现代化城市所应具备的智能交通系统

■雷玉堂

现代化城市所应具备的智能交通系统

■雷玉堂

现代城市迅速发展，城市交通拥堵日益加剧，交通事故不断增加，交通问题越来越引起人们的关注。因此，更好地协调人、车、路三者的关系，已成为交管部门所面临的重要问题。建立智能交通（ITS）体系势在必行。

引言

现代城市经济迅速发展，人与车辆均在快速增加，城市交通拥堵日益加剧，交通事故也不断增加，交通问题越来越引起人们的关注。因此，更好地协调人、车、路三者的关系，已成为交通管理部门所面临的重要问题。尤其在平安城市创建中，首先必须要建立智能交通系统。这种城市智能交通系统，要面向全市的交通参数的数据监测、交通信号灯控制与交通诱导等，并有电子警察日夜代替交通警察执行任务，以打击利用机动车犯罪，使交通安全而通畅，最大限度地提高道路的使用效率，保障人民生命财产的安全。

智能化道路交通系统重要的内容是对交通运行状况要能及时了解、分析、判断。并能让驾驶员对交通状况了如指掌。这种利用计算机的智能交通系统，主要用于城市道路交通控制与管理，对提高城市道路的通行能力、缓和城市交通拥挤起着重要的作用。

下面介绍现代城市应具备的智能交通系统的总的组成及功能，各个子系统的组成原理及功能，并展望其发展方向。

城市智能交通系统的组成

一般，城市智能交通系统能实现整个城市交通监控系统的统一控制、协调和管理，采用符合工业标准的通信和系统集成技术，具有稳定性好、可靠性高的优点。城市智能交通系统，其总的结构组成与原理框图如图1所示。由图1可看出，城市智能交通系统，主要由车辆交通参数检测、车辆异常行为检测、车辆拥堵检测与控制疏导、车辆不停车收费、车辆3G定位与跟踪、道路治安卡口检测、车辆牌号自动识别与车辆违章检测的电子警察等8个子系统组成。这些子系统检测的情况均可通过城市有线或无线网络传送到交通监控管理与指挥中心，中心也可通过交通管理控制软件，再通过网络去控制和指挥前端的子系统。

■ 图1：城市智能交通系统结构组成原理框图

在城市智能交通系统的通信中，可以采用数传电台、GSM短消息、光纤接入等方式。目前较方便的多是采用移动网络GPRS与CDMA传输的通信方式。

城市道路交通控制主要是对交通信号的控制。而交叉口处的交通信号灯是城市道路网中的主要控制设施。但定时的交通信号灯影响交通网络的运行效率，因此信号灯必须以最优控制策略存在，即根据车辆实际运行情况自适应地控制红绿信号灯的转换，以减小道路网络中所有车辆的行程的时间，以达到城市道路的最大畅通。

下面再具体介绍一下城市智能交通应具备的8个子系统。

车辆交通参数检测系统

车辆交通参数检测系统，能识别车辆的形状、颜色、类型、车速、车流量、道路占有率以及是否有非法停靠、是否有故障车辆等。并且，将这些交通参数反馈给交通监控管理中心，以利于交通管理。

目前，车辆交通参数检测的方法很多：如有磁感应车辆检测器、微波雷达车辆检测器、超声波车辆检测器、红外线车辆检测器、激光车辆检测器、无线车辆检测器与视频车辆检测器等。其中以视频车辆检测器所检测的交通参数最为齐全，且所采集图像的摄像机还可与道路监控摄像机兼容，并便于识别与跟踪，是现代智能交通ITS中车辆检测的最佳选择与发展方向。

实际上，视频车辆检测系统是利用已建立的交通电视监控系统的信息资源（即交通数据的采集），采用先进的计算机图像处理及模糊识别技术，实现处理连续动态的道路交通监测图像，以获得分类交通参数的一个检测系统。它可以单独建立，如在道路上合适的地点安装摄像机，也可以建立在道路监控系统基础上。通常，现在比较流行的做法是将视频车辆检测系统建立在道路监控系统之上。

视频车辆检测系统所提供的交通参数数据一般比较齐全，有如下的两类：

用于统计的交通数据：车流量，车的速度，车的密度，道路占有率，车辆类型（主要根据车辆长度）等。

用于事件有关的数据：车辆高速、高密度或高占有率，停车或非常慢的运动车辆，车辆排队，路上异物，车辆违章，交通事故，逆向行驶等。

根据检测到的用于事件有关的数据，可以产生不同的报警。因为当探测某一事件发生时，系统会自动产生报警以提醒工作人员。然后，工作人员可从图像上了解事件发生的地点、该地点的交通状况，这样就可及时采取措施或指挥就近的有关人员救护，以减少事故的再发生。

违章检测的电子警察系统

违章检测的电子警察系统主要由机动车冲红灯、超速、逆行、压黄线等违章子系统组成。现分别简述如下：

（1）机动车冲红灯违章检测系统

机动车冲红灯违章检测系统的主要功能是自动探测交通信号为红灯时违章超越停车的车辆，并自动拍摄和记录违章时间、地点，拍摄的图像经过编码压缩处理，自动源源不断地传输至公安局交警控制中心，交警部门掌握了确凿的证据，对违章者进行处罚，从而有效地减少违章冲红灯车辆，规范行车秩序。

■ 图2：冲红灯电子警察系统工作原理

■ 图3：机动车超速、逆行、压黄线违章视频检测系统的组成与原理框图

冲红灯违章检测系统由拍照控制器、图片采集控制器和控制中心三部分组成。图片采集控制器和拍照控制器安装在交通路口现场，一个图片采集控制器可以连接四个拍照控制器。控制中心安装在交通公安局，通过公用电话网或其他网接收图片采集控制器的现场图片，一个中心可以连接任意多的图片采集控制器。拍照控制器由控制电路、数码相机、闪光灯、感应线圈及转发器组成；图片采集控制器由工业控制计算机、Modem（或集线器等）组成；控制中心由中心计算机、Modem（或集线器等）、打印机组成。

系统的工作原理如图2所示。当感应线圈侦测到汽车、摩托车等经过时，便立即将信号送到控制电路。控制电路判断此时为红灯，则启动闪光灯和数码相机，使之及时拍下车辆冲红灯时的清晰全景，包括红灯信号、车辆位置、车牌号码等。若图片采集控制器检测到数码相机已拍照，便将相片从数码相机中取出，并清空数码相机内存，同时图片采集控制器通过公用电话网或其他网将照片传到控制中心。控制中心再将收到的照片进行管理，如查询、注释、打印、备份等。

（2）机动车超速、逆行、压黄线违章检测系统

机动车超速、逆行、压黄线违章视频检测系统的组成与原理框图如图3所示。

由图3看出，机动车超速、逆行、压黄线违章视频检测系统由前端视频组件、检测工控主机、与机动车违章管理软件等组成。

系统的工作原理是，系统对特定的地点路面(即划定的检测区域)的车辆的速度与方向以及黄线的图像进行视频监控与检测(有的可采用微波雷达测速)，当系统检测到机动车超过限速值(高速行驶车速大于120km/h)、或机动车的行驶方向违反工控机设定的行驶方向、或机动车辆压黄线时，即通过视频检测工控主机控制违章检测控制单元控制闪光灯驱动单元，使闪光灯闪光，由近景摄像机拍摄违章车辆的车牌号像片，远景摄像机拍摄该方向的全景像片。为确保所摄的像片能作为交管部门的执法依据，一般系统也抓拍二幅连续全景像片和一幅能看清车牌号的特写像片，并在违章车辆的图像上，记录车辆违章的时间、地点以及违章的参数(如超速的速度等)。同时，将该结果存贮起来，生成违法图像和违章信息数据库，并根据实际要求生成违法处罚通知单，通过光纤网络自动传输到交通管理部门作为执法依据。以规范司机遵章驾驶，提高道路的通畅能力。

■ 图4：不停车收费系统的原理框图

■ 图5：GPS不停车收费系统

收费站不仃车收费系统

收费站不停车收费系统主要用于高速公路、城市入口等收费站的不仃车收费，以利于车辆通行，解决交通瓶颈。目前，收费站不停车收费系统，有下面二种类型：

(1)ETC不停车收费系统

收费站不停车收费系统，是一种电子不停车收费系统（简称ETC），是国内外正在开发并且推广普及的一种用于高速公路、大桥和隧道的一种收费系统。它通过路侧天线与车载电子标签之间的专用短距离通讯，在不需要司机停车和其他收费人员采取任何操作的情况下，能自动地完成收费的全过程。

ETC系统主要由ETC收费车道、收费站管理系统、ETC管理中心、专业银行及传输网络组成。ETC系统是利用微波（或红外或射频）技术、电子技术、计算机技术、通信和网络技术、信息技术、传感技术、图像识别技术等高新技术的设备和软件（包括管理）所组成的先进系统，以实现车辆无需停车即可自动收取道路通行费用。目前，大多数ETC系统均采用微波技术。这种不停车收费系统的原理框图如图4所示。

由图4可知，当汽车通过路边车道设备控制系统的信号发射与接收装置（路边读写设备简称RSE，即图中的阅读器）时，经天线，能识别车辆上设备（即图中的射频卡或标签，因放在汽车前玻璃上也称为车载器，简称OBU）内特有的编码、车牌号、判别车型、计算通行费用，并自动从车辆用户的专用帐户中扣除通行费。对使用ETC车道的未安装电子标签或标签无效的车辆，则视作违章车辆，并立即自动实施图像抓拍和识别，以传送交警部门事后处理。

这类收费站不仃车收费系统目前有二种类型：一是标签上无车型信息的，这种ETC自动收费系统，需要采用车辆检测器，对车辆进行分类；二是标签上有车型信息的，这就是目前所说的射频自动识别技术RFID不停车收费系统。因这种系统的电子标签(即射频卡)上的信息是非常完整的。

(2)GPS不停车收费系统

高速公路GPS不停车收费系统，是GPS技术、GIS技术、移动通信技术等的高度融合。它将装有GPS接收机的移动车辆位置数据，经过单片机的处理，经GSM通信模块以短信息的方式发送至移动通信网的短消息中心(SMC)，SMC再通过专线把车辆定位信息传递给收费中心，当收费中心接收到移动终端发送来的位置信息，利用GIS软件和快速的投影匹配算法，准确将车辆的行驶路线与数据库中的道路网进行匹配，获得其在收费道路上的行驶轨迹，然后由收费软件按照各条公路收费标准分开进行计费，以实现道路联网收费；车主可在网上查询自己的收费详细情况，使收费过程透明；收费中心然后再通过专线与银行进行交割。

整个系统由移动终端和收费服务中心两部分组成。如图5所示。

移动终端由GPS接收机、单片机、GSM通信模块、天线等软硬件设备组成；收费服务器端硬件主要包括数据库服务器、应用程序服务器，路由器及输出端。软件主要包括：数据库服务器上的道路电子地图数据库(包括各条收费道路的详细信息，如车道数、管理部门及各条道路收费标准数据库等)、车辆行驶路线及自动收费记录数据库、车辆及车主信息库等，应用服务器上收费软件、GIS应用软件等。

本系统可实现全天侯24小时不停车收费与分时段收费；实现车辆全程跟踪与定位以及道路信息查询等功能。

城市智能交通采用不停车收费系统的好处有：杜绝少数不法收费员贪污路费；无需收费广场，节省收费站的占地面积；节省能源消耗，减少停车时的废气排放和对城市环境的污染；降低车辆部件损耗；减少收费人员，降低收费管理单位的管理成本；无需排队停车，节省出行人的时间；避免因停车收费而造成收费口堵塞，形成新的瓶颈等。

车辆异常行为检测系统

车辆异常行为检测系统，可用来检测车辆行驶行为，当检测到车辆行驶异常时，立即进行预/报警。通常，系统首先通过背景减除提取运动图像，并进行跟踪和目标类型识别。如有一辆汽车驶入人行道时，系统会自动在该车周围打出两个红色问号，表示其行驶异常，并同时发出警报声，以引起监控人员的注意。当车辆退出人行道后，红色问号消失，警报解除。又如有一辆小汽车快速在停车场或高速公路收费广场逆行，这时系统会在其周围打出两个红色惊叹号，并发出警报声，表示其行驶行为已经发生异常。再如，那种频繁超越各车道正常行驶车辆的超速行驶的车辆，多为被劫或逃窜等车辆，也属行驶行为异常车辆，这时系统要发出急促的警报声等。这种车辆异常行为检测系统，尤其在城市道路监控中有非常大的作用。

显然，这种智能化功能的实现，可以在无人巡视的条件下，能检测识别车辆的异常行为，如车辆驶入绿化草地、人行道、逆行、超速、行驶过程突然停下横挡车辆冲出人实施抡劫与绑架等违法违章行为，均能自动检测到，并立即进行预/报警，从而可实现高效智能化的交通管理。

交通拥堵检测及自动疏导控制系统

交通拥堵检测及自动疏导系统，能统计通过的车辆数与检测交通拥堵，并通过交通信息牌和无线台对交通进行自动疏导。同时，还可根据实际拥堵情况，在十字路口自适应地控制红绿灯的转换时间，以自动疏导车辆，使交通通畅。

在视频检测系统中，为了及时有效地发现交通拥挤，在系统上端软件中加入了“常发性拥挤自动检测及警告”模块。当交通拥挤发生时，从行程速度参数上反映交通流变化最敏感，交通量次之，因而利用视频检测技术和拥挤检测算法，可以准确及时地得到交通流量、行程速度及车道占有率和交通延误等交通参数(而这后3个参数是传统检测方法无法准确得到的)，从而实现对道路拥挤程度的直接测量。如果有拥挤，就发出警告，并根据实际情况自适应地控制红绿灯的转换时间（不是原来的固定的转换时间）。

此外，交通管理中心还可以利用这些数据，在发生交通堵塞或交通事故时迅速采取措施。并且，交通管理中心还可把采集的交通数据处理后，通过道路上的电子显示屏或交通电台等途径传给司机。这样，有助于疏通车流、减缓交通拥挤，并可使司机提高警惕，防止事故发生，以优化行车路线。

■ 图6：道路治安卡口机动车视频检测系统的组成与原理框图

道路治安卡口机动车检测系统

道路治安卡口机动车视频检测系统一般用于城市道路或高速公路出入口、收费站及重点治安地段的治安卡口，其组成与工作原理框图如图6所示。

该系统可自动识别过往卡口的车辆牌号与车牌特征，自动核对黑名单库，验证出车辆的合法身份。此外，还可对路口情况进行监控和管理，包含出入口车辆的采集、统计、存贮数据和系统工作状态，以便工作人员对道路交通安全进行监控、统计、查询和打印报表等工作。

道路治安卡口机动车视频检测系统的工作原理是，根据每一车辆对应唯一的车牌号，通过近景与远景摄像机对路口过往的每一车辆车牌号图像和车辆全景图像进行连续全天候实时记录，并进行车牌号自动识别。通常，系统是通过高清晰摄像机及高倍率自动光圈镜头，对路口交通状况实施监视的。在监控室，还可通过系统遥控前端的摄像机转动、控制镜头的调焦、变倍；在晚上，为保证系统得到高清晰度的图像，还可自动开启道路上所配置的路灯等灯光设施。

在与对应地区的车管库相连接的情况下，可对比分析当前过往车辆是否为合法车辆，若为违法车辆即自动报警。并且，还要及时准确地为系统提供相应车辆的车型、颜色、车牌号、行驶方向、车速、经过时间等各种参数，以保存到数据库，且数据具备联网查询功能。

利用这种道路治安卡口机动车视频检测系统，也能检测识别车辆的违规，如闯红灯、超速、逆行与非法停靠等。

利用3G的车辆定位控制与跟踪系统

大家知道，全球定位系统GPS应用于移动目标的监控，有着比其他监控手段无法比拟的优势。利用3G(即GPS、GIS、GSM)的车辆定位监控系统，是对各种车辆实施定位跟踪、监控、调度管理提出的比较理想的解决方案。该系统采用GPS全球卫星定位技术对移动目标进行实时定位；利用GSM全球移动通讯技术即GSM数字移动通信网络进行实时数据传输；利用GIS地理信息处理技术即以GIS电子地图和空间信息系统为支撑平台。同时，还采用大容量数据采集技术和大容量数据存储等计算机网络通信与数据处理技术，以尽可能多地采集并记录车辆行驶过程中大量的数据信息，自动生成图形和数据，进行统计、比较、分析、列表，从而提高车辆营运管理工作的效率。因此，利用3G的车辆定位监控系统，能够实现对车、船等移动目标的精确定位跟踪、监控报警、反劫防盗、指挥调度和信息查询管理等。这种3G的系统具有定位精度高、稳定性强、使用效果好等特点。

实际上，这种3G的车辆定位跟踪的智能监控系统是由GPS卫星定位系统和地面移动通信系统两大部分组成。其中，地面移动通信系统是由指挥监控中心、车载移动单元和GSM通信网络三个部分组成。车载移动单元设备可以为指挥监控中心实时提供每一个移动目标的最新定位数据、运行状况和报警信息等，并自动记录这些信息以便事后查询分析，因而也是用户终端。监控中心接收车载移动单元传送来的车辆GPS定位数据信息，并对车辆的报警和调度信息进行处理，并且通过GIS地图匹配，就能在电子地图上实时显示车辆当前精确位置，从而能方便地实现对车辆的定位跟踪、监控防盗、反劫报警、指挥调度等功能；同时也可通过GSM无线通信网络进行数据、语音、图像的传输。即向指定的车载台发送各种控制指令，实现对车辆的远程控制和信息查询等服务。

实际上，该系统主要用于车辆的定位，使监控管理中心通过GIS电子地图知道车辆的位置，如遇抡劫，能实施报警、跟踪该车辆的行踪。

车辆牌号自动识别系统

车辆牌号自动识别系统也是ITS系统中必不可少的，它能将输入的汽车及车牌图像通过处理识别，输出为几个字节大小的车牌字符串，它无论在存储空间的占用上还是与管理数据库相连方面，都有无可比拟的优越性。这在大型停车场，交通部门的违章监测（电子警察）、高速公路及桥梁的收费站管理等方面，有着广泛的应用前景。如识别是遇盗或逃犯的车牌号，就立即自动报警。

一般，采用计算机视觉技术识别车牌的流程通常都包括车辆图像采集，车牌定位，字符分割，光学字符识别，输出识别结果5个步骤。车辆图像的采集方式决定车牌识别的技术路线。目前国际ITS通行的两条主流技术路线是自然光和红外光图像采集识别。自然光和红外光不会对人体产生不良的心理影响，也不会对环境产生新的电子污染，属于绿色环保技术。

自然光方式是指白天利用自然光线，夜间采用辅助照明光源，用彩色摄像机采集车辆真彩色图像，然后用彩色图像分析处理方法识别车牌。自然光真彩色识别与人眼感光习惯一致，并且真彩色图像能够反映车辆及其周围环境真实的图像信息，因而不仅可以用来识别车牌照，而且可以用来识别车牌照颜色、车流量、车型、车颜色等车辆特征。用一个摄像机采集的图像，同时实现所有前端基本视频信息采集、识别和人工辅助图像取证判别。

红外光方式是指利用车牌反光和红外光的光学特性，用红外摄像机采集车辆灰度图像，由于红外特性，车辆图像上几乎只能看见车牌，然后用黑白图像处理方法识别车牌。950nm的红外照明装置可抓拍到很好的反光车牌照图像。因红外光是不可见光，它不会对驾驶员产生视觉影响。此外，红外照明装置提供的是不变的光，所抓拍的图像都是一样的，不论是在一天中最明亮的时候，还是在一天中最暗的时候。但在白天，有时会看到一些牌照周围的细节，这是因为晴朗天气时太阳光的红外光波的影响。采用红外灯的缺点就是所捕获的车牌照图像不是彩色的，不能获取整车图像，并且还严重依赖车牌反光材料。

结束语

由上述的8个子系统组成的城市智能交通系统，包含了一个城市对交通进行自动检测与管理的方方面面，因此它是平安城市建设中必不可少的重要的一部分。要想使整个城市的安全技术防范系统在数字化网络化的基础上智能化，首先必须建立城市智能交通系统。只要有了这8个子系统对城市的交通安全进行自动检测与管理，城市的其他安防监控系统的智能化建设，也就有了坚实的基础。所以，对平安城市建设来说，智能交通建设是首要的。也就是说，必须要建立和完善好文中所述的8个子系统，这也是智能交通系统发展的方向。但目前一些城市的智能交通系统还远远没有完善的8个子系统，因此必须加倍努力，尽快地使城市交通安全而通畅，进而使其他安防监控系统智能化，以保证整个城市的平安。

作者为中国光电与安防技术专家、教授，本刊技术专家顾问