視頻和地磁融合停車檢測機制探索研究

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(1.北京物資學院 信息學院，北京 101149; 2.北京工業(yè)大學 信息學部，北京 100124;3.北京市交通運行監(jiān)測調度中心，北京 100073; 4.北京市交通委員會，北京 100073)

0 引言

據公安部對我國汽車保有量的統(tǒng)計調查，截至2017年底，全國汽車保有量高達2.17億輛，其中，2017年度汽車增長量為2304萬輛。通過對汽車歸屬地數(shù)據分析可知，全國汽車保有量超百萬輛的城市53個，超200萬輛的城市24個，超300萬輛的城市7個。盡管繼2010年北京首次推行汽車限購政策以來，全國相繼另有7個城市推行了限購政策，但仍然難以有效遏制全國汽車高速增長的勢頭，北京更是以564萬汽車保有量高居榜首。隨著汽車產業(yè)的高速發(fā)展，鑒于公共停車位數(shù)量不足、地下車庫利用率不高、立體車庫建設步伐緩慢等原因，占道停車已成普遍現(xiàn)象，“行車難、停車難”的交通亂象日益凸顯[1]。盡管北京推行了“夜間占道停車”相關政策，仍無法緩解城市停車問題。因此，亟待深入研究并有效緩解“停車難”這一社會性問題。

1 研究現(xiàn)狀

在智能交通系統(tǒng)中，路側占道停車是對固定停車場的重要補充。當前的路側停車基本靠人工管理方式，傳統(tǒng)的人工模式工作效率低下，而且車位利用率不高。隨著科技的進步，智能停車檢測技術[2-3]已逐漸成為智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，車位檢測技術是提高車位管理、停車誘導、合理調度與統(tǒng)籌的重要手段。通過調研與分析，當前應用較為廣泛的停車檢測技術主要有地磁和視頻兩大類。

1.1 視頻檢測技術

視頻停車檢測技術是近年來較為流行的一種檢測方式，常用的視頻檢測技術有圖像背景差分法[4-5]、圖像邊界檢測法、運動目標標記和跟蹤法等。

王衛(wèi)鋒等人[6]采用昆蟲復眼仿生學原理，對視頻前景按區(qū)域分塊并構建塊模型，實現(xiàn)了道路停車事件自動監(jiān)控。趙敏等人[7]利用混合高斯模型提取停車現(xiàn)場背景圖像，并通過時間序列分析識別靜止車輛，實現(xiàn)了適應露天場景環(huán)境變化的高速違章停車視頻檢測方法。Carletti等人[8]提出了一種利用傳統(tǒng)監(jiān)控攝像機分析并自動檢測禁停區(qū)所停車輛信息的方法。Wu等人[9]提出一種基于多級支持向量機分類器的新型停車空間檢測方法。Huang等人[10]針對車位光照、遮擋等問題，基于最大后驗概率理論設計了三層貝葉斯層次架構，實現(xiàn)對空閑車位場景的高效建模。姜明新等人[11]針對傳統(tǒng)違章停車人工檢測方式準確率低、成本高等缺點，提出一種基于監(jiān)控視頻的違章停車檢測算法。

目前，視頻停車檢測技術正逐步推廣應用。長春市采取多方位優(yōu)化措施提高道路通行能力，已設置近三百處視頻監(jiān)測點，并派專人監(jiān)控，智能提取違規(guī)停車信息，加強對全市道路交通安全與停車信息的監(jiān)控；淮南市已配置道路視頻監(jiān)控270余處，基本覆蓋全市主要道路出入口、事故多發(fā)路段、交通擁堵路段等，并配以道路卡口、燈控路口電子警察等對全市交通及路側停車情況進行實時監(jiān)控；北京市朝陽區(qū)根據路側占道監(jiān)控的實際需求，在部分路側車位設置高清視頻監(jiān)控點，構建了路側停車場數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了無線、高清的視頻監(jiān)控體系。

1.2 地磁檢測技術

自2008年起，地磁停車檢測技術已經逐步應用于道路交通領域[12]。王維鋒等人[13]基于車輛磁偶極子模型提出一種車位占用檢測算法。根據地磁傳感器對車輛駛入、駛離車位時的磁感應效應，提取多種車型的磁感效應強度和變化方向特征，用以檢測車位占用情況。茅嘉磊[14]通過對路側停車時間及視頻取證等的分析研究，提出一種基于視頻分析技術的車輛檢測方法。通過視頻技術對泊位停車狀態(tài)自動取證，實現(xiàn)停車計時計費自動化。

根據Tranbbs調研，中國約有50%以上地區(qū)采用磁性線圈檢測技術采集交通流量。北京市朝陽區(qū)于2012年5月在東大橋路、朝外南街等10條大街的972個路側占道停車位，采用“路側停車場聯(lián)網收費管理系統(tǒng)”。該系統(tǒng)中的停車位檢測子系統(tǒng)即利用地磁檢測技術實時監(jiān)測車位狀態(tài)，實現(xiàn)對車位的實時監(jiān)測與遠程監(jiān)控；浙江省東陽市于2015年2月初在城市統(tǒng)一實施路側占道收費系統(tǒng)。初期在核心路段的200個車位安裝地磁探測器，通過無線傳輸模式將監(jiān)測數(shù)據實時發(fā)送至后臺管理系統(tǒng)，后臺再將車位狀態(tài)信息同步到車主手持終端設備，實現(xiàn)了收費數(shù)據交互與快速收費管理，緩解了路側占道停車擁堵現(xiàn)象。

本文重點探討視頻和地磁停車檢測技術機理和技術適用性，提出多種檢測技術的數(shù)據層融合機制模型，并通過實地試驗驗證方法的可行性和有效性。多種停車動態(tài)檢測技術的融合應用，可獲取統(tǒng)一的停車監(jiān)測信息，提升路側停車收費監(jiān)管與管理水平，促進路側停車規(guī)范有序，提高路側停車監(jiān)測準確性與可靠性，并對未來智能交通相關應用提供技術支撐。

2 停車檢測技術機理

2.1 視頻檢測機理

視頻停車檢測方法通常采用攝像機對車位狀態(tài)數(shù)據進行實時采集，再利用圖像處理、模式識別等多種分析處理技術有效擬合視頻數(shù)據，提取有效的判別特征用于車位占用信息檢測，是一種主動式檢測方法。

與地磁和射頻等方法相比，視頻監(jiān)控范圍較廣、設備利用率高，可提供實時、豐富的車位監(jiān)測數(shù)據并具有追蹤功能，便于管理、取證與應用拓展；視頻設備通常安裝于地表之上，對路面和交通影響較小，安裝方便、可靠性高、維護費低。

視頻檢測技術是未來停車檢測與監(jiān)控的發(fā)展趨勢，具有較強的適用性和廣泛的應用前景，但受環(huán)境光線強度、天氣能見度、車輛駐停規(guī)范程度等因素影響較大，仍需進一步深入研究。

2.2 地磁檢測機理

地磁檢測方法通常利用磁力傳感器采集車輛駐停數(shù)據，利用地球磁場會因鐵磁物體靠近而產生磁力線擾動的原理，對車輛駛入和駛離車位狀態(tài)進行監(jiān)測，是一種被動式檢測方法。

當鐵磁物體靠近磁力傳感器時，原有地磁場磁力線分布狀態(tài)被打破，傳感器周邊地磁場磁力線發(fā)生一定程度扭曲變形；鐵磁物體越大，對地磁場的干擾和影響也越大。鑒于汽車發(fā)動機、車軸等主要部件均由鐵磁物質鑄造而成，因此，車輛靠近磁力傳感器時，會使地磁場磁力線受到不同程度的擠壓變形。車輛與磁力傳感器距離越近，磁力線受擠壓程度越大、越向磁感中心區(qū)域聚合；反之，當車輛距磁感器越遠，磁力線越沿中心區(qū)向外發(fā)散，直至恢復初始狀態(tài)。鐵磁物質對地磁場的干擾程度會因該物質結構和質量不同而產生差異。磁力傳感器正是利用上述原理完成對車輛駐停狀態(tài)的監(jiān)測，并可通過分析磁力線擠壓程度與分布狀態(tài)對車型進行判別。

磁力傳感器鑒于其安裝位置原因，通常采用自供電模式，性能比較穩(wěn)定，工作時間較長，但也存在一些挑戰(zhàn)性問題，如無線網絡穩(wěn)定性、周邊磁性物質干擾、檢測范圍有限等。

3 融合檢測機制與分析

鑒于視頻和地磁檢測技術各具一定優(yōu)勢與局限性，如融合應用上述兩種技術協(xié)同完成對車輛的駐停監(jiān)測，則可在技術與數(shù)據層面取長補短，協(xié)同提升檢測效率。在充分研究視頻和地磁檢測技術機理基礎上，為實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據的完整性與一致性，設計了視頻、地磁數(shù)據定義模式和數(shù)據層融合模式，并詳細分析了融合技術的優(yōu)勢。

3.1 數(shù)據層融合模式

視頻監(jiān)測信息較為豐富，在違章取證、糾紛排除等方面均起到了積極作用，結合實際應用需求，視頻數(shù)據可定義為表1所示模式。

表1 視頻數(shù)據定義模式

其中，攝像機編號(CameraID)可定義為全區(qū)域唯一編碼，用于標記視頻設備位置，每個攝像機設備可同時監(jiān)控一個(視頻樁設備)或多個(高架攝像頭設備)車位；車位編號(ParkID)用于存儲當前檢測車位位置；車輛號牌(CarId)用于存儲車牌信息；駛入時間(InTime)和駛離時間(OutTime)可定義為如下格式：“2016/09/02 08:03:05”；車輛品牌(CarBrand)、車身顏色(CarColor)可與交管局車輛信息數(shù)據對接，保證數(shù)據一致性。攝像機編號(CameraID)、車位編號(ParkID)、車輛號牌(CarId)和駛入時間(InTime)共同構成視頻數(shù)據主屬性，用于檢索每條監(jiān)測記錄。

鑒于地磁技術工作原理，地磁設備可監(jiān)測信息較少，其數(shù)據模式相對簡單，如表2所示。

表2 地磁數(shù)據定義模式

其中，地磁設備編號(MagneticID)可定義為全區(qū)域唯一編碼，用于標記車位位置；車位編號(ParkID)、駛入時間(InTime)、駛離時間(OutTime)同視頻數(shù)據相應字段定義模式，后兩字段用于記錄磁力感應器捕獲的脈沖信號變化時刻；設備當前脈沖信息(PulseInfor)可定義為布爾型，無車狀態(tài)設備不產生脈沖突變，記錄為假；車輛駛入時，設備附近磁場發(fā)生變化，產生脈沖信號，記錄為真。地磁設備編號(MagneticID)、車位編號(ParkID)和駛入時間(InTime)共同構成地磁數(shù)據主屬性，用于檢索每條監(jiān)測記錄。

對于視頻和地磁設備的監(jiān)測記錄，可通過監(jiān)測車位編號屬性進行信息關聯(lián)，并通過數(shù)據篩選、清洗、關聯(lián)度分析等技術，可有效校正車輛駛入時間和駛離時間數(shù)據，并形成統(tǒng)一、完備的監(jiān)測記錄，從而可構建視頻和地磁技術的數(shù)據層融合模式，如表3所示。

表3 融合機制數(shù)據定義模式

上表中各字段含義同表1和表2，地磁數(shù)據模式中的設備當前脈沖信息(PulseInfor)字段在充分矯正車輛駛入時間(InTime)和駛離時間(OutTime)字段后可舍棄。表3中的車位編號(ParkID)、車輛號牌(CarId)和駛入時間(InTime)可共同構成融合數(shù)據模式主屬性，用于檢索每條監(jiān)測記錄。

上述視頻和地磁技術數(shù)據層融合模式可對部分缺失的監(jiān)測數(shù)據進行有效擬合與補充，更有利于構建統(tǒng)一、完備的停車監(jiān)測數(shù)據庫，提升檢測性能，并為智能停車相關應用提供基礎數(shù)據。

3.2 融合技術優(yōu)勢

鑒于視頻和地磁技術的工作原理，其監(jiān)測數(shù)據的形式、環(huán)境適應性等方面均存在一定的局限性，而且每種技術均存在一定的適用性，故兩種技術在數(shù)據層的融合應用，可豐富監(jiān)測信息，并對監(jiān)測數(shù)據完整性起到一定的積極作用。

視頻技術可捕獲更多停車現(xiàn)場數(shù)據，例如車牌、車身顏色、停車模式、當前路況等，但視頻技術受環(huán)境光線影響較大，在特殊、惡劣環(huán)境下，因捕獲的視頻圖像質量下降會導致其檢測效率急劇降低，甚至檢測失敗，造成數(shù)據漏檢或檢測不準確，需進行一定補償。地磁技術通過磁感原理可準確探測車輛駐停過程，環(huán)境適應性較強，對環(huán)境變化相對魯棒，檢測結果相對穩(wěn)定，但限于地磁技術檢測機理，其監(jiān)測數(shù)據相對單一。因此，在惡劣環(huán)境下，地磁監(jiān)測數(shù)據可對視頻數(shù)據進行有效校正，并為其提供必要支撐，有效緩解視頻技術因環(huán)境惡劣造成圖像無法識別等問題；針對地磁監(jiān)測數(shù)據單一性問題，可利用同步獲得的視頻數(shù)據進行有效補充，豐富其數(shù)據形式。

因此，視頻與地磁技術的融合應用，可充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，取長補短，提升路側停車檢測效率與穩(wěn)定性。此外，無論何種監(jiān)測設備，均可能因技術、人為等故障產生誤檢、漏檢現(xiàn)象，引發(fā)爭議。多種技術融合應用可有效規(guī)避應用風險，減少爭議，提高服務質量和水平。

4 停車檢測試驗與分析

為進一步驗證視頻、地磁技術融合應用的有效性和可用性，設計了試驗場測試方案，搭建真實試驗環(huán)境(圖1、圖2)，并進行了實地測試。

圖1 試驗場視頻檢測應用環(huán)境

圖2 試驗場地磁檢測應用環(huán)境及示意圖

針對4種天氣環(huán)境(晴天、霧天、傍晚、夜間)、5種停車模式(正常、跨位、半側位、斜位、反復入位)，測試了300組停車過程，測試結果見表4。

表4 試驗測試結果

經過數(shù)據統(tǒng)計、比對與分析，基于視頻技術的停車檢測試驗正確率為95%左右。絕大多數(shù)情況下，視頻檢測設備都能識別出車輛信息，并實時跟蹤整個駛入/駛離過程，對車輛駐停狀態(tài)做出準確判斷，試驗結果尚可；但特殊情況下，例如漆黑夜晚、大霧、黑暗，或者車輛開啟大燈或遠光燈等外界極端條件(見圖3范例)，視頻檢測結果產生了一定的誤差，甚至完全失效。

圖3 視頻檢測極端環(huán)境范例

鑒于地磁檢測技術受天氣影響較小，故試驗主要針對5中停車模式進行了反復測試，共采集回323條地磁檢測記錄。經過數(shù)據清洗與統(tǒng)計分析，地磁停車技術檢測正確率僅為85%左右，實驗結果不太理想。分析可知，在正常停車模式下，地磁檢測設備檢測成功率逼近100%；但停車不規(guī)范時，地磁檢測效率急劇下降。在跨位、半側位、斜位停車模式下，若駐停位置未覆蓋地磁監(jiān)測區(qū)域，則會直接造成地磁監(jiān)測記錄缺失，進而檢測失?。蝗赳v停位置少部分覆蓋地磁監(jiān)測區(qū)域，也會造成檢測結果不準確；而反復入位停車模式，可能造成重復的地磁監(jiān)測數(shù)據記錄，導致檢測結果不準確。

圖4 視頻、地磁融合檢測機制示意圖

鑒于視頻、地磁技術各具優(yōu)勢和局限性，對融合檢測機制進行了試驗(見圖4)。經過數(shù)據清洗、擬合與統(tǒng)計分析，在融合機制下停車試驗的檢測正確率接近99%，試驗結果較為理想。在絕多數(shù)情況下(天氣較好、停車較為規(guī)范等)，視頻和地磁檢測設備均能正確檢測出停車過程，并對車輛停車狀態(tài)做出準確判斷。

在特殊、極端條件下(天氣惡劣、停車不規(guī)范等)，融合機制也保障了停車檢測的準確性和有效性。在天氣或光線環(huán)境比較惡劣的情況下，雖然視頻技術一定程度失效，但在地磁檢測技術的輔助下，一定程度上仍可正確識別出車輛駐停狀態(tài)；在天氣或光線較為正常的情況下，對于反復入位停車模式，地磁設備雖監(jiān)測到多條停車記錄，但在視頻技術輔助下，可有效剔除地磁設備監(jiān)測到的重復、無效等停車信息。但對于極個別的測試情況，融合機制也存在一定局限性。例如，天氣或光線環(huán)境比較惡劣時，視頻設備一定程度上失效，地磁設備雖不受天氣或光線影響，但對于反復入位停車模式，仍會監(jiān)測到多條重復、無效的停車信息，因而導致最終檢測結果不準確。

5 結束語

通過歸納總結并深入研究視頻和地磁停車檢測技術基本原理和實際應用情況，搭建了視頻和地磁停車檢測試驗環(huán)境，并針對晴天、霧天、傍晚、夜間4種天氣環(huán)境，正常、跨位、半側位、斜位、反復入位5種停車模式進行了大量測試；在此基礎上，深入分析了視頻和地磁檢測技術的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)性問題；鑒于每種檢測方法的技術優(yōu)勢和不足，探索了融合視頻與地磁技術的停車檢測方案，并分析了融合機制的優(yōu)勢。該方案可充分發(fā)揮各種技術優(yōu)勢，取長補短，提升停車檢測性能。

在當前停車矛盾愈加激烈的情況下，多技術融合檢測機制具有較強的研究價值和廣泛的應用前景。未來可圍繞融合檢測機制的失敗案例展開深入研究，以提升系統(tǒng)魯棒性；同時，可進一步拓展其他檢測技術的融合應用模式。