道路交通安全与智能控制毕业设计
----路口红绿灯电子警察系统分析
第一章绪论
1.1研究背景
随着我国社会与经济的发展，基础设施的不断完善，日益拥堵的城市交通状况迫切需要更为先进、有效的交通管理方式。以通信技术、计算机图像处理技术为核心的智能化道路交通系统—电子警察系统应运而生，成为了前公路交通管现的发展方向。
现如今世界各国都在建设并完善着自己的电子警察系统。路门电子警察系统的作用不仅仅在于抓拍违章车辆，它对对于路口交通配时调控、此路口到下个路口的车流衔接、区域的交通流控制、整个城市新建道路的规划、老路的修缮，甚至对整个城市路口的重新布局都有着深远的影响。
电子警察系统在国内的发展并不完善。在路口监控系统布设中，通常存在着车牌抓拍灵敏度过高、因施工时间过长而阻塞交通、信号灯配时不合理，拍摄废片率高，识别率差等问题，解决这些问题就有待电子警察系统的进一步完善。电子警察系统在现代交通系统中起着举足轻重的作用，建立高质量的电了警察系统是交通管现方面的迫切需求，交通管理自动化也是城市现代化的标志之一。
1.2国内外研究现状
八十年代后，全世界各国开始大量投入人力、物力、财力开展智能交通系统的研发。目前而言，its在日本得到最广泛的应用，如日本的vics系统已经相完备和成熟，其次美国、欧洲等地区也普遍应用。在中国，北京、上海、广东等地也已广泛使用。
美国目前在智能交通系统领域同样处于领先水平。90年代初，美国就开始对its研究开展投资。1998年，其签署的“面向21世纪运输权益法案(transportationequityactofthe21thcentury)”赢得了公路系统的重建与继续发展的大笔投资。现今而言，its对美国交通的覆盖率达到80%以上。
日本对its的研究早在20世纪70年代便开始进行。日本现今成为its实用化程度最高的国家，日本对交通控制、出行信息提供方面都十分健全。欧洲在its研发应用方面与美国相似。目前全欧洲计划打造专门的交通无线数据通信网。
我国在its领域的研究起步较晚，但随着时代的发展、科技的进步，我国也在逐渐加快智能交通系统的研发步伐。科技部安排的“智能交通系统关键技术开发和示范工程”及“智能交通系统标准和检测技术开发”项目就是对适合国情的智能运输系统发展模式和技术进行研发的范例。我国鼓励优秀的示范工程并进行大范围的推广开发，这对我国的its发展事业起到了良好的促进作用。
1.3.1论文的主要工作
论文主要完成以下几方面的工作：首先描述了系统的建设背景；然后对电子警察系统及其相关技术做了详细的介绍；论文核心章节重点介绍了电子警察系统的构造及工作原理；论文最后结合目前市场中电子警察布设中存在的一些问题提出了电子警察路口布设方式的改良措施。
1.3.2论文的主要内容
论文共分为五个章节，其中：
第一章：绪论。介绍电子警察的发展现状及论文的研究背景，概述了论文的主要工作安排和重点内容。
第二章：电子警察系统介绍。分别介绍了电子警察系统的构成情况，并对电子警察系统的相关技术，如车辆检测技术、线圈技术等进行了详细论述。
第三章：电子警察系统设计及工作原理。详细论述了电子警察系统设计的原则及设计过程中应参考的相关标准，分析了系统的组成及工作原理，针对电子警察系统的总体功能和特点做了详细论述。
第四章：电子警察路口布设方式改良研究。从降低电子警察抓拍灵敏度、提高施工作业时效及节约线材方法以及车检器线圈布设位置等角度提出了改良策略。
第五章：结论。对论文总体研究成果进行总结和展望。
第二章电子警察系统介绍
2.1电子警察系统的构成
电子警察系统从系统结构上划分，由路口前端数据采集系统、中心管理信息系统组成。目前，外部与其相关联的系统有车管和驾管系统，向上还有可能关联智能交通集成系统。具体如图2.1所示。图中所示设备为组成系统所需，可以与现有电子警察系统设备共用或与其他系统设备共用。
在整个电子警察系统中，路口前端数据采集系统是整个系统正常运行的基础，其主体设备包括：路口主机、摄像部分、车检部分、led辅助照明部分和通讯部分。其组成如图2.2所示：
图2.1电子警察系统结构示意图
图2.2闯红灯抓拍系统结构示意图
2.2系统相关技术分析
2.2.1车辆检测技术
目前在交通检测及采集系统中，集中应用了许多高新技术。如电磁传感、视频雷达、超声波通信等，均被应用到交通控制中。常用的交通信息检测器主要有：电感量检测器(环形线圈检测器)、超声波检测器、红外检测器、雷达检测器。按照安装方式的不同，交通信息检测器可分为埋设式和悬挂式。就目前而言，由于性价比和可靠性上的优势，环形线圈式车辆检测器仍占据市场的大部分额。
（1）环形线圈检测
环形线圈检测是目前世界上使用量最大、最广泛的一种检测方式。当车辆通过埋设于车道内的环形线圈时，感应线圈利用切割磁感线原理对车流量进行检测。远端的战略车检器统计总车流，近端的战术车检器统计停车线前各方向车流。检测器可根据需要，获得车流量、行车速度、车辆通行密度、车辆排队长度等数据，并提供给中央控制系统。中央控制系统对数据可以进行有效的提取利用，使得交通向最为通达顺畅的方向发展。环形线圈检测方法具有施工工艺纯熟，施工手段简雄易行，以及成本低廉等优点。
（2）波频检测
波频车辆检测器多以悬挂式检测系统的方式呈现。波频车辆检测器的工作原理为：检测器向车辆发射微波、红外线等电磁波，接收反馈信息对车辆产生感应。
波频车辆检测先划分出一个同定长度的区域，假设各种车辆的车长。运作时，检测器用车辆驶出的时间减去车辆进入的时间，以计算出车辆在一定长度内行驶的时间差来计算出车速。目前常见的波频车辆检测器有微波车辆检测器(rtms)，它是一种性价比相对高的交通检测器。
（3）视频检测
视频车辆检测是通过视频摄像机进行拍摄，先在监控范围内划分出虚拟线圈对车道进行监控，背景灰度值会在车辆进入检测区时产生变化，以此原理可检测出车辆的存在，同时可根据需要来检测车流量和车行速度。
检测器的安装位置不固定，车行道的侧面或是正上方均可安置，视频检测的优势很明显，它利用动态视频监控的方式使得交通检测工作更加直观，在对违章判别时可以提供现场的视频录像，同时可根据路口扩建、改造、施工等具体情况，重设检测线圈。
2.2.2线圈检测
（1）线圈检测原理介绍
环型线圈检测利用的是电磁感应原理，它利用环形线圈来感应车流，环形线圈的规格一般为：行车道2m×2m的口字型线圈，路口处2m×1m的矩形线圈。环形线圈工作时，因为有电流的通过，会在线圈周围形成电磁场，车流经过线圈上方时，根据切割磁感线的原理，线圈回路电感量会发生变化。这又会引起电路的振荡频率以及相位出现变动，环形线圈依此原理可以对是否有车辆通过做出检测。车辆检测器对检测到的信息进行处理，向工控机发送信号，工控机根据信号的不同，相应的做出闯红灯抓拍(见图2.3)，电子警察超速抓拍，车流量统计等对应操作。
图2.3闯红灯抓拍系统原理图
（2）传统线圈检测工作流程
当路口绿灯长亮时，系统判定是否有车辆通过检测区域且这种判定有一定的延续性，同步于信号灯状态(图2.4)。
当路口红灯亮起，有车辆靠近停车线并压上第一个线圈时，系统监控功能启动。在整个红灯周期内，若是车辆没有继续前行而只是停留在第一个线圈内，系统判定车辆并不违法(图2.5)。
图2.4绿灯长亮时，线圈检测是否车辆通过
图2.5红灯亮时，车辆压上第一个线圈
若是车辆在红灯周期内继续前行，车辆越过第一个线圈而压上了停车线，此时系统判定违法事件发生，电子警察主机拍摄第一张视频照片(图2.6)。
图2.6车辆压上停车线，判断违法
当车辆压上第二个线圈，系统拍摄第二张违法照片，同吋拍摄特写照片，启动违法车辆的录像监控，将车辆越过停车线前后5秒内的活动进行录制，之后对视频录像进行收缩存储，为后续的违章处罚提供佐证，减少争议(图2.7)。
图2.7车辆进入第二个线圈，拍摄第二章违章照片
车辆最终离开第二个线圈时，拍摄第三张违章照片(图2.8)。为了避免抓拍相邻方向的左转车辆或是对象来车，系统必须对车辆压线圈的顺序进行逻辑判断，与正常闯红灯压线圈顺序相反的车辆则不拍摄，但在抓拍违章调头车辆时，逻辑顺序则相反。
图2.8车辆驶离线圈，拍摄三张违章照片
第三章电子警察系统设计及工作原理
3.1设计原则与设计标准
3.1.1设计原则
本着“技术上的先进性、使用上的实用性、经济上的合理性”的原则，结合交警部门交通管理工作的发展需要进行设计。系统在具有先进性、实用性、经济性、可靠性、规范性、开放性的同时，具有良好的升级、扩展能力。
系统设备的选型在符合要求的前提下，要综合考虑性能指标和性能价格比。其具体原则为：
(1)先进性：充分借鉴、吸收国内外最新技术和成功经验，选择技术先进、实用的软件和硬件设备，采用符合当今it技术发展潮流并且代表当今计算机、图像处理、通讯技术发展方向的技术，使得研究设计的系统易于升级更新，确保其先进性。
(2)实用性：全面分析未来需求与现有条件，充分考虑现时功能要求与整体人员技术素质，力求实现系统建设与使用同步，使开发设计的系统充分满足交通管理部门的实战需求，并且易于操作。
(3)经济性：充分利用成熟的先进技术，采用性价比较高的产品。
(4)可靠性：采用主流的技术和产品，确保系统的稳定和可靠。只有力求系统安全、可靠、稳定地运行，才能提供优质的服务，真正体现系统的价值。
(5)可行性：设计建设方案应具体可行，能最大限度的满足公安交警交通管理实际工作的需求。
(6)规范性：应符合国际标准和国家标准，并充分考虑公安部已经制定和正在制定的标准，适应实际情况，确保各子系统间的协调配合。
(7)开放性和兼容性：接口开放，提供二次开发接口，易于各类交通管理系统的集成。
(8)可扩展性和易升级性：面对中国智能交通行业的飞速发展，系统的计算机设备和网络设备应具有非常好的可扩充性。并且，随着网络技术的不断发展，主干网络设备应能平滑升级。因此，在设计中，保证系统结构模块化，采用积木式拼装，以增强系统的延续性。
(9)良好的可管理性和易维护性：本系统是由多种设备组成的复杂系统，因此选择产品时应着重考虑它的可管理性和易维护性。
3.1.2设计标准
公安部交管局《全国城市道路畅通工程总体方案》；
公安部《闯红灯自动记录系统通用技术条件》；
国家技术监督局《测量、控制和试验室用电气设备的安全要求》；
《通用用电设备配电设计规范》；
《工业自动化仪表工程施工及验收标准》；
公安部《公安交通指挥中心建设与发展的若干意见》；
公安部交管局、建设部建设司《城市道路交通管理评价指标体系》；
《中华人民共和国道路交通法》；
国家技术监督局《信息技术设备的安全》；
《电力工程电缆设计规范》；
《有线电视系统工程技术规范》。
3.2系统工作原理
前端路口数据采集系统作为闯红灯电子警察的核心部分，直接对违法车辆生成可作为执法依据的违法记录。其取证原理如图3.1所示：
图3.1闯红灯抓拍工作流程图
当红色信号控制灯处在亮的状态时，中央控制模块将采集卡当前跟踪画面自动切换到由已亮红色信号灯所控制的车道全景画面，线圈检测器不间断地对感应线圈进行扫描，当检测到有车辆进入线圈时，立即由中央控制模块进行逻辑判断是否为闯红灯行为，若不是则放弃对该车辆的跟踪，若是则通知中央控制模块调用图像采集过程，此时前端设备系统将对违法车辆自动采集四张图片，其中三张是记录车辆闯红灯动态过程的全景图片，一张是牌照特写图片。采集来的牌照特写原始图像被发送至牌照自动识别模块进行分析并解读出车辆牌照，然后系统将图像压缩成jepg文件格式，并在其下方以相同格式粘贴上闯红灯地点、车道编号、方向、时间(年、月、日、时、分、秒)、红灯已亮时间等相关信息。由于牌照相机、全景相机清晰度高，并且图片处理算法先进，所以图像上违法车辆的车牌号码、车牌颜色、车身颜色、车型等信息清晰可见，最后将图片存入指定路径，将违章信息添加到违法记录数据库。以上过程就完成了路口单次闯红灯行为的检测、数据生成和数据存储。
第四章电子警察路口布设方式改良研究
4.1降低电子警察抓拍灵敏度研究
为了降低电子警察抓拍灵敏度，提升拍照的合理性，本文采用将线圈向停车线后方移动的方式，如图4.1所示。
图4.1改进后线圈布设方式
图中线圈移至停车线后方30cm处，线圈位置考虑因素如下：线圈不能紧挨停车线，一方面切割线圈容易破坏路面标线，而路面标线翻新也会破坏线圈，另一方面浅埋于地下的线圈必须承受车辆加速或是制动的累积破坏效应；线圈也不能远离停车线，否者会造成过松执法。根据现场实验与经验积累，确定为停车线后30cm处。30cm尚为初探值，随着实践经验的累积与反复的实验测试，才能找出线圆布设的最佳值。线圈布设技术要求为：切缝槽中敷设地磁线，车辆检测器与线圈之间使用双绞线，每米节点数不少于20个。线长度一般不超过50m，引线与线圈连接后必须做防水处理。线圈离路面伸缩缝距离应大于200mm，同一水平线上两组线的最小距离为1000mm。线槽宽度不大于10mm，深度在100mm左右，线槽四周不得有锐角。电子警察所有电源线和屏蔽线不得敷设在同一电缆保护管内，电源线和屏蔽线应分别套管敷设。
改进后的线圈布设可以有效的降低线圈检测的灵敏度，当车辆越过第一个线圈时，若为红灯时间，电子警察判定其违章无争议。这就使得对于违章车辆的抓拍更加合理，减免了一些因车辆制动操作失误而引发的不必要争端，提高了照片的可利用率。线圈设于停车线之后，汽车的制动和起步对线圈的损害明显降低，延长了线圈的寿命。同时，切割路面埋设线圈的施工操作对于停车线之前各种路而标识没有任何破坏，提升了路面美观度。
4.2提高施工作业时效及节约线材方法的研究
由于线圈的切缝埋线工作是在路口标线画完并已经开始通车后才开始进行的，怎样尽快完成路口施工，并尽早解除对道路的封堵，关系到市民的出行和正常交通秩序的维持。对于线槽合理的切割应当在不影响线圈灵敏度的前提下，尽量缩短切割长度，以达到节约施工时间的目的。
改进后的吕字型线圈如图4.2所示。此方法主要是对切线槽的方式进行了改良，从而变更拉线方式。前后线圈全部从中间进行分边拉线，缩短了切缝长度，也有利于线圈定位。改进方法的线圈切缝理论值为
7×4+(3+0.5×2+3.5+0.5×2)×2=45m，
对应的地磁线埋设长度理论值为：
(2.5×2+1×2)×7×4+(0.5×2+3.5×2+0.5×2)×2=214m。
改进后的方法与前两种方法对比，切缝与接线的理论值都达到了最小，从而节约了施工时问和线材量。
图4.2改进后的吕字型线圈切缝和接线方法
此种线圈布设方式、切缝、拉线的施工方法在后续的现场试验阶段迅，已经验证了其可靠性。在不影响其检测灵敏度的前提下，能够提高抓拍车辆照片的合理性，减小汽车的制动和起步对线圈的影响，避免对路面标志的破坏，延长了线圈的寿命，同时节约线材，缩短了施工时间。
4.3车检器线圈布设位置的改良
在安装战术车检器时，因注意将其设于车辆变道位置之前，如图4.3所示，车检器线埋设在理论变道位置后的位置，车检器此吋不仅可以精确的统计出车辆变道各方向的车流量，而且减少了因司机未及时变道而引起的对车流走向的误判。
特别是在交通高峰时段，因车辆拥堵而使得变道不及时的时候，将线圈设于变道之后就可给予信号灯配时以更准确的数据提供。
图4.3精确统计车辆行驶方向的车辆检测线圈布设
第五章总结
如今，电子监控系统正处于飞速发展阶段，新的技术，新的算法正在不断取代着过去。电子警察系统不论从外部硬件配置、整个系统配合紧密性、车牌识别算法上都还有很大的发展空间，很多问题都需要进行更加深入的研究。
（1）线圈检测以其稳定、廉价等优势在车辆检测方式上仍处于主导地位，但诸如视频检测这样的高新技术方法正在蓬勃的发展中。高新技术取代传统工艺是一种趋势，也是时代进步的标志。
（2）车牌识别率目前处于一个相对稳定的状态，算法改进对识别率的提高效果不算明显。应着力于研发和利用可靠度，分辨率、实时性等性能更加优越的硬件设备上。特别是在夜间，车牌识别的准确率和有效照片抓拍率比起白天有明显的降低，这对电子警察、补光设备和线圈之间的配合提出更高的要求，应加强整个电子警察系统之间的配合与联系。
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