基于济南市视频反馈的路段溢流智能控制系统的开发
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摘 要：以视频摄像机为主，以线圈、雷达等采集设备为辅，采集路段的交通流队列，以视频图像处理技术对视频数据进行实时分析处理，预测识别路段是否存在交通溢流现象，若存在，则及时启动溢流控制器，实现路段交通的反馈控制。
关键词：交通溢流；视频反馈；智能调控
随着人类社会的进步，物质生活飞速发展，汽车已经成为必不可少的交通工具。问题也随之出现，“堵车”已经成为家常便饭。交通拥挤不但降低了城市的活力，延长了居民的出行时间和成本，严重降低工作效率，影响了居民的生活质量。城市交通拥堵的表现形式主要是路段溢流。由于交叉路口的瓶颈作用，使得驶入路段的车辆数量大于驶出路段的数量而形成排队，若交通信号协调配时不当，随着时间的演化，滞留在路段上的车辆数逐渐增多，当车辆排队超出路段长度的时候，部分车辆占据上游交叉口，这就是典型的交通溢流现象。如果不加以预防和控制，整个城市会因为交叉路口处的车辆互相锁死而导致大规模的交通拥堵，最终结果将会使整个城市的交通处于瘫痪状态，造成极大的经济损失。
山东省会城市济南，每当上下班高峰期，主干道路上车流浩浩荡荡，次干道上车辆举步维艰，“钢铁长龙”、“高架停车场”现象司空见惯。当前济南市部分主干路段，如经十路、历山路，在上下班高峰时间，经常发生交通溢流现象，甚至出现从山大路开始，顺次溢流到羊头峪东沟街、山师东路、历山路的情况，造成连锁响应影响周围的众多主干路，导致局部路网在一定时间内的交通瘫痪，极大地影响了群众的出行效率，带来了间接的社会效益和经济效益的损失。
当前，国内交通溢流主要是通过交通警察的人工参与来疏导和控制。因此，通过研究交通溢流的形成机理，探索交通信号的协调控制策略，实现交通溢流的自动识别和控制，不仅对济南市，而且对国内众多其他城市而言，也具有重大的理论意义和实际的应用价值。
济南市城市智能交通系统管理平台，实现的功能包括集成指挥中心各职能子系统于一个统一的操作平台；采集各子系统产生的信息集中到交通管理信息中心；监视全市范围内的交通态势；对交通事件进行指挥调度；预案及辅助决策支持；对业务部门及社会提供信息服务等。
交通信号控制系统作为智能交通管理平台的核心业务之一，目前实现的功能包括：（1）信号控制设备的管理，即系统信号机设备信息维护和信号机参数设置；（2）设备及信号状态的实时监视与报警，即以多种方式显示设备工作状态和信号状态以及自动记录并提示设备或通讯状态的异常与故障；（3）交通信号控制方案管理，即控制方案显示、编辑；控制方案上传、下载；（4）信号控制功能，即系统定期自动对时；中心协调控制、本地感应控制、本地时间表控制、中心手动配时、闪光控制等控制方式；（5）控制区域管理，即控制区域划分和子区控制策略管理等。
济南市目前的交通信号控制系统在城市交通管理与控制方面发挥了重大的作用，保障了全市人民出行的便捷与安全。但是，在交通溢流发生的情况下，目前所能采取的措施，主要仍是依靠现场交通警察的指挥，或者警察现场调配信号机状态来人为干预，缺少一种集中式、自动化的控制手段，济南市的交通路口有近千个，而溢流的发生又具有一定的不确定性、随机性，因此通过派驻警察的方式工作量过大，且警察之间的统一通信调度指挥也很困难，很难实现人工方式下的最优协调与控制。因此，以系统科学的观点，从中心级实施统一协调控制的角度出发，开发一套路段溢流的交通控制系统，势在必行。
1.1 交通溢流视频图像处理技术
因视频技术以近似“人眼”的识别功能，能够避免大部分的误识别，且可帮助交通管理人员人为识别，因此视频交通路况获取技术比线圈、雷达等技术更适合于交通溢流现象的识别和分析。交通溢流的识别也是实施控制的前提条件，研究中以DirectShow、OpenCV技术和帧差法、背景图像消除法、光流法等为基础，结合济南市路网的实际特征，解决交通溢流现象的识别问题。
1.2 交通溢流情形下的交通流波动特性
交通流具有波动特性，交通溢流是一种特殊的交通事件，在该情况中，交通流中的车辆流明显具有与常规交通流不同的特性，此时的交通波的波长、波速等参数呈现的特点和具有的特性，将决定着后期交通溢流现象预测的时长以及精度问题。
1.3 交通溢流预测建模技术
为了更好地实现交通的管理与控制，希望尽早地发现交通溢流现象，这即是交通溢流的预测技术。如何将这些模型与济南市交通的实际情况结合起来，科学合理地标定模型中的参数，是要重点解决的问题之一。
1.4 交通溢流路段交通信号控制算法
在常规交通流优化算法（周期、绿信比和相位差优化）的基础上，仍不可避免地发生交通溢流的情况下，采取何种模型实施控制，是能否解决交通溢流问题的关键。从传统的数学建模的角度和人工智能的方法（如模糊控制、专家系统等）探讨模型的建立及求解算法。
1.5 路段溢流控制系统
控制系统集“溢流识别-溢流预测-溢流控制-方案评价”于一体，具备上述研究得到的各项技术成果，即交通溢流视频图像处理、交通溢流波动特性显示、交通溢流预测功能、交通信号控制方案生成功能等；且具备降阶控制能力，即控制中心确实无法实现自动控制的情况下，交通警察能够根据生成的交通溢流信号控制预案，采取远程（中心）人工手动调节交通信号配时的功能。
2 所需配置
2.1 数字图像处理基础软件
环境配置：2005， c/s架构；实现的功能包括图像的点运算、几何运算、数学形态学图像处理方法、频率变换、图像平滑与去噪、边缘检测、图像分割、图像压缩编码和彩色图像处理等相关技术，可作为进一步研究数字图像处理的基础平台。
2.2 交通视频图像处理系统
环境配置：VC++6.0；OpenCv1.0；DXSDK_SUM2004；Microsoft Platform SDK February 2003；实现的功能包括：视频设备的输入选择、输入视频图像的实时显示、边缘检测算法如sobel算法等、运动跟踪算法（Laplician算法、光流法等）、视频输入文件的边缘检测与运动跟踪等。
3 创新点
3.1 基于视频图像处理的交通溢流模型
结合DirectShow、OpenCV、模式识别技术，对交通流进行视频图像处理，提取路段车队信息和路网信息，建立基于视频图像处理的交通溢流模型。
3.2 交通溢流情况下的交通流后向波动速度模型
通过理论推导、数值仿真等手段，以交通流理论为基础探讨交通溢流情况下的交通波的传播特性，建立基于物理排队的交通流后向波传播速度模型。
3.3 基于视频反馈的交通溢流发生时间预测模型
以视频设备为主要采集手段，根据视频图像分析处理结果，结合其他交通流检测手段，以神经网络、遗传算法等智能化算法建立交通溢流发生时间的预测模型。
交通溢流情形下的交通流后向波动行为建模的技术路线：首先对某路段的上下游路口施以控制，通过数值模拟再现路段溢流现象，分析拥挤情况下交通流“物理排队”的后向波动行为；其次，画出各种信号控制作用下路段交通溢流产生过程中的交通流量、速度和密度的相互关系图；利用非线性分析方法，结合车流波动理论解析计算出车辆进行排队时后向波的传播速度，为后续交通溢流的强制控制研究提供重要的理论依据；最后，通过数值仿真模拟再现整条经十路交通溢流的形成及其传播过程，配置主干路所有单元的信号周期、绿信比、相位差等，观测主干道路交通溢流的形成、演化过程，描述出主干道路的交通流量、速度和密度之间的相互关系，通过两两关系演化图，分析三者之间基本关系的变化趋势，挖掘出某路段交通溢流形成后在主干道路上造成交通拥挤的内在机理和传播规律，为后续整条主干路的优化控制研究提供理论基础。
该系统的开发与应用，在促进交通信号控制系统的发展、完善方面也有着不可替代的作用，将弥补当前系统缺少溢流控制的功能不足，使交通控制系统能更好地满通发展的需要。