危化品車輛過隧道跟蹤辨識和自動警示系統(tǒng)

文/張佳鵬 賈磊 楊瑩 郭曉澎 曹桂芳

1 引言

近年來，由于我國機動車保有量快速增長，公路交通流量越來越大，危化品道路運輸?shù)慕煌ōh(huán)境日益復雜，形成一個個流動的潛在危險源。危化品運輸事故不同于一般運輸事故，一旦發(fā)生事故，會衍生出燃燒、爆炸、泄漏等更嚴重的后果，造成重大的財產(chǎn)損失、環(huán)境污染、人員傷亡等一系列嚴重的社會問題。交通運輸部5號令要求“兩客一危”車輛（含危化品車輛）必須安裝、使用衛(wèi)星定位設備，通過無線網(wǎng)絡，向“兩客一危”車輛聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控平臺實時上報車輛動態(tài)信息和靜態(tài)信息。但在隧道里，衛(wèi)星信號和無線網(wǎng)絡信號會受山體遮擋，衛(wèi)星導航定位終端不能在隧道內(nèi)定位，會在隧道內(nèi)形成一個盲區(qū)，無法了解危化品車輛在隧道內(nèi)的運行狀況和位置，存在巨大的安全隱患。本文主要研究基于雷達和視頻數(shù)據(jù)，通過計算機視覺、神經(jīng)網(wǎng)絡、深度學習算法對進入公路隧道內(nèi)的危化品車輛狀態(tài)進行精準識別和位置跟蹤，實時獲取車型、車牌、車速、變道狀態(tài)等信息，對運行軌跡進行可視化的顯示；進一步與原有隧道監(jiān)控系統(tǒng)機電設備形成聯(lián)動，實現(xiàn)對于進入隧道的危化品車輛的主動預警、突發(fā)事故報警和事故救援指揮輔助等功能，完成隧道危險品車輛通行風險防控。

2 系統(tǒng)技術方案

本系統(tǒng)主要由毫米波雷達、高清監(jiān)控攝像機、高清卡口、危化品車輛過隧道跟蹤辨識和自動警示系統(tǒng)軟件等軟硬件設備構成，高清卡口用于獲取危化品車輛車型、車牌等信息，實現(xiàn)車輛身份的辨識，毫米波雷達和高清監(jiān)控攝像機用于獲取危化品車輛在隧道內(nèi)的位置、狀態(tài)、事件等信息，系統(tǒng)軟件融合多源數(shù)據(jù)，實現(xiàn)危化品車輛在隧道內(nèi)的動態(tài)跟蹤、實時監(jiān)控、信息發(fā)布、信息共享等功能，其系統(tǒng)技術方案見圖1。

圖1：危化品車輛過隧道跟蹤辨識和自動警示系統(tǒng)技術方案

2.1 危化品車輛辨識

危化品車輛進入隧道前，基于車型車牌識別與危化品車輛靜態(tài)庫表，系統(tǒng)可實時準確掌握進入高速隧道的危化品車輛的車輛信息（車型、車牌號、經(jīng)緯度、行駛速度、是否超速、行駛方向、運輸起終點、駕駛人姓名及聯(lián)系電話、所屬公司名稱及聯(lián)系電話等）、貨物信息（貨物名稱、裝載情況、理化性質等），便于在車輛通過隧道或發(fā)生突發(fā)事件時提醒或報警。

2.2 危化品車輛進出隧道辨識與提醒警示

當檢測到危化品車輛進入隧道時，基于雷達和高清卡口的辨識，模擬危化品車輛在隧道內(nèi)的運動軌跡，實現(xiàn)危化品車輛的動態(tài)跟蹤。同時系統(tǒng)向隧道值守人員推送提醒警示信息，利用隧道入口處和隧道內(nèi)的情報板向交通參與者發(fā)布提醒信息，視情開啟隧道廣播，使過往車輛保持間距，并嚴密關注危化品車輛的運行狀況。當危化品車輛駛出隧道口時，解除提醒警示。

2.3 危化品車輛隧道內(nèi)突發(fā)事件識別及自動報警

危化品車輛進入隧道后，基于雷達和高清卡口的辨識，系統(tǒng)對危化品車輛發(fā)生的交通事故、停車、泄露、著火、爆炸等突發(fā)事件進行識別并告警，以便迅速向交警、路政、運營管理單位報警（車輛信息、貨物信息、突發(fā)事件描述等），采取針對性對策，并實施交通控制和交通誘導，最大限度防范和控制危化品車輛在隧道內(nèi)的安全風險。

2.4 危化品車輛過隧道的數(shù)據(jù)信息共享

當危化品車輛在進入隧道前、在隧道內(nèi)行使時、出隧道后，通過智能化的感知手段和先進的多源數(shù)據(jù)采集，將各類數(shù)據(jù)進行融合，打通軟件、硬件之間的數(shù)據(jù)傳輸壁壘，提供有效數(shù)據(jù)鏈路，依據(jù)實際需求，可將信息推送到相關監(jiān)管部門，建立起有效的數(shù)據(jù)傳輸共享機制。

3 系統(tǒng)軟件功能

該系統(tǒng)軟件將監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)和雷達數(shù)據(jù)進行深度融合，通過計算機視覺、神經(jīng)網(wǎng)絡、深度學習算法精確運算出隧道內(nèi)危化品車輛的位置、速度、方向、運動軌跡等，對危化品車輛發(fā)生的逆行、超速、低速、慢行、拋灑物、違停、碰撞等異常事件進行預警，并以圖形界面形式形成報警信息。軟件支持事件的數(shù)字化回溯、事件軌跡回放和歷史數(shù)據(jù)查詢和報表統(tǒng)計，可將有關信息通過共享接口推送到有關監(jiān)管部門，其核心功能模塊主要有空間校準功能模塊、時間校準功能模塊、數(shù)據(jù)關聯(lián)功能模塊、事件分析模塊和應急處置預案模塊。

3.1 空間校準功能模塊

針對采集的數(shù)據(jù)，確定大地坐標系的經(jīng)緯度和高程信息，從空間對準的角度建立空間直角坐標系模型，建立基準坐標系，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標系。

3.2 時間校準功能模塊

將數(shù)據(jù)時間對準到一個時間基準上，統(tǒng)一數(shù)據(jù)率和采樣頻率，選定歸一化采樣時間間隔，實現(xiàn)對目標的時間校準。通過對各個車輛目標數(shù)據(jù)進行曲線擬合，實現(xiàn)對采集的車輛目標點跡數(shù)據(jù)的融合處理。

3.3 數(shù)據(jù)關聯(lián)功能模塊

通過建立目標狀態(tài)轉移模型和測量模型，確定經(jīng)過信號處理檢測得到的目標點跡，解決采集數(shù)據(jù)來源不確定性。將采集的目標點跡數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)融合中心，通過并行多數(shù)據(jù)聯(lián)合概率密度關聯(lián)算法，來表征融合中心融合后輸出的目標軌跡信息，實現(xiàn)的目標連續(xù)采集和跟蹤。

3.4 事件分析模塊

建立車輛異常事件模型，配置模型參數(shù)，建立交通擁堵、交通事故、拋灑物、慢行、超速、駐車、逆行等的事件觸發(fā)規(guī)則和條件，形成事件記錄、處理日志。

3.5 應急處置預案模塊

依據(jù)危化品車輛在隧道內(nèi)發(fā)生的交通事故、駐車、逆行等異常事件建立應急處置預案，便于異常事件突發(fā)時采取最有效的方案降低事故損失。

4 工程應用

呂梁太佳高速臨縣3#隧道于2010年12月正式通車，由呂梁片區(qū)管理，隧道雙洞四車道。由于佳縣返回太原方向危化品車輛屬于滿載情況，一旦發(fā)生事故，會造成更為嚴重的后果，因此本文研究的系統(tǒng)在呂梁臨縣3#隧道太原方向進行了實際的應用，該系統(tǒng)可以準確模擬危化品車輛在隧道內(nèi)的運動軌跡，提醒駕駛員安全駕駛，對車輛在隧道內(nèi)發(fā)生的違停、逆行、超速、變道等異常事件可以精確預警，對突發(fā)的事故可有效提供應急處置方案，有效降低了各部門的應急響應時間。

5 結論

本文研究的危化品車輛過隧道跟蹤辨識和自動警示系統(tǒng)作為交通安全領域一種前沿高新的主動安全和預警技術，可有效解決危化品車輛車載GPS信號在隧道內(nèi)丟失問題。通過雷達、視頻等技術手段，融合計算機視覺、神經(jīng)網(wǎng)絡、深度學習算法，完成對危化品車輛高精度識別、定位和追蹤；對車輛運行軌跡進行仿真和動態(tài)顯示，實時掌握隧道危化品車輛運行狀態(tài)；進一步與原有隧道監(jiān)控系統(tǒng)機電設備形成聯(lián)動；通過對危化品事故進行分級，完成分級應急響應的處置策略，對于安全交通具有巨大社會和經(jīng)濟意義。