我国城市智能交通中的卡口系统分析.docx
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我国城市智能交通中的卡口系统分析
南通大学交通学院
智能交通系统导论
课题名我国城市智能交通中的卡口系统
班级___交通设备143___
学号**********
姓名_________卢铁________
指导老师陆建新
日期2016.6.22
一．系统背景
二．关键技术
三．卡口技术存在的问题
四．卡口系统的应用
五．卡口系统在工程实践中要注意的问题
我国城市智能交通中的卡口系统
一．系统背景
随着我国综合实力和国民收入水平的提高，机动车保有量每年以15%~20%的速度在迅猛增长，道路建设步伐不断加快，全国城市化水平也在不断提高，交通管理现状和需求的矛盾进一步加剧，与交通相关的刑事和治安案件也逐年上升，特别是像肇事或做案后驾车沿公路逃逸、盗抢机动车辆、车辆违章行驶等。
针对上述问题，公安部相继开展了创建平安大道活动和实施畅通工程，其目的是提高交通管理水平，向科技要警力，适应我国现代化建设需要。
在现代智能交通管理中，利用视频技术获取各种交通数据和对违章车辆进行检测和监控，具有快速、准确、直观等优点，便于交通指挥管理部门和道路使用者及时了解道路交通状况，准确做出决策进行道路交通指挥管理和合理行车路径选择。
道路交通卡口系统是安装在公路任意断面上，包括的城市的出入口、收费站、省际和市际卡口等处。
卡口系统对过往车辆进行自动实时拍摄与记录，并由计算机进行车牌识别以及对车辆进行行驶速度和各类违章的检测、数据采集与报警，必将进一步加大对交通违章、涉案车辆和公路干线交通状况的监控力度，为侦破肇事逃逸案件和治安、刑事案件以及交通违章处理提供有力的线索和证据。
有效地遏制交通违章现象，消除交通隐患，降低机动车肇事逃逸和车辆盗抢案件，提高道路交通管理的智能化、现代化水平。
二．关键技术
1.高清抓拍
普通模拟摄像机所提供的图像最高分辨率为D1（704*576）格式，只有约40万像素，而视频检测式高清智能卡口系统采用高分辨率数字摄像机（工业数字摄像机），实现高清晰度图像的采集，系统采集的车辆图像，分辨率高达200万象素，大大提高了图像的分辨率。
在画面覆盖车道宽度达到7m时，所拍摄的车辆号牌依然可以达到130×40～45象素，单个字符达到16×32象素，驶乘人员脸部达到60×75象素，不仅可以完整反映车辆的号牌号码，还可以清晰的反映出驶乘人员的脸部特征及整个车辆的全貌和细节，为事故追查、刑事侦破等公安业务，提供更全面、准确的依据。
高清智能卡口抓拍图象及牌照、驶乘人员脸部局部图像
2.车辆检测
集成的虚拟线圈检测算法可对车辆进行检测；虚拟线圈是基于视频分析、运动检测、目标检测的一种技术，其原理是通过对在摄像机提供的实时视频流上设置检测区域，当车辆经过设定的区域时，该区域的背景、纹理会发生明显变化，分析系统通过对变化量的大小进行量化，当量化值和方向达到设定的条件时即认为有车通过。
与地感线圈相比其技术优势
地感线圈的安装和维护都必须封闭车道、破坏路面，不仅影响路面的使用寿命，并且增加了施工的复杂度。
而虚拟线圈检测方式只要将摄像机安装在路侧立杆上即可，线圈的位置通过软件可任意设定，安装和维修时无须关闭车道操作相对简单。
地感线圈的检测功能单一，缺乏灵活性，而虚拟线圈检测系统灵活性要大于地感线圈，当路面行驶规则、位置发生改变都要重新破坏路面埋设地感线圈，而虚拟线圈检测区域可根据需要随意划分、使用方式灵活，能够满足不断变化的数据采集要求，并且支持多车道同时检测。
地感线圈的感应度极易衰减、失效，当路面积雪达到20cm以上时（相当于将车辆的底盘抬高）车检器的灵敏度将大大降低，加之潮湿的气候和长期的碾压会使路面发生型变使线圈严重受损，影响线圈的检测准确度，并且线圈的使用年限从而大打折扣，大范围的维护管理费用又成了新的问题，而采用虚拟线圈检测的系统则不存在上述的问题。
3.交通信息采集功能
系统不仅通过虚拟线圈对车辆进行检测，并同时完成车辆个数、平均速度、车道占有率、车辆密度等信息的统计工作。
4.车牌自动识别
在号牌识别过程中，较好的图片质量和正确定位是正确识别号牌的关键。
号牌定位的任务是确定图片中有无车辆号牌以及车辆号牌的数量和位置，但号牌定位比较复杂，车辆在图像中的位置具有不确定性，可能出现的情况大致有这几种：
（1）车头位置不确定；
（2）号牌在车辆上的悬挂位置不确定；
（3）车辆上可能印有其它与车牌相似的号码，悬挂其它号牌或多个号牌。
（4）在本系统中利用号牌的特定纹理信息并采用多尺度分析进行号牌的定位，定位后的号牌经过号牌分割、倾斜矫正、字符定位与分割，然后采用多帧识别技术再进行字符和汉字的识别。
车牌定位
倾斜矫正
字符分割与定位
字符和汉字的识别首先根据字符的序号，将汉字、字母和数字区分开来，然后对不同类别字符采用不同的子系统识别。
这些子系统又都融合了若干简单识别器，对待识字符进行联合识别。
5.整车道覆盖抓拍
常规采用视频摄像机的标清卡口系统中，跨中线行驶车辆是造成系统漏拍的主要原因，由于受视频信号分辨率的限制，单个摄像机无法覆盖一个标准车道的宽度（3.75m）。
因此，当车辆跨中线行驶时，车辆在摄像机覆盖的盲区，相邻两个车道摄像机均无法抓拍到具有完整牌照的车辆图像（如下图）。
视频摄像机卡口拍摄区域示意图
普通卡口摄像机所拍摄的牌照残缺不全的图像
在改进的系统中，采用增加跨中线辅助摄像机抓拍跨中线，增加跨中线特写摄像机，在跨中线行驶车辆通过时，依靠跨中线特写摄像机补充抓拍，使跨中线行驶车辆的漏拍率得以降低，但是，采用这种方案对很多正常行驶的车辆中线辅助相机也会抓拍，会产生大量的无效图片。
高清卡口系统由于采用200万像素高分辨率数字摄像机，其拍摄画面覆盖范围可达4.5米至5米（>3.75m）。
因此，其画面已经覆盖中线，可保证跨中线行驶的车辆能在1个或2个摄像机拍摄的图片中都能被完整记录，确保了记录信息的完整性。
6.曝光过度抑制
在传统的卡口系统运行过程中，部分的点位所拍摄的图像在夏天光线较强的环境下会出现白片现象，这是由于这些点位上安装的摄像机的角度正对着阳光的直射方向，光线直接照射的摄像机的CCD面阵上，造成CCD曝光溢出所造成的，由于CCD的累积电荷已经溢出，通过调整光圈或快门速度的方式都无法解决这种问题，只能从光学结构上进行着手，根据多个项目的实际经验，我公司终于寻找到了解决该问题的方法，通过在摄像机镜头的前端加装一块偏振镜片，使原来直接照射到CCD上的光线发生折射，使其改变角度后再照射到CCD面阵上，有效地解决了该问题。
曝光过度
强光抑制效果
高清卡口摄像机拍摄区域示意图
三．卡口技术存在的问题
卡口系统架构类型的完善发展在一定程度上说明了道路卡口系统的发展已跨入轨道，但在这发展过程中也存在着不少的问题，目前道路监控卡口系统建设中存在的问题，主要体现在如下几个方面：
（一）卡口系统技术性能需进一步改进。
1.雨天对车辆抓拍的效果差。
2.抓拍的空图片数量较多。
3.存在一定的漏拍率。
4.图片格式与非现场管理系统所要求的格式不兼容，需要人工转换。
（二）卡口系统功能过于单一，是否可以让其具备测速和监控报警、车辆违法行为自动查询等智能科技手段。
（三）没有建立统一的卡口数据库、后台系统，大队卡口系统独自为战，与其他大队的卡口没有整合。
（四）数据传输通过互联网传输，存在泄密的风险。
四．卡口系统的应用
（一）卡口系统在高速公路上的应用
1.卡口车牌识别功能
车牌照识别（LPR）系统是以安防技术中的图像处理、模式识别等技术为基础的智能识别系统，通过摄像机所拍摄的道路上行驶的车辆图像进行车牌号码的识别。
一个完整的车牌自动识别系统由车辆检测、图像采集、图像预处理、车牌识别、结果输出等模块组成，当车辆检测部分检测到车辆到达时，触发图像采集装置，采集车辆清晰图像，再把车辆图像传给车牌识别部分，通过车牌识别技术识别出车牌。
车牌识别技术是一个以特定目标为对象的专用计算机视觉系统，能从一幅图像中自动进行车牌定位、自动分割字符、进而对字符进行识别。
该技术对采集到的汽车图像进行处理，能够实时准确地自动识别出车牌的数字、字母及汉字字符，并以计算机可直接运行的数据形式给出识别结果。
2.基于视频的卡口事件检测功能
基于视频的卡口事件检测功能是一种对事件进行直接检测的方式。
主要是通过卡口的前端视频采集设备获取视频图像，通过视频和图像处理的方法完成对目标的跟踪、识别及事件检测，是一种融合视频图像处理、模式识别及数据通信等多项技术为一体的计算机视频检测技术。
这种方法相较于间接检测方法（即交通流模型推断法）而言，拥有可以对车辆跟踪、分类，检测率高，误报率低等优势，交通事件处理系统还可以实时获取直观现场状况并在满足条件的情况下为非现场执法提供证据。
3.基于车牌识别技术的卡口区间测速功能
高速公路超速实时执法系统是高速公路智能交通管理系统的一个子系统。
以前的超速违章检测多为断面测速，即测算出某一车辆通过某一断面的瞬时速度判断其是否超速违章。
但是一旦司机对测速点熟悉后，就会可能会出现在高速路上见到测速提示牌后猛踩一脚刹车以躲避处罚的情况。
基于车牌识别技术的区间测速能更好地监测并发现长距离超速违章现象，可避免断面测速被人为规避，对驾驶员产生较大的威慑作用，促使其在监测区间路段内不敢长时间存在超速行为，否则违法行为可能由此来保证高速公路的行车安全。
（二）卡口系统在平安城市的应用
1.卡口记录抓拍
智能监控卡口系统在满足日常视频监控需求的基础上，通过实时智能识别、轨迹跟踪，准确记录过往车辆经过的信息，清晰辨别车身、车牌号、车型等特征，包括机动车经过的地点、行驶方向、经过时间、号牌号码、号牌颜色、车辆类型等内容。
2.智能分析、识别
智能监控卡口系统具备视频智能检测和分析功能，可自动对车辆牌照进行识别，包括车牌号码、车牌颜色和车型等，通过对运动车辆的运行轨迹分析、视频跟踪，达到准确抓拍。
车牌识别支持大角度识别，在各种条件下能极大的提高识别准确率，较好的满足各种施工条件，同时具备视频测速功能。
3.非机动车行人检测
步行、自行车、二三轮车等“慢行交通”群体，目前仍是城市交通出行的主流群体，本系统具备非机动车、行人的检测功能，这样对监控下的有动态信息的物体都可以检测到并记录，这样记录信息更全面，有了这些信息，进一步减少了人工查询大量视频信息取证的负担，可以直接根据特征进行定位。
4.视频兼容H.265
智能监控卡口系统视频采用最新的H.265编码技术，能够提高压缩效率，提高鲁棒性和错误恢复能力，减少实时的时延，减少信道获取时间和随机接入时延、降低复杂度等。
5.抓拍图片字符叠加
抓拍图片的灵活、多样字符叠加，个性化设置，满足不同现场、不同用户的需求。
字符叠加可以选择叠加在图片上、图片下或是图片内，图片上或图片下会自动增加黑边。
字符叠加的颜色、大小和背景色可以任意设置，方便调整。
字符叠加的位置可以任意配置，灵活拖动，多选对齐。
叠加的内容可以任意配置，可以定制别名，组合选择，支持自定义，还可以叠加车牌小图片，方便查看车牌信息。
设置好字符叠加后，可以手动抓拍图片，进行真实图片的效果预览，方便调试、设置和查看效果。
6.流量统计
智能监控卡口系统支持每个车道的数据流量检测，实时更新显示流量检测数据。
检测时间间隔可以自定义设置，检测的数据包括车流量、平均速度、时间占有率、车头时距等。
路口车道的数据流量实时更新显示，方便用户实时查看路口通行情况，了解路况信息，也可以进行数据统计，对居民的日常出行和以后的道路规划、改造提供最直接的依据信息。
7.平台接入
智能监控卡口抓拍单元可以直接接入TDR（交通数据接收服务器），供智慧城市平台使用。
通过网络协议，系统将抓拍及检测的数据实时自动上传到智慧城市平台，减少了通过主机再转发给平台后端的环节，速度更快，更实时，加快违法处罚系统的处理速度和处理能力。
车辆数据信息包括：
车辆经过的时间、地点、车道、车速、车辆与道路环境全貌兼车牌特写图片、车辆行驶速度、车牌号码、车牌颜色等。
系统支持断点续传功能，在断网情况下，可将抓拍的图片及相关车辆数据暂时存储在本地抓拍相机SD卡（最大支持128G）中，到网络恢复正常后，将断网期间的数据自动上传到中心平台数据库，保证车辆数据不丢失。
8.记录查询，视频检索
结合相机的卡口记录信息，可以对特征信息进行快速检索，定位视频，方便查询和分析现场场景，更快的发现问题，解决问题。
可以对查询条件进行筛选，查询条件包括车辆的经过时间段、路口、车牌号码、车辆品牌、车身颜色等，通过记录信息，直接定位、播放该时间点的视频信息，观察案发现场的录像全过程，方便公安、交警的取证。
五.卡口系统在工程实践中要注意的问题
（一）道路交通卡口系统的安装
只适应于中间隔离带很窄的路况（对于隔离带很宽的路况，可以采取在隔离带两边或者道路外沿两侧分别架设“F”杆的方式）；如果在该检测位置不需要安装诱导牌之类的，则该方案成本偏高；
（二）道路监控卡口系统建设中存在的问题
1.工程设计规划问题
目前，卡口系统建设前期设计布署多为用户和工程商共同完成，由于用户在项目中占据主导地位，但是对整体系统的技术了解程度有限，工程商往往技术实力参差不齐，造成卡口系统工程在项目建设前期缺乏精心设计。
此外卡口系统的建设多属于各县市的使用方各自为政建设，建设时并没有考虑后期管理部门之间、以及上下级部门之间的系统互联问题，从而出现了多个互不关联的“信息孤岛”，无法做到系统数据的共享，给后续系统的互联留下了很多隐患。
在系统前期设计规划和系统互联方面，江苏320项目是一个比较好的榜样，该项目采取“整体布署、分布建设”方式，以省为单位，从整体上对系统架构、数据传输、系统互联做出统一规定，后续各地市建设时按照统一的标准进行，可以有效避免标准不一、系统无法互联问题。
2.技术门槛低、厂商鱼龙混杂
道路监控卡口系统属于集成类系统，关联的子系统较多，施工难度大，调试麻烦，后期维护量大，因此对系统兼容性要求非常高，要求建设方有非常丰富的施工经验和调试经验，对整个系统有深入的研究，同时具备持续的后期服务能力，行业内有很多既无研发实力，又没有服务能力的公司，仅仅是将几个不同的系统简单拼凑起来，没有对拼凑起来的系统做兼容性、可靠性测试，根本无法保证系统长期、稳定运行。
对于用户来说，一定要选择有研发实力，具有行业资质，同时具备持续服务能力的公司，以保证系统长期稳定运行，保护自身利益。
3.行业标准不全面
虽然有卡口系统行业标准，但是对于拥堵、违法停车、违法掉头、不按车道行驶等类似的智能化功能，还没有明确的行业标准，厂家只能按照经验来摸索、研究。
一方面，没有明确的标准，系统的验收交付无标准参考。
另一方面，容易导致一些企业浑水摸鱼，打着智能化的幌子，其实只是噱头而已，对用户来说无异于欺骗。
智能交通发展到今天，技术已经比较成熟，完全可以对系统的架构、前端设备等做出准入要求，摒弃较落后的系统。
在这方面，江苏省的做法值得借鉴，江苏省320项目对前端相机的像素作出了明确规定，并优先选择集成度较高的嵌入式一体化相机，使整个江苏省智能交通卡口系统的建设水平有了较大幅度的提升。
4.缺乏有效的信息共享机制、信息利用率低
经过多年的建设，交通信息的储备不断增长，但是信息共享机制比较落后，同时，存在数据格式不统一、共享机制、共享渠道不畅通等实际问题，这些因素阻碍了信息的最大化利用，造成信息利用率非常低。
若政府主管部门建立跨部门的信息共享平台，实现数据的集中管理、维护、共享。
一方面，可以大大提高信息利用率，另一方面，基于多个系统层面之上分析，可以从应用层面深入开发并利用信息。
5.现场工控机稳定性不够
标清卡口系统中现场处理设备多为工控机，在恶劣环境中运行不够稳定，
尤其是因高温引起的死机时常发生。
且多数处理软件基于Windows操作系统，因操作系统自身的缺陷引起的程序崩溃也时有发生。
当现场处理设备无法自动重启恢复时，需要人工现场重启，维护量大，系统失去了7×24不间断布控拦截的作用。
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