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智能交通监控系统
智能交通监控系统
摘要
智能交通监控系统是目前研究的一个热点课题，而且取得了不少的成果在少数先进国家已采用智能方式来控制交通信号。
为了实现交通道路的有理，力求交通管理先进性和科学化,本文采用车流量传感器检测车辆的存在与通过,并把这一信号转化为标准脉冲信号,作为可编程控制器的控制输入，采用PLC数，按一定控制规律自动调整红绿灯的时长；设计定时器在上、下班高峰期增加绿灯放行时间以及合理应用电子警察对各个路口违章、肇事事故进行监控和记录等。
关键词：
智能交通监控电子警察信号控制
第一章
1.1 课题背景及发展现状
1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。
这是世界上最早的交通信号灯。
1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。
它由红绿两种旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。
1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。
1914 年，电器启动的红绿灯出现在美国。
这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。
红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。
1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。
带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。
红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。
红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。
信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。
1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。
绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。
左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。
红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。
黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。
在汽车产业蓬勃发展的背后，随之而来交通问题也越来越多，如交通堵塞和交通事故时常发生，这不但给人们的生命和财产造成了威胁，同时还制约着国民经济的发展。
为了缓解交通的负荷量，使车辆运行畅通无阻，交通事业整严有序，我国引进了与国情相符合的国外先进的控制体系，多车道交通灯控制系统，不但解决以往交通控制系统的局限性，同时还加快了车流量速度。
并制定了《道路交通安全法实施条例》第三十八条明确规定：
绿灯亮时，准许车辆通行，但转弯的车辆不得妨碍被放行的直行车辆、行人通行， 黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续通行，红灯亮时，禁止车辆通行。
1.2智能交通监控系统作用
（一）智能交通监控系统可以直观地监控交通肇事逃逸车辆的逃逸方向。
智能监控系统主要安装在交通流量大、车速快的主要干道或需红绿灯控制的主要路口，对交通死亡逃逸事故多发在主要道路形成有力的追踪作用，可以协助办案民警快速确定逃逸车辆的逃跑方向及可能的藏匿地点。
（二）智能交通监控系统可以直观地监控交通肇事逃逸车辆的车型和颜色。
驾车逃逸事故有可能在事故现场留下碰撞后的散落物，但散落物须通过认真比对和大量的排查工作才能确定逃逸车辆的车型和颜色，而通过智能卡口的监控则可以直观地监控交通肇事逃逸车辆的车型和颜色，为驾车逃逸事故的侦破工作节省大量的人力和物力资源。
（三）智能交通监控系统可以直观地监控交通肇事逃逸驾驶人的特征。
对一些无牌证或假牌证车辆发生交通事故后逃逸，无法追查逃逸车辆的情况下，通过一些重要卡口的智能监控系统掌握车辆驾驶人的相貌、性别、发型等特征及乘坐人员情况，可以为侦破案件提供多方面的线索。
（四）智能交通监控系统可以直观地监控交通肇事逃逸车辆号牌号码。
肇事逃逸者在逃逸过程中，往往慌不择路，容易造成超速行驶、违反交通信号通行的交通违法行为，而主干路口红绿灯的电子监控系统在抓拍此类交通违法行为过程中可以直接拍到车辆号牌号码，为侦破案件找到突破口，遏制驾车逃逸事故多发且呈上升的趋势。
（五）智能交通监控系统可以为快速侦破交通肇事案赢得宝贵时间。
交通肇事逃逸案是逃逸者在事故发生后为逃避法律责任而产生的临时心理决定，这种决定是建立在侥幸心理基础上的，如果交警部门在事故发生后未能在短时间内找到破案线索，逃逸者的侥幸心理会随着时间的推移而不断的得到巩固，智能监控系统提供的证据直接打击逃逸者的侥幸心理，为快速侦破交通肇事案赢得宝贵时间。
1.3智能交通监控系统简介
智能交通监控系统就是通过监控系统将监视区域内的现场图像传回指挥中心，使管理人员直接掌握车辆排队、堵塞、信号灯等交通状况，及时调整信号配时或通过其他手段来疏导交通，改变交通流的分布，以达到缓解交通堵塞的目的。
交通监控通常由交通信息统计系统和电子警察处罚系统组成，它是智能交通ITS技术和监控技术相结合，是一种全新的技术形式。
交通信息统计系统可以对一个大范围内的公路路况信息进行及时、准确地采集和统计，信息包括“道路占有率、车流密度、车队长度、流通量、平均速度等，能为道路疏导提供有力的理论依据，可以配合广播等传媒实现交通诱导功能。
电子警察执法处罚系统具有高技术含量，可以对“超速、逆行、闯红灯、禁停、压黄线、抢占公交车道等一系列违章现象进行准确、稳定、自动、全天候的监控、执法和处罚。
电子警察的出现可以大大缓解因违章行为导致交通事故增加与警力少和警务人员劳动强度大的矛盾，有效抑制的由于人为违章引起的交通事故；智能交通把交通信息统计系统和电子警察执法处罚系统引入到城市道路监控中，实现了城市道路的点面结合式监控，提高了城市整体安全防范水平，缓解了日益严重的交通压力，加强了驾驶员遵守交通法规的意识，降低了恶性事件发生率。
第二章电子警察系统
2.1电子警察曝光设置如下：
图表01
功能
内容
曝光模式
自动曝光、手动曝光
曝光时间
通过控制曝光时间来调节快门的值，控制图片的补光情况
增益
可以用来调节画面的亮暗程度
最优车牌亮度
车牌的目标亮度，自动调光调节时以此为目标值，不断调节参数使车牌亮度稳定在该值
最优环境亮度
全景成像的目标亮度，自动调光调节时以此为目标值，不断调节参数使图像整体亮度稳定在该值
车牌权重
车牌成像与环境成像的权重比，车牌权重越大，自动调光就优先保证车牌成像效果，车牌权重越小，则自动调光优先保证环境成像效果
图表02
2.2电子警察ROI设置：
图表03
车道标志线：
在图上添加各条标志线，用来区分车道的性质、停止位置等。
按照现场道路实际情况画好各条线，左键单击第一个点然后移到目标位置再次单击，会弹出一个对话框，选择对应的车道线类型；如果需要调节车道线位置或更换车道线类型，则勾选“编辑标志线”，然后再操作。
注：
判定线为绿色线，车道线为蓝色、白色、黄色，停止线为红色。
相机标定线（粉色线）：
为了提高跟踪和检测的准确率，必须画相机标定线，和普通车道线画法相同，但必须画在相邻两个车道线上，并且要和车道线平行或重合，长度略长于车道线。
设置检测区域（蓝色矩形区域）：
检测区域就是软件处理数据时会检测的范围，检测区域按住鼠标画出一个矩形区域。
设置禁停区域（粉色矩形区域）：
设置禁止车停止的区域，画一个矩形即可。
区域设置导出、导入功能：
考虑到区域设置因画线较多配置稍微复杂，软件增加了对画完的区域配置可导出、对已有区域配置可导入的功能具体操作如下：
备份区域设置：
按导出按钮后会出现如下提示框，输入文件名，按下保存键后会生成一个xml文件，想要保存的区域设置即保存成功。
图表04
加载区域设置：
按导入按钮后会出现如图0-4所示提示框，选择保存区域设置文件的路径，按保存按钮后即加载成功。
违章捉拍：
图表05
注：
项目可根据实际需求勾选所需违法，保存成功后重启相机方可生效。
闯红灯：
闯红灯分为左转闯红灯、右转闯红灯，直行闯红灯，当勾选相应的违法时，便启动相应的违法检测，否则此功能不生效。
出四张全景：
勾选输出四张全景图后，闯红灯违法会输出四张全景图，后面的时间为第三张全景和第四张全景的最小时间间隔。
图表06
红灯最短/最长时长:
当红灯时间超过最短/最长时长限制时，红灯失效。
红灯校正：
白亮色不会被校正成红色，淡红色会被增强，在结果图终会被染成红色；
校正灵敏度：
设置值越大，增强的红色越红效果越明显；
校正时间段：
在时间段内时浅红色会被增强，不在该时间段时不会增强；
灯色最小饱和度：
识别区域的最小饱和度超过设置值后才识别成红灯。
压线违法分为压黄线违法和压白线违法，启用算法后根据实际的车道线属性进行违法抓拍。
压黄线：
启动算法后，在区域设置中将车道线属性改为黄实线，如果车辆轧了黄实线就会被判定为压黄线违法，如需设置灵敏度，值为100时最灵敏，越小越不灵敏。
压白线：
启动算法后，在区域设置中将车道线属性改为白实线，如果车辆轧了白实线就会被判定为压白线违法，如需设置灵敏度，值为100时最灵敏，越小越不灵敏。
占用公交车道：
在区域设置中，设置公交车道，当有非公交车通过该车道时，抓拍为占用公交车道违法，带有车牌颜色过滤（当勾选一个车牌类型时，该种车牌类型被识别为非公交车，其他车牌识别为正常，所有黄牌车均不被判定为非公交车）和分时间段检测功能。
占用非机动车道：
与占用公交车道功能一致。
大货车禁行：
在区域设置中，设置车道为大货车禁行车道，当有大货车通过改车道时，抓拍为大货车禁行违法，当勾选黄牌车即认为是大货车参数时，所有通过该车道的黄牌车即抓拍为大货车禁行违法；。
逆行：
在区域设置中，设置全部车道方向为从上到下，当有车通过该车道时（从下到上），抓拍为逆行违法，包括逆行距离（抓拍结果中车辆位移距离随该参数增大而增大）和输出名称为限时单行（勾选该参数时需重启生效）。
非法停车：
在区域设置中，设置禁停区域，车辆在禁停区域内停止时间超过设置时间，则被抓拍为非法停车。
路口滞留：
全景1是绿灯，全景2时红灯已持续超过规则里的开始检测时间，且车位于非法停车区域内，全景3车仍然位于非法停车区域内，且二三张图间隔超过规则里的间隔时间。
绿灯滞留：
三张图里车都在停止线之前（车框底部未超过停止线），且所在车道对应的灯都是绿灯（复合方向如左直车道则同时查看两个方向的灯），且二三张图之间间隔超过绿灯滞留规则里的间隔时间）。
图表07
注：
项目可根据实际需求勾选所需事件检测，保存后需重启相机方可生效。
流量统计：
单位时间内通过该车道的车辆数
异常停车：
开启异常停车检测算法，如果车道上有任何车辆出现停车时间超过用户设定的最大停车时间阈值，系统将判定和报告异常停车事件。
拥堵检测：
在相机监控与检测区域范围内，当小于用户设定的速度阈值的车辆总数，大于或等于用户设定的某个数量阈值时，系统将判定为拥堵事件。
拥堵分为拥堵和缓行，主要区别在后者设定的数量阈值通常大于前者大范围检测：
一路视频信号可以覆盖4-6个车道，实现大区域范围的交通流检测。
多阶段检测：
可以检测进入路口的交通量需求及其变量，还能检测出信号控制方案执行的效果，完成信号自动控制全过程的检测。
设置、调整方便灵活：
可以在视野范围内设置多个不同类型的虚拟检测区；可方便直观地在计算机上移动虚拟检测区的位置或改变其大小，以满足不同的交通应用和道路覆盖范围等方面要求。
无须破路、安装简便、维护方便：
安装时无须破坏路面，无须干扰正常交通，就可完成检测器的重新设置；无须因道路路面维修而中断交通检测。
可扩展性强：
交通流参数可以存贮在视频车辆检测系统内部，以备后用；基于该系统，还可以扩展出很多实用功能（如违章检测、联网）。
2.3、智能化牌识别系统
牌识别作为交通监控的核心技术，应用在多项子系统中。
智能化多媒体网络车牌识别系统广泛应用在过往车辆自动登记、验证，公路收费，车辆安全核查，小区、停车场管理等方面。
系统采用视频实时触发方式进行检测抓拍，能够自动侦测、准确识别及验证行驶或停泊中车辆的整车车牌号码。
可对已抓拍图像与数据库资料及时进行比对，当发现应拦截车辆时，系统能在本地机和中心机上及时报警。
系统采用先进的模糊图像处理技术，通过程序能很好的实现对于车牌的整体倾斜、车牌的文字倾斜、车牌的污损和模糊等的处理，将人眼都很难辨别的车牌号识别出来。
车牌识别的流程可分为车牌定位、车牌预处理、字符分割和字符识别四个步骤。
图表08
系统实现功能和技术特点
★准确识别不同地区及各种类型的车牌号码。
★采用图像自动触发方式，不需要其他外在触发机制。
★自动完成车辆记数，车流量统计。
★对已抓拍图像能与数据库资料及时进行比对，当发现应拦截车辆时，在本地机和中心机上及时。
★内置的数据库管理软件能存储、搜索及整理车辆资料，能自动备份数据并完成统计报告。
★在网络的环境下实现各地的数据同步，可实时监控前端系统的运行状况。
★对运动速度在180公里/小时以下的汽车车牌进行自动识别。
★在良好光照条件下，车牌识别率不低于96%，在阴雨天、夜间人工光照条件下，车牌识别率不低于90%。
★系统能够识别的车牌类型包括：
普通民用汽车车牌、军用汽车车牌（含武警车牌）、警用汽车车牌
★系统能够识别车辆类型，绘制出车辆的三维图像。
★抓拍图像的时间小于0.03秒，识别图像的时间小于0.2秒。
2.4、电子警察监控应用
在我国但部分大中城市的道路监控系统中都有电子警察的身影，并且在使用数量上和功能需求上不断扩大和提高。
电子警察的广泛应用和取得良好的社会效益和经济效益，再次体现了“科技强警”的重要意义。
然而我国数量众多的中小城市在经济持续高速发展下，也面临着交通状况、治安状况恶化等问题，迫切需要建设城市道路监控系统。
大中城市道路监控系统由于监控点多、分布广且具监控中心距离较远，不能将所有监控点视频信号传输到监控中心进行监控，一般分将重要监视点的画面视频信号通过光缆传输到监控中心进行录像和电视墙画面监控，对电子警察系统则要求将自动记录的违章图片和其它信息数据回传到监控中心，作为执法处罚证据和资料存档。
一些中小城市主要路口少，监控点少，这些监控点距离监控中心近，这样可以从监控点到监控中心直接敷设光缆线，将监控点的视频信号直接传输到监控室。
电子警察系统由于有视频虚拟线圈检测功能，可以将控制主机直接安放在控制中心，这种方式使前端摄像机即可用于道路监控又可用于电子警察检测取证。
将电子警察系统安放在监控中心，对控制主机的要求降低，系统维护、维修成本降低，同时对于资金紧张的项目，可以用一套电子警察系统通过人工切换对多个路口进行轮流使用，这样即可对经常违章的驾驶员有震慑作用，又缓解了资金紧张的矛盾，使监控系统分步完善。
这种模式已经在一些地区使用，并取得很好的效果。
第三章信号控制系统设计
3.1交通灯控制系统结构图
交通控制结构图如下图3-1所示
3.2车辆滞留检测系统
电感式传感器其主要部件是埋设在公路下十几厘米深处的环状绝缘电线（特别适合新铺道路，可用混凝土直接预埋，老路则需开挖再埋）。
当有高频电流通过电感时，公路面上就会形成高频磁场。
当汽车进入这一高频磁场区时，汽车就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少。
当汽车正好在该感应线圈的正上方时，该感应线圈的电感减到最小值。
当汽车离开这高频磁场区时，该感应线圈电感逐渐复原到初始状态。
由于电感变化该感应线圈中流动的高频电流的振幅（本论文所涉及的检测工作方式）和相位发生变化，因此，在环的始端连接上检测相位或振幅变化的检测器，就可得到汽车通过的电信号。
若将环状绝缘电线作为振荡电路的一部分，则只要检测振荡频率的变化即可知道汽车的存在和通过。
电感式传感器的高频电流频率为60kHz，尺寸为2×3m，电感约为100μH.这种传感器可检测的电感变化率在0.3％以上。
电感式传感器安装在公路下面，从交通安全和美观考虑,它是理想的传感器。
传感器最好选用防潮性能好的原材料。
车辆存在与检测电路原理框图如图3-2
车辆计数是智能控制的关键，为防止车辆出现漏检的现象，环状绝缘电线在地下的铺设我们设计，采取在每个车行道上中的出口地（停车线处）以及在离出口地一定远的进口的地方各铺设一个相同的传感器，十字路口传感器的布置方案如图4-3所示（以典型的十子路口为例），同一股道上的两传感器相距的距离为该股道正常运行时所允许的最长停车车龙为好。
3.3信号转换装置
电感信号的工作原理基于振荡电路电路原理，信号转换装置是由一种基于电磁感应原理的信号装换线路构成，该转换电路是有两只三极管组成共射极振荡器和地感线圈（电感原件）、电阻、电容等元件组成，信号装换装置的电路原理图如图3-4及分析如下:
U1和U2共组成了共射极振荡器，电阻R3是两只三极管的公共射极电阻，并构成正反馈，地感线圈T作为检测器谐振电路中的一个电感元件，与振荡电路一起形成LC谐振。
当有车辆通过时，由于空气介质发生变化引起了振荡频率的变化（有车辆经过是频率升高），将会使线圈中单位电流产生的磁通量增加，从而导致线圈电感值发生微小变化，进而改变LC谐振的频率，这个频率的变化作为有车辆经过地感线圈路面时的输入信号，再将此信号通过由R7和C3组成的LC滤波电路，输出稳定的直流电压，此电压可以输入到PLC系统。
3.4正常运行模块程序框图及分析
正常情况下各个路口的各个时间段的车流量基本相等，各个信号灯按照程序所设定的固定时间运行；当某路口的车流量发生变化，检测到路口的车辆滞留量达到设定值时，自动调用车流量信号智能处理子程序；当某个路口发生紧急事件，人要紧急通过时，按下该路口的紧急按钮，程序自动调用紧急按钮信号子程序；这行完子程序后，主程序自动返回继续检索各种运行条件和参数状态，程序控制框图如图3-5：
3.5车流量信号智能处理模块及分析
若该车道的绿灯已经亮了20s,任没有检测到有车辆通过时：
表示无车辆等待通过，若其他三个路口也无车，则维持原正常通行时间；若其他三个路口只有一个路口有车，则立刻结束该路口的绿灯通行时间，给有车的路口“让道”。
当该车道的绿灯已经亮了40S,检测到有车辆“累积”在此车道上,表示有车辆等待通过，则要根据实际的车辆数决定是按正常的通行时间控制，还是延迟通行时间，车辆越多延迟时间越长；同时考虑其他路口的车辆等待状态，是适当延迟，还是无限延迟。
延迟时间段的划分数量及其具体延迟时间根据个十字路口的状态进行设定。
具体情况如图3-6所示：
3.6交通灯智能控制程序框图
运行过程分析如图3-7：
为了车辆的数据采集，红绿灯先按一般规律进行一个周期
南北方向道路红灯亮25s，东西方向道路依次进行绿灯亮20s、东西方向绿灯闪3s、东西方向黄灯亮2s,然后转入下一个环节，东西方向红灯亮25s，南北方向绿灯亮20s，南北方向绿灯闪3s，南北方向红灯亮2s；
1.如果不进行智能控制，系统自动循环上面过程；
2.如果进行智能控制，数据采集进行东西、南北方向车辆滞留量；
（1）东西方向不是空道，南北红灯亮，东西方向经历绿灯亮、绿灯闪3s、黄灯亮2s；东西方向是空道，进行南北方向车辆滞留量计算。
（2）南北方向不是空道，东西红灯亮，南北方向经历绿灯亮、绿灯闪3s、黄灯亮2s；南北方向是空道，返回判断是否需要智能控制环节，然后循环下去。
第四章设计总结
智能交通监控系统的设计，不仅融合了普通的交通灯控制系统和传感器探测系统，还增加了电子警察这一先进的监控装置。
在整个设计过程中培养了我们综合应用能力，使我们能够引用所学基础理论课、技术基础课和专业课的知识和实践技能去分析和解决实际工作中的一般工程技术问题，能够建立正确的设计思想，以及智能交通系统控制的具体流程与内容，同时也提高了我们的逻辑思维能力和独立分析和解决问题的能力。
参考文献
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