高速公路视频分析系统及运营管理方案探究

摘要：本文结合工作实际，对视频监控的自动分析技术和管理方案进行研究，提出高速公路视频分析技术在公路管理中的应用，重点对基于视频分析的高速公路运营管理方案进行了探究并提出建议，以满足交通管理的精细化和自动化需求。

如何充分利用交通视频监控大数据，从中自动提取并检索出有用信息，为交通建设部门开展各项工作提供不可或缺的、可靠的数据支撑，是亟待解决的实际问题[1-3]。本文研究的主要目的是实现用计算机代替人工“查看”监控视频，发掘海量视频数据中的潜在信息，提高运营管理效益。主要内容包括采用先进的视频分析技术对监控摄像机采集到的视频进行分析处理，自动获得道路路面车辆信息，提取有效的交通参数。通过这种方式，无须工作人员随时盯着监控视频进行统计，大大提高了工作人员的工作效率。该系统的应用，为实现车辆在高速公路上的安全高效通行提供了有利保障，推动了高速公路运营管理向现代化迈进的步伐。

基于枚举的车辆速度检测，首先创建映射表，建立图像像素与实际路面距离之间的映射关系。确定跟踪点，划定跟踪区域，跟踪点最好选择在车尾阴影上，这样测定的速度能够很好地反映车辆的实际速度。提取目标投影序列，对划定的跟踪区域，连续跟踪数帧。提取特征点，并通过非最大抑制的方法对特征点进行筛选。枚举测速分为两部分，即粗调和细调，最终得到车辆的精确速度。

基于特征点轨迹跟踪的车辆行为检测，车辆跟踪是获取目标运动轨迹的重要途径，直接影响车辆行为分析的准确性。帧间差分方法用于分割移动目标，选择角点作为特征，并使用基于块匹配的完整搜索方法来执行目标角匹配。然后，跟踪车辆，获得目标运动轨迹，分析行为[4]。

基于图像块状态演变的障碍物检测，首先采用基于边缘增强的灰度图像进行处理，分别计算所有像素的均值和方差，当其均值的差大于给定的阈值且方差的差大于给定的阈值时，该块即为异常块，否则不是异常块。对视频序列中的所有图像做上述处理，检测出场景中的所有异常块。

基于动态轨迹模型的交通状况检测，该设计基于移动目标的动态轨迹。首先，建立映射表，通过搜索像素距离映射表[5]，找到每个目标运动轨迹的起点和终点对应的实际距离，求出每条运动轨迹的速度。绘制速度统计直方图，并使用统计直方图能量中值方法获得一段时间内目标运动轨迹的统计平均速度，使用车辆整体的平均速度来判断交通状态的转换，从而实现交通状况的实时检测。

1、识别车牌系统

视频分析技术最基本的功能之一是在高速公路上识别车牌[6]。车牌识别技术也是高速公路系统中车辆查询和车辆跟踪的重要组成部分。通过数码相机收集包含牌照的图像，然后通过处理图像技术提取并识别牌照，以实现自动识别车牌的目的。通过自动识别技术提取车牌信息后，将识别的信息发送到后续处理软件，以实现车辆的统一控制和管理。识别车牌的工作流程示意如图1所示。识别车牌系统在高速公路管理中的应用取代了人工介入，既减少了工作量，又减少了工作误差；前端通过车牌大数据挖掘进行视频监控、捕获和录像，并保留视频和快照等证据，可用来辅助打击逃税。

2、违章或故障、事故停车检测

高速公路车流大、车速高，出现停车事件后，极易造成二次事故，造成道路拥堵。系统会根据视频录像检测到停车事件，会向监控系统发出警告，智能监控系统做出相应处理，向DVR管理系统发送中心录像，添加到报警列表，存储到数据库。然后通过摄像机报警、发出警报声音、弹出报警提示等方式，提示监控人员有异常状况发生，等待监控员做出相应的报警处理。同时向主机发送切换监视器命令，切换报警画面至主监控器及电视墙，便于监控人员了解监控区域的交通事件。监控员确认报警后，报警消音，解除报警，恢复正常，并将情况上报监控中心，启动应急预案。对于停车事件，监控中心可拨打紧急电话联系相关管理站或管理所的交警前往所管辖路段的事发现场，并联系救援部门前往事发地点，拖走车辆，保证高速公路通行环境顺畅。该系统检测技术的使用，大幅度提高了高速公路管理部门的工作效率和事故响应速度，确保了交通事件的高效、及时处理，不影响高速公路整体的交通运行环境。

3、抛洒物检测

高速公路抛洒物事件是一个频繁发生的事件，虽不直接引起交通事故，但抛洒物造成的交通安全隐患不容小觑。处理抛洒物的传统手段是人工定期查看录像，这种手段耗时费力，且处理不及时，未能起到良好的管理效果。该视频分析系统检测到抛洒物后，除了报警、切换报警画面提示监控人员注意外，还能在高速公路受影响路段的可变信息情报板上，发布前方路段的抛洒物信息，提示过往车辆注意。监控中心工作人员给监控分中心发送指挥调令，处理抛洒物事件。监控分中心反馈抛洒物信息给相关管理站，管理站工作人员前往现场清除抛洒物，最后将处理结果反馈给监控中心，可变信息情报板的抛洒物信息清除，提示车辆正常通行。

4、行人（摩托车、电动自行车）检测

传统的监控手段，无法帮助监控站的管理人员对行人侵入高速公路事件进行管理，只能树立公告牌警示行人。而高速公路视频分析系统会通过对物体运动轨迹的判断和物体是否符合某种特征实时检测出行人的存在，此时系统会自动激活报警系统，发出报警声音和灯光，提示监控人员，并调用监控画面至监控大厅的主界面，监控人员听到报警提示，立刻查看监控画面，对高速公路现场状况进行查看，通过对讲机通知所属路段的管理站值班工作人员，立刻赶往现场，制止行人在高速公路的通行。在对行人进行劝阻与警告的过程中，若行人不听劝阻，继续在高速公路上通行，值班工作人员应佩戴执法仪，对劝阻过程全程录像。因此，高速公路视频分析系统除了可以对行人的入侵事件触发报警信号进行报警外，还应把拍摄到的行人入侵前后的视频内容进行本地存储，便于工作人员后续的调查取证。

5、交通状态检测

当高速公路出现交通拥堵时，系统首先在工作期间检测车辆的队列，且车辆的速度降低。结合外部现场设备收集的数据进行分析，可通过文本信息或语音广播进行报警。此时，接收到警报的监控管理中心的工作人员可以合理地阻止交通拥堵，并通过信息发布和服务平台及时发布路况信息。交通管理人员可以对交通拥堵的发生情况进行统计，并对统计结果进行合理分析。分析结果可以作为交通管理的主要依据，从而将交通管理从传统的被动形式转变为主动管理模式，使流量更加顺畅，为流量管理提供更有利的支持。同时，交通状态检测系统和交通引导系统正确连接。最终，实现城市交通的智能化管理，提高交通的畅通性，使管理变得更加容易。

6、交通数据整合

目前监控系统在管理中只能实现单一功能，且视频基础数据利用率低，视频监控系统之间的数据无法实现对有价值信息的提取，基于视频分析的监控系统，可以自动收集大量的交通参数和数据，如交通流量、密度、车辆速度、车辆队列之间的距离、事故次数、停车事件等。通过对这些数据的收集，监控中心工作人员可以利用现有的云计算、大数据技术对数据进行处理，挖掘出有价值的交通信息，完善管理措施。例如，通过交通数据分析某一监控站点处事故频发的原因，发现是由于车速过高和道路基础设施修建不合理导致的，监控中心发布调控命令，让管理站工作人员对路段进行适量限速，重新修建基础设施；对节假日交通状态的估计，可根据往年的节假日高速公路运行状况，分析出未来节假日期间高速公路交通流的通行规律和事故次数，交通管理部门提前准备好应急预案，做好管控措施，保证假日车流的顺畅。视频分析系统中对数据的整合分析，可使交通管理部门全面掌握道路状况，提高管理质量，为实施交通管控措施提供科学依据。

（二）高速公路运营管理相关制度草案

1、监控中心

高速公路管理架构如图2所示。各个管理站和管理所的视频汇聚到监控分中心，然后由监控分中心的计算平台对交通参数和事件进行检测和预警，并将预警事件及时反馈给相关管理站或管理所，使其采取相应的交通管理措施，同时将预警事件汇总上传给上级监控中心。监控中心负责省级公路监控系统运行的行业协调、监督、检查、指导和服务工作，充分掌握高速公路网的运行状况，协调公路事故处理，发布交通服务信息，向管理单位提供远程获取所辖道路监控信息的服务。

监控中心的主要职责如下：

（1）监控中心是省级公路监控系统的信息交换，负责省道路网综合监控信息的采集、综合处理和发布；

（2）监控中心接收监控子中心上传的交通参数和事件相关监控信息，并向监控中心发布调度指令；

（3）监控中心负责发布高速公路网的内部交通监控信息，并在交通运输部门的授权下向公众发布公路信息；

（4）向公众提供高速公路咨询和投诉服务，并与监控分中心的远程代理商一起向公众提供紧急援助服务；

（5）协调道路网络内每个管理（业务）单位的管理，通过枢纽互通和主要互通的关键控制，提高高速公路网的整体通行能力，协调各管理（业务）单位的管理；

（6）监督高速公路网各级管理单位的日常监测和管理业务实施情况；

（7）高速公路管理单位可设置一定数量的查询终端，接入监控中心系统，远程查询管辖范围内的高速公路监控系统信息。

2、监控分中心

监控中心应根据路段施工情况、投资主体和运营管理模式直接连接到相邻路段监测分中心。在本路段的管理机构内设置挂接相邻监控分中心的管理终端，获取交通视频图像、路况、交通流信息，在分中心的授权下，发布交通引导信息。监控分中心是高速公路运营的具体管理单位和执行机构，主要负责整个高速公路的交通监控信息的采集、记录、分析和处理，负责本节道路的交通监控和指挥调度，从管理办公室获取收费和超级映像，并从辖区内的隧道管理站获取隧道状态、交通状况和图像监控信息，发送交通调度信息。监控子中心将交通参数和事件相关监控信息上传到监控中心，并接收监控中心发布的调度指令。

3、基层监控单元

（1）隧道管理站

隧道管理站独立管理隧道或隧道群孔中收集的信息和隧道监控设备，负责控制隧道内的交通流量、照明、通风等。隧道管理站将隧道监控视频上传到路段监控子中心。隧道管理站（含隧道口设备机房）的设置应以隧道长度、交通量大小、隧道分布特点等为依据，并考虑到集中度、隧道群的位置、管理站的建设和运营成本，以及管理人员的便利性等。隧道管理站所设置的监控管理终端通过通信系统或视频光传输平台提供的以太网通道与监控子中心计算机系统连接，可通过网络调阅本管理站所辖隧道的所有监控摄像机图像以及监控数据和监控分中心分析得到的隧道的交通参数和交通事件，掌握隧道的交通流量信息和运行状态等信息。

（2）桥梁管理站

可以在大江、大河等大桥上设置桥梁管理站。管理所设置的监控管理终端通过通信系统或视频光传输平台提供的以太网通道与监控子中心计算机系统连接，可通过网络调阅本管理站所辖桥梁的所有监控摄像机图像以及监控数据和监控分中心分析得到的交通参数和交通事件。

（3）管理所

管理所是收费、治超图像的实际基层管理单位，是综合监控系统外场设施的信息汇集点。管理所是其所辖范围内监控、收费、超限检测视频的汇集点及监控外场设施信息的汇集点，可将汇集后的视频及信息上传至路段监控分中心。管理站设置的监控管理终端通过通信系统或视频光传输平台提供的以太网通道与监控子中心计算机系统连接，可通过网络调阅本管理所所辖路段的所有道路监控摄像机图像以及道路监控数据和监控分中心分析得到的交通参数和交通事件。

作者：解熠（陕西省交通建设集团公司）

参考文献

[1] 谭晓军,沈伟.一种基于视频的道路交通流量监测方法[J].计算机应用,2005,(25):125-130.

[2] 于成中.基于背景差法的运动目标检测[J].东南大学学报,2005,(3):92-97.

[3] 钟连德,孙小端,陈永胜.高速公路突发事件应急管理系统[J].公路,2006,(1):127-130.

[4] 李英.新一代智能视频分析系统中目标提取算法的研究与实现[D].电子科技大学,2010:23-27.

[5] Bernd H. Motion Based Object Detection and Tracking in Color Image Sequences [C]. IEEE Symposium on Intelligent Vehicles, 2002:13-19.

[6] 万义云,程长洪.智能视频分析技术在高速公路建设和管理中运用[B].江西交通咨询公司,江西南昌.