城市交通违章智能预警系统及其方法

摘要

本发明公开了一种城市交通违章智能预警系统及其方法。三维激光扫描设备安装在机动车道以及人行道的红绿灯框架上，用于采集对象的点云数据，并且同步将数据传送到点云数据输入控制器，点云数据输入控制器将数据传输至违章规则判定处理器进行处理，违章规则判定处理器依据预设的违章判定规则进行计算，只有当判定出现了违章事件时才将结果反馈回点云数据输入控制器，点云数据输入控制器随即将结果分别输送至数据中心和预警信号输出控制器，预警信号输出控制器根据红绿灯规则输出预警信号，进行违章信息的警示和提醒。本发明可以对违反交通法规的机动车和行人进行提前预判，实现对潜在交通事故的判定和对其他车辆的警示。

说明书

技术领域

本发明属于智能交通领域，涉及城市道路检测与预警技术，具体涉及三维激光扫描设备与红绿灯相结合的控制技术、基于三维点云数据的违章判定算法以及路况智能预测的策略。

背景技术

在城市交通十字路口，时常会出现不遵守交通法规的违章汽车和行人。虽然依法可以对其进行相应的惩罚，然而当发生交通事故时，那些遵守交通法规的人和车往往不幸地成为受害者，遭受身体、财物和时间等各种损失。如何尽可能减少因交通事故造成的人、财损失，尤其是让那些遵守交通法规的车辆和行人避免遭受伤害，使得道路智能预警系统变得越发重要。

目前与道路交通相关的专利技术主要体现在两个方面：城市智能交通和独立车辆预警。

道路智能引导类的方案大都通过智能交通设备、信号控制设备和系统集成平台三个组成部分实现，如中国专利CN106157640A。其主要原理是通过信号控制设备将采集到的智能交通设备(图片、视频、雷达等采集设备)的实时信号传输到系统集成平台或直接大屏幕显示，并依据这些信息进行决策或对智能交通设备进行控制。然而在这类道路智能系统中，智能交通设备所收集的数据大都是图片、视频和简单车辆信息，只能获取交通拥堵等道路宏观信息以及每个设备上局部范围内的图片和视频信息，并通过对现有的交通路况信息进行收集与汇总的方式检测出交通事故并进行应急处理，但无法对其进行事前的实时判断，因此不能起到预警的作用。

独立车辆预警安装在每辆机动车上，通过对不同视角的同一目标拍摄其图像序列，基于视差原理获取目标的距离信息并进行三维重建，以确定目标的运动轨迹，并根据目标的运动轨迹和参考车的运动轨迹生成预警信息，如中国专利CN104200689A。该系统可以实现前车防撞预警、车道偏离提醒、行人监测等功能。该类预警系统基于信号的实时处理与预警算法，可以对单个独立车辆进行有效的预警，然而也存在着诸多缺陷。首先，这类的预警系统仅仅出于对行驶车辆的保护，而非机动车则无法使用该系统；其次，对于外来的违章车辆，可以为前车防撞提供预警，但无法对来自车身侧面的被动撞击进行预警；最后，该系统仅能对单个独立车辆进行保护而缺乏路况总体的预警，尤其是当装有该预警系统的车辆自身出现违章时，不能对其他对象进行有效预警。

总体而言，目前现有的相关道路预警一方面大都还停留在事故发生时的实时监测以及快速应急处理，这类预警系统不能对事故的发生作提前判断，更无法对即将发生的事故进行实时动态的跟踪；另一方面，能够进行事前预警的系统也仅仅是安装在单台独立形式的机动车上，这类预警系统无法获得整个交通路口的路况信息，对于决策部门的信息汇总和数据收集意义不大。此外，现有的预警系统也没有考虑非机动车和行人在遭受违章机动车伤害之前必要的提醒和预警。

发明内容

道路预警最重要的是能够对已发生的违章事实以及有可能即将对他人造成伤害的行为做出快速和实时的响应，并以某种公开的方式进行警示。然而，现有的技术大都仅能够缩短事故发生后到应急响应处理之间的时间，而无法避免事故的发生。即便是有一些事前预警，但大多数都是基于大数据(路况拥堵等)或基于经验的判断(例如恶劣天气)，属于未雨绸缪性质的预警，无法对个别的违章行为进行瞬时判定。然而目前道路上发生的交通事故恰恰多集中于突发状况，从违章到事故发生只有短短的几秒钟时间。如何能够很好的利用这宝贵的几秒钟时间进行交通事故的预警是本发明所要重点解决的技术问题。本发明借助于三维激光扫描设备进行事故的提前预判和警示，利用三维激光扫描设备精度高、周期短、采集范围灵活以及可以获取对象位置信息的优点，可以快速实时地获取违章对象的轨迹、位置等信息，并采用真实路况中出现的不同类型事故的预判算法，可以实现对潜在交通事故的判定和对其他车辆的警示。

本发明的系统采用的技术方案如下：

城市交通违章智能预警系统，包括三维激光扫描设备、违章规则判定处理器、点云数据输入控制器、预警信号输出控制器以及数据中心，其中，三维激光扫描设备安装在机动车道以及人行道的红绿灯框架上，用于采集对象的点云数据，并且同步将数据传送到点云数据输入控制器，所述点云数据输入控制器将数据传输至违章规则判定处理器进行处理，所述违章规则判定处理器依据预设的违章判定规则进行计算，只有当判定出现了违章事件时才将结果反馈回所述点云数据输入控制器，所述点云数据输入控制器随即将结果分别输送至数据中心和预警信号输出控制器，所述预警信号输出控制器根据红绿灯规则输出预警信号，进行违章信息的警示和提醒。

进一步地，所述三维激光扫描设备位于红绿灯的下方，其中，机动车道红绿灯下方的三维激光扫描设备的扫描长度为：从红绿灯对面斑马线内侧至路口中心的距离，扫描宽度为；道路中心线与斑马线之间的距离；人行道红绿灯下方的三维激光扫描设备的扫描长度和宽度为红绿灯所在斑马线的长度和宽度。

本发明城市交通违章智能预警系统的预警方法，包括如下步骤：

(1)当机动车道以及人行道的红绿灯显示为红灯信号时，三维激光扫描设备被激发，自动以一个固定周期持续发射激光信号并采集对象的点云数据，然后同步将数据传送到点云数据输入控制器；

(2)点云数据输入控制器进行违章行为判定：

若三维激光扫描设备采集的数据与初始值无变化，则判定无违章现象；若出现违章现象，则三维激光扫描设备在扫描区域内采集的数据会发生变化，具体判定规则如下；

a)行人违章判定

首先，统计位于行人身上的激光点的数量，而其他点则被剔除，公式如下：

表示第i个点的实际采集距离，S₀表示斑马线的长度，当某点的距离小于长度S₀，则认为该激光点打在中间物上，该点数据保留，否则剔除；

其次，统计所有小于长度S₀的点数，当点数小于一个数量阈值时，即不够一个行人的面积，并且经过公式(1)过滤后的剩余点的距离平均值与长度S₀的误差小于一个设定的距离阈值时，即对应于行人的位置在斑马线起点附近但并不在路中间的情况，则本次行为判定为无违章行为；当满足公式(2)的两个条件时：

才表示有违章的可能，并开始进行下一步的违章判定；其中，S_σ为设定的距离阈值，N_p为小于长度S₀的点数量，N_σ为设定的数量阈值；

最后，当人行道的红灯亮起时，垂直于人行道斑马线的方向也可能有机动车穿过，这种情况也符合公式(1)和(2)，而为了排除垂直于斑马线的机动车，需要增加一个判断条件，即，如果是行人在斑马线上闯红灯，则其一定是沿着三维激光扫描设备的镜头方向行走，为此可以判断连续两个时间段内其位置的变化速度是否一致即可，公式如下：

和为连续三个数据采集周期满足公式(1)和(2)之后的点的平均值；

因此，如果同时满足公式(1)、(2)和(3)的可以判定行人的行为为违章；

b)机动车违章及危害等级判定

首先，统计点的信息，公式如下：

表示第i个点的实际采集距离，表示第i个点的初始距离，S_σ为设定的距离阈值；

然后，统计满足上述公式(4)的点数即可，当满足公式(4)的点数大于设定的数量阈值，则认为该机动车违章，公式如下：

N_p>N_σ(5)

N_p为满足公式(4)的点数量，N_σ为设定的数量阈值；

最后，在判定机动车违章的基础上，对其位置变化信息进行动态监测，计算出违章车辆距离路口中心点的距离S，并按照距离S的大小划分不同的危害等级；

(3)当点云数据输入控制器判定存在违章事件时，将结果反馈回点云数据输入控制器，点云数据输入控制器随即将结果分别输送至数据中心和预警信号输出控制器，然后预警信号输出控制器将预警信号传送到需要进行预警的路段，进行违章信息的警示和提醒。

本发明在现有路口交通设备的基础上，增加三维激光扫描设备和控制芯片，通过设定符合红绿灯规则的违章行为检测方式，可以对违反交通法规的机动车和行人进行提前预判，对其他对象起到很好的警示与预警作用。本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)预警时间提前

可将应急响应从事故发生时刻提前到违章发生时刻，在交通事故发生之前就能够进行预判并进行预警提醒，能够极大地减少交通事故发生的概率，挽救人力物力损失。

(2)服务于车辆和行人

传统预警系统大都将数据先传回指挥中心，指挥中心进行汇总分析后再启动应急措施。本发明采用数据同步传输方式将违章信息以及预警信号同时传送至指挥中心和交通现场，尤使得系统服务的对象从单一变成两级，从而那些有可能作为直接当事者的车辆和行人能获得最大的收益。

(3)完全智能化处理

本发明除了在初期安装时需要调试和预设参数，在之后的运行过程中不需要任何人工的干预，通过违章行为判定规则的运行算法可以实现完全智能化的自主运行。

(4)违章数据可作决策分析

此外，因本发明的违章数据同步传送至指挥中心，可以通过收集大量的违章数据，包括违章事件出现的时间、地点，以及与红绿灯切换相差的秒数，违章瞬时的运动轨迹等，来进行深入的数据挖掘，可以为决策部门提供更好的数据支持。

附图说明

图1是本发明实施例中三维激光扫描设备的分布示意图；

图2是本发明实施例中三维扫描设备作用范围示意图；

图3是本发明实施例中城市交通违章智能预警处理流程；

图4是本发明实施例中激光扫描设备获取行人位置信息示意图；

图5是本发明实施例中激光扫描设备获取车辆位置信息示意图；

图6是本发明实施例中违章车辆位置变化信息计算原理；

图7是本发明实施例中预警信号(a)输出前(b)输出后对比图；

图8是本发明实施例中预警信号输送示意图；

图9是本发明实施例中左转弯机动车遇违章行人预警示意图；

图10是本发明实施例中左转弯机动车遇违章机动车预警示意图；

图11是本发明实施例中行人遇违章机动车预警示意图；

图12是本发明激光点云数据输入部分系统简易构成图；

图13是本发明预警信号输出部分系统简易构成图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

本发明利用三维激光扫描设备实时探测违章对象的位置变化信息，并依据其与正常行驶车辆和行人的距离远近划分预警级别，动态显示危险警示，实现交通路况智能化预警，旨在保护交通路口遵守交通法规的行人和车量。本实施例的技术方案主要包括：三维激光扫描设备的布设、违章预警处理、违章预警模拟。

1、三维激光扫描设备布设

三维激光扫描设备的布设分别针对机动车和行人两种对象，本实施例中，在四条机动车道上分别布设1台用于检测机动车违章信息，同时四条斑马线上也各布设1台用于检测行人违章信息。通过对红绿灯的改造后，设备的安装位置分别位于红绿灯的下方(如图1所示)。

三维激光扫描设备的扫描范围如下：4台作用于机动车道的设备其扫描长度为从对面斑马线内侧至十字路口中心的距离，宽度为道路中心线与斑马线之间的距离；4台作用于斑马线的设备其扫描范围为对应斑马线的长宽(如图2所示)。

2、违章预警处理

(1)处理流程

一旦某个车道或人行道上红灯亮起，则检测状态被激发，这时激光扫描设备自动以一个固定周期持续发射激光信号并采集对象的点云数据。由于激光点云可以获取对象的位置信息，所以当红灯亮起时，每个激光扫描所控制的区域内数值为初始设定值。若出现违章现象，则激光扫描设备采集的数据会发生变化，以此作为是否违章的判定原则。当违章判定成立时，三维激光点云将信号传送到需要进行预警的路段，并以连续闪烁的黄灯作为预警输出(原绿灯保持不变，在该方向红绿灯的上方同时显示黄灯)，图3显示了交通违章预警流程。若扫描设备采集的数据与初始值无变化，则判定无违章现象。若前一周期出现警报，则该周期警报解除，若前一周期也无警报，则继续持续扫描，直到该方向变为绿灯。

(2)三维激光扫描数据采集

三维激光扫描设备所采集的数据精度能达到毫米级，发射频率每秒钟可达100万个点/秒，如此快速而又高精度的采集设备完全可以用于违章车辆和行人的变化检测。在本预警系统中，三维激光扫描设备需要获取的数据是对象的位置及其变化信息，因此不需要非常高密度的扫描设置。考虑到行人和车辆自身的面积，可以将采集密度设定为5厘米，这种情况下，单个行人只需采集400个点，单辆机动车3000个点，采集点数的减少可以增加预警处理的速度。

由于三维激光扫描设备直接集成在现有的红绿灯设备中，因此，根据不同类型的红绿灯，三维激光扫描设备采集角度也有所区别。斑马线红绿灯立于地面，因此扫描设备与行人近似平行，其激光可以近似水平发射(见图4)；机动车道红绿灯悬挂于立杆上，因此激光只能向下倾斜并覆盖整个扫描范围(见图5)。注意：激光扫描设备采集的是镜头与对象之间的距离，此外通过预先设定扫描点数和范围也可以获取各点的角度信息。

(3)违章行为判定

a行人违章判定

实际情况中，行人违章并不会对机动车造成伤害，因此出现行人违章时只需要对机动车简单警示即可，不需要设置危险等级。

首先，统计位于行人身上的激光点的数量，而其他点则被剔除，公式如下：

S’p_i表示第i个点的实际采集距离，S₀表示斑马线的长度。当某点的距离小于S₀，则认为该激光点打在中间物上，该点数据保留，否则剔除。

其次，统计所有小于S₀的点数，当点数小于一个阈值时(不够一个行人的面积)，或者经过公式(1)过滤后的剩余点的平均值与S₀的误差小于一个设定的阈值(位置在斑马线起点附近，并不在路中间)，则本次行为判定为无违章行为；当满足公式(2)的两个条件时：

才表示有违章的可能，并开始启动下一步的违章判定处理；其中，S_σ为设定的距离阈值，N_p为小于长度S₀的点数量，N_σ为设定的数量阈值。

最后，当人行道的红灯亮起时，垂直于人行道斑马线的方向也可能有机动车穿过，这种情况也符合公式(1)和(2)，而为了排除垂直于斑马线的机动车，需要增加一个判断条件，即，判断如果行人沿斑马线闯红灯，则其一定是沿着三维激光扫描设备镜头方向行走，为此可以判断连续两个时间段内其位置的变化速度是否一致即可，公式如下：

St_i-1、St_i和St_i+1为连续三个数据采集周期满足公式(1)和(2)之后点的平均值。因此，同时满足公式(1)(2)(3)的可以判定为违章。

b机动车违章及危害等级判定

机动车违章对其他对象的危害较大，除了对其进行判定外，还需要动态监测其位置变化信息，并根据距离的远近设置危险等级(若仅仅判断是否违章，则现有的技术已经实现，但若需要进行危害等级的判断，则现有技术无法解决)。与行人违章检测不同的是，斑马线激光扫描设备近似平行发射激光束，而机动车则是倾斜向下覆盖整个检测区(见图5)，每个点的距离有所差异。但由于激光点的发射位置是固定的，因此每个点的初始距离也是已知的。首先统计点的信息，公式如下：

S’p_i表示第i个点的实际采集距离，Sp_i表示第i个点的初始距离，S_σ为设定的距离阈值。由于上述公式已经考虑的距离差阈值，因此接着需要统计满足上述公式的点数即可，公式如下：

N_p>N_σ(5)

N_p为满足公式(4)的点数量，N_σ为设定的数量阈值。当满足公式(4)的点数大于设定的数量阈值，则认为该机动车违章。

此外，机动车出现违章造成的危害非常大，因此需要在判定违章的基础上，对其位置变化信息进行动态监测，图6显示了违章车辆位置变化信息的计算原理，违章车辆距离中心点的距离S可以通过余弦定理求出，将S按照大小划分为三级。S大于4米危险等级为三级，小于4米大于2米为二级，小于2米为一级。

需要说明的是，判定机动车违章以及危害等级时，不需要检测出具体是哪一辆车出现违章，重要的是快速计算出距离绿灯车辆路线的最近距离，因此，每个时刻探测的S2(图6)均为距离中心线最近的那条线(即满足公式(4)和(5)条件的点中θ角度最大的那条线)。

(4)预警信号的输出

一旦检测出违章行为，需要将预警信号进行输出，以便车辆和行人及时得知信息。现有的红绿灯大部分都是上、中、下三层，然而在使用过程中大都值用到1层，为此可以将最上面一层作为警示灯(见图7)。当监测到违章行为对该车道或斑马线有潜在威胁时，该车道指示红绿灯最上层以闪烁黄灯的方式输出，闪烁的频率可以对应预警等级，等级越高闪烁速度越快，反之亦然。此外，斑马线可以增加语音警示。

当斑马线红灯亮起时，预警信号输出有两种情况：一是垂直于斑马线的直行车道绿灯或对面车道左转弯车道绿灯；二是平行于斑马线机动车道左转弯绿灯。这两种情况则只需分别输送至对应机动车道的红绿灯上。

当机动车道红灯亮起时，预警信号输出也有两种情况：一是垂直于该车道的横向机动车道绿灯；二是垂直于该机动车道的斑马线绿灯。这种情况下需要将预警信号同时输送至对应的机动车道和斑马线红绿灯上(见图8)。

3、违章预警模拟

图9显示了机动车左转弯时出现行人违章情况下系统预警的示意图。当图中左转弯车道绿灯亮起，左侧的人行道显示为红灯，同时触发该人行道红绿灯上集成的激光扫描设备，激光以一个固定的频率进行动态扫描监测，当有行人走在斑马线上是，依据判定准则确定有违章行为，系统随即将信号传输到对应车道的预警灯中，预警信号亮起(左转弯绿灯上方同时亮起黄灯)，这时，左转弯机动车便会观察到预警信号，减速行驶。此外，当图中机动车横向直行时，预警处理与图4相似。

图10显示了机动车左转弯时出现直行机动车违章情况下的预警示意图。当图中左转弯车道绿灯亮起，垂直于该车道两个方向的机动车道激光扫描系统开始工作，发现违章现象则信号同样传输给左转弯机动车道的预警信号，黄色预警等亮起，随着违章车辆位置的不断变化，预警等级逐渐提升，黄灯闪烁速度逐渐加快，左转弯机动车看到预警信号减速小心行驶。此外，机动车直行时出现垂直车道违章机动车时，预警原理与图5类似。

图11显示了行人走斑马线时出现机动车违章情况下的预警示意图。当图中行人所在的方向出现绿灯时，垂直于斑马线方向的两条机动车道扫描系统开始工作，发现违规现象则信号传输到该斑马线，并发出预警(行人预警可以采用语音和信号灯两种方式同步进行)。

本系统的详细实施分别如图12和13所示，其中图12为激光点云数据输入部分系统简易构成，图13为预警信号输出部分系统简易构成。L1至L8分别为不同车道上的计算扫描设备，MP为违章规则判定处理器，IC1为点云数据输入控制器，IC2为预警信号输出控制器，DC为数据中心，SZ1至SZ4分别为斑马线预警信号输出端，SL1至SL4为机动车道左转弯方向的预警信号输出端，SS1至SS4为机动车道执行方向的预警信号输出端。

当某方向红灯信号显示时，通过触发器出发该方向三维激光扫描设备开始采集数据，并同步将数据传送到数据输入控制器，该控制器将数据交至处理器进行处理，而处理器依据预设的违章判定规则进行计算，只有当判定违章事件时才将结果反馈回IC1，IC1随即将结果分别输送至数据中心和预警信号输出控制器，最后IC2根据红绿灯规则将预警信号输出到所在的输出端，完成违章信息的警示和提醒。