４２ 交通与计算机２００８年第５期第２６卷总１４４期 信号交叉口非机动车道混合交通流特性研究＊ 刘金广 于 泉 荣 建 刘小明 （北京工业大学 北京１００１２４） （北京市交通委员会 北京１０００５３） 摘要为了便于分析、研究城市微观混合交通特性，把视频分析系统引入到微观交通分析领域。分 析了视频分析系统应用于微观交通特性分析的适用性，以北京市平乐园路口为例，对高峰时段的非机 动车道混合交通特性进行了分析，通过视频分析结果可以发现，非机动车道混合流具有明显的２阶段 性质，在第１个阶段以一个团体形式通过，第２个阶段则是随机通过路口。 关键词 视频分析；混合交通；微观交通特性 中图分类号：Ｕ４９１ 文献标志码：Ａ 混合交通现象是我国城市交通的显著特征之 一值，而丢失了包括车辆长度、宽度和运动轨迹等特 征，所以很多微观交通参数不能够获取，并且未能 充分利用视频图像信息。 车辆跟踪法的工作原理为，通过识别出交通 ，也是造成城市交通拥堵的重要原因之一，因此 研究混合交通微观特性是研究、缓解交通拥堵问 题的重要基础。微观混合交通特性研究方法通常 有人工实地调查法，设备试验调查法＿１ ］。这些检 场景图像中符合车辆特征的像素，进行图像分割， 并依据提取出的特征来匹配前后帧中的研究目 标，从而计算交通参数。理论上讲，车辆跟踪法比 测方式都可节省大量的人力，但是对于交通参数 的获取方面存在着差异，并且对于非机动车以及 行人微观交通参数的检测不能够很好的发挥作 用 ］。视频检测方式由于具有检测范围大，可保 存可回放等特点，可以为展开交叉口混合交通特 性的研究提供分析基础。本文运用了视频分析方 法，引入了专业视频分析系统，介绍了分析流程， 并通过实例对混合交通微观特性进行了初步分 析。 虚拟线圈法更为复杂，能够分析的更为细致。但 是运用该方法的困难在于特征的提取和特征的跟 踪。首先，特征必须有代表性，图像中的车辆都具 备该特征且各不相同；其次，同一车辆在不同帧图 像中的特征应该具有相关性，能够具有较好的对 应关系。此方法可以得到很多微观交通参数，并 且更加充分的利用了视频图像信息。 １ 视频分析在交通领域中的应用 当前应用在交通领域的视频检测产品，按照 工作原理大体可以分为２类：虚拟线圈法和车辆 ２视频分析系统的适用性分析 城市交叉口的交通组成是一种混合交通，包 括机动车、非机动车以及行人，这种混合交通流在 不同时刻发生着不同的位移变化。视频分析系统 的工作原理就是基于视频图像，按照虚拟线圈法 或车辆跟踪法原理对研究运动目标进行分析，车 辆跟踪法能够更加充分的利用视频图像信息，可 以获取多个微观交通参数，如可以比较精确的获 取运动目标的位移、速度、加速度等参数。因此利 用视频分析系统可以进行城市微观交通特性的分 跟踪法＿６］。虚拟线圈法的工作原理类似于地埋式 线圈检测器，用户可以在视频图像上定义检测器 位置，系统通过计算检测线变化强度来判断车辆 的经过，从而计算交通参数。该方法的优点是大 大减少了数据处理时间，在满足实时要求的前提 下完成交通流量、速度的检测。由于该方法仅仅 可得到有无车辆通过采样线位置这一惟一的特征 收稿日期：２００８—０５—２０ 析，可以非常方便的获得选定运动目标的瞬时速 度、瞬时加速度以及瞬时位移变化。以往的调查 实验方法，往往只可以获取运动目标的平均速度 和平均加速度，而基于视频分析系统不仅可以得 到运动目标的瞬时位移变化，并且还可以得到运 动目标的瞬时速度以及瞬时加速度，为更为详细 ＊十一五国家科技支撑计划重点项目（批准号： ２００６ＢＡＪＩ８Ｂ０３）、北京新城（怀柔）智能交通管理示范 工程（批准号：ＺＯ７０５Ｏ６Ｏ１８ＯＯ７ＯＩ）、北京市教委科技 创新平台资助项目（批准号：１０２ＫＢ００７７６）资助 信号交叉口非机动车道混合交通流特性研究——刘金广 于 泉 荣 建等 ４３ 的分析混合交通流的实时微观交通特性提供了平 台。为了更加有效、方便地研究微观混合交通特 性，我们采用了一款德国的视频分析软件ＳＩＭＩ。 ２．１ ＳＩＭｌ系统简介 形式通过路口；第２个过程为混合流随机的通过 路口，２个过程中都会受到转向机动车的影响。 本文选取了北京市平乐园路口为例，平乐园 路口是一个标准的４相位信号控制交叉口。基于 视频分析的方法，运用ＳＩＭＩ系统对通过交叉口 人行道内的非机动车流微观交通特性进行了分 ＳＩＭＩ软件系统由德国ＳＩＭＩ公司在１９９２年 开发的，之后进行了不同版本的更新。ＳＩＭ１分析 系统可应用于体育运动的技术分析及教学，运动 医学，康复医学、人机工程学和动画制作等领域。 析，通过视频跟踪分析，验证了高峰时段非机动车 道混合流两阶段过程，可以为研究道路交通信号 其主要应用在运动项目的运动员数据分析，运用 ＳＩＭＩ系统可以方便分析运动生物力学，能够方便 准确的得到运动目标的速度、加速度、位移等变化 值。由于交通系统可以抽象为不同类型的运动物 体，因此可以借助这个视频分析平台，对交通系统 中的运动要素进行视频分析。 ２．２ ＳＩＭＩ系统的设计开发模块 ＳＩＭＩ软件系统具有４个数据计算软件模块： 数据数学处理模块；数据算术运算模块；角度距离 计算模块和数据平滑处理模块。数据数学处理模 块：具有２８种数学处理功能．，可对所选择的数据 进行微分，积分，傅立叶处理以及坐标系的平移和 旋转等。数据算术运算模块：具有１１种运算功 能。可对所选择的数据进行相加，绝对值，乘以常 数等。角度距离计算模块：具有１７种计算功能， 可计算得到平面和空间３点或４点所构成的角 度，以及平面和空间距离等数据。数据平滑处理 模块：具有９种数据平滑处理方法，有移动平均， 低通滤波和样条函数等。 ２．３ ＳＩＭＩ系统的特点 ＳＩＭＩ软件系统特点为：支持Ｗｉｎｄｏｗｓ９８／ ２０００／ＸＰ操作系统；友好的用户界面、便捷的项 目和数据管理；鼠标拖拽式操作，使用非常方便和 容易；可以和多种软件兼容匹配，系统分析的数据 可以以文本格式输出，应用于其他的电子表格软 件进行进一步的处理分析。 ３混合交通特性分析 进行城市信号交叉口非机车道混合交通流特 性研究，对于提高交叉口信号控制效率，提升道路 交叉口的通行能力，降低交叉口延误，改善运行秩 序以及保障交叉口交通安全等都具有重要的意 义＿８］。通过对于我国城市信号控制交叉口混合交 通流的调研，发现在高峰时段，非机动车道混合流 通过路口具有明显的特征，可以分作２个阶段过 程进行研究，第１个过程为混合流以一个团体的 控制策略，信号优化配时等提供理论基础，下面对 于具体的视频分析进行介绍。 视频采集时间为２００８年４月９日星期三， １７：ＯＯ～１８：Ｏ０。选取了一个周期，对东进口非机 动车道混合交通流进行了视频分析。这个周期 内，通过东进口非机动车道的混合交通样本量为 ４６个，其中行人通过２５人，其中由南往北１４人， 由北往南１１人；自行车通过１７辆，其中由南往北 １６辆，由北往南１辆；电动自行车３辆，方向都为 由南往北；脚踏三轮车１辆，方向为由南往北。 从绿灯开始进行对于非机动车道混合交通流 进行跟踪，跟踪研究目标实时的坐标变化，根据时 间和位置的变化，可以得到非机动车道混合交通 流的时空变化图如图１所示。从时空图中可以发 现，混合交通流通过非机动车道时，明显的分为２ 个过程通过，第１个过程，在绿灯启亮的前１０ ｓ 内，混合交通流密度非常大，在图中显示为，混合 交通流时空曲线比较密集，以一个团体的形式通 过，在这个时段内启动的混合交通流组成为，２３ 个行人，１４辆自行车，３辆电动自行车，全部通过 路口大约２５ Ｓ。第２个过程，在１０￣４０ Ｓ内，混合 交通流时空曲线比较稀疏，随机通过路口，在这个 过程启动的混合交通流组成为，２个行人，３辆自 行车，１辆脚踏三轮车。 图２和图３分别为由南往北和由北往南方向 的混合交通流时空分布图。从这２个图中也可以 发现，混合交通流通过非机动车道的２个过程。 在图２中，第１个过程在绿灯启亮前１０ Ｓ，第２个 过程在绿灯启亮的１０～４０ Ｓ内。在图３中，第１ 个过程在绿灯启亮的前８ ｓ，第２个过程绿灯启亮 的８～３６ ｓ内。图２中的混合交通流从绿灯启亮 就是行进，而图３中的混合交通流在绿灯启亮３ Ｓ 后才开始启动。这说明在绿灯启亮时受到了右转 机动车的影响。在图３中，有些时空曲线出现停 顿，这是由于在混合交通流将要通过非机动车道 时，受到了对向右转机动车的影响。 ４４ 交通与计算机２００８年第５期第２６卷总１４４期 ３０２５ ２ 道混合交通流通过路口的两阶段性，对于交叉口 信号控制策略的研究具有重要意义，针对这种混 合交通流特性，具体的信号控制策略研究将会在 另文介绍。 １０ ２Ｏ ３Ｏ ４０ ５０ ６０ ｉ ０ 时ｆ￣／ｍｉｎ 参考文献 ［１］任福田，刘小明，荣［２］图１ 双向混合交通流时空分布图 ３０ ２５ 建．交通工程学［Ｍ］．北京：人 民交通出版社，２００３ ｇ ２０ 逮１ ５ １０ ５ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｂｏａｒｄ．Ｈｉｇｈｗａｙ ｃａｐａｃｉｔｙ ｍａｎｕａｌ［Ｍ］．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，Ｄ．Ｃ：Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｕｎｃｉｌ，２０００ ０ ０ ｌ０ ２０ ３０ ４Ｏ ５Ｏ ６０ 时ｆ／ｍｌｎ ［３］孙智勇，葛书芳，荣 建，等．行人交通的数据采集 方法研究［Ｊ］．北京工业大学学报．２００６，３２（６）：５３０— ５３３ 图２ 由南往北方向混合交通流时空分布图 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ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｏｓｓｗａｌｋ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅａｋ ｈｏｕｒ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｄｅｏ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｉｘｅｄ ｔｒａｆｆｊｃ ｆｌｏｗ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｏｓｓｗａｌｋ ｈａｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｗｏ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．Ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｈｅ ｍｉｘｅｄ ｔｒａｆｆｉｃ ｆｌｏｗ ｇｏｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ａｓ ａ ｇｒｏｕｐ，ａｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｈｅ ｍｉｘｅｄ ｔｒａｆｆｉｃ ｆｌｏｗ ｇｏｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｓｔｏ— ｅｈａｓｔｉｃａｔｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｉｄｅｏ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｍｉｘｅｄ ｔｒａｆｆｉｃ；ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｔｒａｆｆｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ