（检测技术与自动化装置专业论文）动态交通信息采集与数据融合技术的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 在先进的交通管理系统( a d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ，a t m s ) 中， 交通信息是最为核心的内容，各种功能都是以信息应用为中心展开的。正是信 息的采集、传输、存储、分析处理及应用，使交通管理实现了由简单静态到智 能动态管理的转变，进而最大限度地被出行者、司机、交通管理者、交通研究 人员及政府机构所共享和利用，从而实现了智能交通系统的动态优化运行，有 效地满足了人们对交通系统发展的需求。 动态交通信息采集及数据融合系统主要完成动态交通信息诸如车流量、车 辆平均速度和道路占有率等交通信息的采集及分析处理工作。它使交通部门可 以及时准确地获取有关交通状况信息，并进行处理，从而更好地发挥交通管理 系统在交通监视、交通控制、出入控制、救援管理等方面的准确性和调控性。 由于智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ，i t s ) 中单个交通检测器的输出 信息具有局限性，不能全面反映整个路网的交通状态信息，且各个子系统的信 息共享难度大，交通管理效率低。所以，此系统中采用基于视频的多虚拟线圈 传感器采集，并对数据进行全局融合，克服了单个传感器检测的不确定性和局 限性，获得对被测对象的一致性解释与描述，进而实现相应的决策和估计，使 系统获得比它的各组成部分更加充分的信息，提高整个传感器系统的有效性能， 全面准确地描述被测对象。 论文的主要工作如下： 1 ) 首先研究了基于视频的车辆检测及交通参数获取问题。在此研究中，采 用了改进的背景差分和帧间差分相结合的车辆检测方法；针对背景模型易受环 境变化的影响，对准确性较高的基于中值像素灰度归类的背景重构算法进行了 改进，同时采用了分块处理的背景更新策略，提高了系统的实时可靠性；对于 阴影干扰的消除，采用了基于色度、饱和度和亮度( h u e ，s a t u r a t i o n ，i n t e n s i t y ， h i s ) 空间的阴影检测算法来实现；最后通过在视频图像中设置多个虚拟线圈来 完成交通参数的检测。 2 ) 在车辆检测研究的基础上，对多传感器数据融合问题进行了较为细致的 研究，对基于免疫算法的径向基( r a d i a lb a s i sf u n c t i o n ，r b f ) 网络融合方法进 山东大学硕士学位论文 行了改进。首先研究了网络的两种学习方法，分别是模糊群均值算法和改进免 疫算法，并通过实验比较两种方法的优缺点。通过实验发现，两种算法都能以 较快速度生成各自的聚类中心或记忆群，但改进免疫算法的迭代过程明显快于 模糊群均值算法。同时由于记忆库的存在，免疫算法更加显示出它的优越性， 对于相似数据显示出更强的亲和力，使得融合的速度和准确性都明显高于模糊 尽均值算法。 最后一章，总结了本文所做的研究工作，并对本课题今后的研究方向做了 一些预测和展望。 关键词：视频检测；虚拟线圈；数据融合；径向基函数网络；免疫算法 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ea d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ，t r a f f i ci n f o r m a t i o ni st h ec o r e c o n t e n t a l lt h ef u n c t i o n so ft h et r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e md e p e n do nt h ea p p l i c a t i o n o ft h et r a f f i ci n f o r m a t i o n i ti si n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，t r a n s m i s s i o n ，s t o r a g e ，p r o c e s s i n g a n da p p l i c a t i o n st h a tm a k et h et r a f f i cm a n a g e m e n tc h a n g i n gf r o mt h es i m p l es t a t i c m a n a g e m e n tt od y n a m i ci n t e l l i g e n tm a n a g e m e n t t h em a x i m a l l ys h a r i n ga n du s i n go f t h i si n f o r m a t i o n b yt r a v e l e r s ，d r i v e r s ，t r a f f i cm a n a g e r s ，t r a f f i cr e s e a r c h e r sa n d g o v e r n m e n ta g e n c i e se n a b l e st h ed y n a m i co p t i m i z a t i o no p e r a t i o no ft h ei n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，w h i c he f f e c t i v e l ym e e tp e o p l e sd e m a n d so ft h ed e v e l o p m e n t o ft h et r a n s p o r ts y s t e m t h ec o l l e c t i o no fr e a l t i m et r a f f i cd a t aa n dd a t af u s i o ns y s t e ma i m st oc o m p l e t e t h ec o l l e c t i o n ，a n a l y s i sa n dm a n a g e m e n to ft h em a i nd y n a m i ct r a f f i ci n f o r m a t i o n ，s u c h a st r a f f i cl o a d ，a v e r a g et r a v e ls p e e d ，a n dl a n eo c c u p a n c y i ta l l o w st h et r a n s p o r t a t i o n d e p a r t m e n tt i m e l ya n da c c u r a t e l ya c c e s s i n gt oi n f o r m a t i o na b o u tt r a f f i cc o n d i t i o n s a n dh a n d l i n gi t ，s oa st og i v eb e t t e rp l a yt ot h ea c c u r a c ya n dc o n t r o lo ft h et r a f f i c m a n a g e m e n ts y s t e mi nt h et r a f f i cs u r v e i l l a n c e ，t r a f f i cc o n t r o l ，a c c e s sc o n t r o l ，r e s c u e m a n a g e m e n t b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no nt h eo u t p u ti n f o r m a t i o no fas i n g l et r a f f i c d e t e c t o ri n i t s ，i tc a nn o tf u l l yr e f l e c tt h ee n t i r er o a dn e t w o r kt r a f f i cs t a t u s i n f o r m a t i o n ，a n dt h es h a r i n go fi n f o r m a t i o no nt h ev a r i o u s s u b s y s t e m s h a s d i f f i c u l t y ，w h a t sm o r e ，t h et r a f f i cm a n a g e m e n te f f i c i e n c yi sv e r yl o w t h e r e f o r e ，t h i s s y s t e mu s e sam u l t i s e n s o ra c q u i s i t i o nm e t h o da n di n t e g r a t e dt h eo v e r a l ld a t a ，w h i c h o v e r c o m e st h eu n c e r t a i n t i e sa n dl i m i t a t i o n sb yu s i n gas i n g l es e n s o ra n do b t a i n st h e c o n s i s t e n c yo ft h em e a s u r e do b j e c ti nd e s c r i p t i o na n di n t e r p r e t a t i o n s oa st or e a l i z e t h ec o r r e s p o n d i n gd e c i s i o n m a k i n ga n de s t i m a t e ，m a k et h es y s t e me n j o y i n gm o r e a d e q u a t ei n f o r m a t i o nt h a ni t sc o m p o n e n t sa n de n h a n c et h ee f f e c t i v ep e r f o r m a n c eo f t h es e n s o rs y s t e m ，t od e s c r i b et h em e a s u r e do b je c tc o m p r e h e n s i v e l ya n da c c u r a t e l y t h em a i nc o n t e n to ft h e s i si sa sf o l l o w s ： 1 ) f i r s t ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h ea c c e s sp r o b l e mo nt h ev i d e o b a s e dv e h i c l e 1 1 1 山东大学硕士学位论文 d e t e c t i o na n dt r a f f i cp a r a m e t e r s i nt h i sp a r t ，a g a i n s tt ot h ep r o b l e mt h a tt h em o d e li s v u l n e r a b l eu n d e rt h ei m p a c to fe n v i r o n m e n t a lc h a n g e s ，i m p r o v i n gv e h i c l ed e t e c t i o n m e t h o di sp r o p o s e db a s e do nt h eh i g h e ra c c u r a c yo fc l a s s i f i e dp i x e lv a l u e si nt h e c o n t e x to fr e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m ，a tt h es a m et i m eu s i n gd i v i s i o n a lm a n a g e m e n to f b a c k g r o u n du p d a t es t r a t e g yt h a tw i l li m p r o v et h es y s t e m sr e a l t i m er e l i a b i l i t y ，a n db y u s i n go fs p a c e - b a s e dh i ss h a d o wd e t e c t i o na l g o r i t h m t oe l i m i n a t et h es h a d o w i n t e r f e r e n c e ，f i n a l l y ，b ys e t t i n gu pm u l t i p l ev i r t u a l c o i l si nt h ev i d e oi m a g et o c o m p l e t et r a f f i cd e t e c t i o np a r a m e t e r s 2 ) b a s e do nt h er e s e a r c ho fv e h i c l ed e t e c t i o n ，t h ea u t h o rg i v e sam o r ed e t a i l e d i n v e s t i g a t i o no nm u l t i s e n s o rd a t af u s i o ni s s u e sa n dp r o p o s e sr b f ( r a d i a lb a s i s f u n c t i o n ) n e t w o r ki n t e g r a t i o nm e t h o d sb a s e do ni m p r o v e di m m u n ea l g o r i t h m f i r s t ， t h ea u t h o rs t u d i e dt h et w om e t h o d so fr b fn e t w o r k ，n a m e l yf u z z yk m e a n s a l g o r i t h ma n di m p r o v e d i m m u n ea l g o r i t h m ，a n dc o m p a r e dt h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft h et w om e t h o d st h r o u g he x p e r i m e n t s i nt h ee x p e r i m e n t s ，t h et w o a l g o r i t h m sc a nq u i c k l yg e n e r a t et h e i rr e s p e c t i v ec l u s t e rc e n t e ro rm e m o r yg r o u p ，b u t i m p r o v e di m m u n ea l g o r i t h mi t e r a t i o np r o c e s s i ss i g n i f i c a n t l yf a s t e rt h a nt h ek m e a n s c l u s t e r i n ga l g o r i t h m a tt h es a m et i m e ，d u et ot h ep r e s e n c eo fm e m o r y ，i m m u n e a l g o r i t h mh a sd e m o n s t r a t e di t ss u p e r i o r i t y i ts h o w e das t r o n g e ra f f i n i t yt os i m i l a r d a t a ，m a k i n gt h es p e e da n da c c u r a c yo fd a t ai n t e g r a t i o na r eo b v i o u s l y b e t t e rt h a nt h e k - m e a n sa l g o r i t h m t h ef i n a lc h a p t e rs u m m a r i z e st h er e s e a r c hw o r kd o n ei nt h i sp a p e r ，a n df o r e c a s t s t h ed i r e c t i o no ff u t u r er e s e a r c ho nt h i st o p i c k e y w o r d s ：v i d e od e t e c t i o n ；v i r t u a ll o o p ；d a t af u s i o n ；r a d i a lb a s i sf u n c t i o n ； i v i m m u n ea l g o r i t h m 山东大学硕士学位论文 缩略词注释表 a t m sa d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m 先进的交通管理系统 i t s i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m 智能交通系统 r b fr a d i a lb a s i sf u n c t i o n 径向基函数 g i s g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m地理信息系统 e r g se l e c t r o n i cr o u t eg u i d a n c es y s t e m 电子路径导向系统 i v h s i n t e l l i g e n tv e h i c l e - h i g h w a ys y s t e m s 智能化车辆道路系统 r a c sr o a d a u t o m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m 路车间通信系统 t i c s t r a n s p o r t a t i o ni n f o r m a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m s 交通信息通信系统 v i c sv e h i c l ei n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 道路交通信息通信系统 v i pv i d e oi m a g ep r o c e s - s o r a n na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k a i sa r t i f i c i a li m m u n es y s t e m w w e i g h i n - m o t i o n 视频图像处理 人工神经网络 人工免疫系统 动态称重技术 v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：二啦日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本 人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：亏滓导师签名： 日 山东大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论弟一早硒记 随着经济发展和科学技术的进步，交通运输已经成为人们经济生活中不可 缺少的重要组成部分。近2 0 年来，世界各国先后建立了四通八达的交通运输网 络，但交通工具的增长速度远远高于道路等基础交通设施的增长，随之引起了 交通拥堵、环境污染、交通事故等一系列问题。实践证明，单纯依靠修建道路 等基础交通设施和采用传统的管理方式来解决交通问题，不仅成本昂贵，环境 污染严重，而且其缓解交通拥堵、提高交通运输效果也是十分有限的。为此早 在3 0 多年前人们就提出了智能交通系统的概念，但对其进行系统的研究则始于 2 0 世纪8 0 年代，以欧洲、美国和日本为代表的发达国家已从单纯依靠扩大路网 规模来解决日益增长的交通需求，转移到利用高新技术来改造现有道路运输体 系及其管理方式，从而达到提高路网通行能力和服务质量、改善环境、提高能 源利用率的目的。i t s 正是在这种条件下产生和发展起来的，而中国的智能交通 建设则起步较晚，直到2 0 世纪9 0 年代才提出了智能交通的概念。 目前，我国城市交通面临着严峻的考验，交通事故发生率不断提高。尤其 是大中城市普遍存在着道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱的现象。概括起来， 目前我们城市交通主要呈现出下列特点和问题： 1 ) 城市规模逐步扩大，运输压力沉重。改革开放以来，我国取得了持续高 速经济增长和大规模城市化的辉煌成就。城镇化水平从1 9 7 8 年的1 7 9 提高到 2 0 0 7 年的4 4 9 ，而大量人员出行和物资交流频繁，使城市交通面临着沉重的 压力。 2 ) 机动车增长加快，道路容量不足。最近几年城市机动车增长速度迅速， 轿车、客车、面包车以至于摩托车增幅年平均在1 5 以上，而与之对应的人均道 路面积一直处于低水平状态，虽然近十年已经有了较快发展，人均面积由2 8 平方米上升到6 6 平方米，仍赶不上城市交通量年均2 0 的增长速度。 3 ) 路网不合理，交通管理水平低下。我国现有城市路网一般都是密度低、 干道间距过大、支路短缺、功能混乱，属于低速的交通系统，难以适应现代汽 山东大学硕士学位论文 车交通的需要，交通控制管理和交通安全管理的现代化设施不能满足现实的需 求。 4 ) 公共交通萎缩，出行结构不合理。从8 0 年代后期开始，城市公共汽车 交通持续萎缩，从运营效率到经营管理，从服务水平到经济效益，出现了全面 衰退。虽然公交车辆和线路长度增长许多，但公交车辆的运营速度不断下降， 新增运力被运输效率下降所抵消。由于公共交通受到冲击，被转移出来的乘客 便要寻找其它出行方式，加剧出行结构的不合理。 采用传统的修更多路和控制车辆增加来解决这些问题都十分困难，只有借 鉴发达国家的经验，尽快开发应用能够改善道路通行性能的系统和产品，才有可 能尽快解决这一日益严重的问题。在a t m s 中，交通信息是最为核心的内容， 各种功能都是以信息应用为中心展开的。基础数据库建设从公路的勘察设计到 管理都需要大量基础数据的支持，美国等发达国家的地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 早已十分完善，而我国在这方面的欠缺为交通发展带 来了不便。 因此，通过运用计算机视觉技术，建立动态交通信息采集及数据融合系统， 实现对交通信息的深层次分析，是智能交通系统的核心内容之一，它同样是道 路设计、交通管理与控制、交通规划、i t s 实施和交通流理论研究的基础工作。 1 2 国内外智能交通发展现状 智能交通系统的早期构想是由美国在六十年代提出的电子路径导向系统 ( e l e c t r o n i cr o u t eg u i d a n c es y s t e m ，e r g s ) ，中间暂停了十多年，8 0 年代中期 加利福尼亚交通部门研究的p a t h f i n d e r 系统获得成功，此后开展了一系列 这方面的研究，1 9 9 0 年美国运输部成立了智能化车辆道路系统组织( i n t e l l i g e n t v e h i c l e h i g h w a ys y s t e m s ，i v h s ) ，1 9 9 1 年国会制定了综合地面运输效率方案 ( i n t e r m o d a ls u r f a c et r a n s p o r t a t i o ne f f i c i e n c y a c t ，i s t e a ) ，1 9 9 4 年i v h s 更名 为i t s 。目前，世界上已形成了美国、日本、欧盟三大i t s 研究开发基地，除 此之外，亚洲的韩国、新加坡和我国的香港特区发展水平也较高。i t s 在日本的 发展始于2 0 世纪7 0 年代，1 9 7 3 1 9 7 8 年日本成功地组织了一个动态路径诱导系 2 山东大学硕士学位论文 统实验。2 0 世纪8 0 年代中期至9 0 年代中期，相继完成了路车间通信系统 ( r o a d a u t o m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，r a c s ) 、交通信息通信系统 ( t r a n s p o r t a t i o ni n f o r m a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m s ，t i c s ) 、宽区域旅行信息系统、 超智能车辆系统、安全车辆系统及新交通管理系统等方面的研究。1 9 9 4 年1 月 成立路车交通智能协会，1 9 9 5 年7 月成立道路交通信息通信系统( v e h i c l e i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，v i c s ) 中心，19 9 6 年4 月正式启动v i c s ， 先在首都圈内而后推向大阪、名古屋等地，1 9 9 8 年向全国推进。日本的v i c s 是i t s 实用化的第一步，居于世界领先水平。欧盟对i t s 的研究、开发也不甘 落后，1 9 8 8 年由欧洲1 0 多个国家投资5 0 多亿美元，联合执行一项旨在完善道 路设施，提高服务质量的d r i v e 计划，其含义是欧洲用于车辆安全的专用道路 基础设施。目前欧洲各国正在进行t e l e m a t i c s 的全面应用开发工作，计划在 全欧洲范围内建立专门的交通无线数据通信网。智能交通系统的交通管理、车 辆行驶和电子收费等都在围绕t e l e m a t i c s 和全欧洲无线数据通信网展开。欧 洲民间也联合搞了一个欧洲高效安全交通系统计划。至今，相当一部分研究成 果己投入到实际应用当中，并为使用者带来了可观的经济效益。除此以外，新 兴的工业国家和发展中国家也已经开始智能交通系统的全面研究和开发。 我国的智能交通系统是近期才发展起来的，“十五期间，根据国家计划， 有关部门和相当一批城市都对智能交通系统的开发和应用进行了安排。科技部 在“十五 国家科技攻关重大专项中安排了“智能交通系统关键技术开发和示 范工程”、“智能交通系统标准和检测技术开发项目等，以中心城市和高速公 路相关应用项目为龙头，在城市智能化交通管理、公共交通系统、交通信息服 务、跨省市高速公路联网收费、高速公路智能化管理以及智能交通系统的产业 化和基础性工作等方面开展科技攻关和应用示范。由于是新兴的，它还没有被 传统的交通行业广泛接受，目前主要行业和城市在进行规划时还没有将智能交 通系统作为规划的一部分，相当多的城市和行业只是将其列入科技发展的内容 之一。众所周知，我国交通资料相当缺乏，统计数据不完善，这给许多城市的 交通管理、规划和控制等带来了非常大的困难。智能交通系统的一个要求就是 信息收集、信息传播、信息共享的充分、灵活。因此，加强交通信息采集及信 息数据库的建立工作，是智能交通系统的关键技术，进而为智能交通系统研究 山东大学硕士学位论文 工作打下良好基础，同时，可以使计算机技术在交通领域发挥更大作用。 1 3 动态交通信息采集及数据融合系统综述 先进的交通管理系统就是应用先进的计算机、通信技术、传感技术、数据 管理和融合技术，将车辆、道路和交通管理系统连结为一体，通过对道路交通 设施及其运营状况等实时参数的测定来把握交通状况，按照交通系统运行状况 和特殊要求( 比如说公交优先) ，生成交通控制方案，通过相应的控制手段( 如 信号系统、情报板、交通广播等) 对交通流进行管理、调节和诱导，并快速处 理交通事故、提高执法效率和最大限度地提高现有道路交通设施利用率的交通 管理系统1 。在a t m s 中，交通信息是最为核心的内容，各种功能都是以信息 应用为中心展开的。正是信息的采集、传输、存储、分析处理及应用，交通管 理实现了由简单静态到智能动态管理的转变，使交通静态及动态信息在大范围 内、最大限度地被出行者、司机、交通管理者、交通研究人员及政府机构所共 享和利用，从而实现了智能交通系统的动态优化运行，有效地满足了人们对交 通系统发展的需求。因此，动态交通信息采集及数据融合系统是i t s 的一个重 要基础组成部分，它同样是道路设计、交通管理与控制、交通规划、i t s 实施和 交通流理论研究的基础工作。它为面向a t m s 的共用信息平台提供准确、及时、 可靠的数据，从而为出行者提供更加安全、方便、舒适、经济、快捷的交通信 息服务，有效地疏导交通流，缓解城市交通拥挤，进而有效地解决城市交通问 题。它主要完成诸如车流量、车辆平均速度和道路占有率等动态交通信息的采 集及分析处理工作。在全面而系统的交通信息调查的基础上，分析交通变化规 律，为制定交通流理论模型和交通预测模型提供基础资料，为i t s 中信息服务 子系统的实施提供基础。它使交通部门可以及时、准确地获取有关交通状况信 息，并进行处理，从而更好地发挥交通管理系统在交通监视、交通控制、出入 控制、救援管理等方面的准确性和调控性。 随着现代科学技术的发展和理论方法的不断创新，信息采集方法也向着多 样化方向发展。各种检测器，如环形线圈检测器、超声波检测器、接触式检测 器、红外检测器、图像视频检测器等越来越多地应用到信息采集中。目前，用 4 山东大学硕士学位论文 的较多的方法是在道路下面埋设传感器来检测交通参数，但这种方法要破坏路 面，而且维修困难，投资较大，工程实施麻烦，这就限制了这种方法的广泛应 用。最近兴起的视频检测方法已经得到越来越广泛的应用，特别是近几年智能 交通系统的不断发展，基于视频的车辆检测法也得到越来越多的应用，并且在 交通系统中也随处可见，例如“电子警察”系统等。视频检测，也被称为图像 处理或人工视觉，是一种结合视频图像和电脑化模式识别的技术，通过视频摄 像机和计算机模仿人眼的功能。视频检测技术应用于交通领域已经越来越广泛， 这种检测方法省去了埋设和维护感应线圈所需要的高额费用，并且仍可以获得 大区域范围内的车辆检测数据和交通参数。本文在视频图像中设置虚拟线圈来 代替原来系统中埋在地下的实际线圈，对虚拟线圈内的图像进行相应的处理和 识别，图像的处理方法采用背景差分和帧间差分相结合的方法来实现交通参数 的检测。 但由于i t s 中单个交通检测器的输出信息具有局限性，仅仅依靠单一的传 感器不能全面反映整个路网的交通状态信息，且各个子系统的信息共享难度大， 交通管理效率低。此系统中采用多传感器采集，并对数据进行全局融合。多传 感器数据融合比较准确的定义可以概括为：在模仿人脑综合处理复杂的信息融 合系统中，各种传感器的信息可能具有不同的特征，实时的或者非实时的，快 变的或者缓变的，模糊的或者确定的，相互支持或互补，也可能相互矛盾或竞 争，而多传感器信息融合的基本原理也就像人脑综合处理信息一样，综合利用 多传感器信息，充分利用不同时间与空间的多传感器数据资源，采用计算机技 术对按时间序列获得的多传感器观测数据，在一定准则下进行分析、综合、支 配和使用，通过他们之间的协调和性能互补的优势，克服单个传感器的不确定 性和局限性，获得对被测对象的一致性解释与描述，进而实现相应的决策和估 计，使系统获得比它的各组成部分更加充分的信息，提高整个传感器系统的有 效性能、全面准确地描述被测对象【3 】。其优点主要表现在：一是多传感器观测同 一个目标，观测结果更可靠，系统可信度更高；二是来自多传感器的联合信息 可以减少对观测目标的假设，使数据采集更客观；三是同一个目标的多种测量 结果的集成，可以提高系统的抗干扰能力，进而提高检测效果；四是一个传感 器在其他传感器失效的时候，系统可以继续工作，扩大了系统的时间和空间覆 山东大学硕士学位论文 盖能力；五是可以提高系统的性能价格比。其系统结构如图1 i 所示。 图i i 动态交通信息采集及数据融合系统结构框图 随着科学技术的发展，特别是微电子技术、集成电路及其设计技术、计算 机技术、近代信号处理技术和传感器技术的发展，多传感器数据融合已经发展 成为一个新的学科方向和研究领域，并得到了广泛应用。 1 4 论文的主要工作和结构安排 1 4 1 论文的主要工作 交通信息尤其是动态交通信息的采集是智能交通系统的关键技术，且由于 交通数据的多源性、异构性、多层次性、不完整、不一致、具有时间与空间等 特征，因此需要通过数据融合技术对不同来源交通数据进行综合处理，利用多 源信息互补特性，将不精确、不完整、不一致、不可靠、甚至相互矛盾的交通 信息转化成对目标或现象一直性的解释和描述，进而获得更加准确、可靠的交 通信息。论文的主要研究内容分为两部分： 一是利用数字图像处理技术对视频图像序列进行处理，使用改进的基于中 值像素灰度归类的算法构建了背景模型，然后利用背景差分和帧间差分相结合 的方法来实现运动车辆检测，最后通过在视频图像中设置多个虚拟线圈的方法 来实现交通参数的检测； 二是通过研究基于模糊尽均值和改进免疫算法的r b f 网络，并通过实验比 较了基于模糊尽均值和改进免疫算法的r b f 网络的优缺点，确定出基于改进免 疫算法的r b f 网络的数据融合系统有更佳的效果和实用价值。 6 山东大学硕士学位论文 1 4 2 论文的结构安排 第一章，首先介绍了本课题的选题背景，分析了国内外智能交通研究的现 状和发展方向，介绍了动态交通信息采集及数据融合系统，并阐明了其研究背 景和意义。 第二章，主要介绍了动态交通信息采集及数据融合的基本理论。 第三章，主要介绍了基于视频的车辆检测的相关难点及解决的办法。采用 了背景差分和帧间差分相结合的车辆检测方法，并对准确性较高的基于中值像 素灰度归类的背景重构算法进行了改进，同时采用了分块处理的背景更新策略， 提高了系统的实时可靠性；对于阴影干扰的消除，采用了基于h i s 空间的阴影 检测算法来实现；最后通过在视频图像中设置多个虚拟线圈来完成交通参数检 测。 第四章，主要介绍了基于模糊尽均值和改进免疫算法的径向基函数网络的 构造和训练方法，并通过实验比较了两种方法的优缺点，确定出基于改进的免 疫算法的r b f 网络有更佳的融合效果和实用价值。 最后一章，总结了本文所做的研究工作，并对本课题今后的研究方向做了 一些预测和展望。 7 山东大学硕士学位论文 第二章动态交通信息采集与数据融合的基本理论 2 1 引言 交通控制系统、交通流诱导系统和紧急事件快速反应系统的发展以及交通 状态识别算法的改进和创新，都需要实时、准确的交通信息作为支持。交通信 息包括基础交通地理信息、交通实时状态信息、交通控制和管理信息、交通政 策法规信息、公共交通信息等。本文主要研究动态交通信息即实时状态信息( 交 通流量、车辆平均速度、道路占有率等) 的采集及数据融合。 2 2 几种常用的动态交通信息采集技术 动态交通信息采集技术主要包括：交通检测器技术、浮动车法、车辆识别 法和车辆定位法。 2 2 1 交通检测器技术 交通检测器一般安装在固定的地点，按安装位置不同分为地理型检测器和 非地理型检测器。地理型检测器主要包括电磁感应线圈检测器、磁力检测器和 道路管检测器。非地理型检测器主要包括被动式红外线检测器、主动式红外线 检测器、微波雷达检测器、超声波检测器、声学检测器和视频检测器。 1 ) 地理型交通检测器 ( 1 ) 电磁感应线圈检测器 电磁感应检测技术属于接触式被动检测技术，是目前应用最广泛的传感器。 其工作原理：预先在路面下面较浅处铺设一圈或多圈绝缘线圈并加以高频电流， 由于车辆大部分由金属制成，当车辆从上面通过时，会在线圈内部产生涡流， 而使线圈电感量减小，从而获得交通流量信号。这种方法准确率较高，且成本 较低、不易受气候影响，但需要将线圈埋入地下，设备还会受到车辆挤压，具 有破坏路面、可移动性差、容易损坏、寿命短等缺点。 ( 2 ) 磁力检测器 山东大学硕士学位论文 磁力检测器是被动接收设备。当铁质物体通过地球磁场时，会引起地磁场 的扰动( 即磁场强度异常) ，通过检测磁场强度的异常来确定车辆出现。 ( 3 ) 道路管检测器 道路管检测器是将橡皮管放置在路面上，当车辆通过时，橡皮管发出气压 脉冲信号。这个气压脉冲信号使压力起动开关闭合，向计数器或分析软件发一 个电信号。其优点是：在永久性或临时性的交通数据采集中能快速安装，需要 较少的能源；比较便宜和易于维修；生产厂家还可以提供软件包来进行数据分 析。但当卡车和公共汽车的流量较大时，车轴计数的准确度不高；压力起动开 关对空气温度敏感；卡车轮胎对道路管的损坏和磨损比较大。 ( 4 ) 压电检测器 压电材料是经过特殊处理，可将动能转化为电能。许多种类的聚合体材料 具有这种特性，它是构成压电检测器的理想材料。压电检测器是由同轴的三层， 即麻花状的金属芯、压电性材料层和金属外层组成的。在制造过程中，将压电 检测器放置在高强度的电场中以迅速地极化压电材料。这个电场是由裸线生成 的冠状场。极化场将无组织的聚合体变为半晶体形式，而保留了原聚合体的许 多优点。另一种类型的压电检测器采用同轴电缆式的结构方式，它以铜线作为 中心，以纯铜管作为外导体。两层中间用以矿物质为主的粉末型压电材料作为 电介质。这种压电检测器通常用于动态称重，通过车轴计数和车轴位置确定车 辆分类、车辆载重量的测量、车速测量和交通量计数等。动态称重技术 ( w e i g h i n m o t i o n ，w i n ) 属接触式被动检测技术，按使用的检测器分类，有应 变片检测器、压力检测器和电容器检测器三类。相对于静态称重，动态称重具 有节省时间、提高效率的特点，同时对车辆超限超载的治理工作提供了精确而 客观的依据f 4 j 。 2 ) 非地理型交通检测器技术 ( 1 ) 红外线检测器 红外线检测器分主动式和被动式两种。主动式红外线检测器中激光二极管 在近红外线波长范围( 即光谱长度为0 8 5 # m ) 内工作，发射低能红外线照射检 测区域，并经车辆的反射或散射返回检测器。使用可调发光二极管的主动式红 外线检测器可测量车速和进入高速公路曲线交叉的高大货车的高度，发光二极 9 山东大学硕士学位论文 管在8 8 0 n m 的近红外线波长范围内工作，信号调节装置可防止其他红外线( 如 阳光) 的干扰，有两个发射接收系统用于测量车速，有一个发射接收系统用于 测量车辆高度。被动式红外线检测器本身不发射红外线，而是接收来自两个来 源的红外线，检测器检测范围内的车辆、路面及其他物体自身散发的红外线和 他们反射的来自太阳的红外线。红外线检测器中有特制的光学系统，在光学系 统焦面上安装了红外线光敏材料。接收红外线后，经光学系统聚焦于红外线光 敏材料上。红外线光敏材料将各个来源的红外线转换为电信号。实时信号分析 系统对信号进行分析以检测车辆出现。 ( 2 ) 微波交通检测器 微波交通检测器是一种技术先进、成本低、使用方便的固定型断面交通信 息采集设备。该产品通过分析和处理经过车辆的表面对连续发射的调制微波所 反射的回波，实时获取交通量、车型、占有率、速度等交通流相关数据。该产 品可以安装在道路旁侧电线杆或类似结构上，装卸方便，并可编程调整参数以 适应检测各种不同道路状况的需求。该产品主要应用于公路和城市道路的动态 交通信息采集工作，可以实时采集多达8 个车道的交通流相关数据，这些数据 可以通过线传输或利用通用串行线路连接到其他系统。该产品设计、制造符合 我国交通信号控制设备通用规格，通过了交通部交通工程监理检测中心的测试。 ( 3 ) 超声波检测器 超声波检测分类技术在高速公路上应用比较多，属于非接触式主动检测技 术。超声波检测器发射超出人的听觉范围的频率为2 5 k h z 一- 5 0 k h z 的声压波。它 利用反射回波原理，系统主要由探头和控制机构成，探头具有发射和接收双重 功能，被置于道路的正上方。其工作原理是由超声波发生器发射高频波，并由 运动车辆以变化的频率返回，通过换能器记录下频率特征，从而进行车辆检测。 检测器接收的声信号转换为电信号，由整合在信号转换器或安装在路旁控制机 中的信号处理单元进行分析处理。由超声波检测器发射的脉冲能量波以己知的 较小角度被分为两束，即两束脉冲能量波间的距离已知，测量车辆通过这两束 波的时间可确定车速。这种测距式脉冲超声波检测器的最佳安装位置是道路上 方安装俯视车流或路旁安装侧视车流。采用悬挂式安装，这与路面埋设式相比 不需破坏路面，也不受路面变形的影响，而且使用寿命长，移动、架设方便。 1 0 山东大学硕士学位论文 不足之处是其检测范围呈锥形，受车辆遮挡和行人的影响，反射信号不稳定， 检测精度较差；另外其精度也易受环境，尤其是大风、暴雨等自然条件的影响， 有时甚至会造成误检。 ( 4 ) 声学检测器 声学检测器检测来自车辆内部和车辆轮胎与地面接触等多个来源的声音信 号，可测量车辆通过、车辆出现及车速等交通参数。当车辆通过检测区域时， 信号处理算法感知声音能量