Технология и методы интеллектуального мониторинга автотранспортных потоков и состояния автомобильных дорог тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.08, кандидат технических наук Кузьмин, Дмитрий Михайлович

• Кузьмин, Дмитрий Михайлович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кузьмин, Дмитрий Михайлович

Введение.

Глава 1. Обзор систем мониторинга.

1.1. Задачи мониторинга автотранспорта и состояния дорог.

1.2. Автотранспортные потоки и дорожные условия как объекты управления

1.3. Методы мониторинга транспортных потоков и состояния автомобильных дорог.

1.4. Существующие решения в задачах распознавания образов и анализа изображений.

Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования.

Глава 2. Аппаратные средства реализации задачи мониторинга.

2.1. Цифровые источники информации.

2.2. Программная реализация взаимодействия с цифровым устройством.

2.3. Системы технического зрения.

2.3.1. Использование методов сегментации.

2.3.2. Применение движения.

2.3.3. Описание свойств объекта.

2.3.4. Качество изображения.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Мониторинг автотранспортных потоков.

3.1. Матрица изображения.

3.2. Описание цветовой модели.

3.3. Представление информации на кадре видеопотока.

3.4. Анализ кадров видеопотока.

3.5. Метод базового пикселя и базовой матрицы.

3.6. Оценка направления движения.

3.7. Оценка ускорения.

3.8. Оценка типа АТС.

3.9. Оценка скорости АТС с использованием контрольных детекторов.

3.10. Оценка скорости АТС по длине задержки.

3.11. Метод базовых матриц.

3.12. Фиксация АТП на многополосной дороге с ограниченной видимостью

3.13. Идентифицирование одновременной фиксации АТС для двух КО.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Анализ качества дорожного покрытия.

4.1. Постановка задачи.

4.3. Анализ матрицы изображения.

4.4. Детектирование движения в кадре.

4.5. Идентификация формы зафиксированных объектов.

4.6. Вычисление площади.

4.7. Вычисление объема неоднородности.

4.8. Вычисление площади больших неоднородностей.

4.9. Сканирование фотопотока.

4.10. Оценка точности.

4.11. Навигационные системы мониторинга.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология и методы интеллектуального мониторинга автотранспортных потоков и состояния автомобильных дорог»

Актуальность работы. Увеличение числа автомобилей в городах (со 180 в 1997 г. [авт./ЮОО чел.] до 350 в 2007 г. [авт./ЮОО чел.]) приводит к росту числа дорожно-транспортных происшествий на протяжении уже многих лет (1997 г. — 156515, 2007 г. - 233809). Современные автотранспортные потоки характеризуются насыщенностью, динамизмом и неустойчивостью. Организационные мероприятия по планированию и управлению транспортными потоками способствуют упорядочиванию движения автомобилей на улично-дорожных сетях и развитию транспортных сетей. Разработка новых технических решений в организации и управлении автотранспортными потоками повышает уровень безопасности дорожного движения. При реализации таких мероприятий особая роль принадлежит внедрению информациоино-технических средств, систем контроля и управления с применением электронно-вычислительных машин, математики, информатики, связи и телевидения для управления движением в масштабах крупного района или целого города.

В работе представлены технологии и методы построения системы стационарного и мобильного видео- (аудио-) мониторинга и анализа содержания автомобильных дорог с использованием математического аппарата в разработке средств распознавания образов.

Цель работы. Основой задачей создания системы интеллектуального мониторинга и анализа является своевременное измерение и обработка данных в режиме реального времени и передача информации о параметрах автотранспортного потока и состоянии улично-дорожной сети. Полученные данные используются для принятия решений с целью:

• увеличения пропускной способности дороги (перекрестка),

• обеспечения безопасности движения,

• минимизации вредного воздействия на окружающую среду,

• обеспечения относительно комфортного движения автомобилистов.

Разработанная автором система ориентирована на эксплуатацию в условиях дорожной лаборатории, а ее внедрение производилось на базе передвижной мобильной лаборатории (МЛ) «Газель» (рис. I). Созданная дорожная лаборатория используется для измерения интенсивности движения и состава потока, оценки качества дорожных покрытий в Подмосковье.

Использование разработанных автором технологий позволяет вести оперативный контроль условий дорожного движения, создает предпосылки для сокращения числа дорожно-транспортных происшествий (ДТП).

Рис. 1. Мобильная дорожная лаборатория (Мобильный У лично-Дорожный РВЦептор «МУДРЕЦ»)

На защиту выносятся следующие основные научные результаты:

• автором предложена технология комплексного мониторинга автотранспортного потока в режиме реального времени;

• разработаны алгоритмы регистрации транспортных средств и их параметров (тип, скорость, ускорение, направление движения);

• предложена техническая модель построения системы мониторинга и оценки качества дорожного покрытия по поиску неоднородностей (площади и объема ям, трещин, выбоин);

• разработана математическая модель и комплекс информационных технологий-программ обработки изображений.

Объект исследования — технические средства, системы контроля и процессы управления дорожным движением, состояние дорожного покрытия, безопасность движения и соблюдение правил дорожного движения.

Теоретической и методологической основой исследования послужили научные труды по проблемам оптимизации планирования, организации и управления автотранспортными потоками, снижения числа ДТП и уменьшения негативного воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду, исследования в области безопасности движения с учетом технического состояния дорожной сети, натурные исследования, методы технического зрения, многомерного статистического анализа, системного анализа, математические методы распознавания и анализа изображений, а также методы параллельной обработки фото- и видеоинформации в режиме реального времени.

Научная новизна. Создание комплекса технических методов построения системы мониторинга дорожного движения, методов обеспечения безопасности дорожного движения с учетом технического состояния дорожного покрытия, разработка алгоритмов мониторинга дорожного покрытия и автотранспортных средств (АТС) в режиме реального времени.

Практическая значимость работы состоит в разработке и внедрении аппаратно-программного комплекса мониторинга, объединяющего в едином модуле технологические, организационные и диспетчерские функции.

Результаты диссертационной работы приняты к использованию Федеральным Управлением автодорог Центральной России (ФУАД ЦР). Предложенные автором математические модели и алгоритмы программных средств вычислительной техники используются в МАДИ (ГТУ) при преподавании дисциплин студентам первого («Аппаратные и программные средства информатики»), второго и третьего курсов («Компьютерная графика») специальности Прикладная математика.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• Международном транспортном форуме по проблемам безопасности дорожного движения (г.Москва, Кремль, Государственный Кремлевский дворец, 15 декабря 2004 г.);

• семинаре «Научно-практические задачи развития автомобильно-дорожного комплекса в России», (г.Москва, МАДИ, 26 октября 2005 г.);

• IX Международной конференция «Интеллектуальные системы и компьютерные науки» (г.Москва, МГУ, 23-27 октября 2006 г.);

• семинаре «Научно-практические задачи развития автомобильно-дорожного комплекса в России» (РАН, МТУ СИ, 27 ноября 2007 г.);

• выставке «Достижения МАДИ (ГТУ)» (2005-2007 гг.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 работ, в том числе 2 статьи, включенные в Перечень ведущих рецензируемых научных изданий ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, основных и общих выводов, библиографического списка из 101 наименования и 4 приложений.

Заключение диссертации по теме «Управление процессами перевозок», Кузьмин, Дмитрий Михайлович

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Основное внимание данной главы уделено системам технического зрения, используемым в дорожной отрасли. В данной главе автором проведен подробный обзор существующих систем технического зрения по организации мониторинга транспортных сетей, дано описание алгоритмов их работы и оценка качества функционирования. Приведено аналитическое исследование предмета разрабатываемой системы мониторинга дорожного покрытия и характеристик автотранспортных потоков, организации и управления.

Для реализации цели построения технологии интеллектуального мониторинга автотранспортных потоков и состояния автомобильных дорог автором поставлены следующие задачи:

1. Разработать систему технического зрения для реализации задач анализа и распознавания изображений.

2. Разработать алгоритм построения системы технического зрения для мониторинга автотранспортных потоков.

3. Разработать алгоритмы построения системы технического зрения для мониторинга состояния дорожного покрытия и дорожной инфраструктуры.

4. Разработать алгоритмы и модели сбора, хранения, автоматической обработки, обновления и представления данных о качестве обслуживания дорог для их систематизации и учета.

Современная аппаратно-программная база позволяет создать относительно недорогую систему интеллектуального мониторинга. Реализация комплексного мониторинга автотранспортных потоков и получение большого массива данных позволяют создать систему принятия решений и управления за дорожным движением на магистралях страны. Реализация задачи мониторинга состояния дорожного покрытия связана с качеством движения всего парка АТС, а своевременное управление ремонтным процессом позволяет повысить качество обслуживания всей сети.

ГЛАВА 2. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ЗАДАЧИ МОНИТОРИНГА

В данной главе диссертационной работы автором приведено описание технологии построения системы работы ЭВМ с цифровыми устройствами для реализации системы технического зрения.

Важность связи между различными компонентами и устройствами в компьютерной технике очень важна. Не менее важен и выбор типа устройства и принцип реализации работы с ним. На современном этапе развития компьютерной инженерии пользователю представлен широкий ряд технических устройств, с которым он может осуществлять связь. Приведенные технологии мониторинга и сбора данных основаны на связи с устройствами видео- и фотонаблюдения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кузьмин, Дмитрий Михайлович, 2008 год

1. Рис. 12, Структура программной реализации

2. Рассмотрим технологию мониторинга и анализа изображений, полученных с использованием камер цифрового видеонаблюдения, как информацию входных данных внешних устройств (рис. 12).

3. В процессе разработки технологии по мониторингу транспортных потоков были использованы и внедрены все из перечисленных типов устройств. Рассмотрим технологии получения и передачи изображений с устройств, описанных выше.

4. Современный видеоряд базируется на цифровой основе, однако практически все цифровые видеоформаты до сих пор в качестве носителя исходного сигнала используют пленку с последовательным доступом.

5. Цифровое видео характеризуется четырьмя основными факторами: частота кадра (Frame Rate), экранное разрешение (Spatial Resolution), глубина цвета (Color Resolution) и качество изображения (Image Quality).

6. Величина каждого отсчёта заменяется округлённым значением ближайшего уровня квантования, его порядковым номером.

7. Таким образом, информация об изображении, представленная в цифровом виде, может быть передана на жёсткий диск компьютера для последующей обработки и монтажа без каких-либо дополнительных преобразований.

8. Запись на ленту производится со скоростью 25 кадров в секунду. Кадру на DV-ленте соответствуют 12 наклонных строк, которые содержат видеоданные, информационно связанные с ними аудиоданные, а также адресно-временной код (timecode).

9. Рис. 13. Полный видеокадр, состоящий из двух полей

10. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ЦИФРОВЫМ УСТРОЙСТВОМ

11. Рассмотрим архитектуру программной реализации взаимодействия с цифровым устройством для решения прикладных задач.

12. Рис. 15. Компоненты DirectX Foundation Программное взаимодействие с данными компонентами позволяет разработчику получить доступ к работе программной архитектуры компьютера, в частности, к работе со звуком, анимацией, видео.

13. Audio Capture Захват аудиопотока

14. AVI Compressor Сжатие потока AVI

15. AVI Decompressor Декомпрессия потока AVI1. AVI Draw Вывод AVI файла

16. AVI/WAV File Source Чтение AVI файла

17. DV Video Decoder Декодирование DV видеопотока

18. DV Video Encoder Кодировка видеопотока

19. MSDV Driver The Microsoft® Windows® Driver Model (WDM) драйвер для видеокамер формата DV