基于AI识别的隧道智能监控与显示系统.pdf

2 0 2 4年1期1 9 5 2 0 2 4年第4 6卷第1期基于A I识别的隧道智能监控与显示系统吕运谷作者简介:吕运谷(1 9 8 4-),本科,中级通信工程师,研究方向为网络安全及信息化应用。(中国移动通信集团重庆有限公司永川分公司 重庆4 0 2 1 6 0)摘 要 文中设计了一个基于A I识别技术的隧道智能监控与显示系统,该系统在提高隧道的运行安全和管理效率方面具有显著优势。通过实时监测隧道内的交通状况和环境状态,驾驶员可以获取隧道内的实时交通信息,并根据预警提示做出更合理的驾驶决策。此外,交通管理人员能及时发现并解决问题,提高事故处理的响应速度和准确性。在未来的研究中,将继续加强对该系统的深入研究和实践,进一步推动其在交通领域中的实际应用。关键词:人工智能;隧道;监控中图分类号 T P 3 1 1.5I n t e l l i g e n tT u n n e lM o n i t o r i n ga n dD i s p l a yS y s t e mB a s e do nA IR e c o g n i t i o nL YUY u n g u(C h i n aM o b i l eC o mm u n i c a t i o n sG r o u pC h o n g q i n gC o.,L t d.,Y o n g c h u a nB r a n c h,C h o n g q i n g4 0 2 1 6 0,C h i n a)A b s t r a c t At u n n e l i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n ga n dd i s p l a ys y s t e m b a s e do n A Ir e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r.T h es y s t e m h a ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g e si ni m p r o v i n gt h eo p e r a t i o ns a f e t ya n d m a n a g e m e n te f f i c i e n c yo ft h et u n n e l.B ym o n i t o r i n gt h et r a f f i cc o n d i t i o n sa n de n v i r o n m e n t a l s t a t u s i nt h et u n n e l i nr e a l t i m e,d r i v e r sc a no b t a i nr e a l-t i m et r a f f i ci n f o r m a t i o ni nt h et u n n e la n d m a k e m o r er e a s o n a b l ed r i v i n gd e c i s i o n sa c c o r d i n gt ot h ee a r l y w a r n i n gp r o m p t s.I na d d i t i o n,t r a f f i cm a n a g e r s c a nd e t e c t a n ds o l v ep r o b l e m s i n t i m e,a n d i m p r o v e t h e r e s p o n s e s p e e da n da c c u r a-c yo f a c c i d e n th a n d l i n g.I nt h ef u t u r er e s e a r c h,w ew i l lc o n t i n u et os t r e n g t h e nt h e i n-d e p t hr e s e a r c ha n dp r a c t i c eo f t h es y s t e mt o f u r t h e rp r o m o t e i t sp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n i nt h e f i e l do f t r a n s p o r t a t i o n.K e y w o r d s A r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e,T u n n e l,M o n i t o r0 引言随着交通行业的飞速发展,隧道作为关键交通设施之一,其运行安全和管理效率问题受到了广泛关注。为满足现代交通需求,基于A I识别的隧道智能监控与显示系统应运而生。该系统依托传感器技术和先进的A I识别算法,可以对隧道内的车辆和环境进行实时监测,同时将A I分析得到的关键特征在显示终端上实时呈现出来,以供驾驶员和交通管理人员参考。该系统还具备强大的数据整合与分析能力,能实现历史数据查询、趋势分析等功能,为交通管理人员提供长期决策支持。随着未来技术的进步和应用领域的拓展,实时交互的隧道智能监控与显示系统将为交通行业带来更多的可能性,成为智慧交通建设的重要支撑力量。1 技术原理介绍实时交互的隧道智能监控与显示系统通过集成传感器、图像处理和通信技术,实现隧道内部状态的实时监测,并将结果通过显示终端实时展示出来。1.1 传感器技术视频传感器利用光学成像原理,可以将隧道内部的场景转化为电信号,再通过图像传感器采集具体场景信息。考虑到隧道内可能会存在光照差异较大的情况,需要选择具有宽动态范围功能的摄像头,以便在光照变化较大的环境下提供优质的图像质量。同时,由于隧道环境可能存在灰尘、湿度和其他不良条件,需要选择具有防尘和防水功能的摄像头,以确保其在各种恶劣环境中都能稳定运行1。温湿度传感器则使用温度和湿度敏感元件,通过测量元件的电阻、电容或热电效应来获取环境参数。1.2 图像处理技术基于A I的图像识别技术,通常是通过构建深层神经网络模型,将图像作为输入,经过多层神经网络的计算和特征提取,输出对图像的识别、分类、分割、检测等结果。该技术可以自动学习图像中的特征和模式,并根据已有的训练数据进行预测和判断,可应用于物体识别、场景理解、图像生成等领域,为图像分析提供更智能和更高效的解决方案2。1 9 6 2 0 2 4年1期1.3 通信技术原理为将分析结果传输至显示终端,可以利用无线通信技术,如无线传感器网络、无线局域网、蜂窝网络等。通信技术利用无线电波或光信号传输数据,通过调制、解调、编码、解码等技术实现数据的传输和接收。关键数据经过传输介质(如无线信道或光纤),将信息从传感器传递到显示终端。1.4 显示技术原理隧道内使用的显示器通常采用液晶显示技术或有机发光二极管(O L E D)技术。液晶显示器通过液晶分子的电光效应来控制光的透过与阻挡,从而呈现图像。O L E D显示器则利用有机材料的发光特性,通过电流刺激有机材料发光,形成图像。这些显示技术具备高分辨率、高亮度和高响应速度,以确保信息的清晰度和可见性3。2 系统设计本文设计的隧道智能监控与显示系统主要集成了数据采集模块、数据处理模块和显示模块,如图1所示。图1 智能监控与显示系统架构2.1 数据采集模块该模块的主要任务是收集隧道内的数据,包括车辆通行数据和各种环境参数。由于本系统的数据分析主要依赖于图像识别技术,因此主要包含两种传感器。(1)视频传感器:通过在隧道内安装的摄像头,实时采集隧道内的视频图像(本 文 拟 采 用 海 康 威 视D S-2 C D 4 A 2 6 FWD-I Z S/P摄 像头);(2)温湿度传感器:用与监测隧道内的温度和湿度,本模块选用S e n s i r i o nS HT 3 x,其具有高精度和高稳定性,适用于隧道环境监测。2.2 数据处理模块数据处理模块主要涉及目标识别和异常检测算法。该模块的 主 要 作 用 是 通 过 车 牌 识 别 对 隧 道 内 车 辆 进 行 计数4,并通过车辆检测对隧道内车辆进行跟踪,以判断是否有停车、超速等行为;通过温湿度传感器记录隧道内的环境参数,判断环境是否存在异常。具体流程如下。(1)制作用来训练车牌识别和车辆检测的数据集,标注车辆边界框和车牌。(2)使用车牌识别数据集和车辆检测数据集分别训练两个YO L Ov 3模型。(3)在隧道入口和出口部署车牌识别模型,识别车牌后再使用现有的文字识别模型O C R,假设图像为I o r c,识别结果集合为N u m=O C R(Y O LO o c r(I o r c)。(4)在隧道内各段部署车辆检测模型,输入图像I,则检测结果B,C=Y O L Ov c a r(I,c o n ft h r e s h o l d)。其中,B为检测到的车辆边界框集合,C为车辆边界框对应的类别集合。(5)执行车辆跟踪算法,输入为车辆边界框集合B。初始化卡尔曼滤波器,状态向量x=p,v(其中,p为位置,v为速度),状态转移矩阵A,观测矩阵H,过程噪声协方差Q,测量噪声协方差R。对于B集合中的每辆车b,预测阶段的公式如式(1)、式(2)所示:更新阶段的公式如式(3)式(5)所示。从更新后的状态向量中,可以提取速度vr=x1。若vr超过预设的速度阈值vt h r,则标记为超速异常。若vr为零或接近零,并持续一段时间,则标记为停车异常。之后,将所有的异常情况记录到集合E r r中。x=A*x(1)P=A*P*AT+Q(2)K=P*HT*(H*P*HT+R)-1(3)x=x+K*(z-H*x)(4)P=(I-K*H)*P(5)(6)环境状态信息。温室传感器记录的温度T如果超过阈值Tt h r,则标记为温度异常。湿度H超过预设的湿度阈值Ht h r,则标记为湿度异常。异常信息记录在变量Tf l a g,Hf l a g中。(7)整合当前的信息,即B,V,N u m,Er r,T,H,Tf l a g,Hf l a g,将该数据包传输至显示模块,等待最终的格式化显示。2.3 显示模块显示系统的主要显示内容包括隧道内实时交通信息和预警信息。其中,实时交通信息包括平均通行时间和隧道内车辆数量,车辆数量为隧道入口车牌识别模型的结果集合但未在出口车牌识别模型的结果集合中的元素数量。由于数据包具有时间戳,当在隧道出口识别到车辆时,可根据识别的车牌号码检索其进入隧道口的时间,得到该车辆的通行时间。因此,当前车辆的平均通行时间如式(6)所示:Ta v g=1n(ni=1To u ti-Ti ni)(6)此外,实时交通信息还包括当前隧道内的温度和湿度。预警信息则包含当前拥堵等级、故障信息和环境预警。拥堵等级是当前平均通行速度和最高时速的比,若比值大于7 5%,则认为是畅通;若位于5 0%7 5%之间,认为是轻度拥堵;位于2 5%5 0%之间,认为是中度拥堵;如比值小于2 5%,则判断为重度拥堵。故障信息是由卡尔曼滤波算法记录的E r r信息,用来提示随后的驾驶员,并通知交通管理人员进行应急处理。环境预警包括隧道内的温湿度异常、自然灾害(如暴雨、地震)等。经过显示模块的处理后,将得到的数据通过高速无线通信网络传输至显示终端。移动信息2 0 2 4年1期1 9 7 3 实验与结果3.1 数据来源本测试选择某城市市区内的一条隧道进行数据采集,该隧道段全长3.3 k m,主线采用双向六车道建设标准,限制时速6 0 k m/h,隧道内严禁无故停车和随意变道、超速,内部没有紧急停车通道,禁止非机动车和行人通行。为了训练车牌识别和车辆识别模型,在隧道入口和隧道出口连续采集2 4 h的图像数据,均匀采样2 00 0 0帧,并标注车牌和车辆的检测框。3.2 实验设置将在隧道出入口和关键路段部署的智能监控与显示系统的情况作为实验组,将传统未安置任何显示系统的情况作为对照组。本文分别对两个组的交通情况连续记录了4 8 h,具体的评价指标包括流畅度、安全度和满意度3个维度。其中,流畅度由平均通行时间和平均通行速度表示,平均通行时间由公式(6)计算,平均通行速度可进一步由隧道长度和通行时间的比值得到;安全度由统计的每千辆车事故率和管理人员应急响应时间这两个指标构成,由于事故率较低,因此具体的响应时间可以通过查看当时的监控测算;满意度则通过对通行驾驶员的短信问卷回访得到,采用11 0分的评分制来表示驾驶员对交通管理的满意度。3.3 实验结果通过实验组“实时显示系统”和对照组“传统交通管理”各自4 8 h的交通状态的对比,本文得到如表1所列的结果。其中,传统交通管理下的平均车速为4 7 k m/h,实时交互系统下的平均车速为5 5 k m/h,提高了8k m/h。传统交通管理下的平均通行时间为4.2 m i n,实时交互系统下的平均通行时间为3.6 m i n,缩短了0.6 m i n。对于隧道内车辆故障等紧急事件,管理人员的应急响应时间平均缩短了3 0 s。在实时显示系统下,驾驶员的满意度评分为8,提高了3分。表1 显示系统在隧道交通中的性能表现类型指标对照组实验组比较交通流畅度平均车速/(k m/h)4 75 5+8平均通行时间/m i n4.23.6-0.6安全性事故率(每千辆车)0.20.1-0.1紧急事件响应时间/s8 05 0-3 0驾驶员反馈满意度评分(01 0)58+33.4 实验分析传统交通管理和实时交互系统在交通流畅度、安全性、驾驶员反馈等方面有着明显的差异。实时显示系统能更有效地管理交通流量,提高车辆的行驶效率,减少交通拥堵和延误现象。在安全性方面,实时交互系统同样有着积极的效果,降低了事故率,同时缩短了紧急事件的响应时间。这意味着系统具备更好的监测和响应能力,能更及时地发现和处理紧急情况,有助于减少事故发生的可能性和降低事故的影响。驾驶员对实时显示系统的功能和性能表示出更高的满意度,这可能是由于实时交互系统提供了更好的交通信息、导航指引和紧急情况警示,提升了驾驶员的驾驶体验和安全感。4 结语实时交互的隧道智能监控与显示系统有着广泛的应用前景。首先,它可以提高隧道的运行效率和管理水平,使交通管理人员能及时发现并解决问题。其次,该系统可以为驾驶员提供实时的隧道交通信息,方便其规划出行路线,避免拥堵。最后,实时交互的隧道智能监控与显示系统还可以为科研人员提供宝贵的数据支持,帮助他们深入研究和评估隧道的安全性和运行状况。未来,建议对该系统进行以下改进:(1)增加传感器的种类和数量,以实现对隧道内部状态更全面的监测;(2)优化图像处理算法,提高对隧道内部状态的识别准确率和速度;(3)拓展通信网络覆盖范围,确保系统在更广阔的区域内稳定运行;(4)加强与其他交通管理系统的集成,实现信息共享和协同工作。总之,实时交互的智能监控与显示系统作为一种新型的技术手段,具有很大的发展潜力和应用前景。研究人员应继续加强对其的研究和实践,使其为提高隧道运行安全和管理效率做出贡献。参考文献1赵鑫.高速公路隧道视频监控系统设计J.工程施工与管理,2 0 2 3,1(1):1 9-2 1.2蒋树强,闵巍庆,王树徽.面向智能交互的图像识别技术综述与展望J.计算机研究与发展,2 0 1 6,5 3(1):1 1 3-1 2 2.3马春城,党伟荣,李卓.交通监控系统多屏关联显示技术的实现方法J.公路隧道,2 0 1 3(2):1 3-1 7.4张西,唐恬,李良荣.基于神经网络的隧道行车车牌识别技术研究J.公路,2 0 1 7,6 2(7):2 0 5-2 1 0.移动信息