确定车辆速度和坐标并对其进行后续识别和自动记录交通违章的方法与实现所述方法的设备

摘要

本发明涉及交通控制系统，更确切的说，涉及监控道路交通法规遵守的方法和设备，所述道路交通法规遵守包括对速度限制的遵守。所提出的自动系统使得能够降低当识别违章者车辆时发生错误的概率，增加速度限制监控区域的长度至数百/数千米，能够减少用于安装速度限制监控设备的台架的建设和维护经费。为达到这个目的，提出了一种用于组合处理来自雷达和全景摄像机的信号的新方法，其中来自摄像机和雷达的数据流是独立获取的，其后它们被相比较，并且以识别违章者车辆时很小的错误概率获取关于速度和坐标的数据。用来实现所提出方法的设备包括具有信号处理模块的雷达和全景摄像机，其中所述信号处理模块使得能够计算在选定路段上所有车辆的速度和距离。

说明书

技术领域

本发明涉及交通控制系统，并且更具体的说，涉及用于监控对道路交 通规则（包括速度）的遵守的方法和设备。

背景技术

为了控制车流中移动的车辆遵守速度限制和自动记录违章行为，有必 要测量车辆的速度和坐标，并且有必要在违反速度限制的情况下以要求的 很高概率对其进行识别。速度一般由雷达或者激光设备（激光雷达）来测 量，雷达的速度测量原理基于多普勒效应，激光设备的速度测量原理基于 对发射和接收（如从车辆的反射的）脉冲时间间隔进行评估，然后计算速 度。这些设备提供了可靠的车辆速度的计量数据。在速度监控时，车辆的 坐标不是确定的，而通常是设定的，即，雷达或激光雷达测量预定控制区 域的车辆速度时，其区域大小相当于一个车辆。在大多数报告的案例中， 车辆是通过其所注册地（许可）牌照来识别的，所述牌照由同一控制区域 的摄像机读取出并由安装在监控单元上的专用软件来辨识（例如，见1999 年9月6日授权的申请WO9946613IPC⁶,G01S 13/00,G08G 1/052,1/054； 2005年12月14日授权的CN1707545IPC⁷ G08G 1/052,1/054）。

有已知的使用摄像机和嵌于道路的传感器系统来确定速度和坐标的方 法和设备，其中摄像机用来记录速度违章车辆（例如，见2005年3月9 日授权的专利EP1513125 IPC⁷ G08G 1/017,1/04,1/054和2005年7月7日 授权的国际申请WO2005/062275 IPC⁷ G08G 1/01,1/052,1/054）。

这些速度遵守监控系统的缺点是对于其使用的气候情况的特定需求 （无雪和零度以下温度）。上述的系统只能在位于传感器之间的路段记录速 度违章。此外，为了更准确地测量速度违章车辆的速度，最好能使路段变 窄以接近车辆轴间距离。

有一种速度测量方法，其中由全景摄像机持续地记录选定的路段（例 如，见2006年7月10日授权的EP 1744 292 IPC⁷ G08G 1/04,1/052,1/054, G06T7/00）。速度的计算基于该摄像机记录的两帧中车辆的两个固定位置 之间的距离和这些帧之间的时间间隔。针对以已知距离在道路表面实际标 记的矩形的四个顶点来校准摄像机。检测到的速度违章者由另一个能提供 更高清晰度视频帧的摄像机来记录。根据所给出的专利的这种方法和实现 该方法的设备的主要缺点是，根据理论估计和GOST R 50856-96标准，摄 像机不是意图提供可靠的计量车辆速度数据的仪器，因为取决于摄像机调 整和校准精度以及移动车辆的大小，其提供的车辆速度计算有误差。

还有一种已知的检测超速行驶的速度违章车辆的方法（见2004年2 月24日授权的美国专利6,696,978 IPC⁷ G08G 1/01,1/052,1/054）。根据这 个方法，由雷达或激光定位器（激光雷达）向所选车辆的方向发射电磁脉 冲。然后，反射脉冲被接收，车辆速度由已知的方法来确定，如果违反了 速度限制，则生成信号来激活摄像机以捕捉包含许可牌照和测量到的速度 值的帧。该帧应该包括下列数据：测量到的速度值，识别出的许可牌照和 车辆识别所需要的其他数据。接收到的数据被传送到工作的交通控制中心 来采取适当措施应对发生的违章行为。这种方法的缺点是在雷达覆盖区域 应仅有一个车辆。这意味着雷达和摄像机的数量应该与行车道的数量对应， 这显著地增加了设备和运营成本。另外，雷达可以同时接收来自数个车辆 的反射信号的可能性是相当高的。这增加了当车辆在交通繁忙时沿着数个 车道移动时，发生不可接受的识别速度违章车辆的错误的可能性。例如， 根据专利GB 1211834(IPC G01S 13/92,G08G 1/052,G08G 1/054,如果在 雷达覆盖区域有多于一个车辆时，车辆记录（照相）是禁止的。

一种确定车辆速度和坐标以及进行后续车辆识别与交通违章自动记录 的方法在2011年7月24日授权的美国专利6,266,627,IPC⁷,G08G 1/00, 1/052,1/054,G01S 13/00中被描述，其与所提交的专利在技术本质上非常 相似。根据这个方法，电磁脉冲向车辆沿路段移动的方向发射，反射脉冲 被接收，通过发射和接收脉冲的参数比较来计算车辆的距离和速度，然后 测量到的车辆速度与给定路段的最大允许速度相比较。如果超过了速度限 制，则生成信号以由摄像机来捕捉违章车辆的许可牌照；随后是车辆识别 和自动记录速度限制违章。速度违章车辆的车道由计算出的距离确定。

这种方法也有前一个方法的同样的缺点，即，对速度违章车辆错误识 别的很高概率。这可以作如下解释。为了清楚，我们考虑图1所示和本专 利中描述的实际情况。如图1所示，雷达波束以角度4-5°发散。实际上， 这是理论计算用到的理想值并对应于雷达主瓣-3dB的辐射功率。对于从-3 dB到大约-20dB级别的主瓣功率，实际的天线辐射模式会宽很多并且总 是包括图1所示的附属于原型专利的额外材料的旁瓣，其用影线和粉红色 标出。在天线模式（主瓣和旁瓣二者）的孔径区域有从车辆反射的信号（见 图1）。在半径为R的弧内（图1中绿色影线部分）所有的车辆与雷达距离 相同，因此所有反射自这些车辆的脉冲将同时到达雷达。从图1中可以看 出，沿不同车道移动的至少三个车辆与雷达保持相同距离，它们的返回将 以不同的功率同时到达。接收到的信号的功率Pr由下面的公式计算：

$P_r=\frac{P_t·{G_a}^{.2}·S_o}{4·{\pi }^3·R^4}$

其中Pr是接收到的信号的功率，Pt是发射信号的功率，Ga²是天线 增益值的平方，So是有效目标面积，R⁴是距离雷达的目标距离的四次方， 这是几个不同参数的函数。这样，来自小的So（小的车辆、高的Pt（主瓣） 车辆反射来的接收到的信号的功率Pr和正沿其他车道移动且没有超速的、 具有大So（大的车辆）、低Pt（旁瓣）车辆反射来的接收到的信号的功率 Pr可能是相当的。这可能导致速度违章车辆的错误识别。

作为一个例子，我们参考可靠且权威的来源（M.Skolnik编辑的“Radar  Reference Book”，第1卷,第9章,356页）：“…any numerical value of the  effective target area(So in the above-mentioned formula)is correct only for  specific targets,combination of polarizations,spatial location and frequency， which this value has been determined for.In most applicable cases,the effective  target area may vary over a wide range of 20-30dB or more at a relatively  small change in any of these parameters”（……任何有效目标面积的数值(上 述公式中的So）只对于特定的目标，该值针对其已被确定的偏振、空间位 置和频率的组合是正确的。在大多数适用的情况下，有效目标面积可以以 任何这些参数中相对小的变化而在20-30dB宽度范围内或更大范围内改 变。）

因此，很明显雷达可以接收来自沿被监控车道移动并且被摄像机清楚 看到的车辆和沿相邻的车道移动的车辆二者的反射信号。假设距离相当， 与被监控车辆平行移动的车辆面积比被监控车辆大数倍，则当其速度超过 允许的速度限制时，那么现在我们的情况是，监控设备将发送关于在监测 区域内移动的车辆已经超过了速度限制。如果这种事件概率很高（繁忙的 交通流），则错误记录的速度违章的数量将是显著的，这会显著地降低原型 方法的服务特性。

以上的分析表明此原型方法有一严重的缺点，即有很高的错误速度违 章者识别的概率。这使原型方法不适用于在有繁重交通流的多车道道路上 使用。

技术上来说，最接近于所提出设备的原型是在美国专利6266627(2001 年7月24日授权的IPC⁷ G08G 1/00,1/052,1/054,G01S 13/00)中描述的、 用于确定车辆速度和坐标及进行后续识别和自动记录交通违章的设备。此 设备由雷达、用于记录和识别许可牌照的摄像机，和数据控制和处理模块 组成。数据控制和处理模块与雷达和摄像机相连，并包括与上述摄像机相 连用于当检测到速度限制违章时生成信号（标记）的专用设备。

当利用前面的原型时，实现以上方法的设备的缺点是有很高的错误识 别速度违章车辆的概率。这使在多车道道路或交通繁忙情况下不可能使用 此设备。另外，此原型系统受困于速度监控区域长度很小——不超过20 至30米。

发明内容

提出的设备意在满足以下目的：

-开发一种用于确定车辆速度和坐标的方法和实现所述方法的设备， 该设备将减小自动速度违章记录系统中错误识别速度违章车辆的概率；

-扩展速度监控区域，从一至两个几十米到数百和数千米；

-使用一个而不是多个设备来监控多车道道路段。

这将大幅减少建设和服务用来安装速度监控设备的高架结构的成本。

对于所提出的方法，如原型方法中那样通过在车辆沿被监控路段移动 的方向发射电磁脉冲并接收反射的脉冲来实现上述目的。至少一个车辆的 距离和速度通过比较发射和接收脉冲的参数被计算。然后，测量的车辆速 度与给定路段的最大允许速度相比较。如果违反了速度限制，则生成信号 以使用摄像机来辨识速度违章车辆的许可牌照；随后进行车辆识别和交通 违章的自动记录。

所开发的方法的一个新颖特征是，在全景摄像机捕捉同一路段的同时， 所提到的脉冲由雷达发射。摄像机被校准，这样摄像机与对应路段距离的 实际坐标被分配给摄像机矩阵的每一个行元素Y_i和每一个列元素X_i。此 外，基于雷达接收到的脉冲，不是针对一个车辆而是针对此刻在选定的数 百米长的路段上的所有车辆计算距离和速度；通过使用摄像机捕捉到的车 辆图像，在一帧内相同车辆的坐标和速度被独立并且同时计算。然后，包 含此刻在选定路段上的所有车辆的速度和坐标值的、被雷达和摄像机彼此 独立地接收的数据流被进行比较。为得到可靠的计量速度和坐标值，使用 了雷达数据。每一个违反交通规则的车辆都被跟踪直到其许可牌照被辨识 出。然后，生成速度违章车辆的图像帧；这帧图像中显示了易于读取的许 可牌照、日期、时间和记录的速度和/或坐标值，这使得自动记录交通违章。

在所开发方法的第一特定实施例中，最好使用诸如校正方法来比较上 述数据流，该数据流包含此刻在选定路段上的所有车辆的速度和坐标值， 并且被雷达和摄像机彼此独立地获得。

至于该设备，通过以下事实来实现所设定的目的：作为原型设备的所 开发的设备包括雷达、用来记录和辨识违反速度限制车辆的许可牌照的摄 像机，和与它们相连的控制和数据处理模块。

所开发设备的一个新颖特征在于雷达有信号处理模块，该信号处理模 块计算沿选定路段移动的所有车辆的速度和距离。所述设备包括全景摄像 机，用来捕捉40-50米到数百米长的路段，该全景摄像机与控制和数据处 理单元相连。数据处理单元装备有软件来同步雷达和全景摄像机，比较从 雷达和摄像机获取的数据流，提供可靠的违章车辆的速度和坐标计量测值， 并传送数据来自动记录交通违章。

在所述设备的第一特定实施例中，全景摄像机和用来辨识许可牌照的 摄像机的功能最好用单个广角百万像素摄像机来执行。

在所述设备的第二特定实施例中，根据行车道的数量，优选使用数个 “标准”摄像机来记录和辨识许可牌照。

附图说明

图1是根据权利要求3所述的所开发设备的框图。

图2是根据权利要求4所述的所开发设备的框图。

图3是根据权利要求5所述的根据车道数量使用数个摄像机来检测许 可牌照的所开发设备的框图。

图4示出了设备在被监控路段的运行情况。

图5示出了作为所开发设备的部分的组件和单元的外观和配置。

图6是在工作的交通控制中心的监控屏幕上显示设备的运行结果的特 定实现的示例。

具体实施方式

图1中所示的设备包括控制和数据处理模块1，含有雷达信号处理单 元3的雷达2，全景摄像机4和许可牌照辨识摄像机5。

控制和数据处理模块1是具有软件的计算机，用于：

-控制雷达2和摄像机4，5；

-接收来自摄像机4，5的信号；

-接收来自信号处理模块3的数据（来自雷达2的信号）；

-生成在摄像机4捕捉的帧中的、与车辆坐标和速度有关的数据流；

-比较来自雷达2的模块3和来自摄像机4的数据流；

-发送数据至中央交通控制站（未示出）来自动记录交通违章。

控制和数据处理模块1的特定实施例基于英特尔奔腾M处理器。模块 1特征是高性能、相对低的能耗（~40W），在结构上被保护不受特定阻尼 系统的机械冲击，并能在-40至+60°C运行（见图5）。

提供数字存储和处理接收的脉冲的典型的单脉冲雷达被用作雷达2。 载波频率为24.15GHz。半振幅的脉冲宽度是30ns。脉冲重复间隔为25 微秒。控制和信号处理模块3包括处理器，能为每个距离元素同时选择、 生成和存储256÷1024的脉冲突发，对这些脉冲突发执行快速傅里叶变换 并检测从车辆反射的信号。模块3也能够通过零值起始的速度提供车辆的 区分。

在一个特定的情况中，广角百万像素摄像机被用作为全景摄像机4， 同时用作为许可牌照辨识摄像机5，因为它提供了高清晰度的能力，这是 由于与“标准”摄像机相比，它使用了5-10倍以上的矩阵元素。对于多车 道路段（有多于两个车道的道路），最好是该实施例变型。

在其他特定情况中，一个广角全景摄像机4和数个许可牌照辨识摄像 机5用来执行全景摄像机4的功能。许可牌照辨识摄像机的数量应该与行 车道的数量对应。这种解决方案对于具有小数量车道的道路是优选的，因 为“标准”摄像机比百万像素摄像机便宜很多。

根据权利要求1的所开发的用于确定车辆速度和坐标以及进行它们 的后续识别和交通违章自动记录的方法由图1所示的设备用以下方式实 现。

在启动所述设备之前，预先的校准已经完成：从全景摄像机4到对应 路段距离的坐标被分配给上述摄像机矩阵中每一个行元素Y_i和每一个列 元素X_i。这对于使用摄像机4进行独立的车辆速度评估是必须的。

然后，向车辆沿选定路段移动的方向发射电磁脉冲，从车辆反射的脉 冲被雷达2接收（见图4）。与雷达运行的同时，同一路段被摄像机4捕捉。 主天线波瓣覆盖区域在结构上被链接到全景摄像机4的视野领域（见图4）。 基于雷达2接收到的脉冲，此刻在道路的所选路段上的所有车辆的距离和 速度被模块3计算。与前面的动作相独立而又同时发生的是，显示在摄像 机4捕捉的帧中的相同车辆的坐标和速度通过控制和数据处理模块1被计 算。其后，上述的包括在道路的选定路段上的所有车辆的速度和坐标数据 并被彼此独立的获取的数据流被使用例如根据权利要求2所述的校正方法 来比较。该比较由模块1执行。从雷达2接收到的数据被认为是可靠的车 辆速度和坐标Y_i的计量数据。从摄像机4接收到的数据被认为是可靠的车 辆坐标X_i的计量数据。如果车辆超过允许速度限制，则它们被确定为速度 违章者，并且它们中的每一个被控制和数据处理模块跟踪一段距离来使其 许可牌照被摄像机5辨识出来。然后模块1自动识别许可牌照并生成速度 违章者的图像帧。该帧包括容易读取的许可牌照、日期、时间、摄像机标 识符和记录的速度值，这样可以实现自动记录交通违章。

因此，因为所开发的方法同时使用了可靠的沿所有行车道监控的车辆 的坐标和速度的计量数据，该自动交通违章记录系统错误识别速度违章车 辆的概率比原型方法要低很多。

图6示出了设备操作的结果在工作的交通控制中心如何被显示。

图6（a）示出了由全景摄像机获得的快照，其显示了速度违章车辆和 其实际速度（73公里/小时）。交通违章的日期和时间显示在快照的左上角。

图6（b）示出了在数据库中存储的关于记录的交通违章的事件日志片 段。速度阈值60公里/小时是被指定。所有超过阈值速度的车辆在事件日 志中记录为速度违章者；辨识出的许可牌照、车辆速度、违章的日期和事 件被记录下来。

有速度违章车辆的被监控的路段的全景视图位于右上角；有辨识出的 许可牌照的车辆的快照被显示在右面。

这些数据被发送到工作的交通控制中心，在那里行政违章报告被起草 出来。

因此，所提出的方法和实现其的设备提供了下列技术效果：

-降低了自动交通违章记录系统的错误车辆识别的概率，这是通过使 用两种独立的车辆速度和坐标测量方法（使用摄像机和雷达）并进 行后续的对获取的测量值进行比较来实现的，这降低了总体的错误 车辆识别的概率；

-扩展了速度控制区域，从一至两个数十米到数百米；

-使用一个而不是数个设备来监控多车道路段。

这些有助于满足设定的目的。