----路口紅綠燈電子警察系統分析
第一章緒論
1.1研究背景
隨着我國社會與經濟的發展，基礎設施的不斷完善，日益擁堵的城市交通狀況迫切需要更為先進、有效的交通管理方式。以通信技術、計算機圖像處理技術為核心的智能化道路交通系統—電子警察系統應運而生，成為了前公路交通管現的發展方向。
現如今世界各國都在建設並完善着自己的電子警察系統。路門電子警察系統的作用不僅僅在於抓拍違章車輛，它對對於路口交通配時調控、此路口到下個路口的車流銜接、區域的交通流控制、整個城市新建道路的規劃、老路的修繕，甚至對整個城市路口的重新佈局都有着深遠的影響。
電子警察系統在國內的發展並不完善。在路口監控系統佈設中，通常存在着車牌抓拍靈敏度過高、因施工時間過長而阻塞交通、信號燈配時不合理，拍攝廢片率高，識別率差等問題，解決這些問題就有待電子警察系統的進一步完善。電子警察系統在現代交通系統中起着舉足輕重的作用，建立高質量的電了警察系統是交通管現方面的迫切需求，交通管理自動化也是城市現代化的標誌之一。
1.2國內外研究現狀
八十年代後，全世界各國開始大量投入人力、物力、財力開展智能交通系統的研發。目前而言，its在日本得到最廣泛的應用，如日本的vics系統已經相完備和成熟，其次美國、歐洲等地區也普遍應用。在中國，北京、上海、廣東等地也已廣泛使用。
美國目前在智能交通系統領域同樣處於領先水平。90年代初，美國就開始對its研究開展投資。1998年，其簽署的“面向21世紀運輸權益法案(transportationequityactofthe21thcentury)”贏得了公路系統的重建與繼續發展的大筆投資。現今而言，its對美國交通的覆蓋率達到80%以上。
日本對its的研究早在20世紀70年代便開始進行。日本現今成為its實用化程度最高的國家，日本對交通控制、出行信息提供方面都十分健全。歐洲在its研發應用方面與美國相似。目前全歐洲計劃打造專門的交通無線數據通信網。
我國在its領域的研究起步較晚，但隨着時代的發展、科技的進步，我國也在逐漸加快智能交通系統的研發步伐。科技部安排的“智能交通系統關鍵技術開發和示範工程”及“智能交通系統標準和檢測技術開發”項目就是對適合國情的智能運輸系統發展模式和技術進行研發的範例。我國鼓勵優秀的示範工程並進行大範圍的推廣開發，這對我國的its發展事業起到了良好的促進作用。
1.3論文的主要工作及內容安排
1.3.1論文的主要工作
論文主要完成以下幾方面的工作：首先描述了系統的建設背景；然後對電子警察系統及其相關技術做了詳細的介紹；論文核心章節重點介紹了電子警察系統的構造及工作原理；論文最後結合目前市場中電子警察佈設中存在的一些問題提出了電子警察路口布設方式的改良措施。
1.3.2論文的主要內容
論文共分為五個章節，其中：
第一章：緒論。介紹電子警察的發展現狀及論文的研究背景，概述了論文的主要工作安排和重點內容。
第二章：電子警察系統介紹。分別介紹了電子警察系統的構成情況，並對電子警察系統的相關技術，如車輛檢測技術、線圈技術等進行了詳細論述。
第三章：電子警察系統設計及工作原理。詳細論述了電子警察系統設計的原則及設計過程中應參考的相關標準，分析了系統的組成及工作原理，針對電子警察系統的總體功能和特點做了詳細論述。
第四章：電子警察路口布設方式改良研究。從降低電子警察抓拍靈敏度、提高施工作業時效及節約線材方法以及車檢器線圈佈設位置等角度提出了改良策略。
第五章：結論。對論文總體研究成果進行總結和展望。
第二章電子警察系統介紹
2.1電子警察系統的構成
電子警察系統從系統結構上劃分，由路口前端數據採集系統、中心管理信息系統組成。目前，外部與其相關聯的系統有車管和駕管系統，向上還有可能關聯智能交通集成系統。具體如圖2.1所示。圖中所示設備為組成系統所需，可以與現有電子警察系統設備共用或與其他系統設備共用。
在整個電子警察系統中，路口前端數據採集系統是整個系統正常運行的基礎，其主體設備包括：路口主機、攝像部分、車檢部分、led輔助照明部分和通訊部分。其組成如圖2.2所示：
圖2.1電子警察系統結構示意圖
圖2.2闖紅燈抓拍系統結構示意圖
2.2系統相關技術分析
2.2.1車輛檢測技術
目前在交通檢測及採集系統中，集中應用了許多高新技術。如電磁傳感、視頻雷達、超聲波通信等，均被應用到交通控制中。常用的交通信息檢測器主要有：電感量檢測器(環形線圈檢測器)、超聲波檢測器、紅外檢測器、雷達檢測器。按照安裝方式的不同，交通信息檢測器可分為埋設式和懸掛式。就目前而言，由於性價比和可靠性上的優勢，環形線圈式車輛檢測器仍佔據市場的大部分額。
（1）環形線圈檢測
環形線圈檢測是目前世界上使用量最大、最廣泛的一種檢測方式。當車輛通過埋設於車道內的環形線圈時，感應線圈利用切割磁感線原理對車流量進行檢測。遠端的戰略車檢器統計總車流，近端的戰術車檢器統計停車線前各方向車流。檢測器可根據需要，獲得車流量、行車速度、車輛通行密度、車輛排隊長度等數據，並提供給中央控制系統。中央控制系統對數據可以進行有效的提取利用，使得交通向最為通達順暢的方向發展。環形線圈檢測方法具有施工工藝純熟，施工手段簡雄易行，以及成本低廉等優點。
（2）波頻檢測
波頻車輛檢測器多以懸掛式檢測系統的方式呈現。波頻車輛檢測器的工作原理為：檢測器向車輛發射微波、紅外線等電磁波，接收反饋信息對車輛產生感應。
波頻車輛檢測先劃分出一個同定長度的區域，假設各種車輛的車長。運作時，檢測器用車輛駛出的時間減去車輛進入的時間，以計算出車輛在一定長度內行駛的時間差來計算出車速。目前常見的波頻車輛檢測器有微波車輛檢測器(rtms)，它是一種性價比相對高的交通檢測器。
（3）視頻檢測
視頻車輛檢測是通過視頻攝像機進行拍攝，先在監控範圍內劃分出虛擬線圈對車道進行監控，背景灰度值會在車輛進入檢測區時產生變化，以此原理可檢測出車輛的存在，同時可根據需要來檢測車流量和車行速度。
檢測器的安裝位置不固定，車行道的側面或是正上方均可安置，視頻檢測的優勢很明顯，它利用動態視頻監控的方式使得交通檢測工作更加直觀，在對違章判別時可以提供現場的視頻錄像，同時可根據路口擴建、改造、施工等具體情況，重設檢測線圈。
2.2.2線圈檢測
（1）線圈檢測原理介紹
環型線圈檢測利用的是電磁感應原理，它利用環形線圈來感應車流，環形線圈的規格一般為：行車道2m×2m的口字型線圈，路口處2m×1m的矩形線圈。環形線圈工作時，因為有電流的通過，會在線圈周圍形成電磁場，車流經過線圈上方時，根據切割磁感線的原理，線圈迴路電感量會發生變化。這又會引起電路的振盪頻率以及相位出現變動，環形線圈依此原理可以對是否有車輛通過做出檢測。車輛檢測器對檢測到的信息進行處理，向工控機發送信號，工控機根據信號的不同，相應的做出闖紅燈抓拍(見圖2.3)，電子警察超速抓拍，車流量統計等對應操作。
圖2.3闖紅燈抓拍系統原理圖
（2）傳統線圈檢測工作流程
當路口綠燈長亮時，系統判定是否有車輛通過檢測區域且這種判定有一定的延續性，同步於信號燈狀態(圖2.4)。
當路口紅燈亮起，有車輛靠近停車線並壓上第一個線圈時，系統監控功能啟動。在整個紅燈週期內，若是車輛沒有繼續前行而只是停留在第一個線圈內，系統判定車輛並不違法(圖2.5)。
圖2.4綠燈長亮時，線圈檢測是否車輛通過
圖2.5紅燈亮時，車輛壓上第一個線圈
若是車輛在紅燈週期內繼續前行，車輛越過第一個線圈而壓上了停車線，此時系統判定違法事件發生，電子警察主機拍攝第一張視頻照片(圖2.6)。
圖2.6車輛壓上停車線，判斷違法
當車輛壓上第二個線圈，系統拍攝第二張違法照片，同吋拍攝特寫照片，啟動違法車輛的錄像監控，將車輛越過停車線前後5秒內的活動進行錄製，之後對視頻錄像進行收縮存儲，為後續的違章處罰提供佐證，減少爭議(圖2.7)。
圖2.7車輛進入第二個線圈，拍攝第二章違章照片
車輛最終離開第二個線圈時，拍攝第三張違章照片(圖2.8)。為了避免抓拍相鄰方向的左轉車輛或是對象來車，系統必須對車輛壓線圈的順序進行邏輯判斷，與正常闖紅燈壓線圈順序相反的車輛則不拍攝，但在抓拍違章調頭車輛時，邏輯順序則相反。
圖2.8車輛駛離線圈，拍攝三張違章照片
第三章電子警察系統設計及工作原理
3.1設計原則與設計標準
3.1.1設計原則
本着“技術上的先進性、使用上的實用性、經濟上的合理性”的原則，結合交警部門交通管理工作的發展需要進行設計。系統在具有先進性、實用性、經濟性、可靠性、規範性、開放性的同時，具有良好的升級、擴展能力。
系統設備的選型在符合要求的前提下，要綜合考慮性能指標和性能價格比。其具體原則為：
(1)先進性：充分借鑑、吸收國內外最新技術和成功經驗，選擇技術先進、實用的軟件和硬件設備，採用符合當今it技術發展潮流並且代表當今計算機、圖像處理、通訊技術發展方向的技術，使得研究設計的系統易於升級更新，確保其先進性。
(2)實用性：全面分析未來需求與現有條件，充分考慮現時功能要求與整體人員技術素質，力求實現系統建設與使用同步，使開發設計的系統充分滿足交通管理部門的實戰需求，並且易於操作。
(3)經濟性：充分利用成熟的先進技術，採用性價比較高的產品。
(4)可靠性：採用主流的技術和產品，確保系統的穩定和可靠。只有力求系統安全、可靠、穩定地運行，才能提供優質的服務，真正體現系統的價值。
(5)可行性：設計建設方案應具體可行，能最大限度的滿足公安交警交通管理實際工作的需求。
(6)規範性：應符合國際標準和國家標準，並充分考慮公安部已經制定和正在制定的標準，適應實際情況，確保各子系統間的協調配合。
(7)開放性和兼容性：接口開放，提供二次開發接口，易於各類交通管理系統的集成。
(8)可擴展性和易升級性：面對中國智能交通行業的飛速發展，系統的計算機設備和網絡設備應具有非常好的可擴充性。並且，隨着網絡技術的不斷髮展，主幹網絡設備應能平滑升級。因此，在設計中，保證系統結構模塊化，採用積木式拼裝，以增強系統的延續性。
(9)良好的可管理性和易維護性：本系統是由多種設備組成的複雜系統，因此選擇產品時應着重考慮它的可管理性和易維護性。
3.1.2設計標準
公安部交管局《全國城市道路暢通工程總體方案》；
公安部《闖紅燈自動記錄系統通用技術條件》；
國家技術監督局《測量、控制和試驗室用電氣設備的安全要求》；
《通用用電設備配電設計規範》；
《工業自動化儀表工程施工及驗收標準》；
公安部《公安交通指揮中心建設與發展的若干意見》；
公安部交管局、建設部建設司《城市道路交通管理評價指標體系》；
《中華人民共和國道路交通法》；
國家技術監督局《信息技術設備的安全》；
《電力工程電纜設計規範》；
《有線電視系統工程技術規範》。
3.2系統工作原理
前端路口數據採集系統作為闖紅燈電子警察的核心部分，直接對違法車輛生成可作為執法依據的違法記錄。其取證原理如圖3.1所示：
圖3.1闖紅燈抓拍工作流程圖
當紅色信號控制燈處在亮的狀態時，中央控制模塊將採集卡當前跟蹤畫面自動切換到由已亮紅色信號燈所控制的車道全景畫面，線圈檢測器不間斷地對感應線圈進行掃描，當檢測到有車輛進入線圈時，立即由中央控制模塊進行邏輯判斷是否為闖紅燈行為，若不是則放棄對該車輛的跟蹤，若是則通知中央控制模塊調用圖像採集過程，此時前端設備系統將對違法車輛自動採集四張圖片，其中三張是記錄車輛闖紅燈動態過程的全景圖片，一張是牌照特寫圖片。採集來的牌照特寫原始圖像被髮送至牌照自動識別模塊進行分析並解讀出車輛牌照，然後系統將圖像壓縮成jepg文件格式，並在其下方以相同格式粘貼上闖紅燈地點、車道編號、方向、時間(年、月、日、時、分、秒)、紅燈已亮時間等相關信息。由於牌照相機、全景相機清晰度高，並且圖片處理算法先進，所以圖像上違法車輛的車牌號碼、車牌顏色、車身顏色、車型等信息清晰可見，最後將圖片存入指定路徑，將違章信息添加到違法記錄數據庫。以上過程就完成了路口單次闖紅燈行為的檢測、數據生成和數據存儲。
第四章電子警察路口布設方式改良研究
4.1降低電子警察抓拍靈敏度研究
為了降低電子警察抓拍靈敏度，提升拍照的合理性，本文采用將線圈向停車線後方移動的方式，如圖4.1所示。
圖4.1改進後線圈佈設方式
圖中線圈移至停車線後方30cm處，線圈位置考慮因素如下：線圈不能緊挨停車線，一方面切割線圈容易破壞路面標線，而路面標線翻新也會破壞線圈，另一方面淺埋於地下的線圈必須承受車輛加速或是制動的累積破壞效應；線圈也不能遠離停車線，否者會造成過鬆執法。根據現場實驗與經驗積累，確定為停車線後30cm處。30cm尚為初探值，隨着實踐經驗的累積與反覆的實驗測試，才能找出線圓佈設的最佳值。線圈佈設技術要求為：切縫槽中敷設地磁線，車輛檢測器與線圈之間使用雙絞線，每米節點數不少於20個。線長度一般不超過50m，引線與線圈連接後必須做防水處理。線圈離路面伸縮縫距離應大於200mm，同一水平線上兩組線的最小距離為1000mm。線槽寬度不大於10mm，深度在100mm左右，線槽四周不得有鋭角。電子警察所有電源線和屏蔽線不得敷設在同一電纜保護管內，電源線和屏蔽線應分別套管敷設。
改進後的線圈佈設可以有效的降低線圈檢測的靈敏度，當車輛越過第一個線圈時，若為紅燈時間，電子警察判定其違章無爭議。這就使得對於違章車輛的抓拍更加合理，減免了一些因車輛制動操作失誤而引發的不必要爭端，提高了照片的可利用率。線圈設於停車線之後，汽車的制動和起步對線圈的損害明顯降低，延長了線圈的壽命。同時，切割路面埋設線圈的施工操作對於停車線之前各種路而標識沒有任何破壞，提升了路面美觀度。
4.2提高施工作業時效及節約線材方法的研究
由於線圈的切縫埋線工作是在路口標線畫完並已經開始通車後才開始進行的，怎樣儘快完成路口施工，並儘早解除對道路的封堵，關係到市民的出行和正常交通秩序的維持。對於線槽合理的切割應當在不影響線圈靈敏度的前提下，儘量縮短切割長度，以達到節約施工時間的目的。
改進後的呂字型線圈如圖4.2所示。此方法主要是對切線槽的方式進行了改良，從而變更拉線方式。前後線圈全部從中間進行分邊拉線，縮短了切縫長度，也有利於線圈定位。改進方法的線圈切縫理論值為
7×4+(3+0.5×2+3.5+0.5×2)×2=45m，
對應的地磁線埋設長度理論值為：
(2.5×2+1×2)×7×4+(0.5×2+3.5×2+0.5×2)×2=214m。
改進後的方法與前兩種方法對比，切縫與接線的理論值都達到了最小，從而節約了施工時問和線材量。
圖4.2改進後的呂字型線圈切縫和接線方法
此種線圈佈設方式、切縫、拉線的施工方法在後續的現場試驗階段迅，已經驗證了其可靠性。在不影響其檢測靈敏度的前提下，能夠提高抓拍車輛照片的合理性，減小汽車的制動和起步對線圈的影響，避免對路面標誌的破壞，延長了線圈的壽命，同時節約線材，縮短了施工時間。
4.3車檢器線圈佈設位置的改良
在安裝戰術車檢器時，因注意將其設於車輛變道位置之前，如圖4.3所示，車檢器線埋設在理論變道位置後的位置，車檢器此吋不僅可以精確的統計出車輛變道各方向的車流量，而且減少了因司機未及時變道而引起的對車流走向的誤判。
特別是在交通高峯時段，因車輛擁堵而使得變道不及時的時候，將線圈設於變道之後就可給予信號燈配時以更準確的數據提供。
圖4.3精確統計車輛行駛方向的車輛檢測線圈佈設
第五章總結
如今，電子監控系統正處於飛速發展階段，新的技術，新的算法正在不斷取代着過去。電子警察系統不論從外部硬件配置、整個系統配合緊密性、車牌識別算法上都還有很大的發展空間，很多問題都需要進行更加深入的研究。
（1）線圈檢測以其穩定、廉價等優勢在車輛檢測方式上仍處於主導地位，但諸如視頻檢測這樣的高新技術方法正在蓬勃的發展中。高新技術取代傳統工藝是一種趨勢，也是時代進步的標誌。
（2）車牌識別率目前處於一個相對穩定的狀態，算法改進對識別率的提高效果不算明顯。應着力於研發和利用可靠度，分辨率、實時性等性能更加優越的硬件設備上。特別是在夜間，車牌識別的準確率和有效照片抓拍率比起白天有明顯的降低，這對電子警察、補光設備和線圈之間的配合提出更高的要求，應加強整個電子警察系統之間的配合與聯繫。
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