上海市保安服務總公司研制開發的嵌入式一體化高清機動車違法 占用公交專用道監測系統，爲構建 “人文交通、科技交通、綠色交通”爲 特征的新上海公共交通體系抹上瞭(le) 濃重一筆(bǐ)，也進一步落實上海市政府 提出公共交通優先發展策略，有效 地提高公交出行效率 ，目前該公司在 2012年已經完成在127路公交車安裝高清機動車違法占用公交專用道 監測系統項目，系統正在穩定可靠運 行，有效地改善瞭(le)公交專用道被占用 情況，取得瞭(le)較好的經濟效益。
系統概述
爲瞭(le)切實保障“公交優先”、“市 民優先”戰略的順利實施，加大對非公交車輛“違法駛入公交專用車道” 違法行爲的查處力度，根據公安部有 關要求，依據《道路交通安全法》、《道 路交通安全違法行爲處理程序規定》規 定，交警總隊提出通過在公交車上安裝 “電子警察”設備(bèi)，記錄非公交車輛違法 駛入公交專用車道的創新執法模式，強 化社會車輛違法占用公交專用道違法 行爲的整治力度和震懾作用 ，同時也能 有效監督公交車不占用社會車道，做到公交車輛與非公交車輛各行其道，提高 城市交通管理水平的目标。
機動車違法占用公交專用道檢測系統前端採集違法車輛數據 ，包括識别數據 、抓拍圖片、視頻錄像 ，在本 地進行存貯的同時，採用Wi-Fi無線 局域網方式 ，按照一定傳輸機制傳輸 至公交場站數據服務器，再以人工定 期取盤方式将數據彙總至數據採集 中心，進行無效數據的剔除與中心存 儲 ，並(bìng)按照一定數據規格要求，将違 法車輛數據導出。電子警察運營部 門在對導入的違法車輛數據進行確(què) 認判斷後，交換至公安内網違法車輛 數據庫，以進行執法處罰。
系統設計
一、概述
機動車違法占用公交專用道監 測(cè)系統運用高清智能攝像機+高集成度智能控制主機+Wi-Fi無線傳輸 技術+GPS定位技術採(cǎi)用自主研發 專門技術集成而成。整個系統採(cǎi)用低功耗設計，可以採(cǎi)用公交車供電方 式運行。另外，系統採(cǎi)用無線數據傳 輸方式 ，使得該系統高度精簡，可以 安裝在公交車的車頭或車尾，随車一 起對全程路段進行監控。
系統採(cǎi)用高清智能200萬像素攝像機，不但可以看清占道車輛車 牌還可以顯示整個車身及占道地點 的周邊環境，保證抓拍圖片中包含 車身 、車牌、車道線等細節信息，真 正做到執法依據充分 。另外 ，高清 智能攝像機中固化的DSP芯片集 成視頻算法程序，在集成化的主控 制器抓拍指令觸發下對占道車輛行 爲進行自動分析檢測 、跟蹤，從而實 現對機動車違法占用公交車道行駛 的情況進行抓拍，對於(yú)抓拍結果系 統可自動對其進行車輛号牌自動識 别。 本系統具有成像質量高、抓拍圖 片效果好、沒備集成度高、安裝方式 靈活等特點，必将成爲保障公交車輛 正常運行、發揮公交車道作用的有力 技術手段。
（一）系統結(jié)構(gòu)示意圖。
“機動車(chē)違法占用公交專用車(chē)道監測(cè)系統”系統結構示意如圖1。
（二）前端工作流程圖。
如圖(tú)2所示系統(tǒng)前端工作流程圖(tú)。
滿(mǎn)足違法占用專用公交車(chē)道期待抓拍條件有 ：
1．違法地點確(què)認 ，在公交專用車(chē)道内 。
2．違法時間確(què)認，在禁止社會車(chē)輛駛入專用公交車(chē)道時間段内，上海規定上午 ：7：00至10：00，下午：16： O0至19：00。
3．非公交車輛確認 。
滿足上述三項條件，系統開始抓拍，並(bìng)對違法嫌疑車(chē)輛進行跟蹤，複合抓拍條件，系統自動保存違法圖片和視頻錄像 。
二、系統組成說明 。
（一）GPS行駛路徑檢測(cè)和定位 單(dān)元 。
系統採(cǎi)工業級的GPS模塊，採(cǎi) 用USB供電方式，功耗僅爲0.5w，設 備運行穩定 ，接收信号準確(què) ，定位前端設備裝載車輛的位置，確(què)定車輛行 進路段，保證違法行爲發生地在公交 專用道區段内。
（二）違法占用公交專用道違法 行爲和車(chē)輛檢測(cè)單元。
車輛檢測(cè)單元主要完成對通過 對監控區域的車輛進行檢測(cè)，返回車 輛信息，本方案採(cǎi)用採(cǎi)用視頻檢測(cè)的方式 。
視頻檢測是一種基於(yú)視頻圖像 分析和汁算機視覺技術對路面運動 目标物體進行檢測分析的視頻處理技術 ，採(cǎi)用汁算機智能算法對視頻直 接進行分析，通過對連續視頻圖像的分析，跟蹤監控區域裏行駛的機動 車，依據違法行爲的判定條件，通過 分析對違法駛行的機動畫進行抓拍和記錄。基於(yú)視頻圖像處理的電子 警察系統監視面積大，信息豐富，能提供多種交通信息。電子警察系統作爲智能交通系統（ITS）的一部分 ，發展基於(yú)視頻檢測的電子警察系統也是其發展的必然方向。
（三）圖像採集單元 。
系統圖像採(cǎi)集抓拍部分是整個系統工作的基礎，圖像質量的好壞、 可靠的抓拍是決定違法抓拍效果和 車(chē)牌識别率直接因素。因此 ，本系統 中我們採(cǎi)用專門設計針對智能交通 ( ITS)領域應用的高清晰工業攝像機 以達到系統設計的目的 。
攝像機均採(cǎi)用索尼CCD，200萬 攝像機分辨率爲1600*1200，幀率達 到l 5幀／秒 ，能捕獲所有過往車輛， 確(què)保視頻及線圈檢測效果，拍攝圖像 清晰反映車輛所有信息。
（四）錄像單元。
錄像單(dān)元爲高清錄像，高清錄像爲利用抓拍攝像機的雙碼流輸出功能，能輸出百萬像素高清視頻，壓縮 方式均爲H.264，MPEG-4。錄像可根據需要錄取違法錄像，進行本地和中心的存儲(chǔ) 。
（五）網絡單元
網絡單元包括網WIFI發射設 備(bèi)或者3G路由器等 ，用於(yú)前端電子警察設備(bèi)中心和的聯網，系統支持 WI-FI和3G網絡。
（六）防雷單元。
防雷單(dān)元主要包括防雷器及接 地等，避免雷擊造成的沒備(bèi)損壞 、使用壽命降低、數據幹擾丢失等現象發 生。
三、系統(tǒng)基本功能 。
（一）高清視頻流檢(jiǎn)測(cè)功能 。
系統採(cǎi)用單高清200w視頻流 檢測方式，所獲得到的違法圖片質量整體清晰通透 、檢測場景較大、機動 車違法過程明顯、車型車體車牌号碼 清晰可見、道路信息标識标志反映準 確(què) ，如圖4所示。
當車輛駛入監測區域時 ，系統将 會快速地檢測到這一變(biàn)化，並(bìng)通過 對這一變(biàn)化進行分析處理來判斷是 否爲車輛通過 ，當檢測到有車輛通過 時，系統會立即保存該車的車牌識别圖片並(bìng)上傳至中心 ，指揮中心可以實 H寸分析比對回傳數據打擊逃逸、盜搶 等布控車輛。
（二）車(chē)輛牌照自動(dòng)識别功能。
系統可以根據抓拍的圖片對車(chē) 牌号碼進行自動識别、車(chē)牌顔色識 别 、車(chē)牌結構識别，單(dān)車(chē)号牌識别時 間≤200ms。可識别的字符包括 ：
1、車(chē)牌識别的範(fàn)圍包括：
92式車(chē)牌：大型民用車(chē) 、教練車(chē) （黃底黑字），警車(chē) 、武警車(chē)牌（白底黑 字），普通民用車(chē)（藍底白字），大使館 外籍汽車(chē)（黑底白字）； 92式貨車(chē)後牌照（雙行黃色車(chē) 牌）；02式牌照（白底黑字）；04式、07 式軍車(chē)牌照（白底黑字）。 所能識别的字符包括： “O至9”十個阿拉伯數字； “A至Z”二十六個英文字母； 省市區漢字簡稱(chēng)（京、津、晉 、冀、 蒙 、遼 、吉 、黑、滬、蘇、浙、皖、閩、贛、 魯 、豫 、鄂、湘、粵、桂、瓊、川、貴、雲、 藏 、陝 、甘、青、甯 、新 、渝、港、澳、台）； 軍用車(chē)牌漢字（軍、空、海、北、 沈 、蘭、濟、南、廣、成）； 其他車(chē)輛分類用漢字（警、學、 領、試 、農、挂、拖 、境）。
2．号牌識别系統採(cǎi)用多種基於(yú) 計算機視覺和機器學習的車牌定位、 識别算法，具有很高的系統穩定性和 通用性 。不會受到惡劣天氣（煙霧 、 雨雪 、強光），複雜環境（廣告牌，行人 幹擾），車牌污損（污迹、個别字符遮 擋）的影響。
對於(yú)拍攝質量不夠理想的圖像， 系統還會自動判斷並(bìng)採用各種圖像 增強技術對圖像進行矯正 ，例如對色 彩失真的圖像進行白平衡調整，對煙霧環境下進行去霧處理。
3．系統可以根據車牌顔色和車 輛特征對車輛進行分型。類型包括 ： 大型車、中小型車、警車、運鈔(chāo)車等。 對於(yú)民用車 ，以顔色爲主要依據，藍 色車牌對應的是中小型車輛，而黃色車牌對應的是大型車輛；對於(yú)其他類 型，綜合運用紋理 、顔色等特征判斷 車輛類型。
對於(yú)車身顔色 ，系統根據車牌位 置進一步確(què)定車身範圍，通過圖像處 理技術尋找關鍵點，然後利用機器學 習方法進行車身顔色的識别 。可進 行識别的顔色包括白色、黑色、紅色、 藍色、綠色、黃色 。
（三）行駛路段判别和雙黃(huáng)道線 識(shí)别功能。
系統根據GPS實時收集到的經 緯度坐标信息，智能機内部通過算法 匹配，對獲得到的經緯度信息進行的 坐标定位與方向判斷，來判别公交行 駛的線路以及行駛方向屬於(yú)公交專用道區段，系統内嵌智能識别算法 ， 通過視頻檢測(cè)可以識别公交專用道 雙黃道線，有效減小誤拍 。
（四）違法占用公交車(chē)道監測(cè)功 能。
系統安裝在公交車(chē)前或者車(chē)尾， 通過視頻分析機動車(chē)的車(chē)牌号碼 ， 並(bìng)實時判别GPS獲得的路段信息 ， 當發現有機動車(chē)占用公交車(chē)道行駛 時，系統可以對行駛在公交車(chē)前的機動車(chē)進行實時抓拍2至3張圖像 ， 同時保存15至55秒的機動車(chē)違法 占用公交車(chē)道的視頻錄像，以便反 映機動車(chē)違法行爲有據可依，有效 打擊違法占用公交車(chē)道行爲 。並(bìng)對 這類違法行爲進行自動記錄和數據 上傳。
系統還(hái)支持三種路段採(cǎi)用不同 的抓拍模式：
1．在直行的公交專用道且沿線 無車(chē)輛進出口的路段，視頻能夠(gòu)記錄前方專用車(chē)道内的社會車(chē)輛行駛軌迹。
2．在直行帶(dài)右轉的公交專用道 且沿線無車(chē)輛進出口的路段，視頻能夠清晰記錄在專用車(chē)道内行駛的社 會車(chē)輛直行或右轉的行駛軌迹 。
3．在直行的公交專用道且沿線 有車(chē)輛進出口的路段，視頻能夠(gòu)清晰記錄車(chē)輛進入路口和出路口的連續 行駛軌迹 。
（五）違法行爲高清視頻(pín)錄(lù)像功 能。
系統除瞭(le)採(cǎi)用圖片證據，另外增 加動态違法過程視頻錄像，增加違法處罰依據的嚴肅性 ，減少違法認定的 争議，且實現違法圖片與視頻關聯， 視頻證據作爲違法行爲的關鍵證據 。
採用動态視頻來取證機動車交通安全違法行爲 ，其動态視頻記錄符合相應的圖片特征要求，視頻記錄長 度與違法事件長度相關，一般時長不 小於(yú)55秒。用於(yú)機動車違法取證的 視頻，可以排除外界環境、安裝、鏡頭 漂移等因素的影響，原動态視頻記錄 幀中包括精確(què)的時間、地點、方向 ，可以看清車牌号碼 。
高清智能攝像機中的高清壓縮 編(biān)碼芯片 ，可向外輸出H.264高清視 頻編(biān)碼 系統安裝有SSD固态硬盤， 可對整個車輛的運行過程進行不間 斷錄像 ，錄像幀率達1 5幀／秒 。整個 畫面清晰流程 ，可用於(yú)取證和實時視 頻查看。
（六）前端數據(jù)存儲(chǔ)功能 。
系統抓拍的數據（圖片+錄像） 通過相機後面的USB接口存儲(chǔ)在 SSD固态硬盤上 ，硬盤容量大於(yú)或等 於(yú)64G，能保存7天以上的數據。
數據(jù)按照每條6M（數據(jù)+圖片 +視頻片段），每天500條，7天存儲(chǔ) 大小=6×500×7=21G，系統完全滿 足存儲(chǔ)要求
（七）系統校時功能。
系統通過GPS進行時鍾校對(duì)， 能夠保證24小時的誤差不大於(yú)ls。
（八）通信功能 。 在公交公司場(chǎng)站，通過(guò)Wi—Fi通
信設備(bèi)，每套系統可通過Wi-Fi傳(chuán)輸 模塊将數據自動上傳(chuán)彙聚到該沒備(bèi) 上。同時，系統支持人工取盤。
（九）斷點續傳功能。
當網絡傳(chuán)輸出現斷網、傳(chuán)輸不穩 定等情況時，會導緻數據不能正常傳(chuán) 送到中心平台。系統具備(bèi)斷點續傳(chuán) 功能，待網絡正常時系統能自動恢複 數據上傳(chuán)中心平台，保證數據的完整 性。
（十）異常自動(dòng)診斷(duàn)及自動(dòng)恢複 功能 。
系統具有異常自動診斷及自動 恢複功能，系統能自動檢測(cè)到系統故 障並(bìng)恢複正常工作，可以針對系統軟 件崩潰，硬件故障等事件做出恰當的 處理 ，保證系統在出現意外情況時實 現最大限度的可用性。
（十一）圖(tú)片合成與(yǔ)防篡改功能。
系統(tǒng)具有将如下圖(tú)片合成功能：
前端設備(bèi)獲取的違法車(chē)輛的4張圖片 ：3張違法過程全景圖片，1張号牌特寫圖片（從l張全景圖片中截取的）。系統完成2張違法圖片的合 成：l張将特寫圖片與截取特寫的這 張全景圖片進行合成；另一張将其餘2張全景圖片進行合成。
合成圖片上所貼文字按相應的技術(shù)标準設(shè)定。
系統通過圖片加水印的方法來實現圖片防篡改功能。抓拍主機抓 拍圖片時會對原圖加水印（水印在圖 片上不顯示），圖片通過網絡傳(chuán)輸到 中心管理服務器，中心管理軟件自動(dòng) 對每一張圖片進行水印驗證，在圖片 查詢中列出正常圖片、被篡改圖片等 信息。
（十二）前端設備管理功能
1．攝像機(jī)連接狀态統計(jì) 。
通過調(diào)試器實時監控前端攝像 機狀态 ，記錄攝相機的最後一次抓拍 結果與數據上傳(chuán)結果的時間，統計自 調(diào)試器啓動後，數據上傳(chuán)的數量。
2．攝像機參數管理 。
通過調試器可管理攝像機參數，修改攝像機IP地址，攝像機名稱、編(biān) 号，並(bìng)可設置車輛識别的區域，檢測 車牌寬度的範圍，沒置相機增益，曝 光時問，期望灰度等參數。
3．校時同步 。
在調(diào)試器啓動(dòng)時，程序自動(dòng)進行校時 ，将前端相機的時間與中心管理服務器同步，之後每隔一小時再進行 一次校時 ，如果某路攝像機校時不成 功，則凋試器一直對該路攝像機進行 校時。
4．實時圖像查看。
中心管理服務器可實時查看前 端攝像機(jī)的圖像 ，查看攝像機(jī)畫(huà)面質量，安裝角度等信息 ，時刻知道前端 攝像機(jī)的狀況。
（十三）路段與禁行時(shí)間(jiān)管理功 能。
1、路段管理。
在公交車(chē)安裝的GPS設備(bèi)将 GPS數據和攝像機的抓拍圖片一同傳回中心管理服務器，數據上傳工具 根據這些GPS數據，自動計算公交 車(chē)所在支隊信息。
2．禁行時間管理。
可設置每路公交車(chē)的禁行時 間，在禁行時間抓拍的結果不上傳到場(chǎng)站服務器，數據上傳工具自動 過濾。
（十四）遠程系統(tǒng)管理維護(hù)功能。
系統具備遠程維護及參數的設 置等功能 ，能通過網絡通信獲取系統運行的狀态和異常報警信息，便於(yú) 及時、準確(què)的發現系統運行存在的問 題；也可以通過網絡通信随時對系統 運行的參數、配置文件進行修改，便於(yú)針對不同的時期、場景或算法改進 時系統及時的進行更新。
系統具備故障自動檢測功能 ，能 通過軟硬件自動檢測系統故障並(bìng)恢 複正常工作。具有斷電自動重啓動、 自動偵錯報錯、自動監測主要設備 （攝像機、終端管理設備、服務器等） 和主要運行軟件的工作狀态（採(cǎi)集識别軟件、傳輸軟件等）等功能。
系統具備(bèi)權限管理功能，能夠對(duì) 不同對(duì)象分配不同類型的使用權限。
系統具備(bèi)日志記錄功能。可記 錄主要設備(bèi)、網絡狀态和主要運行軟件的工作日志，還能記錄設備(bèi)或者網 絡狀态改變(biàn)（重啓、或者重新連接）、主 要軟件發生重啓或故障等事件日志。
（十五）網絡(luò)建設(shè)運營成本低。
系統採(cǎi)用滿足帶寬要求的Wi-Fi 無線傳輸設備(bèi)，相比建沒安裝3G網絡系統整體後期運營成本較低，系統 建設費用低，維護方便，運營費用低。
（十六）系統(tǒng)嵌入式高度集成。
整個系統隻有三部分組成 ：高清 智能攝像機+Wi-Fi無線傳(chuán)輸設備(bèi)+GPS模塊，系統整體結構高度精簡。 其次高清智能攝像機、Wi-Fi無線傳(chuán) 輸設備(bèi)和GPS模塊均爲高集成化嵌 入式設備(bèi)，故障率低。使得系統安裝 維護量都很低。
四、系統性能指标。
如圖5所示。
五、違法占用公交專用道行爲檢(jiǎn)測(cè)原理。
（一）視頻檢測關鍵技術。
視頻圖像智能分析與檢測一直都是計算機視覺領域的一個難題，最 大的困難來自於(yú)該技術容易受到局 部光照條件變化、噪聲、現場環境不 可控等的影響、車輛圖像檢測區域背 景上産生的陰影往往被誤判爲車輛、 車輛在與背景相似的情況下，容易被 檢測爲背景、惡劣天氣如刮風、下雨、下雪等造成的視頻區域内圖像灰度、 亮度、等變化也在較大程度上影響著(zhe) 車輛檢測的效果。
爲瞭(le)避免背景環境造成的影響，系統引進瞭(le)自适應的學習策略，該方 法可以适應緩慢和突然的環境變化， 並(bìng)對自行車、行人等根據面積、長寬 比等規則結合形态學處理的方法進 行預處理，有效提高車輛檢測的準確 率。
根據監測(cè)目标在通行過程中所處階段不同系統所關注的重點也不 同這一特性，採(cǎi)用視頻跟蹤技術，結 合号牌識别和車型識别技術，系統能 夠實現對多種交通違法行爲的自動 檢測(cè)記錄。
本系統採用一種綜合性混合優化的計算機人工智能算法，利用大量 學習樣本訓練的特征庫，引入反饋型 學習策略來自适應環境的變化，提高 瞭(le)系統對環境的适應能力，結合對 自定義檢測區域信息的識别處理和 車輛的運動矢量軌迹兩方面的信息 來對車輛是否違法行判斷，並(bìng)採用形 态學濾波方式對噪聲進行預處理，大 大的提高瞭(le)對環境變化的适應能力。 與傳統的系統隻針對虛拟線圈所标 識的區域進行分析計算相比，本設計的算法能有效處理車輛被遮擋和車 速較快的情況，對環境的适應能力 強。
視頻跟蹤技術應用於(yú)目标確認 後通過監測區域事業範圍的全過程，該階段交通違法概率會明顯增加， 所以關注的重點爲監測目标是否發 生瞭(le)交通違法行爲。當目标觸發確 認後，系統通過視頻跟蹤檢測算法 對目标進行實時跟蹤，通過對目标 車輛的軌迹分析、預測和判别，适時 做出記錄決策。以往系統隻是把識 别的目标限定在虛拟線圈所标識的 區域，系統對光照和環境的變化非 常敏感，檢測率較低，而本系統則結 合對虛拟線圈所标識的區域信息的 識别處理和車輛的運動矢量軌迹兩 方面的信息來對車輛是否有違法占 道行爲進行判斷，這樣就大大的提 高瞭(le)對環境變化的适應能力。爲保 證跟蹤的準確性、實時性以及持續 性，系統綜合瞭(le)目前國際上最流行 的幾種跟蹤算法，採用車身跟蹤方 式，基於(yú)車輛輪廓的跟蹤算法能提 高區分前後跟車的準確性，即使車 輛無車牌，也能捕獲與跟蹤，同時效 跟蹤的距離得以大幅度延伸，爲從 容判斷目标行駛軌迹創造瞭(le)極爲有 利的條件。
（二）違(wéi)法占用公交專用道實(shí)現 原理。
如圖6所示，系統安裝在公交 車輛前端駕駛台，系統通過GPS定 位實現公交專用道區段判斷，在公 交專用道區段且在社會車輛禁止駛 入的時間段系統自動内啓動監控， 系統内置公交專用雙側(cè)黃道線自動 檢測功能，當社會車輛進入監控區 域，系統開始啓動抓拍三張圖片，同 時開始高清錄像，系統開始跟蹤和 判斷，滿足系統設定的準則，系統停 止錄像並(bìng)保存數據，通過路段勘察， 我們發現有兩種渠化類型的公交專 用道：
第一種：在直行的公交專用道且沿線無車輛進出口的路段。如圖7 所示，這種類型路段稱之爲全路段執 法監控路段，隻要發現非公交車輛駛 入，且在禁行的時間段内，系統就可以馬上啓動抓拍，並(bìng)開始錄像跟蹤， 錄像終止可以通過設定錄像時長(zhǎng)來 完成。
第二種：在直行帶(dài)右轉的公交專用道且沿線有出入口的路段。如圖 8所示，系統要在公交車(chē)道路段内起 拍，且視頻跟蹤到下一個路口，且再 次進入公交車(chē)道内爲違法有效數據，根據上述規則，我們認爲圖中三輛車(chē) 違法認定如圖9所示。
六、實(shí)拍違法占用公交專用道行爲高清圖(tú)片。