基于视频检测的公路隧道安全管理

訾爱新（道桥处第二桥梁管理所，天津 300011）

基于视频检测的公路隧道安全管理

訾爱新
（道桥处第二桥梁管理所，天津 300011）

随着我国经济的不断发展及公路交通网络的不断完善，公路隧道的安全管理成为关系人民群众生命安全的重要因素。视频检测技术作为一种应用到公路隧道安全状况检测的新兴技术，其发展与改进也一直备受关注，因而，基于视频检测技术的公路隧道安全管理便成为研究的热点。本文通过将视频检测系统分为几个模块，探讨基于视频检测技术进行公路隧道安全管理所应注意的问题。

视频检测 隧道 安全管理

1　公路隧道安全管理

公路隧道内可能发生的安全问题大致可分为交通事故与火灾。而公路隧道安全管理首要目的便是阻止上述安全问题的发生，而且一旦发生，要最大程度减少生命财产损失和环境破坏。以往的公路隧道安全管理主要依靠传统隧道实时交通安全监控系统，这需要较高的人力成本，如对现场巡视人员的要求及远程基于CCTV系统的监视人员的要求。而伴随相关技术的发展，基于视频检测技术的公路隧道交通安全监控系统因具有多功能、升级简便、维护成本低、大信息量与大区域等优点，正逐渐成为公路隧道安全管理中不可或缺的一部分。

公路隧道安全管理工作主要可分为两个方面［1］：第一，日常的监测和管理，避免事故的发生，这是首要的基础性工作；第二，交通事故或火灾的应急处理，确保最快速度恢复隧道车辆通行。公路隧道安全管理包括对人、车、路及外部环境的管理［2］，但其实最终是归结为对人的管理，因此前面两方面的工作最终都需要通过对人的管理来实现，在这个环境中，人主要分为隧道管理者（行政管理人员、专业技术人员及前方管理人员）、交通参与者（司机、乘车者）及应急救援人员。

图1　分水岭分割算法流程图

2　视频检测技术

视频检测技术指的是利用计算机相关技术、模式识别技术等对设备取得的图像自动处理并分析，在此基础上进行运动目标的检测、识别与跟踪，根据对其运动状态的判断进行日常监测管理或事故预防、处理［3］。由此定义，可以看出，视频检测技术主要由以下几个要素构成：

应注意到，视频检测技术的目的正是为了进行隧道安全管理，这在一定程度上再次说明了将视频检测技术应用于公路隧道安全管理的结果是双方都得到了发展和完善。

一般来说，利用视频检测技术进行公路隧道安全管理应实现以下几个模块的功能［4］：图像采集模块、视频存储和数据库模块、视频图像处理模块、信息管理系统模块。

2.1图像采集模块

该模块主要包括摄像机和图像采集装置，以此来获取视频图像数据。该模块是整个系统中最为关键的组成部分之一，其性能和质量对整个视频检测系统的工作质量至关重要［5］。但目前存在以下几个问题：

（1）大多数公路隧道监控系统不能采集到清晰度足够高的视频数据，原因之一便是摄像设备老旧或破损，未能及时更新或修理。而这个问题若不能及时有效解决，将直接制约了视频检测技术的实现效果。因此，隧道相关行政管理人员应完善对这些设备进行检查维护的相关制度，同时，应明确专业技术岗位人员的职责，将责任具体落实到个人，形成积极维护设备的员工队伍。同时，该岗位的负责员工也应加强职业道德，认真履行自己的义务，以保证采集的视频图像数据的质量。

（2）追求高质量数据应与主管部门能承受的成本相权衡。例如，有的隧道主管部门为了追求清晰度较高的视频数据，配备大量的昂贵设备，或者，为了尽量少地减少盲区，将摄像机安置过密（一般来说，隧道中的摄像机每隔100米架设一台基本可以保证无监控死角），致使成本超出预算，这样必然导致在隧道安全管理的其它方面投入不足，整个工作仍然不能顺利完成。这就需要管理者制定好计划，从全局的角度妥善在成本、数据质量及整个工作质量间保持好平衡。同时财务管理人员应该及时向上级报告财务状况，对工作中的突发情况应及时与上级沟通，以便对其做出最有利于整个工作完成的反应。

2.2视频存储和数据库模块

该模块主要是存储压缩后的视频数据、记录了交通事件或火灾的视频片段以及一些视频检测结果数据等，主要是为远程终端的高级别监控中心提供查阅和分析的资料，由视频服务器和专用磁盘阵列构成［6］。相关的、需要使用该模块提供的数据的技术人员应该及时对数据的质量进行反馈，若有问题应提出改进的建议，上级管理人员应以谨慎负责的态度考虑这些建议，及时对相关问题作出回应。

图2　第10帧跟踪结果

图3　第19帧跟踪结果

图4　第28帧跟踪结果

图5　虚拟线圈示意图

2.3视频图像处理模块

该模块在整个基于视频检测技术的公路隧道安全管理中是处于核心地位的。其主要是利用计算机相关技术，通过对取得的实时监控数据进行处理，从而实现对目标的检测、定位及跟踪，最终对车速、车流量等交通参数，逆行、超速、事故等交通事件及火灾等事件进行监测管理并记录相关数据，在此基础上配合一些事件的应急处理。

首先，应进行一些初始化的工作。如一些参数、阈值及工作区域的设定等，这些对于后来的检测、定位及跟踪工作的进行是必要的。然后，对取得的视频图像数据进行预处理，主要应进行灰度化及图像复原和增强的工作。灰度化是因为这样可以减少数据的存储及传输量，且便于分析；图像复原和增强是因为图像总会由于一些噪声和干扰致使质量下降，这时便会需要复原图像，或者，根据实际分析的需要，将图像中某些有实际价值的特征凸显，抑制不必要的特征，从而使图像信息量更加丰富，易于分析［7］。

之后，应进行目标的检测、定位及跟踪。根据目标不同，可以分为对车辆的检测、定位及跟踪和对火焰区域的检测、提取、分析与识别等。

2.3.1目标为车辆

对车辆的检测主要包括目标检测及提取、噪声处理、定位、车辆跟踪及在此基础上的交通参数检测等。

由于公路隧道内的摄像机处于相对静止状态，因此这里的目标检测是在背景静止的情况下进行的。主要方法有光流法、背景差分法等［8］。光流法运算量大、抗干扰能力差且不适用于实时性要求较强的视频检测系统中，而隧道视频监控实时性要求较高，因此背景差分法相对而言更适用于公路隧道这种常年有灯光照明因而受外界环境（如天气条件、光线等）影响相对较小的环境，这也在一定程度上克服了背景差分法的对场景变化较为敏感的缺点，使其在公路隧道的环境中相对其它方法适用性更强。背景差分法首先利用某种算法从需要处理的视频图像中获取一幅没有任何运动目标的背景图像，然后将实时图像与背景图像都经过灰度化处理之后做差分，并结合选取的阈值，对差分后的图像进行二值化处理得到运动前景的二值图，再进行后处理（为了解决运动目标区域连通性差及伴随的孤立的噪声点问题，一般采用形态学中的开、闭操作处理噪声和空洞）提取出运动的目标。由于一些因素的变化，背景不会保持不变，因此需要及时的背景更新。虽然背景差分法实现的过程中已经有对噪声处理的具体方法，但由于噪声处理是关乎运动目标检测结果质量的关键因素，因此，现在出现的很多背景差分法的改进形式依然从削弱噪声影响的角度入手。如基于差异深度积累的背景差分法引入差异深度矩阵来记录图像的变化，基本可以消除噪声的影响［6］。

目标检测之后，考虑到分水岭分割算法计算量较小、精度高且能得到闭合的区域轮廓，因而一般用其进行车辆定位。将目标检测过程输出的运动前景二值图作为定位算法的输入，最终结果是在原图像中标出目标区域外接矩形框。下面图1是该算法的流程图。

运动目标跟踪是通过对个视频帧中的各运动目标由特征匹配建立链接从而确定运动目标的运动轨迹的方法。在满足高斯线性条件下，对于属于典型的动态系统状态估计问题的运动目标跟踪问题，卡尔曼滤波跟踪算法是其最优解［9］。现在，在传统的卡尔曼滤波算法的基础上又出现了很多改进算法，如在公路隧道这个环境中为了保证跟踪结果更加准确，出现了基于二级特征匹配的卡尔曼滤波算法［6］。该算法的思想是：对目标区域先做几何特征匹配，若能实现最佳匹配就结束，否则若匹配结果不唯一，再进行核直方图匹配。实验表明，这种改进算法能有效实现多目标跟踪，实时性好且计算量小。应用该算法进行跟踪实验结果如下面图2至图4所示。

从以上跟踪结果可以看出，图中有三辆车均处于跟踪状态，经过这几帧跟踪图片的观察可知，运动目标跟踪效果较好。

在对运动目标跟踪之后，就可以对交通参数进行检测了，这对我们进行公路隧道安全管理有直接的指导意义，主要包括对车流量、车速、道路占有率等的检测。

对车流量、车速的检测有多种方法，但一般采用时间复杂度较低的虚拟线圈的方法［3］，其主要思路是先划定一个虚拟线圈区域，并且赋予一个变量记录其状态，一般状态变量为0时表示没有车辆经过，状态变量为1时表示线圈内有车辆经过，从而根据状态变量来记录车流量；对车速进行检测需要表明线圈的实际宽度s，然后记录车辆从接触线圈到离开线圈的时间间隔t，则车速=s/t，通常的隧道管理预先都会设定超速和低速行驶的阈值，根据实际测得的车速与其比较即可判断出车辆速度是否处于正常状态。下面图5为虚拟线圈示意图。

非法变道在公路隧道这样相对封闭且光照相对露天公路较差的环境中危害很大。对其检测也可参照虚拟线圈的方法，可在和车道实线重合的位置设置检测线，当车辆碰击检测线时系统应提示压线，而当车辆中心处跨过检测线时，系统应发出变道警告。

道路占有率是描述道路车辆密度的一个重要变量，可分为空间占有率和时间占有率。空间占有率可由某一时刻、某一观测路段内的行驶车辆的总长度占观测路段的总长度百分比来表示；时间占有率可由某一观测时段内所有运动车辆经过某一断面的累计时间和占总观测时间的百分比来表示。另外，在公路隧道内车辆逆行也是危害很大的交通违规事件，对其检测可通过设置车道正常的通行方向，从而根据实际车辆的行驶方向与其相反或相同判断出逆行与否。

我们可以根据交通参数的检测结果采取具体的管理措施。如将车流量和道路占有率结合起来，可以判断交通堵塞状况，如若事先规定这两个变量的阈值，可以在实际数值超过该阈值时及时向前方隧道管理人员发出信息，前方隧道管理人员再通过指示牌或者系统语音提示的形式及时告知将要经过此隧道的车辆该隧道的实时通行状况，必要的时候应实行隧道交通管制，以避免堵塞造成时间的浪费甚至是由此引发的更严重的交通事故。由车速可判断出车辆是否超速或低速行驶，后台管理人员也要和前方隧道管理人员及时做好沟通，及时提醒车速不符合要求的车辆，也可配合一些惩罚措施，如罚款或限行等。对于非法变道和逆行的车辆由于危害极大，后方监控中心必须迅速告知前方管理人员，然后采取拦截或交通管制等措施，同时应提醒隧道内的其他车辆隧道内有车辆逆行或变道，要提高警惕。

除了上面的日常监测管理并及时对问题采取应对措施之外，这些交通参数还可以为交通事故的处理提供一定的线索。如根据车速可以判断事故是否由超速或低速引起，根据车流量和道路占有率可以了解事故发生时道路的通行情况，而由视频检测可以追踪到非法变道或逆行的车辆的车牌号等信息，从而对肇事逃逸的处理也有一定的帮助。

在对目标为车辆的检测中，首要的是，一些专业的技术设备维护人员应确保各种检测设备的正常运行，对出现的设备问题应及时解决或向上级管理人员报告请求处理方案；后台的监控人员应及时掌握隧道内的实时交通参数，一旦出现非正常的参数，就要向前方管理人员发出预警，因此这对工作人员的判断力、表达沟通能力及反应速度都提出了较高的要求，隧道管理部门应根据员工职位的不同，除了确保员工掌握一些隧道工作所需的基本知识以外，还应有意识地对其职位所需的特别素质进行培养；同时，对于司机应该做好宣传教育工作，如通过培训、发送宣传单等方式，让其了解隧道灾害的严重后果及对紧急情况的应对措施等，既做好预防工作又做好灾害发生时的应急处理；乘车人员不应与司机聊天说笑，更不应在车内大声喧哗，分散司机的注意力，一些客车的售票员应对乘客的这种行为及时予以制止，同时乘客之间也应彼此监督提醒；行政管理人员应建立一套控制车速、车流量及道路占有率等的管理法规，并且根据专业技术人员的建议不断完善相关规定，也可结合隧道实际情况适当借鉴其它隧道管理部门的管理制度；在发生事故时，应急救援人员如消防员、医护人员、交通警察等应牢记职业操守，以挽救生命为首要目标，搭建抢救生命的绿色通道，此时隧道前方管理人员应该及时在隧道入口安放指示牌进行交通管制，避免二次事故的发生，同时应与救援人员紧密配合，及时处理事故现场。

2.3.2目标为火焰

由于公路隧道相对封闭，致使一些汽车尾气不易扩散，这样有害物质不断积聚，在一定的引发条件（如燃烧的烟头等）下极易发生火灾，而相对封闭的环境使火焰燃烧产生的热量和烟雾不易扩散，这样使隧道内能见度急剧下降、温度迅速升高、空气中含氧量不断降低，这些都对隧道的正常运行产生影响。因此，有必要对火焰进行检测，以维持隧道内正常的环境条件，同时将火灾概率控制在最小。

传统的火灾探测器一般是通过对燃烧产生的温度、烟雾浓度等的及时采样，判断火灾是否发生，当检测到火灾信号时便自动报警。从其原理可以看出，该方法对设备要求比较高，实时性、通用性较差，因此基于视频的公路隧道火灾检测技术就因成本低、实时性好、抗干扰强等优点而正逐步得到应用［10］。

同检测目标为车辆一样，目标为火焰时同样也是从运动目标检测着手。方法同车辆检测的方法，在隧道环境下一般也采用背景差分法，需要进行背景提取与更新，同样对检测出来的区域进行二值化处理，用形态学的方法对噪声进行处理；需要明确的是，检测出来的目标区域不一定是火焰产生的区域，需进一步检测火焰区域，提取并分析识别。由于火焰与车辆不同有很多独特的特征，这些特征可以应用到火焰区域的检测与识别中。例如，可结合火焰的高亮度及相对稳定特性提取目标区域，虽然提取了较为可靠的火焰区域，但并不一定是火灾产生，还需进一步识别，可根据火灾的面积扩散和不断闪烁特性设计算法进行识别［10］。

关于火焰的检测、火灾的预防与应急处理这方面，对于相关人员仍然有要注意的问题：交通参与者在隧道内禁止使用明火，并且运载危险品、易燃易爆品应严格遵守隧道相关规定，这方面的宣传教育依然很重要；后台监控人员一旦检测到了火焰或者火灾迹象，第一时间应联系前方管理人员，前方管理人员应掌握必要的灭火常识和急救常识，同时联系应急救援人员，并做好交通警示和交通管制，若消防队距离隧道很远，隧道应该自备消防救援人员，尽量减少人员伤亡及财产损失；行政管理人员应制定严密的防火制度，对危险物品的运载条件等作出明确规定，严格监督执行法规条例，同时对违反规定者加大处罚力度；管理部门应成立安全监察小组，定时对隧道内各种设备、路面环境、空气条件、温度等进行检查记录，发现异常应及时报告。

2.4信息管理系统模块

该模块主要应提供友好的用户操作界面和一个统一的管理平台，它将其他模块都统一以访问接口的形式集成在一个平台下，通过权限管理，保证非相关人员无法查看或擅自篡改真实数据，对于系统用户，可以进行历史数据的查看与分析、获取相关统计报表和查看事故及火灾的事件记录等。

负责计算机维护的相关人员应注意保持系统的兼容性，提供良好的安全保障，并且针对用户的需求及时对系统进行改进，以满足用户的需求、为用户提供方便为首要目标；用户（主要是后台的专业技术分析人员）对于从平台上取得的数据应根据实际需求进行分析，在此基础上形成利于减少交通事故或火灾发生的指导方案，例如，通过对交通事故的引发因素分析，确定是车速、逆行、非法变道还是其它因素引起，然后根据分析结果采取针对性措施，最终落实到对相关人员提出具体要求。总之，致力于建立一个安全、高效运营的公路隧道环境是隧道安全管理一直追求的目标。

3　结语

由于传统的公路隧道安全管理成本高、抗干扰能力较差且实时性差，基于视频检测技术的公路隧道安全管理正逐渐得到应用和发展。本文先介绍了公路隧道安全管理的一些内容，并得出公路隧道安全管理最终可归结为对人的管理这一结论。后通过介绍视频检测技术的四大主要模块，对每一模块中相关人员在履行隧道安全管理责任时应注意的问题进行了分析，和传统的公路隧道安全管理相比，基于视频检测的公路隧道安全管理由于具有多功能、升级简便、维护成本低、大信息量与大区域等优点。另外，视频检测系统与隧道内其它系统如照明系统、通风系统等集成，有效地形成联动是基于视频检测的公路隧道安全管理的未来的发展趋势。隧道安全管理需要多方共同参与，需要隧道管理者、交通参与者及应急救援人员各自履行好自己的义务，共同努力，携手创建一个安全和谐的公路隧道环境。

［1］李传志，胡如夫.公路交通事件检测技术的研究与展望［J］.交通科技与经济，2008，5：69-70.

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［10］赵倩.基于视频的隧道火焰检测技术研究［D］.西安：长安大学，2013.

訾爱新（1974—），男，河北秦皇岛人，学位：工程硕士学位，职位：高级工程师，目前工作和研究方向：桥梁，隧道养护，维修，设施管理。