步與高速發(fā)展，緊跟打造綠色高速、智慧高速的新趨勢(shì)，本系統(tǒng)將具備越來越好的應(yīng)用前景。

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