(信息技术基础与应用)案例7智能交通系统解决方案

案例7智能交通系统解决方案A7.1智能交通的概念A7.2交通开展的现状A7.3智能交通系统的开展背景与动因A7.4智能交通系统的应用范围A7.5智能交通系统的作用A7.6智能交通系统的组成A7.7智能交通应用系统智能交通是一个基于现代电子信息技术面向交通运输的效劳系统。它的突出特点是以信息的收集、处理、发布、交换、分析和利用为主线的，为交通参与者提供多样性的效劳。21世纪将是公路交通智能化的世纪，人们将要采用的智能交通系统(IntelligentTransportSystem或IntelligentTransportationSystem，简称ITS)，是一种先进的一体化交通综合管理系统。ITS可以有效地利用现有交通设施、减少交通负荷和环境污染、保证交通平安、提高运输效率，因而，日益受到各国的重视。一个国家的兴旺程度与之交通情况成正比关系，我国的交通运输目前存在如下一些问题：

(1)根底设施短缺与其利用的低效率并存。

(2)根底设施建设速度落后于车辆增长速度。目前，中国机动车保有量约5000万辆，大城市机动车保有量增长率到达15%，而城市道路每年仅增长3%～5%。

(3)交通拥堵已成为大中城市交通中的普遍现象。(4)交通平安形势严峻，造成的损失巨大。1999年，全国共发生412800起交通事故，其中83529人死亡，286808人受伤，因交通事故引起的直接损失折款多达21亿元人民币。

(5)机动车尾气排放已成为城市大气污染的主要来源。一些大城市机动车排放的污染物对多项大气污染指标的奉献率已到达60%以上，严重地危害着人们的身体健康。

(6)运输效率低，能源消耗不断上升。抽样调查说明，全国货运汽车实载率缺乏70%，而在汽车技术不断提高的今天，运输汽油车油耗却从百公里6.9L增加到8.4L。由此可以看出，交通管理的科学化、智能化对实现科学交通管理是十分必要的，也是十分紧迫的，交通管理落后将会极大地影响我国国民经济的开展。因此，大力开展智能交通对于社会的开展与进步起着至关重要的作用。

智能交通系统的前身是智能车辆道路系统(IntelligentVehicleHighwaySystem，IVHS)，智能交通系统将先进的信息技术、数据通信传输技术、电子传感技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效地集成运用于整个交通运输管理体系，从而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合运输和管理系统。A7.1智能交通的概念

目前，世界上对智能交通系统使用最为广泛的地区是日本，它的VICS系统相当完善和成熟，其次是美国、欧洲等地区，在我国的北京、上海和广东等地也已广泛使用。A7.2交通开展的现状1994年我国局部学者参加了在法国巴黎召开的第一届ITS世界大会，为中国ITS的开展揭开了序幕。

1996年交通部公路科学研究所开展了交通部重点工程?智能运输系统开展战略研究?工作，1999年?智能运输系统开展战略研究?一书正式出版发行。

1999年由交通部公路科学研究所牵头，全国数百名专家学者参加的“九五〞国家科技攻关重点工程?中国智能交通系统体系框架研究?工作全面展开，2001年课题完成，通过国家科技部验收，2002年出版?中国智能交通系统体系框架?一书。2000年，科技部会同国家计委、经贸委、公安部、交通部、铁道部、建设部和信息产业部等部委及相关部门在充分协商和酝酿的根底上，建立了开展中国ITS的政府协调领导机构——全国智能交通系统(ITS)协调指导小组及办公室，并成立了ITS专家咨询委员会。

2002年4月由科技部正式批复的“十五〞国家科技攻关“智能交通系统关键技术开发和示范工程〞重大工程正式开始实施，北京、上海、天津、重庆、广州、深圳、中山、济南、青岛和杭州等十个城市是首批智能交通应用示范工程的试点城市。2002年9月，由中国科技部和交通部共同举办的“第二届北京国际智能交通系统(ITS)技术研讨暨技术与产品展览会〞在北京举行。

2003年11月，科技部马颂德副部长第一次率中国政府代表团参加在西班牙马德里举办的第十届ITS世界大会，科技部联合交通部、建设部、公安部和北京市政府联合申办的“2007年第十四届ITS世界大会〞获得成功，这标志着中国的智能交通系统建设将在更加开放、竞争与合作并存的环境中加速开展。

2004年10月，科技部第一次大规模组团参加在日本名古屋举办的第十一届ITS世界大会，中国政府展览团在ITS大会的首次展览获得了成功。

2007年10月9日至13日，第十四届智能交通世界大会在北京展览馆举行。大会展示了中国多年来各部门、各地区在ITS领域所取得的成就，并加强了中国在ITS领域的对外交流。

2007年至今智能交通的开展更加顺利，各个城市相继建立了自己的智能交通系统，尽管水平参差不齐，但这些交通管理系统对城市道路管理起到了积极的推动作用。

1．汽车开展的社会化

工业化国家在市场经济的指导下，大都经历了经济开展促进汽车产业的开展、而汽车产业的开展又刺激经济开展的过程，这使得这些国家较快地走入了汽车化时代。A7.3智能交通系统的开展背景与动因汽车化社会带来的诸如交通阻塞、交通事故、能源消费和环境污染等社会问题日趋恶化，交通阻塞造成的经济损失巨大，使道路设施十分兴旺的美国、日本等国家也不得不从以往只靠供给来满足需求的思维模式转向采取供、需两方面共同管理的技术和方法来改善日益锋利的交通问题，这些建立在汽车车轮上的工业国家在探索既要维护汽车化社会、又要缓解交通拥挤问题的解决方法的过程中，旨在借助现代化科技改善交通状况到达“保障平安、提高效率、改善环境、节约能源〞的目的的ITS概念便逐步形成了。2．人类环境的可续化

工业化国家在工业化、城市化开展的进程中面临着日益严重的资源短缺与环境恶化问题，这一问题在开展中国家身上也同样存在。20世纪50年代以来，生存与开展问题成为人类社会面临的最紧迫的任务，1972年在联合国人类环境会议上通过了?人类环境宣言?。

城市化是生产力开展的一个必然结果，按世界经济开展的规律，城市化水平到达30%以上就将出现经济的飞速开展阶段。美国、日本和英国等兴旺国家在1990年城市化水平已经分别到达了75%、77%和89%，这些国家针对交通开展对资源和环境的影响，逐步调整交通运输体系与结构。这些国家都经历过为满足车辆开展的需求而大力开发建设交通根底设施(如美国1944年规划的7万千米高速公路规划，经过50年根本完成，但仍会产生拥挤和阻塞)，在大量土地、燃油等资源占用和消耗的同时，不但交通需求没有完全满足，而且还造成汽车尾气由于道路拥挤带来的排放量剧增的问题，这不仅在经济上造成了巨大损失，也给环境带来了恶劣的影响。60和70年代以来，由于石油危机及环境恶化，工业化国家开始采取以提高效益和节约能源为目的的交通系统管理(TSM)和交通需求管理(TDM)措施，同时大力开展大运量轨道及实施公交优先政策，在社会可持续化开展的目标下调整运输结构，建立对能源均衡利用和环境保护最优化的交通运输体系。ITS作为综合解决交通问题的方法，随着信息技术的迅速开展在兴旺国家孕育开展，90年代以后，保护社会经济可持续开展和与环境相协调的新一代交通运输系统，成为世界范围内的重要开展趋势。3．信息技术智能化

交通管理的科学化、现代化，一直是人们综合治理、解决交通问题所追寻的目标，早期的交通信号控制系统装置采用了电子、传感和传输等技术实现科学管理，随着科学技术的开展，尤其是计算机、GPS和信息通信技术的普及和应用，交通监视控制系统、交通诱导系统和信息采集系统等在交通管理中发挥了很大的作用，但这些技术只是对车辆或道路实施科学化管理，范围单一，有局限性，系统性不强。80年代后期以来，世界范围内的冷战结束以后，工业化国家用于军事和国防领域的卫星导航系统、信息采集与提供系统、计算机控制与管理系统、电子与电子通信技术等高新技术转向民用化，军事上的投入也大局部转移到对民用技术的开发和应用上。与此同时，包括我国在内的广阔开展中国家也借助和平、稳定的国际环境加快了本国的经济开展，开展中国家经济的迅速开展促进了世界范围内产业结构的巨大变化：工业化国家在传统工业领域由于劳动力密集型产业向开展中国家集中而失去了明显竞争优势，于是开始酝酿开辟高新技术的产业市场。在这种国际环境背景下，代表一场信息革命到来的信号而引起了全球的极大关注的“信息高速公路〞信息技术得到了飞速开展，尤其是国际信息网络“Internet〞的建立，加快了全球经济一体化的进程。

智能交通的应用范围主要包括机场或车站客流疏导系统、城市交通智能调度系统、高速公路智能调度系统、运营车辆调度管理系统和机动车自动控制系统等。A7.4智能交通系统的应用范围

智能交通系统的作用在于通过人、车、路的和谐、密切配合提高交通运输效率，缓解交通阻塞，提高路网通过能力，减少交通事故，降低能源消耗，减轻环境污染。A7.5智能交通系统的作用

智能交通系统是一个复杂的综合性的系统，从系统组成的角度可分成如下假设干个子系统。由图A7.1可以看出，智能交通的核心系统主要包括交通综合信息共享平台、公共交通、货物运输、交通管理、电子收费、电子政务、应急指挥和公众效劳等。A7.6智能交通系统的组成

图A7.1智能交通系统的组成1．先进的交通信息效劳系统(ATIS)

ATIS是建立在完善的信息网络根底上的。交通参与者通过安装在道路、车辆、换乘站、停车场及气象中心的传感器和传输设备，向交通信息中心提供各地的实时交通信息。

ATIS得到这些信息并通过处理后，实时向交通参与者提供道路交通信息、公共交通信息、换乘信息、交通气象信息、停车场信息以及与出行相关的其他信息；出行者根据这些信息确定自己的出行方式、路线。更进一步来说，当车上装备了自动定位和导航系统时，该系统可以帮助驾驶员自动选择行驶路线。图A7.2给出了一些公共交通自动售票机。

图A7.2公共交通自动售票机2．先进的交通管理系统(ATMS)

ATMS有一局部与ATIS共用信息采集、处理和传输系统，但是ATMS主要是给交通管理者使用的，用于检测控制和管理公路交通，在道路、车辆和驾驶员之间提供通信效劳。它将对道路系统中的交通状况、交通事故、气象状况和交通环境进行实时的监视，依靠先进的车辆检测技术和计算机信息处理技术获得有关交通状况的信息，并根据收集到的信息对交通进行控制，如信号灯、发布诱导信息、道路管制、事故处理与救援等。图A7.3给出了城市道路GPRS智能监控系统结构图。

图A7.3城市道路GPRS智能监控系统结构图3．先进的公共交通系统(APTS)

APTS的主要目的是采用各种智能技术促进公共运输业的开展，使公交系统实现平安便捷、经济和大运量的目标。如通过个人计算机、闭路电视等向公众就出行方式、路线及车次选择等提供咨询效劳，在公交车站通过显示器向候车者提供车辆的实时运行信息。在公交车辆管理中心，可以根据车辆的实时状态合理安排发车、收车等方案，提高工作效率和效劳质量。4．先进的车辆控制系统(AVCS)

AVCS的目的是开发帮助驾驶员实行车辆控制的各种技术，从而使汽车的行驶变得平安、高效。AVCS包括对驾驶员的警告和帮助、障碍物防止等自动驾驶技术。

5．货运管理系统

货运管理系统是指以高速道路网和信息管理系统为根底，利用物流理论进行管理的智能化的物流管理系统。综合利用卫星定位、地理信息系统、物流信息及网络技术，有效地组织货物运输，提高货运效率。6．电子收费系统(ETC)

ETC是目前世界上最先进的路桥收费方式。通过安装在车辆挡风玻璃上的车载器与在收费站ETC车道上的微波天线之间的微波专用短程通信，利用计算机联网技术与银行进行后台结算处理，从而到达车辆通过路桥收费站不需停车而能交纳路桥费的目的，且所交纳的费用经过后台处理后清分给相关的收益业主。在现有的车道上安装电子不停车收费系统，可以使车道的通行能力提高3～5倍。

另外，电子收费系统也已经走进了社区车辆管理，图A7.4给出了不停车收费系统示意图。由图中可以看出，这是一个社区不停车收费系统，这种系统已经在我国许多大中城市社区广泛使用，它的应用一方面大大简化了车辆计费过程；另一方面杜绝了非社区住户占用社区停车资源，有效地保障了社区业主停车的合法权益。

图A7.4不停车收费系统示意图7．紧急救援系统(EMS)

EMS是一个特殊的系统，它的根底是ATIS、ATMS及有关的救援机构和设施，通过ATIS和ATMS将交通监控中心与职业的救援机构联成有机的整体，为道路使用者提供车辆故障现场紧急处置、拖车、现场救护和排除事故车辆等效劳。

其实，从系统的功能上讲，智能交通大体可分为以下三个主要局部。1)交通信息采集系统

在智能交通信息采集方面主要有人工输入、GPS车载导航仪器、GPS导航、车辆通行电子信息卡、CCTV摄像机、红外雷达检测器、线圈检测器和光学检测仪。

2)信息处理分析系统

信息处理分析系统主要包括：信息效劳器、专家系统、GIS应用系统和人工决策等。3)信息发布系统

信息发布途径方面主要包括互联网、、车载终端、播送、路侧播送、电子情报板和效劳台等。

为了便于大家进一步了解智能交通的详细内容，这里介绍一些相关的应用系统建设方案。

A7.7.1基于视频流的交通流检测及车辆识别系统的设计

1．根本概念

随着我国经济建设的蓬勃开展，城市人口和机动车拥有量也在急剧增长，交通流量日益加大，交通拥挤堵塞现象日趋严重，交通事故时有发生。A7.7智能交通应用系统交通问题已经成为城市管理工作中的重大社会问题，阻碍和制约着城市经济建设的开展。因此，深入研究解决城市交通问题有着极为重要的现实意义。要解决城市交通问题，就必须准确掌握交通信息。目前国内常见的交通流检测方法有人工监测、地埋感应线圈、超声波探测器和视频监测这四种。其中，视频监测方法比其他方法更具有优越性。

视频交通流检测及车辆识别系统是一种利用图像处理技术实现对交通目标检测和识别的计算机处理系统。通过对道路交通状况信息与交通目标各种行为(如超速、违章停车和超车等)的实时检测，实现自动统计交通路段上行驶的机动车的数量、计算行驶车辆的速度以及识别划分行驶车辆的类别等各种有关的交通参数，到达监测道路交通状况信息的作用。同时，将检测和识别到的交通信息存储起来，为分析和交通管理提供依据，因此它也是一个交通信息的管理系统。2．视频交通流检测和车辆识别系统

视频交通流量检测及车辆识别系统是一个集图像处理系统和信息管理系统为一体的综合系统。计算机图像处理主要由图像输入、图像存储和刷新显示、图像输出和计算机接口等几大局部组成，这些局部的总体构成方案及各局部的性能优劣直接影响处理系统的质量。图像处理的目标是代替人去处理和理解图像，因此实时性、灵活性、精确性是对系统的主要要求。1)系统构成

通过摄像机将道路交通流图像捕捉下来，再将这些捕捉到的序列图像送入计算机进行图像处理、图像分析和图像理解，从而得到交通流数据和交通状况等交通信息，系统的构成图如图A7.5所示。

图A7.5视频交通流检测和车辆识别系统构成图2)系统工作原理

(1)通过系统初始化，对系统中的参数进行设定，如每秒采集图像的帧数、图像二值化的门限值(阈值)等。由图像采集系统将摄像机摄取的路段上行驶车辆的视频图像按序列连续捕捉下来并数字化，存入内存或帧缓存中。

(2)将这些采集到的序列数字图像进行预处理(如滤波除噪、图像锐化、增强比照度等)。

(3)对预处理后的图像进行图像分割，并对分割后的目标图像进行特征提取(图像描述)。(4)用提取的特征进行分类识别。通过相应的算法进行计算，得到车辆的计数、车辆速度，并将获得的数据存入数据库。

(5)将图像分割和特征提取得到的特征与模型库里建立好的车辆模型进行模式匹配，识别出车辆的类型，将识别出的结果存入数据库。

(6)对数据库里的数据进行统计分析输出有关报表或图片。3．视频交通流检测及车辆识别系统的设计与实现

1)软件功能概述

(1)能够对监视区域内的路段上通过车辆的数目进行实时计数。

(2)能够对监视区域内的运动车辆进行实时速度测量。

(3)能够对监视区域内的运动车辆进行车辆类型识别。

(4)能够将检测和识别获得的交通数据存入数据库。

(5)能够对数据库的数据进行统计输出。

(6)能够对系统测量到的车辆数目和每辆车的速度能实时处理并显示。(7)能够对车辆的长度、车头间距和排队长度等交通流数据进行统计。2)功能模块设计

视频交通流检测及车辆识别系统是由系统初始化模块、图像采集模块、图像预处理模块、图像分割模块、特征提取模块、流量统计模块、类型识别模块、数据管理模块和系统维护模块组成的。下面列出几种主要的功能模块。

(1)系统初始化模块。为系统设定初值，包括设定图像输入参数(采集图像的分辨率，图像采集卡视频端口的制式、亮度、比照度和每秒采集的帧数等)、检测区域的大小和个数、速度检测标线以及像素间距与实际路长的比例系数、各种车辆类型的特征量、图像二值化及检测区域内特征点的阈值等，并建立识别的匹配模板。

(2)图像采集模块。将摄像机传输来的视频图像按初始化设置的要求捕捉下来并将其数字化，然后存储到内存里。采集图像的数字化是通过安装在计算机上的视频捕捉卡来实现的，而图像捕捉控制是由软件来完成的。捕捉软件可以按每秒1～25帧(PAL制)或1～30帧(NTSC制)来捕捉图像并存储在帧缓存或计算机内存里以备预处理系统调用。(3)图像预处理。对采集到的图像进行滤波除噪，主要采用中值滤波算法降低噪声。因为中值滤波具有抑制图像噪音并保持轮廓清晰的特点。对滤波去噪后的图像进行锐化，锐化算法采用二阶差分法。再对锐化后的图像进行比照度增强，比照度增强算法采用直方图均衡法。经过预处理的图像，可视化效果得到改善，利于对图像进行分割。

(4)图像分割模块。对预处理后的图像进行目标与背景别离，也就是把车的图像与背景别离开来，以便于对车辆目标的处理，提高运算速度。分割可以有很多算法。图像二值化算法实现简单，运行速度快，符合图像处理系统实时性特点，所以采用图像二值化分割。这种方式的分割，主要问题是如何确定阈值(灰度门限)。根据实际情况，可以采用自适应门限法来确定阈值。

3)系统实现

根据设计的要求，系统采用VisualC++

6.0编程实现了系统的界面和整体构架。界面由视频显示区、视频控制区、控制中心区和数据显示区四大块构成，视频显示区主要是将道路车流的视频信号显示出来，以便于观察和在画面上进行检测区域设置。视频控制区用于连接外部视频信号源及选择检测区个数。控制中心区又分为：

(1)检测控制，功能是启动或关闭检测程序。

(2)检测区域设置，可进行视频区设置、检测线设置。

(3)检测灵敏性控制区，功能是调节滑块以到达调整检测精度和速度精度的目的，实际上就是对阈值的调节。

(4)视频格式控制区，作用是设定输入信号的制式及调节信号的亮度、比照度等参数。

(5)数据查询功能主要是对已识别并存储到数据库里的数据进行查询统计并由图表输出。数据显示区实时显示测量到的各检测区域内的交通车流数目和当前通过检测区域的车辆速度，系统实现的界面如图A7.6所示。

图A7.7给出了一个交通流量统计图，这只是很小的一段车流量统计。由图A7.7可以看出，早上7:00至早上8:10期间3个车道各自的车流量统计分布情况。通过流量统计便可知道该道路什么时间段是流量顶峰时段，指挥调度中心便可以依据多日的统计进行交通疏导。

图A7.6视频交通流检测及车辆识别系统的界面

图A7.7交通流量统计图总之，利用电视视频技术、计算机图像处理技术、模式识别技术及通信技术等多项技术为一体的计算机视频监测技术对交通进行监测和控制是一个具有广阔应用前景的研究方向。它的目标就是用计算机视觉技术，通过分析摄像机拍摄的交通图像序列来对车辆、行人等交通目标的运动进行检测、定位、识别和跟踪，并对检测、跟踪和识别的交通运动目标的交通行为进行分析和判断，从而既完成各种交通流数据的采集，又进行与交通管理有关的各种日常管理和控制，形成一个全方位立体化的数字交通监控网，真正实现交通管理智能化。

因此，开展视频交通监测技术的研究，对于提高我国视频监测技术水平、促进我国城市道路建设、改变我国交通以人管理为主的被动局面、实现城市交通管理智能化都具有十分重要的现实意义。A7.7.2电子警察(闯红灯)系统

目前，城市交通阻塞已成为世界性的难题，尤其是违规闯红灯、超车等行为给国家和人民造成了巨大的损失和危害。与传统的人工警察相比，电子警察有着多种无与伦比的优点：可24小时不间断地工作、路口不需要人工警察、可大大缓解警力缺乏的现象，无需发薪资，铁面无私、绝无徇私舞弊行为，违章识别率高、无误判行为，全部自动化传输、集中处理。电子警察(闯红灯)系统适用于全国各地区，对各种复杂路口可全天使用。该系统是通过对视频图像的实时动态监测与分析，全面反响闯红灯车辆的违章过程，并为依法处分提供了最充足的法律依据。图A7.8给出了电子警察(闯红灯)管理系统布防示意图。图A7.9展示了电子警察(闯红灯)管理系统工作现场示意图。

图A7.8电子警察(闯红灯)管理系统布防示意图

图A7.9电子警察(闯红灯)管理系统工作现场示意图A7.7.3移动查车系统

多年以来，超速行驶一直是导致交通事故的主要原因之一，给社会和家庭带来巨大损失。由于车速快导致发生紧急情况时制动距离长，因此必须采取有效手段，减少由于超速引起的交通事故与违章现象。“智能型违章抓拍系统〞是一套高科技电子设备，为维护交通执法提供了一种先进的手段。在许多交通场合如无人值守的路口、公交专用道等场合经常会发生违章行车现象(超速、逆行和非法占道等)，严重破坏了交通秩序。该系统能够对违章车辆进行自动判断与图像记录；执法部门可以根据该系统所提供的车辆违章过程的图像记录，对违章司机进行追究和处分。图A7.10给出了超速、闯红灯检测抄牌系统和检测现场。

图A7.10超速、闯红灯检测抄牌系统和检测现场A7.7.4电子称重系统

电子称重系统主要是为了防止重车超载的行为发生，尤其是在高速行驶的状况下，重车的超载不仅对路面造成极大伤害，更对他人有高度危险性。因此，地磅站提供重车载重测量工作，对违规的重车及其驾驶员给予开罚单的惩戒处分。图A7.11给出了汽车电子称重系统和检测现场。

图A7.11汽车电子称重系统和检测现场A7.7.5卡口监管系统

卡口监管系统全面适合于住宅小区、政府机关、智能大厦、工厂、企业、娱乐场所及公共场所，可大大节约人力物力，对车辆进行出入收费的有效管理。其主要特点包括读卡距离在300mm以上，对车辆进出、停放时间的记录及查询，对出入车辆的图像进行比照，对外来车辆的停放、收费管理。从而有助于对内部车辆和外来车辆的进出进行现代化的管理。图A7.12分别给出了卡口监管实物系统－公路收费站。

图A7.12卡口监管实物系统－公路收费站A7.7.6LED交通诱导电子大屏幕系统

LED交通诱导电子大屏幕系统能通过LED显示屏实时显示路况信息、交通诱导、道路指示、交通通报、交通标语、泊位信息和天气信息等；可通过互联网查询系统提供交通信息；相关信息可通过交通电台播送；通过发送软件的远程控制命令控制显示屏的显示状态，可实现显示屏的远程开关机；操作人员在中控室即可轻松操纵显示屏的运行，节省了人力，可实现高效、便捷的管理。图A7.13给出了LED交通诱导电子大屏幕系统示意图和实物图。

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