太湖隧道多种交通事件检测系统的应用

赵成晨

(华设设计集团股份有限公司,江苏 南京 210001)

交通事件检测系统是隧道交通监控系统中的重要组成部分,以苏锡常南部高速公路常州至无锡段太湖隧道为例作具体介绍。太湖隧道为湖底特长隧道,车流量大、救援难度大,事故救援不及时容易造成二次事故,因此交通突发事件自动检测是隧道日常运营管理中必不可少的功能,能够在第一时间发现交通异常事件。基于常规的视频事件检测系统的误报率高,在系统实际运行中往往无法使用的现状,项目设置了多种交通事件自动检测系统,分别基于双光谱、多目标雷达、光纤振动等技术,且多种交通事件自动检测系统相互独立运行,并与视频监控系统联动,可以协助监控人员快速发现并确认交通异常事件[1]。

1 隧道概况

太湖隧道位于苏锡常南部高速公路常州至无锡段,隧道全长10.790 km,其中暗埋段长度10 km,隧道按双向六车道高速公路标准设计,设计速度100 km/h。根据隧道交通工程设计规范的相关规定,太湖隧道交通工程分级根据隧道长度和隧道交通量两个因素划分确定为A+级,各类监控设施按照A+级进行设施配置,交通事件检测系统是隧道监控系统中一个重要组成部分。

该项目目前已建成通车,经过通行数据分析,目前太湖隧道日均流量约2.5万辆,最高单日流量近5万辆。

2 交通事件检测系统设计方案

交通事件检测系统在隧道全线范围内收集各类交通运行信息,对全线交通流的变化进行监控,实现事故检测(包括车辆停止、交通堵塞、行人进入隧道、车辆逆行、火灾检测)和交通参数检测(包括交通流量、速度、占有率、车距、排队长度等)。系统对以上事故进行检测报警,并能在一定时间范围内将事故(前/后)再现(包括事故显示、存档、查询),提供事故数据库[2]。

交通事件自动检测系统是监控人员实行交通引导控制的参考依据,并通过实时图像监视的配合,给出控制交通的命令,在发生交通事故时,及时采取措施,疏通阻塞,平滑交通量,达到减少车辆排队、畅通全线交通的目的。

2.1 双光谱交通事件检测系统

基于监控图像分析的视频交通事件智能检测技术,在20世纪90年代末引入我国,随着交通监控系统的发展,视频事件检测技术已在高速公路、隧道、桥梁等交通监控系统中广泛应用[3]。视频事件检测具有直观、实时、信息量大等优点,但也容易受制于可见光图像固有的缺点,如:受环境光(无照明、强光、逆光等)、车灯眩光、镜头污损干扰、恶劣天气等影响,导致传统的可见光视频事件检测系统存在有效范围小、报警延迟、误报率高、可靠性差等问题。因此,当前视频监控系统中对于异常交通事件的发现和处理仍然主要依赖人工[4]。本项目通过可见光视频和热成像视频的双光谱交通事件检测技术,一旦监测到隧道内温度异常,就会发出预警信号,提前对车辆火灾事件进行重点监测和救援准备,提升隧道运行的安全保障。

(1)系统原理

热成像基于被动式热红外感应成像原理,与外界是否存在光源无关,因此在昼、夜有无照明的情况下均可正常工作,性能完全一致。可在隧道、城市等光线复杂的环境,以及高速公路等夜间无光源照明的环境下正常工作。同时还能避免传统技术对车头和车尾灯光不能有效处理的问题[5]。由于系统对热敏感,在隧道内火灾等异常事件的检测方面具有先天优势。

热感图像中对于人、车等强红外辐射源目标的图像亮度高,而路面、水面及其他环境则温度较低,图像背景变暗,由于其对于监控场景中的感兴趣目标具有天然的选择性,因此不容易受到阴影、逆光、顺光、车辆眩光等复杂光线的干扰。同时,由于红外波长较长,因此穿透烟、雾的能力远强于可见光,一般的薄雾、中雾对红外成像几乎不造成影响。红外波长长的另外一个特点是衍射能力强,热成像镜头前方出现部分遮挡或镜头上有污渍对红外成像基本视觉效果不造成影响,因此易于维护,安装条件限制也较少。

近年来随着热成像传感器发展日渐成熟,以及氧化钒非致冷红外传感器重要部件的成本降低,原本只能用于军事领域的热成像监控技术也在交通监控中开始应用[5]。

热成像传感器本身所呈现的视频图像并不符合人眼正常的视频监控习惯,将可见光图像和红外热成像双光谱融合的视频事件检测系统则可以很好地解决这个问题。双光谱视频检测系统,既有效利用可见光图像直观、实时性好、信息量大的优势,又充分发挥热成像不受环境光限制、不受车辆灯光干扰、不受灰尘污渍影响的优点。双光谱图像充分融合后进行事件检测可以有效提升交通事件检测系统的检测范围,降低误报率、提升可靠性。

基于双光谱融合的隧道交通事件检测系统,不仅能够实现传统视频事件检测系统所具备的停车、逆行、拥堵、排队、行人、烟雾、能见度等常规检测功能,还能实现隧道火灾、明火等的自动检测和实时报警。

(2)系统功能

①车辆检测:系统应具备车辆检测及轨迹跟踪能力,可实现车辆(包含机动车和非机动车)目标的检测、定位和跟踪,能够实时给出车辆所在图像的位置坐标(经纬度坐标)、行进速度、目标ID等必要信息,并以约定的通信协议传输给上端系统。系统可同时具备不少于128个目标的检测跟踪和位置定位能力,最小可实现不低于10×10目标像素的目标检测及跟踪[6]。

②行人检测:系统应具备对视域中设定区域里出现的行人目标的自动检测和识别能力。系统可给出行人目标ID及位置坐标(经纬度坐标)、运动方向和速度,并输出给上端系统。

③目标测量:系统应能够区分车道、应急车道、港湾停车区内的停止车辆或事故车辆,以及行人、遗撒物品、火灾点等目标信息,可输出目标的大小、位置、速度,位置误差不超过2 m,对于速度信息可提供矫正系数对其均值进行线性矫正。

④车辆检测及身份识别:系统应支持自动车辆检测功能,并可对视频中出现的车辆(包括机动车和非机动车)进行跟踪,可对肉眼能够清晰辨识的车辆牌照信息进行自动识别,并与车辆跟踪的目标ID相关联。

⑤车辆颜色、品牌、款式、类型识别:系统应支持车辆颜色、品牌、款式及类型识别功能,当系统检测到车辆目标后,可对其进行颜色、品牌、款式及类型的识别。可识别常见的超过两百种车辆品牌,七千余种车辆款式。

⑥车辆特征识别:系统应支持车辆的特征识别,即当系统检测到车辆目标后,可实现车辆图像特征的特征向量提取,并与目标ID相关联,通过特征向量,可在平台端实现跨镜头的车辆匹配与关联,从而实现跨镜头的车辆跟踪。

⑦双光谱事件检测:系统应采用红外热成像+可见光双光谱视觉采集、感知、检测及轨迹跟踪等技术,应提供对路面、隧道等交通场景中出现的异常交通事件进行的实时检测、定位和预警,可实时定位目标车辆及事件发生点位信息,并上传到数字孪生平台系统进行三维呈现。事件检测类型包括:异常停车、车辆逆行、低速车流、大货车检测、施工检测、排队超限、行人穿越、非机动车检测、遗洒物品、能见度及能见度异常检测、交通参数采集等[7]。

(3)系统构成

双光谱交通事件检测系统由前端双光谱摄像机和监控中心的分析仪及服务器组成,设于隧道内的前端设备设置间距为100 m,通过视频以太环网传输数据,视频数据存储统一采用视频存储平台,交通事件分析仪及服务器预装交通事件分析软件,实现交通事件的自动检测与报警。

双光谱交通事件检测组网所需的视频工业以太网交换机、光纤、视频存储及调用设施,均与视频监控系统共用。

2.2 光纤振动交通事件检测系统

(1)系统原理

基于光纤振动检测的交通事件检测系统由感知光缆、系统采集分析系统、数据平台显示、联动远程等设备组成,基于环境振动对光缆传输光波的影响,实现对现场隧道车辆超速、违停、堵塞、逆行、物品掉落、车辆运行状态等数据的采集、管理、分析与定位,对公路隧道车辆运行安全进行智能化监测,实现高效管理、安全运维、智能同行的要求,准确判断车辆运行状态,并可实现定点定位维护,从而实现节省人力资源、提高工作效率、实现设备管理自动化、提高管理水平的目的。

隧道内车辆在正常行驶过程中,其光纤振动信号运动轨迹为一条移动式的平缓的斜线,当车辆遇到突发事件而变慢、急刹甚至停止时,其振动信号强度会变大,同时振动信号线越来越垂直,直至信号停止。系统通过振动信号捕捉及特征分析,可自动定位出交通事件的地理位置[8]。

为实现系统对信号的空间范围和定点的良好探测效果,明显提升信号分析区分的能力,光纤振动系统空间分辨精度应达到2～3 m,从而在信号图示上明显分辨出不同的振动信号特征,如超速、拥挤、物品掉落、撞击事件等,通过对不同振动信号的采集、形成数据库样本,并对样本数据库进行验证,从而正确识别不同的振动信号。

对于隧道车辆安全运行状态监测信号的识别分析,首先是基于装置对振动数据的探测采集能力,其次是事件预警算法。算法负责分析后台采集层传输来的振动信号,并与内建的基础样本进行比对,给出对于各信号的分析结果并告知数据库和消息服务层。数据库包括系统软件特征的信号建模、分类、系统各分区类型等数据模型,并可与算法层依据一定规则形成动态的模型参数修正。

(2)系统功能

①车辆跟踪检测:系统应具备车辆移动运行振动轨迹跟踪能力,可实现车辆目标的定位和跟踪,能够实时给出车辆所在隧道内的车道和位置、行进速度等必要信息,并以约定的通信协议传输给上端系统。系统可同时对隧道内的所有车辆完成跟踪检测。

②目标测量:系统应能够区分车道内、应急车道内的停止车辆或事故车辆、遗落物品、撞击等目标信息,可输出目标的位置、速度,位置误差不超过5 m[9]。

③车辆振动特征识别:系统应支持车辆的振动特征识别,即当系统检测到车辆目标后,可显现车辆振动特征的信号提取,通过振动特征信号提取,可在平台端显现车辆运行轨迹,从而实现车辆跟踪。

④隧道车辆异常事件检测:系统应采用光纤振动+可传感光缆采集、感知、检测及轨迹跟踪等技术,应提供对路面、隧道等交通场景中出现的异常交通事件进行的实时检测、定位和预警,可实时定位目标车辆及事件发生点位信息,并上传到综合监控平台系统进行三维呈现。事件检测类型包括:拥堵、排队超限、逆行、违停、物品掉落、超速、撞击、急刹车、施工等的检测定位,大货车检测、交通参数采集等。

(3)系统构成

光纤振动交通事件检测系统由敷设于每条车道中线下方的光纤,以及设于湖西、湖东地面设备用房内的光纤振动分析主机、设于监控中心的应用及数据服务器组成,通过设于隧道湖西、湖东地面设备用房机房内的监控以太网交换机实现数据上传至监控中心,分析主机及服务器预装交通事件分析软件,实现交通事件的自动检测与报警[10]。

太湖隧道暗埋段全长10 km,隧道内为单向3车道,两端地面设备用房内设有监控机房,在每个机房中安放6台单通道5 km的光纤振动主机,总共12台主机,且每个机房放置1台服务器。隧道机房中监测主机采集的数据传输至管理中心服务器,预装隧道车辆运行状态监测平台软件实现隧道内异常振动事件的定位。

3 结 论

结合太湖隧道项目案例,围绕隧道内多种交通事件检测系统的系统原理、系统功能和系统构成进行阐述,该项目目前已经建成并通车运行,经过一段时间的运行,证实了该系统的设置对平滑交通量、减少车辆排队、畅通交通、避免隧道内二次事故的发生有着显著的作用,可以广泛地应用于城市隧道、公路隧道以及其他类似场景中。