摘 要

随着科学技术的进步，智能交通是将来道路交通发展的大势所趋，本文在分析国内外智能交通检测与应急管理系统发展现状的基础上，提出使用基于以视频为核心的物联网技术对交通事件进行智能检测，使得相关部门能尽快对突发事件进行发现和应急管理，有效减少避免人员伤亡和经济损失。文中给出了基于物联网的智能交通检测与应急管理系统的技术架构及子系统平台，包括其建设的必要性、系统架构、各个子系统、功能等，并对系统中的检测算法、应急预案等关键技术进行了分析，以及对系统中目前存在的一些问题给出了解决思路，最后进行了总结和展望。

关键词：智能交通系统；应急管理；物联网；交通检测

Abstract

With the advancement of science and technology, intelligent transportation is the general trend of road traffic development in the future. Based on the analysis of the development status of intelligent traffic detection and emergency management systems at domestic and foreign, this paper proposes to use video detection based Internet of Things technology to intelligently detect traffic incidents. So that the relevant departments can quickly discover and manage emergencies and reduce the number of casualties and economic losses. This paper presents the technical architecture and subsystem platform of the intelligent traffic detection and emergency management system based on the Internet of Things. Including the necessity of its construction, system architecture, various subsystems, functions, etc. And analyzed key technologies such as detection algorithms and emergency plans in the system. As well as solutions to some of the current problems in the system. Final summary and outlook.

Key Words：Intelligent Transportation System; Emergency Management; Internet of Things; Traffic Detection

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2课题研究的目的和意义 1

1.3国内外研究现状 1

1.4课题研究的主要内容 1

第2章智能交通系统（ITS）和物联网的基本理论 2

2.1智能交通系统（ITS） 2

2.1.1交通信息采集系统 2

2.1.2交通信息诱导系统 3

2.1.3公交优先通行系统 3

2.1.4不停车收费系统 3

2.2 物联网 3

2.3智能交通检测与应急管理 4

2.4本章小结 5

第3章 国内外智能交通检测与应急管理系统的发展现状 6

3.1国外发展现状 6

3.1.1美国 6

3.1.2日本 6

3.1.3欧洲 7

3.2国内发展现状 7

3.2.1技术方面 7

3.2.2参与者构成 8

3.2.3基础设施 8

3.3本章小结 9

第4章 基于物联网的智能交通检测与应急管理系统的构建 10

4.1必要性 10

4.2系统架构设计 11

4.2.1前端感知层 11

4.2.2网络传输层 17

4.2.3智能分析层 19

4.2.4业务支持层 20

4.2.5综合应用层 21

4.3功能 24

4.4本章小结 26

第5章 基于物联网的智能检测与应急管理系统关键技术 27

5.1基于视频图像的检测算法 27

5.1.1车辆的检测和跟踪算法 27

5.1.2车牌识别算法 27

5.1.3交通事件检测算法 28

5.2 应急管理相关技术 29

5.3本章小结 30

第6章基于物联网的智能交通检测与应急管理系统存在的问题和解决对策 31

6.1已建设备综合利用问题和解决对策 31

6.2社会视频资源整合接入问题和解决对策 31

6.3数据存储管理问题和解决对策 32

6.4应急管理协调的问题和解决方案 32

6.5本章小结 33

第7章 结论 34

7.1总结 34

7.2展望 34

参考文献 35

致 谢 37

第1章 绪论

1.1课题研究背景

随着经济和社会的高速发展，城市化进程越来越快，带来了机动车和驾驶人数量的激增，道路交通面临巨大压力，突发事件越发频繁，严重影响城市的正常运转。传统的交通管理系统急需转型来面对这些问题，通过发展智能交通检测与应急管理系统，提高交通事件检测能力，对突发事件进行应急管理和处理，而日新月异发展的物联网技术可以为构建这样一个系统提供技术支持。

1.2课题研究的目的和意义

构建智能交通检测与应急管理系统以此来提高相关部门对道路交通的管理水平，缓解城市发展带来的出行矛盾，使得城市交通健康发展，这是本课题研究的目的。通过智能交通检测与应急管理系统，缩短事故和拥堵等交通事件的发现和处理过程，对于避免二次事故，减轻人员伤亡和损失具有重大意义，同时可以提高道路的运行效率和人民幸福满意度。除此之外，相比开展新建道路工程，发展该智能交通检测与应急管理系统在所需花费较小的条件下能高效缓解道路交通存在的矛盾，具有明显的经济意义。

1.3国内外研究现状

目前，国外在智能交通检测与应急管理系统上普遍热衷于使用路边单元模块和车载单元模块这种模式，通过车路通信，实现对道路周围交通环境的检测。但是这种方式无法直观的看到路面情况，而且依照我国国情，要想在所有机动车上装上车载单元难度也较大。

我国关于智能交通检测与应急管理系统的研究相比于发达国家来说起步较晚，但是相关部门已经意识到其重要性，许多城市正在大力发展，经过近十几年来的摸索和积累，我国在智能交通检测与应急管理系统等方面已经取得了一定的进步。目前我国的视频车辆检测技术在世界处于领先水平，视频车辆检测具有直观性较好的特点，通过相关的图像识别算法能够达到智能分析的目的，所以可以借助该技术来构建本文中的系统。

1.4课题研究的主要内容

本文先阐述介绍智能交通系统、物联网技术、智能交通检测与应急管理等基本理论，然后分析国内和国外在智能交通检测与应急管理这方面的发展现状，基于以上分析，本课题主要研究内容是构建以视频技术为核心的基于物联网的智能交通检测与应急管理系统，包括组成架构及其子系统功能，并对其关键技术进行讨论，同时指出存在的问题和解决办法，为相关部门检测交通事件和对突发事情的应急管理提供新技术和新思路。

第2章 智能交通系统（ITS）和物联网的基本理论

2.1智能交通系统（ITS）

交通是城市发展的重要环节和城市建设的重要组成部分，也是人们生产生活中必不可少的环节和连接各项社会经济活动的纽带。但是近年来，随着城市的迅速扩张和机动车保有量的激增，城市交通面临着越来越大的压力和挑战。在这种情况下出现的智能交通系统是解决上述问题的有效办法。智能交通系统（英文缩写ITS），是将计算机网络、通信、电子控制、自动化等一系列高速发展的科学技术运用到交通系统中，利用这些先进技术服务交通系统，ITS的运用可以使道路使用率变高，减少交通拥堵，提高运输效率^[1]。经过世界主要国家十几年的运用，证明了ITS可以有效解决随着城市发展带来的一系列交通痛点难点问题。从普遍应用范围来讲，如图2.1所示，智能交通系统主要包含以下几种子系统：

图2.1 智能交通系统（ITS）主要子系统

2.1.1交通信息采集系统

交通信息采集系统是物联网技术在交通系统上的第一道应用，该系统的作用顾名思义是采集交通信息。具体而言，采集方式主要有两种，第一种是利用相关部门在道路上部署的各种设备和传感器来采集，如环形线圈车检器、微波雷达检测器、视频监控摄像头等。第二种是利用安装在车辆上的设备来采集，如GPS、RFID标签、车载行车记录仪等。采集的信息主要包括信号灯状态、车辆位置、车辆行驶速度、道路交通流量，结合道路和天气状况，然后对这些收集到的信息进行处理、分析和发布。交通信息采集系统可以说是ITS中最根本的部分^[2]。

2.1.2交通信息诱导系统

交通诱导系统利用现代技术，在道路上根据出行者的起点和终点向其提供实时路况和最优路径，该系统将人、车、路三者放在一起综合考量，通过信息诱导来调整出行者的驾驶路线，可以有效防止交通拥堵和大大提高出行效率，最终目的是使整个路网上的交通流达到最优的分配。在交通信息诱导系统中，当前最常见的运行流程如下：控制中心借助交通信息采集系统从道路中采集实时信息，信息处理中心及时响应进行处理，最后诱导信息通过网络、电台以及道路上的诱导显示设备发布出去。

2.1.3公交优先通行系统

随着城市经济的增长和人口规模的扩大，城市普遍面临道路交通带来的种种难题，人口增多带来的出行需求和机动车数量的激增使的原先建设的路网通行能力达到饱和甚至过载，这个时候发展城市公共交通系统可以有效调节该供需矛盾，建立基于智能交通的公交优先系统是解决该问题的关键，该系统主要由以下内容组成：①建立公交专用车道，在上下班出行高峰期该车道只允许公交行驶，利用公交车道专用摄像头对违章进入该车道的机动车进行抓怕。②公交路口优先，通过公交预通过信号对路口信号灯进行调节，减少公交在信号灯前的停留时长^[3]。③公交线路优化设计，通过对人口出行大数据进行收集比对，设立合理的公交线路，包括站点和站距，使人们的出行需求得到有效和高效解决。

2.1.4不停车收费系统

不停车收费系统英文缩写是ETC，是ITS系统在车辆收费应用方面最普遍、最先进的收费系统，该系统使得机动车在高速公路、桥梁隧道等需要交费的环境下无需停车，正常行驶通过即可自动交费。实现该功能主要依托安装在车主车内的射频卡和缴费路口的识别装置，当车辆行驶至ETC专用车道时，车道上方的识别装置接收到射频卡的信号，比对通过后自动抬杆放行。另外现在发展迅猛的还有车牌识别缴费方式，通过抓拍机抓拍车牌识别车辆身份，无需在车内安装射频卡。不停车收费系统的应用可以提高出入口车辆通行效率，提升车主驾驶体验，同时由于减少了车辆的停车和起步，也起到了降低油耗和环境污染的效果。

2.2 物联网

科技发展到今天，互联网技术已经渗透到人们的日常生活中，Internet已经成为人们进行沟通和信息传递的重要工具，在互联网技术的基础上，物联网技术应运延伸而生，其英文名称：Internet of things，所以物联网就是物物相连的网络。在Internet人与人接连的基础上，物联网技术通过前端设备感知需要采集的物理信息，然后利用互联网技术形成一个网络，目的是将连接延伸到人与物、物与物之间，进行数据通信和信息流交换。物联网技术主要有以下一些特征：

⑴ 物联网技术的基础是前端各种传感器和设备作为信息采集的装置。如各种光、电、热、力、声、位置等不同类型的传感器，以及GPS、RFID等定位和识别技术，依托这些传感器和设备进行数据的收集和更新，使得系统能够了解和感知环境状况，为后续的应用打下基础^[4]。

⑵ 物联网具有多维数据处理能力。前端传感器和设备收集到的数据发送到数据处理中心，这些数据类型多样、内容不断增多，数据处理中心需要对这些数据进行读取和处理，将包含在多维数据里面的语义内容进行提炼融合，得出有意义的上下文数据，然后发送给控制中心做决策分析。

⑶ 物联网包括多类型通信方式和通信协议。由于前端传感器和设备的不同，因此会产生各种通信方式，例如目前主流的数据通信方式有：无线网络、蓝牙、RFID、NFC以及2/3/4G网络、TCP/IP网络技术。这就要求物联网技术拥有同时容纳满足这些联网通信接口，同时通信方式的不同带来的通信协议也不相同，这就要求物联网技术对这些信息格式进行整理以便识别读取^[5]。

2.3智能交通检测与应急管理

城市人口和机动车数量的增加，使得城市路面拥堵和交通事故也越来越多，通过运用智能交通系统的交通检测技术对道路上的事件进行检测，并对检测到的事件上传至指挥中心，经过设定好的应急管理方案进行处理，可以有效缩短从事件产生到事件得到解决的时间，从而减少伤亡和财产损失，快速恢复路面正常运转。该系统主要运转流程如图2.2：

图2.2 智能交通检测与应急管理系统主要运转流程图

⑴ 在事件检测与辨识方面，首先是车辆的检测跟踪以及车牌的定位识别，识别方式是主要利用道路上的视频监控设备，对视频中的车辆进行跟踪抓拍，并对图像利用模块化的算法进行分析识别。识别算法可以识别出车辆的车牌、车型、外观颜色等信息，判断车辆的位置、行驶方向、速度等。事件辨识算法可以检测出车辆拥堵、事故、逆行、抛洒等事件。

⑵ 在事件检测与辨识模块检测到交通事件后，系统将会把该事件的相关信息上传至中心，中心人员对检测到的事件进行二次确认，根据事情严重等级产生相应的决策，在此之前，交通管理相关部门应该提前根据各种可能发生的交通事件建立完善应急管理体制。

⑶ 实施决策至交通事件处理结束后，系统对整个事件进行记录和效果评估，可以在系统中按照时间顺序显示事件处理的过程记录，进行总结和学习，针对该事件为以后同类事件提供决策依据，促进整个系统的不断改进和完善。

2.4本章小结

本章主要对智能交通系统、物联网、智能交通检测与应急管理系统这三者的基本理论做出了阐述。智能交通系统ITS是将计算机网络、通信、电子控制、自动化等一系列高速发展的科学技术运用到交通系统中，利用这些先进技术服务交通系统，主要包括交通信息采集系统、交通信息诱导系统、工具优先系统、不停车收费系统。物联网是在互联网技术的基础上，指物物相连的网络，物联网技术的基础是前端各种传感器和设备作为信息采集装置,其具有多维数据处理能力,以及包括多类型的通信方式和通信协议。智能交通检测与应急管理主要运转流程如下：事件检测与辨识—事件上传中心—应急管理决策—决策实施—效果评估。

第3章 国内外智能交通检测与应急管理系统的发展现状

3.1国外发展现状

3.1.1美国

2003年，美国联邦政府公路局、各州交通运输部以及国家公路协会等部门共同提出了了一种车路协同系统（VII）。该系统主要由道路上的路边通信设备和安装在车辆上的车载单元构成，车载单元将采集的数据发送给路边设备进行通信，这些数据用来支持后续的各种应用。通信部门为此专门分配了5.9GHz短程通信频段进行车路通信，依托通信技术进行信息交换，对道路周围交通环境进行检测，为车辆驾驶员提供驾驶辅助，可以有效减少碰撞和追尾等交通事故。

2009年，VII项目被改名为IntelliDrive，新的项目通过车路、车车之间的通信^[6]，对车辆周围360°范围内的交通情况进行检测，向出行者和交通管理部门提供多种实时信息，当出现紧急事件驾驶员没有及时做出反应时，车辆能够根据制定好的程序自动响应来避免事故，同时交通管理部门将这些实时收到各种交通信息归纳到应急管理系统，当出现事故时，应急管理系统可以及时响应，根据事件类型做出决策，高效解决问题。

现行的IntelliDrive项目通过开发和运用多种道路和车载设备，基于先进的通信技术，一方面帮助驾驶者更安全的驾驶，另一方面，使得交通管理者可以更加高效的进行道路交通和应急管理。在该项目的长期规划中，将更加充分应用互联网和物联网技术以扩展其实际应用功能，从而在整个国家范围内构建一个大的智能交通系统，实时交通数据检测的源头也不仅局限于道路和车载设备，还可以是停车场、收费站等，充分利用这些检测到的数据开发更多的应用，可以提高整个交通系统的运作效率和应急管理水平。

3.1.2日本

日本由于其国土面积狭小，但经济发达机动车数量巨大的国情，发展交通一直是日本的一项基本国策。早在1996年，日本就开始建设了世界上第一个道路交通通信及诱导系统（VICS），该系统由总务省、国土交通省、警察厅以及一些民间部门合作开发，是一个全国性的交通信息系统。

VICS的交通检测方式是通过在道路上布设检测线圈、雷达微波、监控摄像头等装置，可以采集车速、车流量以及拥堵和交通事故事件等信息，然后采集装置基于通信技术将信息发送至VICS中心，中心分析处理后向管理者社会发布交通流量、道路拥堵、交通事故等信息，管理者根据收集处理后的信息对各种交通事件采取相应的解决方案，驾驶员根据诱导信息了解交通状况，选择行车路线。

2007年，日本政府和民间的一些组织联合发起了名叫Smartway的计划，该计划旨在将一些ITS的功能整合到车载单元OBU上，将原有的车路连接延伸到车车连接。系统的工作方式如下：车载单元OBU安装在各个机动车内，是车辆之间和车路之间进行信息交换的接口，路边单元RSU安装在道路沿线，与车载单元和上级通讯链路节点进行通信，中心接收并处理这些信息。基于以上交通检测信息，Smartway可以实现安全驾驶辅助、道路交通诱导、事故紧急处理和应急管理等功能。

3.1.3欧洲

2003年，欧盟在领先的信息与通信技术的基础上将eSafety项目列入计划^[7]，该项目旨在提供全面的道路安全解决方案。除了主动式的车载设备，还通过车-车，车-路检测获取交通环境信息，从而可以更有效的进行交通检测和应对潜在风险。

eSafety项目主要包括以下几点主要的子项目：① I-way项目，通过周围道路设备和车载设备，使得驾驶员可以了解道路环境信息，增加感知能力。② Prevent项目，利用通信和定位技术，开发出主动协调的安全系统，降级事故发生概率。③ Car2car项目。主要是为了推进车-车互联协议和接口的标准化，为进一步推广商用打下基础。

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