凝膠改進型攝像頭特性分析及智能交通路網系統優化

摘要：為降低城市擁堵發生頻率，利用聚氯乙烯凝膠透鏡攝像頭拍攝城市交通車輛，從而提高車流密度信息特征的估計精度，達到優化城市交通流的目的，同時提出基于線性規劃的智慧城市交通流優化技術。運用Small-World模型來模擬城市路網的演化，借助線性規劃方法對城市交通路網結構實施線性分割。結果表明，聚氯乙烯凝膠摻量為30 g時，聚氯乙烯凝膠與玻璃基板具有良好的粘接性能。而基于線性規劃技術能夠準確識別交通網絡中不同時段的車流變化規律，有效預測未來城市道路交通狀況，從而制定相應的調度策略來應對城市潛在的交通擁堵。

關鍵詞：線性規劃；智慧城市；交通流優化；透鏡攝像頭；凝膠

中圖分類號：TQ427.2+6文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0036-04

Characteristics analysis of improved gel camera and optimization of intelligent transportation road network system

ZHOU Zhengpeng

（Gansu Jiantou Logistics Group Co.，Ltd.，Lanzhou 730030，China）

Abstract：In order to reduce the frequency of urban congestion，the PVC gellens camera was used to photograph urban traffic vehicles，so as to improve the estimation accuracy of traffic density information characteristics and achieve the purpose of optimizing urban traffic flow，and at the sametime，a smart city traffic flow optimization tech-nology based on linear programming was proposed.The Small-World model is used to simulate the evolution of the urban road network，and the linear segmentation of the urban traffic network structure is carried out with the help of linear programming method.The results showed that when the PVC gel content was 30 g，the PVC gel had good ad-hesion performance to the glass substrate.Based on linear programming technology，it can accurately identify the traffic flow changes in different periods of the traffic network，effectively predict the future urban road traffic condi-tions，and formulate corresponding scheduling strategies to deal with potential traffic congestion in the city

Key words：linear programming；smart cities；traffic flow optimization；lens camera；gel

伴隨著城市化進程的加快和人口規模的不斷擴大，交通問題成為了制約城市可持續發展和居民生活質量的重要因素[1]。傳統交通管理方法在應對日益復雜的城市交通量和多樣化的出行需求方面顯得力不從心，對智慧城市交通的相關研究成為了學術界關注的焦點[2]。在城市宏觀交通需求預測的基礎上通過開展交通調查來構建城市軌道交通出行需求的模型[3]。提出了一種基于負激勵項的改進模糊C均值聚類交通狀態劃分模型[4]。提出了一種基于機器學習的城市道路交通擁塞狀態識別模型，并建立了交通擁堵強度評價的Logistic回歸模型，其能夠智能化輸出城市道路交通擁堵狀態[5]。提出了考慮高平峰差異的城市軌道交通節能運行圖優化方法[6]。因此，在前人研究基礎上，提出一種基于線性規劃的智慧城市交通流優化模型，并通過仿真驗證模型的有效性。智慧城市交通流的優化，首要條件需要保證道路攝像頭高清的拍攝到車輛特征。氯乙烯凝膠透鏡攝像頭是一種新型智能攝像頭，該攝像頭通過應用智能算法，能夠實現對多個路口的交通流，為智慧城市交通流優化研究提供基礎。

1實驗材料和實驗方法

1.1實驗材料及設備

實驗材料：聚氯乙烯購自上海源葉生物科技有限公司，分子量約為62，密度為1.4 g/cm3，白色粉末，無定形結構。四氫呋喃購自上海麥克林生化科技股份，無色透明液體，密度為0.887 g/mL，閃點大于230°F，易溶于水。己二酸二丁酯購自上海麥克林生化科技股份，分子量為258.351 2，淺黃色透明油狀液體，相對密度為0.961 g/mL，沸點為168℃。銦錫氧化物（ITO）玻璃基板購自玻璃科普樂（沈陽）科技有限公司，銦錫氧化物（ITO）玻璃基板在550nm下的透過率大于85%，表面粗糙度為1-10納米。聚酯薄膜購自玻璃科普樂（沈陽）科技有限公司，透光率通常高于90%，霧度低于0.2%，聚酯薄膜可以承受低溫-40～-60℃。

實驗設備：攪拌器購自鹽城市蘇海供熱設備，兩葉槳式攪拌器的轉速在20～100 r/min。3D飛秒激光光刻設備購自北京卓鐳激光技術有限公司，脈沖長度大于120 fs，重復頻率為80 MHz，平均功率大于120 mW，中心波長為780 nm。

1.2實驗方法

在測試前，用水清洗干凈鏡頭表面并在其表面涂上一層樹脂液，可以防止鏡頭表面受到污染，影響攝像頭的聚焦效果。同時利用轉矩流變儀測定凝膠型攝像頭透鏡材料的粘接強度。通過測定凝膠在特定條件下的扭矩，分析扭矩隨時間的變化來評估凝膠的粘接強度。利用3D線激光高精度儀器測量不同摻量聚氯乙烯凝膠的攝像頭透鏡焦距變化，并確定聚氯乙烯凝膠的最優摻量。在聚氯乙烯凝膠最優摻量的基礎上，通過尋找2個圖像中的相同特征點，利用這些匹配點的位置信息，反推出深度信息，進而計算出焦距。同時將水凝膠、石墨烯等材料與聚氯乙烯凝膠進行對比，探究聚氯乙烯凝膠的適用性。

2結果與分析

2.1不同摻量聚氯乙烯凝膠的粘接強度變化

為保證聚氯乙烯凝膠攝像頭的長期使用，需要確保聚氯乙烯凝膠與兩個銦錫氧化物（ITO）玻璃基板具有足夠的粘接強度，防止玻璃基板在長期使用過程中[15]，發生變形或脫落等現象。因此，本節探究不同摻量的聚氯乙烯凝膠粘接強度，結果如圖1所示。

由圖1可知，聚氯乙烯凝膠具有較好的粘接強度，其粘接強度隨聚氯乙烯凝膠摻量的增加而增加。隨著聚氯乙烯凝膠的加入，玻璃基板中間的孔隙逐漸下降，且由于聚氯乙烯凝膠自身具有較好的剛性和彈性，可以和玻璃基板有效粘合。聚氯乙烯凝膠摻量為0～20 g時，粘接強度快速增加，粘接強度變化范圍為5～10 MPa。當摻量大于30 g后，粘接強度趨于穩定；當摻量為40 g時，粘接強度達到最大值15.1 MPa，較摻量30 g增加7.14%。主要原因為當聚氯乙烯凝膠摻量較多時會與玻璃基板間產生較大溫差，導致二者之間產生較大的內應力，使聚氯乙烯凝膠與被粘接物體間出現裂紋、分層等現象[16]，從而導致粘接強度增加幅度變緩。綜上所述，考慮到聚氯乙烯凝膠造價的影響，可以將聚氯乙烯凝膠摻量設定為30 g，即可保證聚氯乙烯凝膠與玻璃基板具有良好的粘接性能。

2.2不同材料的攝像頭透鏡焦距變化

為進一步探究聚氯乙烯凝膠對攝像頭透鏡焦距的影響，本節將聚氯乙烯凝膠、水凝膠、石墨烯等材料加入攝像頭中，以評估不同材料對攝像頭透鏡焦距的變化，結果如圖2所示。

由圖2可知，聚氯乙烯凝膠的透光率及折射率均大于水凝膠及石墨烯，其中聚氯乙烯凝膠的透光率及折射率分別為95%及97%，而水凝膠的透光率及折射率分別為93%及91%，較聚氯乙烯凝膠分別下降2.11%、6.18%，表明聚氯乙烯凝膠摻入到攝像頭時，聚氯乙烯凝膠的分子結構和形態會發生改變，導致其折射率易發生變化。而水凝膠具有較高的含水量和特殊的三維網絡結構，易使其對環境因素（如溫度、濕度、pH值等）較為敏感，進而影響透鏡的焦距。而石墨烯摻入到攝像頭中，透光率及折射率分別為85%及87%，攝像頭透鏡焦距性能較差。因此，聚氯乙烯凝膠摻入到攝像頭透鏡中，可以使攝像頭透鏡焦距達到最優效果。

2.3智慧城市交通流優化效果分析

2.3.1道路網絡建模

為構建道路網絡，將交叉口、停車場、公交站點等抽象為節點，道路抽象為邊，從而獲得城市道路的圖結構。每一個節點為一個交通流的交匯點或起、終 點，邊為節點之間的道路連接[7] 。設節點集合為 V = {v1 v2 vN} ，邊集合為 E = {e1 e2 eM} 。伴 隨著交通網絡的快速發展以及車流量的快速增加， 城市道路擁堵越來越嚴重。考慮到城市交通網絡的 復雜性，采用多向加權連接三層結構來表示。邊集 合中的元素表示不同節點之間的道路連接，邊的方 向性表示交通流的單向或雙向特征，邊的權重用來 計算最優路徑或對道路的通行能力進行評估。影響 智慧城市道路擁堵的因素主要有車流密度、不同車 道內車輛加權平均速度等，建立路網交通信息流輸 出的數學模型，即

結合所構建的網絡模型以及當前城市交通網絡 的復雜性，采用Small-World模型來對復雜路網的演 化過程進行模擬[8-9] 。通過路網狀態信息動態更新道 路上車流量 xa ，采用路段阻抗 ta 來評估道路上車輛 的通行性能。借助交通傳感器和物聯網設備，對每條 道路上的車流量數據進行實時采集。根據交通流量 的變化，動態更新城市交通網中每條道路的車流量。

2.3.2 交通流獲取

為優化城市交通流，需要在所構建的交通路網 模型基礎上獲取交通流。利用聚氯乙烯凝膠透鏡攝 像頭獲取交通路網交通流，同時對城市交通路網進 行分割。采用線性規劃方法分割交通路網，復雜的城 市道路網就被分割為若干個子區域[10] 。交通路網分割 示意圖如圖3所示。

由圖3可知，設節點容量ci：U（A，B） 。定義城市交通網絡的抗毀性度量值R，其數學表達式為：

式中：n0為完好節點，反映該處未發生交通擁堵現象；N為總節點。

定義矩陣A為交通網絡中各條邊的狀態，A中元素aij為邊ei與邊ej之間的車流量關系，那么A可以表示為[11-14]：

當邊的流量超過其容量時，該邊為過載邊，其狀態可以通過矩陣A的某些特定元素來描述。由過載邊所構成的矩陣，獲得過載邊的概率密度函數。設城市整體道路網采用網絡分割，其表示為：

由線性規劃理論，eij的函數表達式為：

式中：i′= i+ 1，j′=j+ 1。

遍歷所有的節點，確保聚氯乙烯凝膠透鏡攝像頭能夠最大范圍覆蓋道路節點。借助線性規劃工具，建立城市交通流優化模型，其數學表達式為：

2.3.3智能交通路網系統優化效果

為優化城市交通流，采用線性規劃方案估計車流密度并提取特征信息。線性規劃的核心是有效利用行駛車輛的位置、速度、行駛方向等實時數據信息來構建優化模型。通過最小化交通擁堵和最大化道路通行效率，達到優化城市道路交通流的目的。車流密度是反映道路交通流狀況的重要評價指標，其不僅表示當前道路交通負載的情況，同時還能夠有效預測潛在的交通擁堵區域。車流密度特征信息包括車輛時空分布、車流波動規律、峰值時段流量變化以及交通節點擁堵情況，這些特征信息通過對實時交通數據的統計分析得到。為獲得車輛密度特征，對交通信息流進行聚類分析，圖4為聚類分析的結果。

由圖4可知，通過計算交通信息流車輛密度特征信息，可以全面、準確了解城市道路車流密度，具有相對比較高的估算精度，同時信息的全面性與準確性得到了保障。在交通信息流車輛密度特征信息基礎上，能夠準確識別交通網絡中不同時段的車流變化規律，有效預測未來城市道路交通狀況，從而制定相應的調度策略來應對城市潛在的交通擁堵。

3結語

（1）聚氯乙烯凝膠具有較好的粘接強度，其粘接強度隨聚氯乙烯凝膠摻量的增加而增加。隨著聚氯乙烯凝膠的加入，玻璃基板中間的孔隙逐漸下降；

（2）聚氯乙烯凝膠摻入到攝像頭時，聚氯乙烯凝膠的分子結構和形態會發生改變，導致其折射率易發生變化。且聚氯乙烯凝膠的透光率及折射率均大于水凝膠及石墨烯材料；

（3）基于線性規劃的智慧城市交通流優化技術利用精確的車流密度數據，實現對城市交通流的優化調度，達到改善城市整體交通流通狀況的目的。

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（責任編輯：蘇幔，平海）