基于微地磁的高速公路拥堵事件检测系统应用

沙　薇

基于微地磁的高速公路拥堵事件检测系统应用

沙薇

（江苏苏科畅联科技有限公司，江苏 南京 211112）

文章对基于微地磁技术的高速公路拥堵时间检测系统进行介绍，研究表明该系统克服了传统视频事件检测系统易受天气等环境因素的影响，具有安装简单，检测精度高的特点。该系统在苏嘉杭高速公路得以应用，实施效果良好，有效帮助了监控人员主动发现事件并采取相应措施，保障了苏嘉杭高速公路的安全畅通。

高速公路；拥堵事件；微地磁；数据采集；事件检测

1　概述

近年来，随着社会经济的发展，高速公路车流量与日俱增。伴随车流量的不断增加，交通拥堵问题变得日益突出，各类交通事故发生的概率大幅上升，如何确保高速公路快速、安全、通畅成为社会各界关注的焦点。高速公路上交通拥堵及其所引发的一系列交通事故时常发生，如果不能及时发现并尽早处理，不仅使高速公路出行者蒙受时间损失，同时也将影响车辆行车安全。

20世纪60年代开始，交通拥堵作为一种交通事件被研究。交通状态识别是根据当前的交通流特征参数做出判断，识别出拥堵事件的存在，最大限度地减少拥堵事件对正常交通的影响，保证路网的畅通。已有的交通状态（包括交通拥堵）检测算法大致可分为间接与直接两种方式，间接检测方式是通过上下游断面的车流量、占有率和延迟时间等参数进行交通状态判断的一种方法。直接检测方式是通过直接的交通状态检测算法或人工监控手段来检测交通状态［1］。交通事件发生的时间、地点和严重程度都是随机的，由于事件的影响，会导致交通流状态的改变，并表现为交通流参数随着时间不断变化［2］。目前江苏省内高速公路现有的事件管理主要以被动接警方式为主，途径单一，发现解决问题周期长。及时而有效的交通拥堵状态判别是进行动态交通拥堵预警和交通疏导、主动避免交通拥堵、保持道路畅通的前提和依据。实时准确地获取道路交通拥堵状况，是采取合理预警措施、主动避免交通拥堵的前提，已成为提高道路通行能力的有效手段之一。

传统视频事件检测系统误报率高，容易受到夜晚、雨雾天气等因素影响，检测精度较低，后期维护不便。基于微地磁无线传感网络的高速公路拥堵预警系统具有布设简单、拥堵检测准确率高的特点，系统能够帮助高速公路管理者尽早发现事故，合理采取交通诱导措施，确保道路安全畅通，为公众出行创造安全有序的道路交通环境。

2　基于微地磁的检测系统

基于微地磁的高速公路拥堵事件检测系统利用埋设在路面的微地磁车辆传感器感应车辆通过时引起的局部地球磁场变化，记录该车辆的磁谱特征，并通过路侧接收器对采集的数据进行分析与预处理，最终上传至后台管理系统中，帮助管理者及时获取交通运行状况。其系统架构如图1所示。

图1　系统架构图

基于微地磁的高速公路拥堵事件检测系统由数据采集与传输、数据接收与处理、拥堵事件检测3部分组成。

（1）数据采集与传输

根据微地磁传感器的数据采集原理，分析高速公路机动车行驶规律，结合传感器物理特性（包括传感器布设间距及检测灵敏度的设置）和高速公路实际交通流情况选择合适的断面布设微地磁传感器，同时考虑供电及数据通讯的便利。

（2）数据接收与处理

通过有线或无线方式关联前端数据采集与传输系统，实现采集数据时的时钟同步；对实时采集的原始数据进行接收、存储、分析处理，将所有交通数据存储至数据库服务器中。

（3）拥堵事件检测

从顶层设计的角度构建拥堵事件检测系统，对多个采集断面数据的统一管理，提供简约化的用户界面风格，展现每个断面的实时交通信息及历史信息；通过构建专题数据库将拥堵预警信息与实际拥堵情况进行对比，设置不同行驶条件下（如白天、夜晚、节假日等）的检测参数，以适应不同交通流量应用需要，当自动检测到拥堵事件时启动实时报警。拥堵事件管理系统预留与其他系统之间的接口，确保系统扩展性。

宁夏贫困地区6～24月龄婴幼儿辅食及时添加率为55.9%，首次添加辅食最多的为谷类泥糊状食物占66.6%，远低于张玲等[7]研究的贵州地区(分别为91.1%、74.5%)。本次婴幼儿看护人儿童营养知识总知晓率仅为36.5%。可见婴幼儿看护人在喂养过程中存在辅食添加过早和过晚现象普遍存在，直接影响婴幼儿的生长发育。因此，加大健康教育覆盖力度，是婴幼儿营养改善干预措施的重要环节，对于改善下一代营养健康状况具有长远意义[8]。

2.1采集原理

微地磁车辆传感器的安装简单快速，利用不破坏道路原有结构的钻孔方式将传感器预埋入地表下，并灌环氧树脂加固。微地磁车辆传感器采用高能量密度的锂电池组供电，不需要外接电源，微地磁车辆传感器将通过的每一辆车的交通信息（时间、地点、速度等）通过无线通讯的方式传输至安装在路侧接收器（简称AP），接收器对每个车道的传感器进行采集和处理，如图2所示。再通过网络将汇总的数据实时传回监控中心，管理系统可根据这些信息进行综合分析，从而准确掌握高速公路运行状态，及时判别交通拥堵。

图2　数据采集示意图

2.2布设方案

有效的数据采集是系统稳定可靠的前提。为满足拥堵检测准确、实时，微地磁传感器布设应当选取车流量大，并且事故频发，容易拥堵的路段进行，同时根据实际交通流确定每两个断面之间的间距［3］。此外需要考虑供电与通讯的便利，由于高速公路上每隔一段距离都有视频监控摄像机，因此可以将接收器AP安装在监控立杆上。便于系统检测到拥堵现象以后用视频摄像机进行验证。建议在监控摄像机立杆上安装AP，设备布设示意图如图3 所示。

2.3拥堵判别模型设计

2.3.1 速度判别

各车道拥堵状态按照各个车道进行计算，检测周期判定为拥堵情况［4］为：

（1）当同一断面至少有2个车道车速同时≤V1，且另一车道平均车速≤V2；

（2）断面整体平均车速≤V3时。

当连续3个检测周期都满足条件（1）或（2）时，判断道路处于严重拥堵状态，并发出警报。

图3　设备布设示意图

2.3.2 时间占有率判别

考察统计时间间隔T时，若通过传感器的车辆数为N，可以计算得到以下参数：

式中：q为交通流率，单位与T的单位相关；Occ表示时间占有率；OTi为统计时间间隔T内第i辆车的占有时间，AOT为平均占有时间（Average Occupied Time）。

针对断面的时间占有率拥堵判别步骤如下：（1）计算上下游传感器之间占有率的绝对差，和阈值T1比较，如果超过T1继续第2步。

（2）计算上下游之间占有率量测之差与上游占有率之比，和阈值T2比较，如果超过T2继续第3步。

（3）当下游占有率的数据低于某个阈值T3时，则判定该检测周期为严重拥堵。

当连续3个检测周期都满足以上条件时，判断道路处于严重拥堵状态，并发出警报。

上述两种判别方式中的检测周期、阈值的设置需要结合实际道路的交通流状况，并且可以在系统中调整该阈值。

2.4系统功能

2.4.1 拥堵预警

（1）准确获取交通数据信息：包括车流量、车辆行驶速度、时间占有率；

（2）及时检测交通事件：根据实际交通流状态和拥堵判别模型实时检测由于交通事故、车辆故障、获取倾落等引起交通流状态改变的交通拥堵事件。通过界面颜色变换、语音报警和视频联动3种方式提示监控人员关注检测到的拥堵事件。

2.4.2 视频联动

将视频监控与系统进行联动，系统检测到拥堵事件时自动切换至拥堵路段画面，帮助管理者观察现场交通状况，节省救援指挥时间。系统界面如图4所示。

图4　拥堵事件检测系统界面

2.4.3 数据统计分析

利用系统采集的数据进行统计分析，总结节假日、恶劣天气、潮汐交通时数据的变化规律，预测交通流趋势。提供监控人员手动输入界面，将不同事故进行分类，自动统计拥堵检测准确率以及拥堵原因分类，如图5所示。

图5　拥堵检测原因分布图

2.4.4 GIS地图展示

结合GIS技术，把微地磁车辆传感器所在断面清楚地展示在GIS地图上，直观显示传感器采集到的实时交通数据，为工作人员在应急救援过程中的资源调配、指挥调度提供技术支持。

3　实施效果

目前，该系统在苏嘉杭高速公路得到应用。系统布设时选取容易发生拥堵的6个断面进行布设，结合苏嘉杭高速实际车辆状况，测算出车速、时间占有率阈值，根据设定的检测周期进行数据分析和比对，由自动检测算法对数据进行综合分析，及时发现道路拥堵情况，缩短应急响应时间。目前系统运行良好，通过对采集的数据进行相关性算法分析及时发现道路事件，提高了交通事件主动发现率和处理效率，为道路安全保畅管理提供新的支撑手段。

4　结语

基于微地磁的高速公路拥堵事件检测系统通过微地磁车辆传感器实时有效地获取交通流信息，利用拥堵时间检测算法自动判别拥堵时间，帮助监控人员第一时间发现交通拥堵事件，辅助管理者进行有效决策。系统在苏嘉杭高速运行至今，效果良好。但由于苏嘉杭高速全程100 km，仅仅6个断面不能满足管理需求。后期将进一步对原有布设断面进行加密，并根据实际交通流状况增加新断面，不断完善拥堵判别模型，提高拥堵主动发现率，保障高速公路的安全畅通。

［1］赵有婷，李熙莹，佘永业，等.基于视频全局光流场的交通拥堵检测［J］.计算机应用研究，2010（11）：4535-4537.

［2］王卫东，贺玉龙，李寿海.高速公路交通流和交通事故关系研究［J］.山西建筑，2008（29）：289-290.

［3］方青.高速公路固定检测器布设方案分析［J］.交通科技与经济，2010（6）：1-4.

［4］交通运输部.公路网运行监测与服务暂行技术要求［M］.北京：人民交通出版社，2012：25-26.

Application of Highway Congestion Detection System Based on Micro Magnetic Sensors

Sha Wei
（Jiangsu Union of Science and Technology CO.LTD， Nanjing 211112， China）

This paper introduced highway congestion detection system based on micro magnetic sensors. The research showed that this system could overcome the limitation of traditional video detection system which was usually affected by weather or other environmental factors. The highway congestion detection system could be installed easily and had high precision of detection. This system had been applied to Sujiahang highway and achieved good effect. It help the monitoring staff initiatively detect events and take corresponding measures， which ensured the safety and smoothness of Sujiahang highway.

expressway； congestion； micro magnetic sensors； date acqnisition； event detection

U495

B

1672-9889（2015）06-0069-03

沙薇（1983-），女，江苏金坛人，工程师，主要从事交通信息化相关产品研究工作。

（2015-10-09）