【doc】道路标志标线养护管理先进技术

道路标志标线养护管理先进技术104交通与计算机2005年第3期第23卷总第124期道路标志标线养护管理先进技术初秀民严新乎章先阵武汉理工大学武汉430063吉林大学长春I30025摘要道路标志标线养护管理系统包括养护信息采集,信息管理,性能评估预测,养护管理决策等文章介绍了道路标志标线养护信息自动采集系统的组成,在道路标志标线养护信息采集和管理中应用的关键技术,包括机器视觉,语音识别,全球定位系统,光学文字识别讨论了在标志标线养护信息采集中需解决的问题,叙述了地理信息系统,多媒体网络数据库,条形码技术在标志标线养护信息管理中的应用概况综述了标志标线可见性预测技术研究现状,提出了开展道路标志标线养护管理技术研究内容关键词道路标志标线养护管理养护数据采集信息管理性能评估中图分类号U4915文献标识码AABSTRACTMAINTENANCEMANAGEMENTSYSTEMOFHIGHWAYSIGNANDMARKINGINCLUDESMAINTENANCEDATACOLLECTION,INFORMATIONMANAGEMENT,PERFORMANCEEVALUATIONPREDICTIONANDMAINTENANCEMANAGEMENTDECISIONMAKING,ETCTHISPAPERINTRODUCESTHECOMPOSITIONOFAUTOMATICHIGHWAYSIGNANDMARKINGMAINTENANCEDATACOLLECTIONSYSTEMANDSOMEADVANCEDTECHNOLOGIES,WHICHAREAPPLIEDTODATACOLLECTIONANDINFORMATIONMANAGEMENTTHESEADVANCEDTECHNOLOGIESINCLUDEMACHINEVISION,VOICERECOGNITION,GPS,OPTICALCHARACTERRECOGNITION,GIS,MULTIMEDIANETWORKDATABASE,BARCODE,ETCFINALLY,THECURRENTSITUATIONOFHIGHWAYSIGNANDMARKINGVISIBILITYEVALUATIONISSUMMARIZED,ANDTHECONTENTOFHIGHWAYSIGNANDMARKINGMANAGEMENTTECHNOLOGIESISPUTFORWARDKEYWORDSHIGHWAYSIGNANDMARKINGMAINTENANCEMANAGEMENTMAINTENANCEDATACOLLECTIONINFORMATIONMANAGEMENTPERFORMANCEEVALUATIONO引言道路标志标线是通过文字,符号,图案等直接在道路现场对驾驶员,行人传递准确的视觉信息,指示交通情况,提出交通要求,公布交通规定等的交通设施国内外大量研究和实践证明,有效地使用和配置道路标志标线可以减少交通事故,提高道路通行能力,节省能源,保护环境另外,道路标志标线还是道路景观美化工程的重要部分道路标志标线在设置一段时间后,随着时间的推移,会出现破损,可见性自然退化等现象,影响其功效和美观性,需定期养护目前,道路标志标线养护决策主要通过养护人员的经验确定,缺乏科学性因此,开发道路标志标线养护管理系统具有重要意义道路标志标线养护管理系统包括养护信息采收稿日期20041卜29修改稿收到日期20050329集,性能评估预测,养护管理决策等内容,其中养护数据信息是整个系统的基础,当前主要由人工现场目测评价或手工测量采集,费时费力,数据的准确度易受人为因素的影响,且现场操作存在安全隐患为提高养护信息采集效率和养护管理决策的科学性,国外道路交通发达国家将许多高新技术应用到道路标志标线信息自动采集,信息管理和性能预测中,本文将对此进行综述,为开展本领域研究提供借鉴1道路标志标线养护信息采集技术典型标志标线养护信息自动采集系统由5个子系统组成,如图1所示1视频,语音信息采集子系统由车载计算机,CCD摄像机,语音识别系统,距离传感器,数据采集卡,图像管理软件等组成2地理信息采集子系统由车载计算机,GPS接收机,距离传感器,数据处理软件组成3信息处理子系统由计算机,数据处理软件道路标志标线养护管理先进技术初秀民严新平章先阵1O5等组成4信息管理子系统由服务器,多媒体数据库管理软件等组成5承载车与辅助子系统由承载车,电源,辅助照明等组成由图1可见,标志标线养护信息自动采集主要涉及机器视觉,语音处理,GPS等技术视频,语音信采集子系统地理信息采集子系统信息处理子系统信息管理子系统承载车与辅助子系统采集交通标志标线图片与视频信息等确定道路标志标线空间数据与参考点的距离等处理图像,视频,语音等信息获取道路标志与标线养护各种静态数据和动态数据理道路标志标线视频图像,属性数据等承载设备,电源,辅助照明等图1道路标志标线养护信息自动采集系统组成11机器视觉机器视觉是以机器模仿人类视觉的光学识别系统,它利用摄像机和计算机获取图像,分析及解释影像内容,进而作出某些决策机器视觉目前主要应用在标志图像测量,标志标线类别识别,外观自动评价,夜间可见性测量等方面1标志的图像测量技术标志的位置,大小数据对标志的视认性有很大影响,在养护中需进行测量进行图像测量需要解决摄像机内部参数和外部参数校准,多摄像机同步采集图像等问题摄像机内部参数主要包括摄像机的焦距厂,摄像机的光轴与图像平面交点在图像坐标系中的坐标“,镜头的径向失真五,不确定图像尺度因子等目前,摄像机内部参数校准通常是在摄像机前安放特制的标定参照物,确定多个参照物控制点在世界坐标系和图像坐标系中对应坐标,然后利用最小二乘法求解这些参数摄像机的外部参数是指从世界坐标系变换到摄像机坐标系的变换参数,包括平移变量和旋转变量其中平移变量可通过测量得到,旋转变量可以通过姿态传感器如电子罗盘实时测得,对于摄像机在测量中固定不变的系统,取旋转变量为常数在测量标志的立体信息时,需要由双CCD摄像机组成双目立体视觉系统,分别获取具有一定重叠的标志左,右图像,通过自动或半自动匹配确定同名点图像坐标,并根据立体成像原理计算得到标志三维信息2道路标志标线图像模式识别道路标志标线的类别是对其进行养护的重要基础数据道路标志标线图像模式识别包括定位和识别两个过程,定位是指在场景图像中确定感兴趣区域ROI,REGIONOFINTERESTING,目前有基于颜色和基于形状标志定位两种方法基于颜色定位方法是通过道路标志标线典型颜色分量阈值分割出ROI阈值的确定方法有多种,如直方图分析法极小值点阈值,最优阈值等,监督学习法,聚类分析等基于形状的定位方法是利用边缘检测确定目标区域边缘,提取目标区域的各种几何特征如周长,瞌率等,利用标志标线形状模板匹配方法确定RO1在进行标志标线模式识别前需对RO1区域进行正则化处理,统一ROI的大小,然后提取ROI各种图像特征如纹理特征,距特征,几何特征等,并作为标志标线模式分类器的输入常用的道路标志标线模式分类器有最小距离分类器,神经网络分类器等3道路标志标线的外观自动评价道路标志标线完好程度是确定其进行维修的重要依据,同时也是公路景观美化工程重要组成部分进行道路标志标线外观自动评价,需首先对道路标志标线图像进行复原处理由于道路标志标线破损的复杂性,基于知识和人工智能的方法在道路标志标线图像复原处理得到应用,如MPNBURROW利用遗传算法对破损道路标线进行复原3对复原前后道路标志标线图像分别进行预处理,图像分割,并提取图像特征进行比较分析即可实现道路标志标线的外观评价4道路标志标线夜间可见性测量根据交通数据统计有1/3的车辆在夜间行驶,且超过1/2的车祸发生在夜间,保障道路标志标线夜间的可见性对于交通安全是非常必要的标志标线可见性可由逆反射系数来评定,常用的标志标线可见性检测方法是由检测人员在夜间现场评估得到或通过,人工检测工作繁重,且影响交通为此,一些研究机构利用车载机器视觉系统开发标志标线可见性自动检测系统,如IASERLUX系统和MOBILE360R系统运用机器视觉系统测量标志标线可见性需解决机器视觉系统的选择,安装,标志标线在场景图像中的定位,标志标线图像像素的色空变换即从RGB红,绿,蓝到HIS色调,色度,亮度,标志标线像素亮度I与逆反射系数关系建模等问题在构建道路标志标线可见性自动检测系统时,摄像机的安装可参照人员检测道路交通标志与标道路标志标线养护采集系统1O6交通与计算机2005年第3期第23卷总第124期线夜间可见性技术要求进行,即保证摄像机光轴到目标点标志标线与前车灯到目标点间的夹角在观测角的范围内05212语音识别在道路标志标线信息采集中,一些信息如标志的养管单位,材料,文字内容等不能完全由传感器获取,还需人工辅助录入而语音识别系统将语音信号转换成数字信号,可以使手,眼从工作环境中解放出来,且语音录入的速度是手动录入的2倍以上,目前语音识别技术特别是中小词汇量非特定人语音识别系统识别精度已经大于98,对特定人语音识别系统的识别精度就更高,因此在道路交通标志标线的信息采集中也得到应用,如VOCARTA系统语音识别系统由麦克风,声卡,计算机,语音识别软件组成应用语音识别系统录入标志标线信息还需解决语音识别软件与标志标线养护信息管理软件接口问题13GPS技术为有效管理交通标志需了解其确切的空间位置,在目前开发标志养护信息采集系统中大多采用GPS测量标志的空间数据GPS系统提供的定位精度只有10M左右,为得到更高的定位精度,通常采用差分GPS技术采用差分GPS技术分为两大类伪距差分和载波相位差分1伪距差分原理伪距差分是应用最广的一种差分在基准站上,观测所有卫星,根据基准站已知坐标和各卫星的坐标,求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离再与测得的伪距比较,得出伪距改正数,将其传输至用户接收机,提高定位精度2相位差分原理载波相位差分技术又称RTKREALTIMEKINEMATIC技术,是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机,求差解算坐标载波相位差分可使定位精度达到厘米级14光学文字识别在标志标线图案中有许多文字信息,目前对这些信息的认读和录入主要靠人工完成,效率较低,因此在标志标线信息自动采集系统中引入光学文字识别技术OPTICALCHARACTERRECOGNITION,OCR标志标线文字识别主要涉及文字图像的定位和识别首先在标志标线图像中确定文字图像区域,并进行预处理如二值化,归一化等,然后利用OCR软件识别文字OCR软件技术较成熟,因此标志标线文字识别的关键在于文字图像预处理,在应用OCR软件时同样需设计与标志标线养护信息管理软件的接口2标志标线养护信息管理随着公路交通地理信息系统GIST,计算机网络技术在交通领域的广泛应用,GIST,计算机网络等已成为道路标志标线资产养护信息管理的必要技术手段,由于标志标线养护信息数据量巨大,其它一些技术如条形码技术也已在道路标志标线养护信息管理中得到应用21地理信息系统地理信息系统GIS是一种基于计算机的工具,它可以对在地球上存在的物体和发生的事件进行成图和分析GIS技术把地图视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作例如查询和统计分析等集成在一起GIS技术在交通领域有着广泛的应用,如车辆导航,监控,公路交通安全管理和事故分析,公路环境评价近几年来应用GIS进行交通基础设施管理已经成为其在交通领域应用的热点,因此GIS在标志标线养护信息管理系统软件中也得到应用如ROADSOFT和SIGNMASTERTM等22多媒体网络数据库道路标志标线养护信息格式有数据,文本,图像,视频,音频等多种为了有效,形象地管理,特别是多用户,异地管理,基于多媒体的网络数据库技术在道路标志标线养护信息管理中得到应用标志标线养护网络信息数据库软件的构架一般采用客户/N务器C/S与浏览器/N务器B/S组合由于C/S工作方式具有较高的安全性,因此数据库的维护管理采用C/S方式对于标志标线养护数据信息的查询显示,由于用户数量较多且分布范围较广,宜采用B/S模式,满足用户在INTERNET/INTRANET下的查询需求23条形码技术条形码技术是利用光电扫描设备识读条形码符号,从而实现机器的自动识别,并快速准确地将信息录入到计算机进行数据处理,以达到自动化管理的目的条形码应用系统由条形码,识读设备,计算机,通信系统组成条形码技术具有设备简单,信息采集速度快,信息采集量大等优点,在交通管理和交通资产管理领域有着广泛的应用国外的一些交通研究部门也尝试将条形码技术应道路标志标线养护管理先进技术初秀民严T章先阵1O7用到道路标志养护信息管理中如SIGNVIEWTM具有条形码输人接13,美国乔治亚州交通部应用的道路标志管理系统采用了条形码技术应用条形码技术首先应解决标志信息编码技术,其次在条形码应用系统设计和识读设备选择中应考虑现场操作环境等3道路标志标线使用周期分析技术确定标志标线使用周期对正确选择标志标线养护策略,合理配置养护资金具有决定性作用影响标志标线使用周期的主要因素为可见性,因此可见性性能预测分析技术是标志标线使用周期分析研究的关键31道路标线可见性性能预测研究标线的可见性对夜间行车安全有重要影响,因此许多国家非常重视标线可见性标准的制定和相关技术的研究道路标线可见性用逆反射系数度量,使用和维护道路标线首先应确定标线可见性的最低标准,THOMASSCHNELLL8等建立了道路标线可见性计算机辅助评价CARVE模型,该模型由3部分构成物理模型,校准模型,视觉模型物理模型是根据车灯,路面反光特性,标线材料反光特性,观测标线几何位置,标线形状以及环境等因素,建立标线表面亮度和路面亮度与观测距离的数学模型校准模型是根据道路标线和路面亮度实际测量值对物理模型进行修正视觉模型是根据观测人员的特性如年龄,性别等和视觉停留时间等因素建立的道路标线可见性与观测距离间的数学模型根据CARVE模型,已知观测距离和其它条件就可以确定道路标线使用期间可见性最低标准由于CARVE模型没有考虑道路线形,道路标志反光弱时如雨天,雾天等因素,FUATAKTAN在改进CARVE模型的基础上建立了TARVIP模型,并以该模型为基础开发了道路标线可见性评价软件TARVIPV46道路标线一个重要功能是保障行车安全,因此通过交通事故的发生率也可以反映出道路标线的使用性能NASSERABBOUD等在对大量的交通事故数据,道路标线可见性数据进行分析基础上,建立了交通事故与道路标线逆反射系数回归关系模型,根据该模型规定的某段高速公路交通事故最低发生量,即可确定道路标线的最低值道路标线在使用一段时间后,其性能会降低为了合理地养护道路标线,需对道路标线可见性使用周期进行预测目前采用的预测方法为统计分析法如JAMESMIGLETZ与JERRYLGRAHAM分析了影响道路标线可见性的各种因素,运用回归分析的方法建立了道路标线逆反射系数与道路标线使用时间,交通量关系的数学模型,根据此模型,若知晓道路标线最低可见性标准,即可确定标线的寿命周期932道路标志可见性性能预测分析研究道路标志的主要作用是指示道路信息,警示行车安全夜间可见性是道路标志重要的使用性能,也是评判道路标志是否需要维护的标准因此,道路标志可见性最低标准的制定和道路标志使用周期预测是道路标志性能预测研究的热点同道路标线一样,道路标志可见性也用逆反射系数度量,其最低标准由车灯类型,车辆类型,驾驶员等因素决定,而这些因素随着道路交通技术不断进步而不断发生变化,从而带动道路标志可见性标准的不断变化,如FHWA在1984年制定了道路标志可见性的标准,1997年,FHWA根据美国国会要求对标准进行了轻微改动2001年,FHWA设立课题研究悬挂式引导标志和道路名称标志可见性的最低标准,通过研究发现,有必要修正原有的标志可见性标准,专门设立课题研究基于驾驶员年龄,车灯类型,车辆类型等参数的道路标志可见性最低标准修正问题驾驶员年龄因素主要考虑目前老年驾驶员不断增加,驾驶员的视觉模型有必要调整车灯因素主要考虑一些新型车道可能导致道路标志反光量减少车辆因素主要考虑随着特征车辆和大型商用车辆不断增加,车辆驾驶员观测标志的观测角与以往制定道路标志可见性标准时的观测角有很大不同2003年,FHWA制定了确定道路标志最低可见性原则和评价可见性的方法为科学合理地确定道路标志的最低可见性,研究人员开发了多种计算机辅助评价模型确定夜间道路标志的最低可见性,如ERGOEXACTROADGEOMETRYOUTPUT,TARVIP等1目前在道路标志使用周期预测研究中也主要采用统计分析建模方法BRIANWOLSHON等U分析了影响道路标志性能的各种环境因素,通过现场采集的大量数据,建立了绿色,白色,黄色道路标志的逆反射系数与道路标志设立时间以及道路标线位置参数回归关系模型,作为道路标志的维护,更换的决策理论基础4结束语道路标志和标线是重要的道路安全附属设1O8交通与计算机2005年第3期第23卷总第124期施,在保障道路工效,行车安全,交通顺畅方面具有重要意义本文介绍了国外道路标志标线养护管理中使用的先进技术与国外相比,国内在此领域的研究与应用尚有差距,为了提高道路标志标线养护管理的科学性和高效性,建议开展以下领域的研究1道路标志标线可见性标准的研究结合国内驾驶昴的视觉特性,车辆特性以及道路特性建立道路标线可见性模型2道路标志标线养护信息采集智能化技术研究运用各种先进的传感器视觉,听觉,GPS等技术,人工智能技术等开发道路标志标线养护信息智能化信息采集系统,提高养护信息采集的实时性和效率3道路标志标线信息管理技术研究综合运用多媒体,网络数据库,GIS等技术对道路标志标线信息进行管理1234参考文献冯正霖在全国公路养护管理工作会议上的总结讲话公路,2001717JUNMIURA,TSUYOSHIKANDA,YOSHIAKISHIRAIANACTIVEVISIONSYSTEMFORREALTIMETRAFFICSIGNRECOGNITIONPROC2000IEEEINTCONFONINTELLIGENTTRANSPORTATIONSYSTEMS,DEARBORN,20005257BURROWMPN,RVDORIDESHTSEGMENTATIONALGORITHMSFORROADMARKINGDIGITALIMAGE,TRANSPORT,20031L728KELLEEBOULAISKRUSE,TOMSIMMERASSETMANAGEMENTOFROADWAYSIGNSTHROUGHADVANCEDTECHNOLOGYUPPERGREATPLAINSTRANSPORTATIONINSTITUTENORTHDAKOTASTATEUNIVERSITY200313215PARKERNEVILLEA,MEJAMASSAWESJEVALUATIONOFTHEPERFORMANCEOFPERMANENTPAVEMENTMARKINGSATTHE82NDANNUALMEETINGOFTHETRANSPORTATIONRESEARCHBOARD,NATIONALACADEMYOFSCIENCE,WASHINGTON,DC20036BELLLANSFORDC,WILLIAMSBRADSIGNMANAGEMENTSYSTEMIMPLEMENTATIONTRBCDROMWASHINGTON,DC,200274827WANGCPZH