电子警察系统分析

电子警察实例图

一、受众要求##

1. 系统通过记录经过卡口的每一辆车的图像信息，实现了按照通过时间、通过地点、车牌号码等多种形式的查询，可以协助干警确认肇事车辆。
2. 系统还能用于车辆布控和追逃。系统能对经过监控点的每一辆车进行图像记录和牌照自动识别，并自动与在逃车辆的牌照信息进行比对，如果特征符合，立即进行报警拦截，协助相关部门破案。

3. 超速违章纠正。本系统可对公路上行驶的车辆进行速度测定.超速行驶是发生交通事故的主要原因，为减少交通事故发生率，确保道路畅通，可在系统主界面上设定限速指标，一旦发现车辆超速，系统能将车辆主要信息传送交警执法点供违章纠正。

4. 流量统计和车速统计。系统采用目前最为稳定和可靠的环形线圈车辆检测器，可以精确的提供车流量数据和车速数据，从而为交通规划、道路建设、交警执法提供有效的基础数据支持。

二、主要功能##

1. 识别车辆牌照：系统能够自动处理牌照特写图片，并识别出车辆牌照信息。
2. 抓拍并存储车辆图片：系统检测车辆，当车辆通过检测区的时候，系统能够准确地拍摄通过车辆的牌照特写图片和车辆全景图片各一张。

• 牌照特写图片清楚地反映了车辆牌照特征，可以用于机器识别或人工辨认牌照信息。
• 车辆全景图片可以供人工辨认车辆的车型、颜色等信息。

3. 测量车速：使用测检器测量通过车辆的行驶速度和车辆长度。有利于提高测量数据的精度。测量的数据最后送给识别工控机处理。

4. 实时报警：实时报警分为两种，一是超速报警；二是布控车辆报警，它们都依赖系统实时采集的基础数据。

• 超速报警：用户可以根据实际情况在系统中设置速度限制，当测量的车辆行驶速度超过限定速度的时候，系统能够实时发出警报，同时，该车辆的各种信息也被保存到数据库。

• **布控车辆报警
  **：系统中可以输入布控车辆（黑名单）的车牌号，车牌号中可以包含通配符。当系统识别的车牌号符合布控车辆的特征时，系统会实时发出警报，同时，该车辆的各种信息也被保存到数据库。

5. 车辆信息管理：通过卡口车辆的各种信息（时间、地点、牌照、速度、车型、图片、报警信息等）都会保存到数据库（图片以文件方式存放，数据库中保存其文件名）中。同时，系统提供灵活、方便的手段让用户搜索、浏览车辆信息历史数据。

三、系统要求##

1. 系统应具备良好的可扩充性、可移植性和兼容性，充分考虑到了系统的发展因素，预留扩展接口。

2. 系统功能全面、完善、安全、稳定而可靠。确保系统指挥中心管理部分、通信网络部分和路口控制部分等一系列的设备和信息传输链路24 小时不间断应用。不受天气变化的影响（包括台风、暴雨和打雷等）。

3. 捕获率和有效率白天车辆号牌识别率应不小于90%，号牌识别正确率应不小于85%；夜间车辆号牌识别率应不小于85%，号牌识别正确率应不小于75%。

四、系统设计##

1. 路口控制系统组成及工作原理

路口控制系统由车辆检测、图片采集、数据处理和通讯四个模块组成。

1. 车辆检测部分的功能是实时检测车辆的移动，并将相关信息传递给工控机，车辆检测方式主要有环形线圈检测、视频检测、红外、雷达以及激光检测等方式。
 
2. 图片采集

如果有车辆经过，该模块将自动采集车辆图片；

3. 数据处理该模块将自动识别车牌号码，并与黑名单进行比对，执行报警操作，如果检测到超速违章，也会执行报警操作；
 
4. 通讯模块

通讯模块负责建立路旁设备和中心设备的网络连接。

2. 设计要点和技术实现

系统的组成和工作流程可知，系统结构非常清晰，工作流程简单。但如果能够满足客户的需求，在方案设计和技术实现上需要做出全盘的周密考虑。

1. 系统稳定性
   ：系统稳定性是整个设计最为关键的部分。
   本系统要求能够24小时全天候工作，能够承受各种恶劣天气的影响，平均无故障连续工作时间（MTBF）超过2400 小时。纵观整个系统，最为核心也最为脆弱的是工控机。为保证工控机系统稳定可靠进而提高系统的可靠性，我们采取了以下措施：

- 首先在本设计中工控机选用台湾研华工控主板。
    1. 台湾研华在工控领域的声望在全球都是屈指可数的，该公司的产品广泛地用于恶劣环境的工业控制领域，产品质量优异。
    2. 合理分配计算机资源，确保系统资源有足够的冗余。
    3. 由于视频采集大量耗费系统资源，我们的设计方案采用Intel P4 2.4G 处理器，同时严格控制视频信号的输入量，保证系统资源保持一定冗余。

    4. 每台工控机严格控制在4 路视频信号以内。否则，超大数据量的处理将导致照片的有效率大大下降，同时因为系统资源开销太大，将导致整个系统的不稳定。
                 

- 采用外部看门狗技术。一般系统的设计为防止工控机死机，一般使用主板自带的看门狗。但根据以往的经验，电子警察系统因为有大量的数据处理，硬盘长期使用后可能导致系统死机。主板的看门狗将自动重新启动工控机，但由于硬盘整理操作可能会需要较长时间，超过看门狗的重启时间（一般不超过5分钟），将导致工控机不停重启无法恢复，最终导致系统崩溃。

为解决这个问题，本设计中使用了中央控制器的外部看门狗功能。中央控制器定时与工控机通讯，如果超过规定的时间，中央控制器将通过继电器控制主板的Reset键，重启工控机。
如果在规定的时间还是无法和工控机正常通讯，将再次重启工控机并延长下一次重启的时间间隙。重启次数和时间间隙都可以自由设置。在实际应用中，该设计能够大大降低对人工现场维护的需要。
- 采用成熟的供电和视频防雷技术。
雷击是户外设备硬伤害的最直接原因。解决的方法是认真地、正确的、可靠的接地施工，同时安装相应的电源防雷器。
- 合理设计机箱。工控机的正常工作温度为0-60℃。而实际工作环境往往更加恶劣。机箱设计的合理性将直接影响整个系统的适应性。本设计使用的机箱具有防尘、防雨、防盗、隔热和温度自动调节功能。内部温度超过40℃，风扇将自动打开，促进散热；温度低于5℃时，加热模块开始加热。

2. 车辆检测方式的选择：车辆检测方式主要有环形线圈检测、视频检测、红外、雷达以及激光检测等方式。

- 环形线圈检测器的主要特点是工作稳定、检测精度高，但线圈不可移动，如果路口改造需要重新埋设线圈。但仍然是最常用的检测手段。
- 视频检测是近年逐步成熟的检测方式，主要特点是安装方便，可以任意设置监测区域，便于调整。主要用于高速公路及城市快速路的交通流量采集。其它几种检测手段很少用于治安卡口系统的车辆检测。    

>根据中华人民共和国公共安全行业标准<公路车辆智能监测记录系统通用技术条件>的规定：当车速在40km/h≤V 车＜120km/h的速度范围内，测速误差应在±6%之内；当车速在V 车≥120km/h范围时，测速误差应在±10%之内。

为了满足上述标准要求，确定在治安卡口系统中采用线圈检测方式，主要原因是线圈检测方式能够提供非常精确的速度测量，而视频检设备所提供的车速值的统计值相对可靠，而对点速度的测量是达不到要求的。

本设计使用的车辆检测器是Athenex四通道高速车辆检测器。该产品主要用于高速公路交通数据采集和城市交通控制自适应系统的车辆采集，工业级设计，能够适应恶劣的工作环境。
该检测器的核心技术是高速数字处理，振荡频率高达50MHz，灵敏度在0.01%-1.28% 之间15 级可调。四个通道高速切换轮流启振，杜绝相邻线圈串扰。响应时间极快，检测时间低于6 毫秒。极高的检测精度和极快的反应时间将大大提高违章记录的有效性。

3. 清楚拍摄高速行驶违章车辆的技术分析和技术实现

在拍摄高速行驶的车辆时，最容易遇到两个问题。一是产生“拖尾”现象，车辆轮廓不清晰，更无法分辨车牌；二是特写摄像机没有拍到车牌。“拖尾”现象主要是以下原因导致的：
1. 摄像机快门设置不合理，将快门速度提高至1/500 秒即可；

2. 图像采集的采集方式不合理。
>PAL 制式的摄像机，每秒钟快门打开50 次，产生2帧图像，而每帧图像由奇数场和偶数场构成的。组成一帧图像的相邻两场图像的时间差约为20ms, 以车速150 公里/小时来计算，两场图像中的车辆会有0.8 米的位移。在观看动态图像时，由于人脑的迟滞反映，图像会很流畅。但如果以帧采集的方式获取图片，则会得到一幅由两场组合的图像，画面中的车辆会出现重影—即“拖尾”现象，显然是不可能清楚的。如果车辆在画面中横向移动，这个现象更加明显。因此，应该采用场采集的方式获取截图。

3. 车辆检测器响应速度慢，图像采集卡同步速度慢，导致系统采集图片时，车牌部分已经离开摄像机拍照区域，发生空拍，有时候发生的全景中的车辆和特写摄像机所拍车辆不一致也是这种情况导致的。

为了能够看清车牌，尤其是使用车牌识别软件自动识别车牌。特写摄像机的有效景深一般不超过3米，否则车牌在画面中所占位置太小，无法辨认。而有些车辆检测器的响应时间超过40ms, 采集卡的同步采集时间达到50m，这样一个车速150 公里/小时的车辆经过线圈到系统可以拍到照片，车辆已经发生了超过3.6米的位移，离开了特写摄像机的取景范围；当然还有一种原因是车辆检测器发生误检。

我们是这样实现清楚拍摄高速行驶违章车辆的：

    1. 我们的设计中使用1/500 秒的快门速度，保证时速150 公里以下的车辆可以正常成像； 

    2. 本设计选用的北京大恒的QP-300 
四路高速图像采集卡。四路硬件独立采集，无切换延时，支持场采集。拍摄模式选用场采集模式，由于摄像机间隔20ms产生一场图像，该设计方式最多产生20ms的延时；

    3. 采用Anthenex 车辆检测器，响应时间低于6ms；检测准确，误检率低于1%； 

综上所述，记入工控机系统延时，从车辆离开线圈到拍到图片，总延时不会超过30ms。而150 公里/小时的车辆位移约为1.5 米，在摄像机的最佳拍摄点上。该车不可能离开特写摄像机的监控范围，避免空拍；采用单场采集技术，不会产生“拖尾”，采集下来的图片自动通过差分算法被还原，图像清晰。

4. 夜间补光设备选型的技术分析及依据
   治安卡口系统一般都安装在城市进出口，照明条件较差。由于我国各地车牌底色千差万别，在实际工程中发现当采用红外灯具时对于一些底色为蓝底和白底的车牌夜间根本无法分辨，因此为了提高夜间图像清晰度，通常需要加可见光照明装置。
   对于国道单车道一般选用200W～400W/220V 的PHILIPS 金卤灯一只，或三车道选用两套灯具，并由智能时间继电器控制开关。
   LED 灯作为一种冷光源，有着很多优点：

5. 全光谱光源，对所有颜色均有良好的补光效果；

6. 持续功率低，瞬间光强大；

7. 光源不散射，对车牌反光材料有非常好的适应性；

8. 瞬间可以达到最大光强，不需预热，

9. 不需要单独安装，固定在车牌特写摄像机护罩内即可。

控制方式一般采用视频同步。PAL 制式摄像机为了形成每秒25 帧图像，需要曝光50 次。LED灯控制电路可以采集到视频信号的同步头，每采集到一次同步信号，就发光一次，即每秒钟频闪50 次。通过调整相位差和发光时间，始终保持频闪与快门同步，在摄像机快门开启的时候恰到好处的补光，达到最佳效果。LED 灯不仅在夜间可以起到很好的补光作用，在白天摄像机逆光时，也能起到良好的补光作用。

3. 路口控制子系统的工作流程

4. **抓拍全景和特写图片
   **：车辆进入线圈时，车辆检测器将输出电平信号到主控制器上，主控制器随时将车辆状态传递给工控机，工控机控制视频采集卡同时采集全景摄像机和特写摄像机的图片。

5. **自动识别车牌号码
   **：获得车牌特写图片之后，车牌识别软件将自动在内存中识别车牌号码和车牌颜色,记录相应数据。并与系统预设的黑名单进行比对，如果有符合，立即进行本地和远程报警，从而便于公安人员进行布控和截车。

6. 判断是否超速：车辆继续行驶，在进入第二个线圈时，工控机立即开始计算此车辆的行驶速度，并与预设的限速值进行比较，如果车辆行驶速度超过限速值，系统会立即报警，并将报警信息通过网络传输到指挥中心。

7. 上传车辆信息：存储在工控机的大容量硬盘上的车辆图片，黑名单车辆图片和超速车辆图片即时上传。交通数据和车牌号码定时上传到中心服务器。同时可以根据中心的指令，将相应数据和图片上传。

8. 自动恢复工控机：为了保证工控机稳定工作，中心控制器实时监控工控机的状态，如果发现异常，中心控制器将自动重启工控机