基于多元数据融合的高速公路行车安全自动监测系统设计.pdf

第 卷第期 年月信 息 化 研 究 基于多元数据融合的高速公路行车安全自动监测系统设计郭子英，李永建，任朝阳，张帅（山东高速股份有限公司，济南，）摘要：实时路况信息监测可最大程度保证高速公路行驶安全，为了提高高速公路实时路况信息监测的性能，本文设计了一种基于多元数据融合的高速公路行车安全自动监测系统。硬件系统的关键是通过温度、湿度、光强和车流车速传感器组成的多元传感系统，采集高速公路实时路况图像信息，以有效提升高速公路实时路况图像的清晰度；软件系统的关键是通过融合高速公路实时路况信息的多元特征设计高速公路实时路况信息监测算法，以实现高速公路行车状态安全监测。实测结果表明，本系统无论在晴、雾和雨天均可获取清晰路况图像，监测准确率可达 以上。关键词：多元数据融合；实时路况；监测系统；高速公路中图分类号：收稿日期：引言作为交通大国，我国在气候环境和地理位置上与世界上其他国家之间存在较大差异，因此各个地区的交通路径也存在一定差异。经济发展水平的高低导致高速公路实时路况信息监测的硬件和软件水平也不同。高速公路路况信息监测的实时性，可以有效保证车辆在高速公路中行驶的安全性。如今，智能化水平的提升，嵌入式系统得到了广泛应用，将嵌入式系统应用到高速公路实时路况信息的监测中，有利于路政部门对高速公路的维护。高速公路实时路况是指包括高速公路交通流量、交通拥堵、交通路面状态、人流量等多方面的高速公路信息集合。为此，通过监测高速公路的实时路况信息，可以获取高速公路实时路况监测区域的光线条件和气象情况，从而判断高速公路是否适宜车辆的安全行驶，及时排除高速公路的隐患。陈钊正等人考虑到路政部门对高速公路客货混流监测的效率低和效果差问题，在计算机视觉和机器学习的支撑下，将监控视频检测法应用到了高速公路路况信息的监测中，通过高速公路监控视频的图像检测，提高稳定性和精度。经过尺度不变特征的变换池化，提取出车辆行驶过程中的特征，摆脱传统方法的缺陷。结果显示，该方法对高速公路中行驶车辆的识别率高达，对不同车道车辆的检测精度也在 以上。姜浩等人为了了解高速公路的运行状态，保证路况信息的实时性。在对高速公路专用网的安全因素进行研究的基础上，提出了一种基于网络服务的重要节点定位系统，并对其进行了研究。采用预先设计的主动检测方案，将该系统的软体和专用网路交互监控，并对其进行 的实时监控。袁振洲等人考虑多维动态特征交互设计高速公路实时事故风险监测系统，基于京哈高速公路北京段的事故数据，以及匹配的交通传感器数据、天气数据和道路特征等，构建个数据集，分别为只包含交通流变量，包含交通流变量、天气及时间特征变量，包含交通流变量、道路及时间特征变量，包含交通流变量、天气、道路及时间特征变量。从考虑多维动态特征的交互效应出发，基于深度交叉网络，对高速公路实时事故风险进行监测。此系统能够有效提升监测精度，但是高速公路交通事故监测反馈的实时性较差。刘元峰等人基于 的高速公路车辆实时监测系统，在残差单元中嵌入卷积注意力模块，强化学习细节特征，抑制冗余信息干扰，将卷积注意力融入金字塔网络中用以区分不同重要信息，加强关键特征融合。根据第 卷第期郭子英，等：基于多元数据融合的高速公路行车安全自动监测系统设计技术与应用 设计高速公路车辆实时监测系统，此方法能够提升公路车辆路况监测的实时性，但是监测准确率不佳。楼晓寅等人基于收费信息构建高速公路实时路况信息监测系统，考虑我国收费制度获取高速公路全封闭运行状态，确定高速公路实时路况信息监测的边界条件，将高速公路划分为若干个枢纽单元，利用收费数据构建数学交通模型，通过该模型实现高速公路实时路况信息监测。此方法能够提升实时交通流量准确率，但是路况图像的采集容易受到外界环境的干扰。针对上述方法存在路况图像获取效果不理想、监测准确率不佳、反馈实时性差的问题，本文将多元数据融合应用到了高速公路实时路况信息监测系统设计中，通过温度传感器、湿度传感器和光照强度传感器的设计，配置了系统的硬件结构；通过融合高速公路实时路况信息的多元特征和设计高速公路实时路况信息监测算法，实现了实时路况信息的监测，从而保证高速公路中行驶车辆的安全性。硬件系统设计 温度采集系统高速公路实时路况信息监测的温度传感器不仅可以监测高速公路的温度，还可以实时获取高速公路的 道 路 参 数。温 度 传 感 器 的 测 量 电 路 如 图所示。图温度传感器测量电路图在图的电路图中可以看出，热敏电阻是温度传感器的主要元器件，考虑到热敏电阻在精度和稳定性方面的性能较好，经过仔细地检查和验证之后，该温度传感器对高速公路实时路况信息的监测精度可以达到 。湿度采集系统当选择湿度传感器时，需要考虑到测量精度、功耗、供电电压以及响应时间和功耗复杂度等因素，湿度传感器的内部结构如图所示。图湿度传感器的内部结构图本文使用的湿度传感器在可靠性和稳定性方面的性能较好，可以与单片机或其他微处理器直接相连，简化外部电路的同时，也降低了使用费用。光强采集系统采集高速公路光照强度信息的传感器以光电二极管和 结为核心器件，对于 结的深度，一般情况下，尽量做得浅一些。光电二极管的工作原理是通过将接收到的光电信息转换成相同比例的微弱电流信号，根据此原理，检测高速公路的光照强度信息。光照强度传感器的输出电流比较小，通常 以 微 安 为 单 位，输 出 的 阻 抗 一 般 为 几 兆欧，因此，对于光照强度传感器而言，设计信号调理电路，可以获取更低的偏置电流和噪声，满足系统硬件的设计要求。车流车速采集系统车流量监测雷达有两种安装方式：正面安装法和侧向安装法。本文选择正面安装法进行雷达传感器安装设计，安装示意图如图所示。图雷达正面安装法效果图技术与应用信 息 化 研 究 年月正面安装法是将雷达传感器通过横梁安装于车道正上方，雷达波束与车流方向位于同一平面，该方法可测过往车辆总数及瞬时速度。软件系统设计 融合高速公路实时路况信息的多元特征将传感器获取的高速公路实时路况信息传输到图像处理器中，经过处理之后，提取高速公路实时路况信息的多元特征。采用像素函数提取高速公路实时路况信息的多元特征时，随机代入像素函数分解窗，在像素分解窗口将被提取的高速公路实时路况信息多元特征构成图像信息集。为了增强高速公路实时路况信息多元特征融合的稳定性，将像素函数分解窗口的多元特征值进行鲁棒性识别，提取出具有较高稳定性的高速公路实时路况图像的像素值，得到高速公路实时路况图像 的 稳 定 像 素 值 与 像 素 值 之 间 为 正 比 例关系。对高速公路实时路况信息的多元特征进行分解重组，重组之后融合处理高速公路实时路况信息的多元特征，公式为：（）（）（）（）式中，（）代表实时路况图像的稳定像素值；（）代表实时路况图像的边缘像素值。通过提取高速公路实时路况信息的多元特征，获取实时路况图像的稳定像素值，利用实时路况信息多元特征的分解重组，融合处理高速公路实时路况信息的多元特征。高速公路行车安全自动监测算法以高速公路行车状态的多元特征为依据，对实时路况信息分类器进行训练，即：，（）式中，代表高速公路行车状态中第个特征参数；代表分类器的训练方向；代表为分类器设定的阈值，可以通过下式计算得到：（，），（）利用公式（）的阈值计算原理，分类并监测高速公路行车状态信息，依据分类器对高速公路行车状态信息的分类参数值，构建了实时路况信息分类器函数，实现高速公路行车状态信息的分类监测，得到最终的监测结果。采用多个训练的子分类器，经过线性的叠加处理，可以得到公路行车状态信息的总分类器，表达式为：（），其他情况（）上式中，（）就是最终的车流量监测结果。综上所述，通过对公路行车状态信息分类器的训练，计算了分类阈值，通过判断监测信息与阈值的关 系，实 现 高 速 公 路 行 车 状 态 信 息 的 监 测。具体高 速 公 路 行 车 安 全 自 动 监 测 流 程 图 如 图所示。图行车安全自动监测流程分析图可知，首先获取高速公路路况信息多元特征，构建实时路况信息分类器，设定分类器阈值，构建路况信息分类器函数进行路况信息分类，通过线性的叠加处理获得总路况信息分类器，并对分第 卷第期郭子英，等：基于多元数据融合的高速公路行车安全自动监测系统设计技术与应用类器进行训练，得到最终车流量监测结果，完成行车安全自动监测。系统测试分析 测试原理系统测试过程中，选择两只 灯、视觉传感器、单片机以及数据传输线作为实验测试的器材，模拟汽车在高速公路上行驶。将视觉传感器固定在汽车的前端，启动视觉传感器之后，采集高速公路上的实时路况信息，并将采集到的图像信息，经过数据传输线，储存到单片机中进行多元融合处理。接着利用计算机控制系统对单片机进行参数设置，并引入 编程将高速公路实时路况信息监测系统导入到单片机，在单片机上对高速公路实时路况图像进行处理和监测，将最终的监测结果输出到 灯上进行显示。测试结果利用基于多元数据融合的高速公路实时路况信息监测系统采集汽车行驶过程中的实时路况图像，测试现场设备如图所示。图测试现场设备图实验环境分别选取晴天、雾天和雨天，测试了高速公路实时路况图像的清晰度，测试时间为月早上点开始，下午点结束，测试地点为山东省济南市 线中国石油济南第七十九加油站入口处，具体结果如表所示。表高速公路实时路况图像的清晰度 采样时刻晴天（月 号）雾天（月 号）雨天（月号）：根据表的结果可知，采用基于多元数据融合的高速公路实时路况信息监测系统时，无论在晴天、雾天还是雨天，对高速公路实时路况图像采集的清晰度都可以达到 以上。其中在晴天环境下，高速公路实时路况图像采集的清晰度最高，可以达到 以上；在雾天环境下，高速公路实时路况图像采集的清晰度最低，但是也可以超过 。因此说明系统对高速公路实时路况信息监测的效果比较好。对比分析实验过程中，引入基于视频图像检测的监测系统和基于用户感知的监测系统作对比，对高速公路实时路况信息进行监测，得到实验结果如图所示。图高速公路行车状态信息监测准确率测试结果技术与应用信 息 化 研 究 年月从图的结果可以看出，采用基于视频图像检测的监测系统时，在晴天、雾天和雨天环境下，对高速公路实时路况信息监测的准确率最低；采用基于用户感知的监测系统时，对高速公路行车状态信息监测的准确率虽然高于基于视频图像检测的监测系统，但是仍然低于；然而采用文中系统时，无论是在晴天、雾天还是雨天环境中，对高速公路行车状态信息监测的准确率始终高于，因此说明文中系统对高速公路行车状态信息监测准确率更高。结束语本文提出了基于多元数据融合的高速公路实时路况信息监测系统设计研究，经过测试发现，该系统在监测高速公路行车状态信息的过程中，无论在晴天环境、雾天环境还是雨天环境下，都可以准确获取高速公路的实时路况信息。但是本文的研究还存在很多不足，在今后的研究中，希望可以在黑暗环境中，对高速公路的实时路况信息进行监测，以保证高速公路夜晚行车的安全性。参考文献王润泽，王亮，刘涛，等 考虑实时路况反馈的动态路径规划算法研究测绘科学，（）：玄世昌，汤浩，杨武 基于信誉积分的路况信息共享中共谋攻击节点检测方法通信学报，（）：陈钊正，张善关，杜飞，等基于视频图像检测的高速公路车型分道行驶监测系统 科学技术与工程，（）：姜浩，王宗钰，李建民基于用户感知的高速公路专用网络综合服务质量监测系统 公路交通科技：应用技术版，（）：袁振洲，胡嫣然，杨洋考虑多维动态特征交互的高速公路实时事故风险建模 交通运输系统工程与信息，（）：刘元峰，姬海军，刘立波基于 的高速公路车辆实时检测模型 液晶与显示，（）：楼晓寅，徐岸，丁剑基于收费信息构建高速公路路网智能系统研究 公路交通科技：应用技术版，（）：陈渠，殷承良，张建龙，等基于实时路况信息的插电式混合动力汽车预测性能量管理算法研究 汽车技术，（）：郭子英（），男，高级工程师，主要研究方向为高速公路信息化、大数据技术及人工智能等。，（，）：，；，：；