高速公路智能监控数据采集器的优化布设方法

李 霞1，武伟伟1，崔洪军1，李少鹏2，李海南1

(1.河北工业大学 土木与交通学院，天津300401；2.南昌工学院 机械与车辆工程学院，江西 南昌 330108)

摘要：高速公路智能监控数据采集器常根据经验布设，容易造成监控区域遗漏、偏差或是采集器数量成本的浪费。针对该现状，基于摄像机成像原理和监控识别的像素要求，结合道路线形特征参数分别建立了高速公路平曲线段、竖曲线段和平纵组合曲线段下的全程监控布设模型，推导出了数据采集器在这3种不同线形下的布设间距、水平角、倾角的计算公式。对一条实际的高速公路进行了数据采集器的优化布设，对比于经验布设的结果表明：提出的数据采集器优化布设方法不仅能保证高速公路的全程有效监控，还能节省数据采集器的数量成本。

关 键 词：交通运输工程；数据采集器；布设；光学成像；全程监控；公路线形

0 引 言

随着社会经济快速发展和高速公路管理要求愈加严格，高速公路全程监控受到了越来越多的重视。高速公路全程监控可减少停车次数30%，节省行车时间13%～45%[1]，提高其通行能力约10%，减少事故约15%[2]。2014年提出的JTG B01—2014《公路工程技术标准》[3]更是将全程监控作为高速公路监控的最高等级A级，以实现全线的全程监控、动态信息发布和交通诱导的目标。

高速公路的全程监控是指在沿线逐一布设数据采集器使高速公路的全部路段都纳入监控范围之内。目前，在布设数据采集器工作中，大部分设计单位没有考虑监控摄像机的有效识别能力和公路线形特征，直接采用均匀布设方法。而均匀布设间距值并没有统一的规定，在不同的高速公路中是参差不齐的，小至0.3 km而大至2 km[4]。若数据采集器的布设间距过小，虽然能够保证对高速公路交通运行状态监控的可靠性，对事故也能快速感知，但增加了投资，造成不必要的浪费。而布设间距过大，则会因监控区域遗漏导致交通信息的缺失。且目前单个点位的数据采集器架设时边调节架设边现场测试效果[5]，对架设角度、方位等缺乏结合于公路线形特征参数的理论分析和计算，不仅费时费力，还易出现公路重要监控部位不出现在画面中央的监控区域偏差现象。

高速公路上多为平曲线和竖曲线的组合，且路段的起伏变化复杂，摄像机在不同路段和点位适宜的布设间距、水平角、倾角等是有差别的。总之，这种按照经验布设数据采集器的方法易导致监控区域遗漏、偏差或是采集器数量成本的浪费。因此，笔者针对该现状提出高速公路智能监控数据采集器的优化布设方法。

1 数据采集器的有效监控区域

限于摄像头的广角，在计算有效监控视距和有效监控区域面积时要考虑架设杆下方监控盲区的存在，在实际工程布设中要保证前一个摄像头的有效监控视距覆盖当前摄像头下方的监控盲区。数据采集器的布设如图1：

图1 视频监控布设示意
Fig. 1 Schematic layout of video surveillance

1.1 最远识别点的确定

摄像机在正常摄像倍数下能够清晰分辨物体的最远点，与摄像机的像素数、焦距、感光元件CMOS尺寸等性能参数有关。由摄像机成像原理和感光元件CMOS的工作机理，确定在像素数为NcmosH×NcmosW，焦距为f下的最远识别点位置，如图2。由于宽、高方向上计算方式相同，故此处只提出以宽度计算的模型[6-7]：

(1)

(2)

式中：wcmos为最远识别物体的成像宽度；L为最远监控点至镜头的垂直距离；wo为最远识别物体实际宽度；now为最远识别物体的像素宽度；Wcmos为CMOS元件宽度，通常取1/2.3或1/3英寸；NcmosH为CMOS元件的像素高度；NcmosW为CMOS元件的像素宽度。

图2 最远监控距离模型
Fig. 2 Model of the farthest monitoring distance

则在像素识别要求为now下的最远识别点至数据采集器的距离为

(3)

1.2 有效监控区域的确定及面积计算

有效监控区域对于高速公路的全程布设非常重要。其既与摄像机本身性能参数，例如焦距、分辨率等有关，又受到外部环境因素例如安装角度、地形及气候条件等制约。根据投影原理得到监控的有效区域平面形状应为梯形。其中O点为摄像机架设点，AA′为摄像机有效监控平面区域最远边，BB′为有效监控平面区域最近边。

图3 视频监控有效平面区域
Fig. 3 Effective plane area of video surveillance

由：H=L×cos (θ+2α)，得到架设倾角为摄像头广角的一半；H为摄像机安装高度，一般为8 m；最远监控视距Le=L×sin(θ+2α)。这样可在保证有效识别的前提下，使单个采集器拥有最大的监控范围。

设监控摄像机CMOS靶面尺寸宽高比为由：

l0=H×[tan(θ+2α)-tan θ]

(4)

(5)

(6)

式中：L1、L2分别是监控区域最近处和最远处的有效宽度范围。忽略摄像头畸变所造成的面积损失，得到视频监控有效面积S的计算公式如式(7)：

(7)

2 纵坡不变下平曲线段数据采集器的布设

2.1 直线段数据采集器的布设

数据采集器通常架设在高速公路主线的路肩上，所以在计算布设间距时应考虑摄像机水平角的影响。在某高速公路管理处视频监控中心的调研发现，对于200万像素的视频监控器，视频的布设角度的微调并不能影响近处及中远处区域的监控效果，并且视频监控人员更多地是关注监控画面的中心部分。

在坡度不大的直线路段上，为了满足道路全程有效监控和尽量使道路成像在监控画面中央的要求，应使采集器的最远识别点落在道路中线上，则最远识别点至镜头焦点的连线与道路边线相交所得的夹角即为摄像机的水平角φ。其平面包络如图4：

图4 直线段布设包络
Fig. 4 Envelope diagram of layout in straight line section

得到直线段布设间距L0和摄像机水平角φ计算公式如式(8)、式(9)：

(8)

(9)

式中：B为单侧路幅的宽度。

2.2 圆曲线段数据采集器的布设

在直线或曲率较小的路段，数据采集器可以架设在主线道路任意一侧的路肩上。其布设原则如下：

1) 在曲率较大处需将摄像机架设在弯道外侧以确保视角的充分利用。

2) 水平布设角度要求有效监控区域对称线与道路中线相切，使道路交通状况尽量反映在监控画面正中区域。

3) 充分考虑摄像机盲区的覆盖，保证全程监控无遗漏。

4) 在坡度恒定的直线和曲线路段，横向坡度相对路宽可忽略不计。

根据以上原则，数据采集器在圆曲线段的布设平面包络图如图5：

图5 圆曲线段布设模型包络
Fig. 5 Envelope diagram of layout model in circular curve section

(10)

(11)

式中：r1为圆曲线最外侧曲线半径；r2为道路中心线曲线半径；β为单个摄像机监控区域覆盖的角度。

为了消除盲区而确定的最小重复角γ，其计算式为

(12)

所以，得到弯道上数据采集器的布设间距L0分别为：

(13)

缓和曲线段的数据采集器布设则与平曲线中直线段相同，只要将最远识别点落在道路中线上即可得到较好的监控效果。

3 平曲线不变下竖曲线段数据采集器的布设

数据采集器在竖曲线段的布设间距和倾角受到竖曲线半径的影响而不同于直坡路段。笔者就凹形竖曲线和凸型竖曲线[8]两种情况分别进行讨论。

3.1 凹形竖曲线段数据采集器的布设

在凹形竖曲线段，数据采集器若按直坡段的倾角进行布设，则数据采集器的有效监控面积受到大幅度压缩，所以应适当增大布设倾角。布设模型示意图见图6：

图6 凹曲线段布设示意
Fig. 6 Schematic diagram of layout in concave curve section

与纵坡不变路段一样，后一个数据采集器的监控盲区边界应该与前一个采集器的最远识别边线重合，这样才能充分利用有效监控区域，保证全程有效监控，而又节约采集器的成本。

图7 凹曲线段布设间距、倾角计算示意
Fig. 7 Calculation schematic for spacing and dip angle of layout in concave curve section

由图7计算数据采集器的布设倾角和间距，可得：

(14)

式中：R为凹形竖曲线的半径，计算得到布设倾角θ1为

(15)

单个数据采集器覆盖的角度σ即为圆弧O1B所对应的圆心角：

(16)

用类似的方程关系得到圆弧O2B对应的圆心角λ的求解方程为

(17)

所以数据采集器的布设间距L0就是圆弧O1O2的长度：

3.2 凸形竖曲线段数据采集器的布设

在凸形竖曲线段，数据采集器若按直坡段的倾角进行布设，则数据采集器的部分监控范围不能被有效识别，所以应适当减小布设倾角。与前面几种线形情况一样，后一个数据采集器的监控盲区边界应该与前一个采集器的最远识别边线重合，布设模型示意见图8：

图8 凸曲线段布设示意
Fig. 8 Schematic diagram of layout in convex curve section

图9 凸曲线段布设间距、倾角计算示意
Fig. 9 Calculation schematic for spacing and dip angle of layout in convex curve section

由图9计算凸曲线数据采集器的布设倾角和间距，可得：

(18)

式中：R为凸形竖曲线的半径，解得数据采集器的架设倾角θ2为

(19)

则单个数据采集器覆盖的角度σ即为圆弧O1B所对应的圆心角为

(20)

用类似的方程关系得到圆弧O2B对应的圆心角λ的求解方程为

(21)

所以数据采集器的布设间距L0就是圆弧O1O2的长度：

4 平纵组合下数据采集器的布设

在平纵组合的6种情况中，横坡直线路段、横坡曲线路段、凹形直线路段和凸型直线路段数据采集器的布设已经在上文讨论过，故不再阐述。本节主要对平纵组合路段最佳组合“平包竖”路段上数据采集器的布设进行分析。

当最远识别点落在缓和曲线上，即前一个数据采集器位置不在缓和曲线上时，缓和曲线为竖曲线起点，结合“平包竖”理论，以直线路段的布设结果为主要参考值。由于在实际道路中圆曲线的半径通常为竖曲线半径的1/10左右，故在平纵组合路段的布设以圆曲线段的布设方法作为主要参考，并用一个折减系数对布设间距进行折减，可获得较为合适的取值。计算示意如图10。

图10 平纵组合下坡度示意
Fig. 10 Slope degree schematic under horizontal and longitudinal combination

折减系数η及布设距离L0计算式为：

(22)

(23)

L0=Lc×η

(24)

式中：Lvh为竖曲线在水平方向的距离；Lv为竖曲线的长度；Hv为竖曲线的坡度变化值；Lc为圆曲线的长度。

5 实例分析

采用1/3英寸、200万像素、摄像焦距为4 mm的CMOS摄像机作为数据采集器的基础设备，以河北省内某条全程为42.6 km的高速公路路段为例进行数据采集器的优化布设。

以下是该公路K0+000至K4+258.73桩号S形路段的布设优化分析，通过笔者的优化布设模型计算得到的数据见表1，设计参数如图11。

表1 数据采集器优化布设后点位设置
Table 1 Setup for data collector’s position after the layout optimization

桩号及安装方位(上行方向)水平竖直最远监控距离/m监控盲区距离/mK0+000.00(左侧)1°37'31″59°42'6″528.696.57K0+521.80(左侧)5°5'11″59°42'6″540.626.89K1+55.30(左侧)25°42'36″59°42'6″564.727.12K1+603.41(左侧)2°7'14″57°16'4″535.146.61K2+131.98(右侧)7°37'31″57°16'4″538.696.57K2+663.81(右侧)9°10'39″57°16'4″540.286.86K3+197.23(右侧)9°10'39″57°16'4″540.286.86K3+730.87(右侧)2°32'5″59°20'42″534.436.64K4+258.73(右侧)1°37'31″59°20'42″528.696.57

由优化布设结果计算得到共需数据采集器78台，由于考虑了各种线形对监控区域的影响，使得道路全线得到有效监控，又能最大限度地减少监控区域的重复。

图11 示例高速公路线形数据
Fig. 11 Alignment data of the sample highway

如按经验一般以500 m为间距进行沿线逐一布设，则该条高速应布设86台摄像机，比优化布设方法多用8台数据采集器，且在线路末端会有两个布设点位距离很近，造成不必要的重复监控。并且在K1+030至K1+597.2和K2+557.2至K3+604.4桩号路段的布设，此区域有效监控距离被压缩，若采用传统的经验布设方法，必然导致监控区域遗漏。此外，由于没有对公路线形特征进行理论分析和计算，进行布设施工时，为取得良好的监控画面效果，通过一次又一次的现场测试来调节布设角度，繁琐且耗费大量时间。

基于以上实例对比分析，笔者提出的数据采集器优化布设方法大大提高了监控效果，节约了设备数量成本和布设施工时间成本，具有较好的社会效益。

6 结 语

建立了高速公路平曲线段、竖曲线段和平纵组合曲线段下的全程监控布设模型，该模型在保证有效、高质量监控的基础上，最大限度地扩大了监控区域，并推导出了数据采集器在这3种不同线形下的布设间距、水平角、倾角的计算公式。以某条全程为42.6 km的高速公路路段为例进行数据采集器的优化布设，对比于经验布设的结果表明，提出的优化布设方法少用8台数据采集器，节省了数据采集器的数量成本，并且还克服了经验布设法常见的监控区域遗漏、偏差的缺点。

参考文献(References)：

[1] 程志恒.论高速公路全程视频监控的意义及实施方法[J].中国交通信息产业，2007(1)：107-110.

CHENG Zhiheng.Discussion on the significance and implementation method of the whole course video monitoring in expressway[J]. China ITS Journal，2007(1)：107-110.

[2] 刘伟铭.高速公路系统控制方法[M].北京：人民交通出版社，1998.

LIU Weiming.Systematic Control Theories of Expressway[M].Beijing：China Communications Press，1998.

[3] 交通运输部公路局.公路工程技术标准：JTG B01—2014[S] 北京：人民交通出版社，2014.

Highway Bureau of Ministry of Transport. Technical Standard of Highway Engineering：JTG B01—2014[S] Beijing：China Communications Press，2014.

[4] 曹更立.高速公路视频检测器优化布设方法研究及应用[D].昆明：昆明理工大学，2010.

CAO Gengli.Research and Application of Optimized Layout Method of Video Detector in Expressway[D].Kunming：Kunming University of Science and Technology，2010.

[5] 李纲.高速公路监控系统及交通控制策略研究[D].西安：长安大学，2006.

LI Gang. Research on Expressway Monitoring System and Traffic Control Strategy[D].Xi’an：Chang’an University，2006.

[6] 段华.视频监控系统摄像机镜头计算及选择[J].建筑电气，2011(4)：53-57.

DUAN Hua.Calculation and selection of camera lens for video monitoring system[J].Building Electricity，2011(4)：53-57.

[7] 孙荔，王建平.摄像机在高速公路视频监控中的参数选择[J].物联网术，2011(7)：42- 44+48.

SUN Li，WANG Jianping.The application of surveillance cameras in the video monitoring scheme of expressway[J].Internet of Things Technologies，2011(7)：42- 44+48.

[8] 杨少伟.道路勘测设计[M].3版.北京：人民交通出版社，2009：162-167.

YANG Shaowei.Road Survey and Design[M].3rd Ed.Beijing：China Communications Press，2009：162-167.

Layout Optimization Method of Intelligent Monitoring Data Collector of Expressway

LI Xia1，WU Weiwei1，CUI Hongjun1，LI Shaopeng2，LI Hainan1

(1. School of Civil and Transportation Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，P. R. China;2. School of Mechanical and Vehicle engineering; Nanchang Institute of Science and Technology，Nanchang 330108, Jiang’xi, P. R. China)

Abstract： The intelligent monitoring data collector of highway is always laid out according to the experience，which is easy to cause the omission，deviation of monitoring area or the waste of the quantity cost of the collector.In view of the present situation，based on the principle of camera imaging and the pixel requirements of the monitoring identification，the whole course monitoring model under the horizontal curve section，the longitudinal curve section as well as the horizontal and longitudinal combination curve section of the highway was established respectively，with the combination of the linear characteristic parameters of the road.And the calculation formulas of the spacing，horizontal angle and dip angle of the data collector under 3 different alignments were deduced.The optimal layout of data collector was made on an actual highway.Comprised with the layout based on experience，the results show that the proposed layout optimization method of data collector can not only ensure the effectiveness of the whole course monitoring of highway，but also save the quantity cost of the collector.

Key words： traffic and transportation engineering; data collector; layout; optical imaging; whole course monitoring; highway alignment

DOI：10.3969/j.issn.1674-0696.2018.02.18