基于軌跡關聯識別的高速公路車輛信息采集系統設計

喻斌 羅梓銘 岳康 程榮 劉龍平

摘要：為保障高速公路的安全和高效運行，構建高速行駛車輛與司乘人員的信息關聯，是智慧交通和高速公路智能化建設的重要內容。盡管主流的高速車輛信息采集技術取得了顯著進展，但在司乘人員信息關聯方面仍存在不足。為此，本文提出了一種基于軌跡關聯識別的高速公路車輛信息采集系統。該系統利用高速公路門架抓拍流水數據和移動手機信令數據，構建車輛的門架軌跡鏈和司乘人員的手機信令軌跡鏈。通過對門架抓拍流水軌跡和手機信令軌跡的特征提取和比對，可實現高速公路行駛車輛與車上司乘人員的關聯，基于關聯關系可以為司乘人員提供精準有效的智能化交通服務，也可以為交通管理單位的精準信息發布提供渠道。該系統主要是為交通管理部門提供服務支撐，并對數據進行了嚴格的數據權限控制和敏感信息脫敏。經過交通現場試驗驗證，該系統具有較好的實時性和可靠性，展示了其在實際應用中的潛力和效能。

關鍵詞：高速公路；軌跡關聯；車輛信息采集；手機信令；抓拍流水

引言

“十三五”期間，中國高速公路信息化與智能化建設工作取得了顯著進步 [1]。高速公路作為現代經濟和社會發展的重要基礎設施，在實現交通現代化進程中扮演著至關重要的角色。目前，全世界范圍內的智能化交通尚處于探索和研究狀態[2]，構建一個智能化的交通系統，準確及時地獲取車輛信息是實現智能交通的一個關鍵環節，有助于提升交通管理的效率，對交通安全、擁堵緩解以及交通運輸的可持續發展都產生積極而深遠的影響。通過精準監測，能及時調整交通管理措施，提供更快速、安全的出行體驗，滿足人民群眾舒適出行的需求。其中，實現高速公路行駛車輛與車上司乘人員的信息關聯，對于推進高速公路智能化管理有著重要意義。

目前，高速公路車輛信息采集技術已經取得了一定的進展，但仍存在傳感器密度不夠、車輛定位精度有限等一些不足[3]，尤其是如何將行駛車輛與司乘人員的信息相對應，快速精準地實現人車關聯，一直是業界研究的課題。為了解決這個問題，本文提出了一種基于軌跡關聯識別的高速公路車輛信息采集系統，可以對高速公路車輛及司乘人員信息進行高效、精確的采集，并建立兩者之間的關聯關系，為交通管理單位的精準信息發布提供渠道，也可為司乘人員提供精準有效的智能化交通服務。

1. 車輛信息采集技術

高速公路行駛車輛信息采集是智慧交通領域的重要研究方向之一，目前已經取得了一系列的研究成果和進展。現有的高速公路車輛信息采集研究涉及的技術主要集中在車載設備、傳感器網絡和移動數據采集等領域。以下是目前高速公路行駛車輛信息采集的幾種主要方案。

1.1 固定檢測器采集技術

通過在路旁架設固定監測設施的方式，以圖片抓拍或視頻流的形式，實時采集交通流信息。全國實現撤銷省界站后，龍門架以及監測設施基本已覆蓋高速公路全路網，通過監測設施抓拍的方式進行交通流信息采集準確率較高，但這種方式只能識別出車輛本身并不能對車上人員進行識別，無法建立車輛與車上司乘人員的信息關聯，使得智能化交通服務無法精準有效傳遞給司乘人員。

1.2 浮動車采集技術

隨著無線通信和車載自組織網絡的出現和發展，用協同定位來改善定位精度越來越受到關注[4]，浮動車采集技術成為目前應用最為廣泛的一種交通信息采集方式。所謂浮動車，是指安裝有定位和無線通信裝置的普通車輛（如出租車、公交車、警車等），這種車輛能夠與交通數據中心進行信息交換，一定程度上能夠實現車輛與司乘人員的信息關聯，建立交通服務快速精準傳遞給司乘人員的有效渠道。但浮動車采集的數據主要依賴于裝載在運行車輛上的GPS設備，需要額外安裝，交通服務信息的傳遞范圍受到限制。

1.3 基于手機信令的采集技術

基于手機信令的采集技術是一種利用手機信號數據進行交通信息采集的新興方式。通過手機信令數據，可以獲得大量用戶在不同地點和時間的位置信息，從而實現對路網交通流參數的獲取和高速公路運行狀態的監測，了解道路上的車流密度、速度分布和擁堵狀況，為交通管理和規劃提供有價值的參考，但該技術無法獲取人員所乘車輛的具體對應信息。

可以看到，目前主流的采集技術雖然各有特點，但都無法實現高速公路行駛車輛與車上司乘人員的有效關聯，限制了為司乘人員提供精準高效和智能化交通服務的能力。因此，本文提出了一種基于軌跡關聯識別的高速公路車輛信息采集系統，通過對車輛抓拍流水軌跡和手機信令軌跡的融合，可以更準確地關聯高速公路行駛車輛與車上的司乘人員，從而為司乘人員提供更精準、高效的智能化交通服務。下面從系統原理、系統構成和系統實現三個方面對系統進行介紹。

2. 系統架構與實現

2.1 系統原理

高速公路車輛信息采集系統利用高速公路門架抓拍流水數據和移動手機信令數據，構建了高速公路行駛車輛的門架軌跡鏈，以及車上司乘人員的手機信令軌跡鏈。通過對門架抓拍流水軌跡和手機信令軌跡進行特征提取和比對，進行門架軌跡鏈與手機信令軌跡鏈的關聯，進而實現高速公路行駛車輛與車上司乘人員的準確關聯。

系統利用抓拍終端模塊采集高速公路門架的抓拍流水數據，包括車輛的圖像、車牌號等信息；利用信令采集模塊獲取行駛車輛上司乘人員的手機信令數據，手機信令數據記錄了司乘人員的移動行為[5]。然后對門架抓拍流水軌跡和手機信令軌跡進行特征提取，如車輛的速度、行駛方向等，通過比對抓拍流水軌跡鏈和手機信令軌跡鏈之間的相似度來確定兩者之間的關聯關系，即抓拍流水軌跡鏈與手機信令軌跡鏈的對應關系，從而實現高速公路行駛車輛與車上司乘人員的關聯。為了保障個人信息安全，對手機信令及抓拍流水數據進行嚴格的權限控制，并對車牌號、手機號等敏感信息進行脫敏管理。系統原理結構圖如圖1所示。

2.2 系統構成

本文中高速公路車輛信息采集系統由四個主要模塊構成，包括安裝在高速公路門架上的抓拍終端模塊（CTM）、安裝在高速公路沿線基站上的信令采集模塊（SAM）、存儲高速公路沿線基站與高速公路門架之間映射關系的數據庫服務器（DS）、運行數據融合系統服務端軟件的計算服務器（CS）。通過這四個模塊的協作，系統能夠實時采集和處理高速公路上行駛車輛的圖像和信號信息，以實現對車輛的準確識別和數據融合，為交通管理和服務提供支持。

抓拍終端模塊（CTM）是安裝在高速公路門架上的設備，通過高分辨率攝像頭抓拍車輛的流水軌跡數據，包括車輛的圖像、車牌號等信息，將采集到的數據實時傳輸給計算服務器（CS）進行進一步處理和分析。

信令采集模塊（SAM）安裝在高速公路沿線的基站上，主要用于采集行駛車輛上司乘人員的手機信令軌跡數據。通過監測車輛所攜帶的手機在不同基站之間的切換過程和信號強度變化，SAM可以獲取到車輛上載乘客的移動軌跡數據。這些數據會與CTM采集到的車輛圖像數據進行關聯。

數據融合系統是系統的核心部分，運行在計算服務器（CS）上。數據融合系統的主要任務是構建高速公路行駛車輛的門架軌跡鏈和車上司乘人員的手機信令軌跡鏈，并進行關聯。首先，系統會提取CTM采集的門架軌跡鏈和SAM采集的手機信令軌跡鏈的特征值，如車輛速度、行駛方向等。然后，通過比對兩條軌跡鏈的相似度，系統能夠形成門架軌跡鏈和手機信令軌跡鏈的關聯關系。

計算服務器（CS）與CTM、SAM和數據庫服務器（DS）之間進行數據交互。CS接收CTM和SAM采集的數據，進行軌跡信息的提取、特征值計算和關聯分析。同時，CS還與數據庫服務器（DS）進行交互，獲取門架與基站之間的映射關系。這些映射關系數據會被用來對門架軌跡鏈和手機信令軌跡鏈進行關聯。

通過這四個模塊的協作，高速公路車輛信息采集系統能夠實現車輛的圖像抓拍、手機信令軌跡采集、數據融合和關聯分析。而系統能夠提供準確的車輛與車上司乘人員的關聯信息，從而為智能交通服務提供更精準、高效的支持。高速公路車輛信息采集系統總體框架如圖2所示。

2.3 系統實現

為實現行駛車輛信息與司乘人員信息關聯，本文所述的高速公路車輛信息采集方法具體實施步驟如下所示：

（1）根據高速公路沿線基站的覆蓋范圍，建立基站與高速公路門架的映射關系，并將基站與高速公路的映射關系存儲在數據庫服務器DS內；

（2）采用抓拍終端模塊CTM抓拍行駛車輛的高速公路門架流水軌跡數據，基于門架流水數據形成按車牌區分的門架流水軌跡鏈；其中vlp為車牌號，gtn為車輛在tn時間點所經過的門架，即gtn為Cg的特征值；

（3）采用信令采集模塊Sam獲取行駛車輛上司乘人員的手機信令軌跡數據，根據COO定位法，以手機所連接基站作為移動手機的當前位置，并過濾非高速公路范圍內的手機信令，形成手機信令；其中phone為手機號，ptm為該手機在tm時刻所連接的基站信息，即ptm為Cp的特征值；

（4）根據軌跡鏈特征對最長公共字串（LCSS）算法進行改進，當Cp存在pti=ptj=ptk并且pti、ptj、ptk都與中Cg特征值gtm一致時，取最小值，若為最小值，則認為特征值pti與gtm一致；

（5）數據融合系統調用數據庫服務器DS內的基站與高速公路門架映射關系，經過比對后得到最長公共字串，若Co完全包含Cg并且：

（其中△t指門架基準時間與手機信令基準時間之間的誤差值），則認為Cg與Cp是關聯的，即持有手機（phone）的人員在車牌為（vlp）的行駛車輛上。

為了驗證高速公路車輛信息采集系統的性能，在某高速公路路段進行了相關的實驗和測試。實驗結果顯示，通過對車輛抓拍流水軌跡鏈和司乘人員手機信令軌跡鏈進行特征對比，系統能夠成功實現高速公路行駛車輛與司乘人員的信息關聯，達到預期的人車關聯目標。通過實現高速公路行駛車輛與車上司乘人員的準確關聯，能夠為司乘人員提供更為精準和有效的智能化交通服務。例如根據車輛的行駛軌跡和司乘人員所在位置，系統可以提供實時的路況信息、出行建議和導航服務。此外，基于關聯的信息分析，系統還能夠為交通管理部門提供數據支持，優化交通流動，改善道路擁堵狀況。

結語

本文提出了一種基于軌跡關聯識別的高速公路車輛信息采集系統。該系統基于門架抓拍流水數據和手機信令數據分別構建車輛行駛軌跡鏈和司乘人員軌跡鏈。通過對兩種軌跡鏈進行軌跡特征對比，實現高速公路行駛車輛與車上司乘人員的信息關聯。這項研究為高速智能交通管理提供了重要的數據支撐，應用前景廣泛。

通過與智能交通系統的結合，可以為交通管理單位的精準信息發布提供渠道，也可為司乘人員提供實時路況信息、出行建議和導航等智能化交通服務。

參考文獻：

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[3]尹鋒，賴清明.高速公路信息采集智能發布系統設計研究[J].湖南交通科技， 2023，49（1）：139-145.

[4]王藝霏，劉敏飛，柴尚杰.應用物聯網技術的車輛定位采集系統設計[J].裝備制造技術，2022（5）：23-26.

[5]吳雨佳，尹偉石，孟品超.基于手機信令數據的用戶位置預測方法研究[J].長春理工大學學報（自然科學版），2022，45（5）： 130-137.

作者簡介：喻斌，碩士研究生，工程師，研究方向：智慧交通；羅梓銘，碩士研究生，工程師，研究方向：智慧交通；岳康，本科，助理工程師，研究方向：智慧交通；程榮，本科，助理工程師，研究方向：智慧交通；劉龍平，本科，研究方向：邊緣計算。