本發(fā)明涉及道路交通檢測領(lǐng)域，具體涉及一種基于地面設(shè)備和無人機(jī)集群協(xié)同的稀疏路網(wǎng)立體化監(jiān)測布控方法。

背景技術(shù)：

1、目前，我國稀疏路網(wǎng)的道路交通監(jiān)控主要依賴于傳統(tǒng)的地面固定交通檢測設(shè)備，如線圈檢測器、紅外線檢測器、雷達(dá)檢測器、超聲波檢測器、視頻交通檢測器等傳感器檢測，通過這些檢測器提供點(diǎn)檢測的交通信息。我國中、東部地區(qū)的道路交通監(jiān)控主要通過在道路布設(shè)大量的固定型地面檢測器實(shí)現(xiàn)道路交通參數(shù)的采集、交通事件的監(jiān)測功能。稀疏路網(wǎng)所在區(qū)域地域廣袤、公路網(wǎng)密度低、道路里程長、交通流量小、節(jié)點(diǎn)間距大，如按照常規(guī)的交通檢測設(shè)備布設(shè)方法，會產(chǎn)生巨額的交通檢測設(shè)備購置、安裝、維護(hù)費(fèi)用。對于移動型交通檢測設(shè)備，如全球定位系統(tǒng)、電子標(biāo)簽技術(shù)、浮動車技術(shù),在快速路行駛條件下，至少需要15％～20％的車輛裝載有g(shù)ps、rfid設(shè)備，才能使得行程估計(jì)誤差小于5％。受稀疏路網(wǎng)所在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平限制，在當(dāng)前的社會經(jīng)濟(jì)條件下，固定型移動型交通檢測設(shè)備的高密度覆蓋難以在稀疏路網(wǎng)的道路中實(shí)現(xiàn)。而現(xiàn)有稀疏路網(wǎng)的道路交通監(jiān)控系統(tǒng)較難檢測到整條道路的交通運(yùn)行狀況信息，無法將交通事件的詳細(xì)信息較快地傳送至交通管理指揮中心，這大大降低了遠(yuǎn)距離交通事件尤其是交通事故救援的速度和效率，難以減少事故帶來的生命和財(cái)產(chǎn)損失。

2、針對上述問題，本發(fā)明提出了基于地面設(shè)備和無人機(jī)協(xié)同的稀疏路網(wǎng)監(jiān)測布控方法，在稀疏道路交通流基本不被交通事件中斷的條件下，能夠有效地對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，更經(jīng)濟(jì)更有效的檢測交通事故的發(fā)生。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于地面設(shè)備和無人機(jī)協(xié)同的稀疏路網(wǎng)監(jiān)測布控方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的以上問題，其具體方案如下：

2、s1.通過高清卡口系統(tǒng)、智能視頻攝像機(jī)進(jìn)行稀疏道路事件檢測，并根據(jù)交通事故預(yù)測和路段劃分對地面交通檢測設(shè)備布局進(jìn)行優(yōu)化；

3、s2.將無人機(jī)拍攝到的圖像信息進(jìn)行三維重建，并根據(jù)巡航路徑協(xié)同優(yōu)化方法和交通監(jiān)控區(qū)域劃分進(jìn)行空中交通檢測設(shè)備布局；

4、s3.地空協(xié)同的交通檢測設(shè)備布局優(yōu)化，包括靜態(tài)地空協(xié)同和動態(tài)地空協(xié)同。

5、優(yōu)選的，所述的一種基于地面設(shè)備和無人機(jī)協(xié)同的稀疏路網(wǎng)監(jiān)測布控方法，所述方法包括：

6、引入高清卡口系統(tǒng)、智能視頻攝像機(jī)進(jìn)行個(gè)體車輛的跟蹤與識別。當(dāng)車輛通過車體位置傳感器的敏感區(qū)域時(shí)，傳感器發(fā)送一個(gè)信號給圖像采集控制部分，采集控制部分控制攝像機(jī)采集一幅汽車圖像送至圖像預(yù)處理模塊，由預(yù)處理模塊對輸入圖像進(jìn)行簡單與處理后送入pc機(jī)內(nèi)，pc機(jī)內(nèi)的軟件模塊通過圖像的預(yù)處理、車牌提取、車牌圖像二值化、字符切分、字符識別等幾個(gè)環(huán)節(jié)，最終達(dá)到對車牌字符的再現(xiàn)，給出識別結(jié)果，并把識別結(jié)果和圖像存入數(shù)據(jù)庫中，留待以后車牌查詢、交通流量統(tǒng)計(jì)和收費(fèi)管理。當(dāng)車輛經(jīng)過監(jiān)控車道安裝的環(huán)形感應(yīng)線圈時(shí)，觸發(fā)高清牌照攝像機(jī)對車輛進(jìn)行拍照，照片被存儲在信息平臺中。

7、其中，高清卡口系統(tǒng)主利用車輛牌照比對方法，用于封閉路段的交通事件檢測；智能視頻攝像機(jī)主要用于交叉口(或立交橋區(qū))處的人工或自動視頻監(jiān)測，且智能視頻攝像機(jī)在封閉路段處可作為高清卡口的冗余補(bǔ)充設(shè)備。

8、優(yōu)選的，所述的一種基于地面設(shè)備和無人機(jī)協(xié)同的稀疏路網(wǎng)監(jiān)測布控方法，進(jìn)行路段交通事故的預(yù)測，并按定長法或不定長法確定路段長度；在布局地面交通檢測設(shè)備時(shí)，要以道路的安全性分析為基礎(chǔ)，直觀地，道路安全性水平差的地方交通檢測設(shè)備的布設(shè)密度大，道路安全性水平好的地方交通檢測設(shè)備的布設(shè)密度小。

9、某路段每年發(fā)生的交通事故數(shù)量可以通過以下方法預(yù)測：

10、s31統(tǒng)計(jì)研究路段的中平曲線的轉(zhuǎn)角和個(gè)數(shù)，各平曲線的轉(zhuǎn)角之和除以平曲線的個(gè)數(shù)記作a；

11、s32統(tǒng)計(jì)研究路段豎曲線的個(gè)數(shù)與各個(gè)豎曲線的角度、坡長，各豎曲線角度與坡長之比的總和除以平曲線的個(gè)數(shù)記作b；

12、s33計(jì)算各個(gè)豎曲線的坡長占總豎曲線的坡長之和的百分比乘以各個(gè)豎曲線的角度記作c；

13、s34統(tǒng)計(jì)通過研究路段大車的比例記作d；

14、s35用以下公式整合上述計(jì)算的值：

15、q＝e(-2676614+0.0071095a+0.2539616c+6.14963d)·f

16、其中p為預(yù)測研究路段每年發(fā)生交通事故數(shù)量，f為暴露變量。

17、優(yōu)選的，所述的一種基于地面設(shè)備和無人機(jī)協(xié)同的稀疏路網(wǎng)監(jiān)測布控方法，其所述路段劃分方法包括:布設(shè)高清卡口建模，假設(shè)道路長度為l，按定長劃分方法劃分為n個(gè)路段，布設(shè)的高清卡口數(shù)量總共有m+2個(gè)，對應(yīng)著m+1個(gè)高清卡口路段；按布設(shè)里程遞增，高清卡口的布設(shè)位置集合記為r＝{x0,x1,xm,…,xm+1}，其中，布設(shè)在道路起點(diǎn)的高清卡口位置記為x0＝0，布設(shè)在道路終點(diǎn)的高清卡口位置記為xm+1＝l。假設(shè)道路有n個(gè)交叉(或立交橋區(qū))，每個(gè)交叉口的道路起點(diǎn)里程記為s＝{p1,p2,…,pn}，每個(gè)交叉口(或立交橋區(qū))的道路終點(diǎn)里程為e＝{q1,q2,…,qn}，那么道路交叉口(或立交橋區(qū))的位置集合可記為y＝{y|pk≤y≤qk,k＝1,2,…,n}。

18、在建模過程中有以下假設(shè)前提：

19、(1)以稀疏道路條件下的道路事故空間分布特征作為基礎(chǔ)

20、(2)假設(shè)各定長劃分子路段內(nèi)的交通事故為均勻分布

21、(3)假設(shè)高清卡口的事件檢測環(huán)境在正常天氣條件下

22、(4)假設(shè)高清卡口記錄了所有進(jìn)出道路的車輛

23、(5)假設(shè)高清卡口的布局位置位于封閉路段

24、優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如下:

25、

26、約束條件如下：

27、d·(m+2)≤d

28、

29、式中：δmin表示高清卡口最小間距，δmax表示高清卡口最大間距，qi是高清卡口間隔路段的交通事故數(shù)量，f(xi-xi+1)是第i個(gè)高清卡口間隔路段的交通檢測事件檢測率與該卡口間距的關(guān)系，d是單一高清卡口的成本，d是總投資額。

30、優(yōu)選的，所述的一種基于地面設(shè)備和無人機(jī)協(xié)同的稀疏路網(wǎng)監(jiān)測布控方法，其所述無人機(jī)三維重建方法包括：

31、首先，在無人機(jī)按照規(guī)劃的航拍飛行路徑運(yùn)行中，從不同高度和角度航拍事故現(xiàn)場，生成一系列圖像序列；接著，在三維重建軟件中導(dǎo)入航拍照片(包括對應(yīng)的經(jīng)緯度、高度)，采用openmp多線程處理機(jī)制，先對圖像進(jìn)行尺度優(yōu)化，提取圖像中的gps信息，獲取鄰近圖元素之間的相對位置信息；再使用siftgpu特征提取算法并行提取圖像中的特征點(diǎn)，只對相鄰的圖片進(jìn)行特征匹配，從而快速的進(jìn)行圖像標(biāo)定；然后使用從運(yùn)動中恢復(fù)算法生成稀疏三維點(diǎn)云模型，使用基于面片的多維立體視覺算法生成稠密三維點(diǎn)云模型，開展三維點(diǎn)云模型的網(wǎng)格化、紋理化處理，優(yōu)化后輸出事故現(xiàn)場的數(shù)字表面模型和數(shù)字高程模型。

32、優(yōu)選的，所述的一種基于地面設(shè)備和無人機(jī)協(xié)同的稀疏路網(wǎng)監(jiān)測布控方法，其所述無人機(jī)的飛行路徑優(yōu)化方法包括：

33、s61.生成若干條無人機(jī)巡航路徑種群，每條巡航路徑的實(shí)數(shù)權(quán)重向量，以及對應(yīng)的鄰域巡航路徑；巡航路徑種群設(shè)置目標(biāo)函數(shù)參考點(diǎn)；

34、s62.以無人機(jī)的巡航路徑為基礎(chǔ)，考慮各種約束條件，進(jìn)行子路徑劃分，生成每條巡航路徑對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值；將目標(biāo)函數(shù)值最小的巡航路徑作為精英路徑，更新目標(biāo)函數(shù)參考點(diǎn)；

35、s63.計(jì)算精英路徑所在鄰域內(nèi)各巡航路徑的切比雪夫值，每條巡航路徑對應(yīng)有實(shí)數(shù)權(quán)重值和目標(biāo)函數(shù)值，則其對應(yīng)的切比雪夫值＝max{實(shí)數(shù)權(quán)重值x(目標(biāo)函數(shù)值-目標(biāo)函數(shù)參考點(diǎn)的值)}；當(dāng)精英路徑的切比雪夫值≤鄰域巡航路徑的切比雪夫值，則用精英路徑代替鄰域內(nèi)其他巡航路徑，更新無人機(jī)巡航路徑種群，實(shí)現(xiàn)精英策略；

36、s64.設(shè)置交叉和變異概率，對所有巡航路徑進(jìn)行交叉和變異操作，提高飛行路徑的多樣性；

37、s65.計(jì)算經(jīng)過交叉、變異后的巡航路徑種群的各巡航路徑目標(biāo)函數(shù)值，找出目標(biāo)函數(shù)值最小的巡航路徑作為精英路徑，更新目標(biāo)函數(shù)參考點(diǎn)；

38、s66.計(jì)算步驟s65中所得精英路徑所在鄰域的各巡航路徑的切比雪夫值，當(dāng)精英路徑的切比雪夫值≤鄰域巡航路徑的切比雪夫值，則用精英路徑代替鄰域巡航路徑，更新無人機(jī)巡航路徑種群，實(shí)現(xiàn)精英策略；

39、s67.進(jìn)行循環(huán)迭代，計(jì)算出最佳無人機(jī)的巡航路徑，得到相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值。

40、優(yōu)選的，所述的一種基于地面設(shè)備和無人機(jī)協(xié)同的稀疏路網(wǎng)監(jiān)測布控方法，如圖3所示，其所述監(jiān)控區(qū)域的劃分方法包括：

41、監(jiān)控對象選擇，根據(jù)稀疏道路的交通安全水平評價(jià)，將道路安全性水平不高的路段、交通節(jié)點(diǎn)(如立交橋區(qū)、服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站等)作為無人機(jī)的交通監(jiān)控對象。

42、監(jiān)控區(qū)域劃分，根據(jù)無人機(jī)監(jiān)控對象的空間分布，對監(jiān)控對象進(jìn)行聚類，不斷增加監(jiān)控區(qū)域的數(shù)量，滿足每一監(jiān)控區(qū)域有一架無人機(jī)，且能滿足無人機(jī)的最大飛行距離約束。

43、區(qū)域內(nèi)飛機(jī)路徑規(guī)劃，無人機(jī)在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，從基地出發(fā)，巡視所有監(jiān)控對象一遍，再返回基地，要求無人機(jī)的巡航路徑最短。

44、優(yōu)選的，所述的一種基于地面設(shè)備和無人機(jī)協(xié)同的稀疏路網(wǎng)監(jiān)測布控方法，所述靜態(tài)的地空協(xié)同的方法包括：

45、根據(jù)交叉口、路段的重要程度(如交通安全水平較差的交叉口、路段)，考慮交通投資的約束，在相關(guān)交叉口、路段安裝交通檢測設(shè)備，進(jìn)行道路交通監(jiān)控；針對未布設(shè)交通檢測設(shè)備的交叉口、路段，分配給無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，從而對傳統(tǒng)的地面交通監(jiān)控進(jìn)行有效補(bǔ)充。

46、優(yōu)選的，所述的一種基于地面設(shè)備和無人機(jī)協(xié)同的稀疏路網(wǎng)監(jiān)測布控方法，如圖4所示，所述動態(tài)的地空協(xié)同方法包括：

47、車輛載運(yùn)多架無人機(jī)，無人機(jī)從車輛起降；位于車輛的地面控制站，進(jìn)行車輛、無人機(jī)偵察目標(biāo)的分配，并給出車輛、無人機(jī)的巡查/巡航方案；當(dāng)存在突發(fā)的交通監(jiān)測需求，車輛(地面控制站)進(jìn)行無人機(jī)(集群)的巡航路徑動態(tài)規(guī)劃，然后，無人機(jī)(集群)按新的規(guī)劃路徑進(jìn)行巡航偵察；無人機(jī)在空中進(jìn)行交通監(jiān)測，監(jiān)測到事故后，無人機(jī)通過機(jī)載相機(jī)或機(jī)載雷達(dá)獲取事故現(xiàn)場的圖像和點(diǎn)云信息，并返回給車輛(地面控制站)；最后，基于圖像和點(diǎn)云信息，開展事故現(xiàn)場的重建研究。

48、本發(fā)明提供一種基于地面設(shè)備和無人機(jī)協(xié)同的稀疏路網(wǎng)監(jiān)測布控方法，具有提高稀疏路網(wǎng)監(jiān)控覆蓋率、優(yōu)化信息傳輸與響應(yīng)效率、降低運(yùn)維成本方面的有益效果：

49、1、基于地空協(xié)同監(jiān)測機(jī)制，通過地面高清卡口系統(tǒng)、智能視頻攝像機(jī)與無人機(jī)集群的異構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)融合，建立三維立體化監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)稀疏路網(wǎng)全面感知，提高交通事件檢測覆蓋率；

50、2、通過地空協(xié)同，交通事故信息快速傳輸至指揮中心，結(jié)合地面設(shè)備拍攝的高清圖像與無人機(jī)三維重建，提供全面的現(xiàn)場信息，輔助指揮中心精準(zhǔn)決策，縮短救援響應(yīng)時(shí)間；

51、3、地面設(shè)備布局優(yōu)化減少冗余設(shè)備部署，同時(shí)無人機(jī)靈活補(bǔ)位，降低硬件投入成本，且車牌識別流程全自動化，減少人工干預(yù)需求，降低長期運(yùn)維的人工成本。