基于大数据的高速公路车流量分析系统研究

秦洁 中设设计集团股份有限公司

基于大数据的高速公路车流量分析系统研究

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本文通过提取并结合了两种图像信息：位置信息和像素变化信息，提出了一种新的基于虚拟检测线的车流量分割计数方法，该方法结合了虚拟线圈和目标跟踪各自的优势，兼顾了车流量统计的实时性和准确性，该方法能够在多种不同天气状况下在各车道对视频车辆计数的准确率均大于95%，具有容易推广实施的优势。

大数据 高速公路 车流量 视频分析

引言：自1988年起我国首条高速公路沪嘉高速公路的建成通车开始，经历了二十余年的发展，“十二五”期间我国高速公路通车里程位列世界第一。“十三五”期间中国高速公路投资增长势头将延续，到2020年，全国高速公路将新增通车里程4.6万公里。随着高速公路的通车里程和路网密度的不断增加，交通流量预测一直是智能交通领域的一个研究热点，先进计算机技术新一代通信技术图像采集与识别技术等高新技术纷纷集成于高速公路体系，利用大数据对高速公路的发展进行更深层次的挖掘，可以进一步提高高速公路的运营服务能力，从而使其在我国的“一路一带”战略中发挥重要的基础保障作用。

1 高速公路大数据的特点

在高速公路中，大数据具有数据规模大、数据种类繁多、低价值密度和处理速度快等特点。高速公路中包括收费系统和其他应用系统所产生的结构化数据，包括通信监控系统中产生的视频、音频数据，静态车牌图片信息等其他数据。同时，高速公路还需要适时发布站点状态、路况环境、特殊事件、交通管制等信息，甚至包括地质灾害和天气信息等数据指标。

2 高速公路车流量分析系统发展历程

1984年，IwaoOkutani等提出了一种基于卡尔曼滤波理论的短时交通流量预测模型，实验结果表明该预测模型的平均绝对百分误差小于9%，且最大绝对百分误差小于30%。

1994年，A.G.Hobeika等基于回归分析建立了短时交通流量预测模型，该预测模型同时考虑了目标断面当前时刻、目标断面历史时刻以及目标断面上游当前时刻的流量数据，并采用了启发式自适应权重的方法进行了权重分配，实验结果表明该预测模型在进行高峰时期的交通流量预测时效果较好，且平均绝对百分误差约为6%。

2003年，BillyM.Williams等在分析了以往短时交通流量预测存在的不足的基础上，提出了基于周期性的ARIMA预测模型。实验结果表明该预测模型能够有效提高短时交通流量的预测精度，其MAPE仅为8.6%。

2004年，徐今强等采用时间序列模型对短时交通流量进行了预测。首先通过对实测的交通流非平稳时间序列进行差分变换及标准化处理，从而将其转化为标准正态的平稳时间序列，然后分别采用极大似然估计法和AIC准则进行了模型参数的估计和模型定阶。实验结果表明该ARMA模型能够较好地拟合交通流时间序列，并可获得较好的中短期预测精度。

2008年，王彦杰等针对传统的K近邻非参数回归预测方法在进行交通状态预测时的不足，在进行状态向量选取时采用主成分分析方法，并结合基于斜率表示的相似性度量方法，提出了改进的非参数回归预测方法，实验结果表明改进后的非参数预测方法的平均相对误差为33.2%，比改进前的方法提高了17.7%。

2016年，孙同心等基于实时和历史的收费站出入口流量数据，在大数据分析手段的基础之上通过系统级的预测算法模型进行短时高速公路流量预测，并基于后续的实时流量数据对算法模型进行持续的训练与优化。对计算结果进行验证，发现此结果较单维度预测的结果较为准确。

3 基于大数据的高速公路车流量分析平台设计

现阶段在高速公路交通信息采集应用的技术包括感应线圈、微波、雷达、红外等固定式检测器，以及基于GPS、蓝牙、RFID、收费数据和手机数据等移动式检测技术。不同于城市道路，高速公路交通流特性相对简单，但高速公路路网覆盖的地域广泛，要实现整个高速公路网的监控，既有的检测技术有些局限。基于视频分析的车流量统计计算方法，包括如下步骤：

步骤一：对原始图像进行预处理来增强该图像的整体对比度，该预处理依次包括滤波去噪和图像增强，先通过滤波去噪去除原始图像上孤立的噪点，再通过图像增强增加像素灰度值的动态范围，使图像整体对比度增强；

步骤二：在步骤一处理过的图像通过帧差法检测运动车辆，再利用形态学处理和行扫描的方法处理运动车辆轮廓存在的孔洞，以达到对图像上车辆的分析和识别的目的；

步骤三：通过车辆分割计数方法在步骤二处理过的图像上进行车辆计数。车辆分割计数方法基于虚拟检测线的检测方法，在二值化的前景图像上，通过车辆和检测线相对位置的基础上结合检测线上像素特征的变化规律来对车辆进行计数。

4 未来展望

随着信息化、计算机等技术的发展智能交通系统应运而生，人们迫切希望建立完善的智能交通系统，能够实时、高效、准确地掌握交通运输情况，有效的解决交通拥堵、事故频发等问题。下一步应针对交通拥堵预测方法进行进一步的完善和改进。考虑建立多交通路口之间的关联，构建局域范围的智能交通信号灯控制系统，实现一定区域的协调调度。

[1]杨仁怀,郎川萍,刘文美．高速公路大数据处理现状与挑战［J］．计算机系统应用,2014,23(9)：13－17

[2]林艳.大数据在我国高速公路中的应用探讨[J].北方交通,2016（05）：162-164