基于轨迹关联识别的高速公路车辆信息采集系统设计

　　文/喻斌1) 罗梓铭1) 岳康1) 程荣1) 刘龙平2) 1）江西锦路科技开发有限公司 2）华东交通大学

　　摘要：为保障高速公路的安全和高效运行，构建高速行驶车辆与司乘人员的信息关联，是智慧交通和高速公路智能化建设的重要内容。尽管主流的高速车辆信息采集技术取得了显著进展，但在司乘人员信息关联方面仍存在不足。为此，本文提出了一种基于轨迹关联识别的高速公路车辆信息采集系统。该系统利用高速公路门架抓拍流水数据和移动手机信令数据，构建车辆的门架轨迹链和司乘人员的手机信令轨迹链。通过对门架抓拍流水轨迹和手机信令轨迹的特征提取和比对，可实现高速公路行驶车辆与车上司乘人员的关联，基于关联关系可以为司乘人员提供精准有效的智能化交通服务，也可以为交通管理单位的精准信息发布提供渠道。该系统主要是为交通管理部门提供服务支撑，并对数据进行了严格的数据权限控制和敏感信息脱敏。经过交通现场试验验证，该系统具有较好的实时性和可靠性，展示了其在实际应用中的潜力和效能。

　　关键词：高速公路；轨迹关联；车辆信息采集；手机信令；抓拍流水

　　引言

　　“十三五”期间，中国高速公路信息化与智能化建设工作取得了显著进步 [1]。高速公路作为现代经济和社会发展的重要基础设施，在实现交通现代化进程中扮演着至关重要的角色。目前，全世界范围内的智能化交通尚处于探索和研究状态[2]，构建一个智能化的交通系统，准确及时地获取车辆信息是实现智能交通的一个关键环节，有助于提升交通管理的效率，对交通安全、拥堵缓解以及交通运输的可持续发展都产生积极而深远的影响。通过精准监测，能及时调整交通管理措施，提供更快速、安全的出行体验，满足人民群众舒适出行的需求。其中，实现高速公路行驶车辆与车上司乘人员的信息关联，对于推进高速公路智能化管理有着重要意义。

　　目前，高速公路车辆信息采集技术已经取得了一定的进展，但仍存在传感器密度不够、车辆定位精度有限等一些不足[3]，尤其是如何将行驶车辆与司乘人员的信息相对应，快速精准地实现人车关联，一直是业界研究的课题。为了解决这个问题，本文提出了一种基于轨迹关联识别的高速公路车辆信息采集系统，可以对高速公路车辆及司乘人员信息进行高效、精确的采集，并建立两者之间的关联关系，为交通管理单位的精准信息发布提供渠道，也可为司乘人员提供精准有效的智能化交通服务。

　　1. 车辆信息采集技术

　　高速公路行驶车辆信息采集是智慧交通领域的重要研究方向之一，目前已经取得了一系列的研究成果和进展。现有的高速公路车辆信息采集研究涉及的技术主要集中在车载设备、传感器网络和移动数据采集等领域。以下是目前高速公路行驶车辆信息采集的几种主要方案。

　　1.1 固定检测器采集技术

　　通过在路旁架设固定监测设施的方式，以图片抓拍或视频流的形式，实时采集交通流信息。全国实现撤销省界站后，龙门架以及监测设施基本已覆盖高速公路全路网，通过监测设施抓拍的方式进行交通流信息采集准确率较高，但这种方式只能识别出车辆本身并不能对车上人员进行识别，无法建立车辆与车上司乘人员的信息关联，使得智能化交通服务无法精准有效传递给司乘人员。

　　1.2 浮动车采集技术

　　随着无线通信和车载自组织网络的出现和发展，用协同定位来改善定位精度越来越受到关注[4]，浮动车采集技术成为目前应用最为广泛的一种交通信息采集方式。所谓浮动车，是指安装有定位和无线通信装置的普通车辆（如出租车、公交车、警车等），这种车辆能够与交通数据中心进行信息交换，一定程度上能够实现车辆与司乘人员的信息关联，建立交通服务快速精准传递给司乘人员的有效渠道。但浮动车采集的数据主要依赖于装载在运行车辆上的GPS设备，需要额外安装，交通服务信息的传递范围受到限制。

　　1.3 基于手机信令的采集技术

　　基于手机信令的采集技术是一种利用手机信号数据进行交通信息采集的新兴方式。通过手机信令数据，可以获得大量用户在不同地点和时间的位置信息，从而实现对路网交通流参数的获取和高速公路运行状态的监测，了解道路上的车流密度、速度分布和拥堵状况，为交通管理和规划提供有价值的参考，但该技术无法获取人员所乘车辆的具体对应信息。

　　可以看到，目前主流的采集技术虽然各有特点，但都无法实现高速公路行驶车辆与车上司乘人员的有效关联，限制了为司乘人员提供精准高效和智能化交通服务的能力。因此，本文提出了一种基于轨迹关联识别的高速公路车辆信息采集系统，通过对车辆抓拍流水轨迹和手机信令轨迹的融合，可以更准确地关联高速公路行驶车辆与车上的司乘人员，从而为司乘人员提供更精准、高效的智能化交通服务。下面从系统原理、系统构成和系统实现三个方面对系统进行介绍。

　　2. 系统架构与实现

　　2.1 系统原理

　　高速公路车辆信息采集系统利用高速公路门架抓拍流水数据和移动手机信令数据，构建了高速公路行驶车辆的门架轨迹链，以及车上司乘人员的手机信令轨迹链。通过对门架抓拍流水轨迹和手机信令轨迹进行特征提取和比对，进行门架轨迹链与手机信令轨迹链的关联，进而实现高速公路行驶车辆与车上司乘人员的准确关联。

　　系统利用抓拍终端模块采集高速公路门架的抓拍流水数据，包括车辆的图像、车牌号等信息；利用信令采集模块获取行驶车辆上司乘人员的手机信令数据，手机信令数据记录了司乘人员的移动行为[5]。然后对门架抓拍流水轨迹和手机信令轨迹进行特征提取，如车辆的速度、行驶方向等，通过比对抓拍流水轨迹链和手机信令轨迹链之间的相似度来确定两者之间的关联关系，即抓拍流水轨迹链与手机信令轨迹链的对应关系，从而实现高速公路行驶车辆与车上司乘人员的关联。为了保障个人信息安全，对手机信令及抓拍流水数据进行严格的权限控制，并对车牌号、手机号等敏感信息进行脱敏管理。系统原理结构图如图1所示。

　　2.2 系统构成

　　本文中高速公路车辆信息采集系统由四个主要模块构成，包括安装在高速公路门架上的抓拍终端模块（CTM）、安装在高速公路沿线基站上的信令采集模块（SAM）、存储高速公路沿线基站与高速公路门架之间映射关系的数据库服务器（DS）、运行数据融合系统服务端软件的计算服务器（CS）。通过这四个模块的协作，系统能够实时采集和处理高速公路上行驶车辆的图像和信号信息，以实现对车辆的准确识别和数据融合，为交通管理和服务提供支持。

　　抓拍终端模块（CTM）是安装在高速公路门架上的设备，通过高分辨率摄像头抓拍车辆的流水轨迹数据，包括车辆的图像、车牌号等信息，将采集到的数据实时传输给计算服务器（CS）进行进一步处理和分析。

　　信令采集模块（SAM）安装在高速公路沿线的基站上，主要用于采集行驶车辆上司乘人员的手机信令轨迹数据。通过监测车辆所携带的手机在不同基站之间的切换过程和信号强度变化，SAM可以获取到车辆上载乘客的移动轨迹数据。这些数据会与CTM采集到的车辆图像数据进行关联。

　　数据融合系统是系统的核心部分，运行在计算服务器（CS）上。数据融合系统的主要任务是构建高速公路行驶车辆的门架轨迹链和车上司乘人员的手机信令轨迹链，并进行关联。首先，系统会提取CTM采集的门架轨迹链和SAM采集的手机信令轨迹链的特征值，如车辆速度、行驶方向等。然后，通过比对两条轨迹链的相似度，系统能够形成门架轨迹链和手机信令轨迹链的关联关系。

　　计算服务器（CS）与CTM、SAM和数据库服务器（DS）之间进行数据交互。CS接收CTM和SAM采集的数据，进行轨迹信息的提取、特征值计算和关联分析。同时，CS还与数据库服务器（DS）进行交互，获取门架与基站之间的映射关系。这些映射关系数据会被用来对门架轨迹链和手机信令轨迹链进行关联。

　　通过这四个模块的协作，高速公路车辆信息采集系统能够实现车辆的图像抓拍、手机信令轨迹采集、数据融合和关联分析。而系统能够提供准确的车辆与车上司乘人员的关联信息，从而为智能交通服务提供更精准、高效的支持。高速公路车辆信息采集系统总体框架如图2所示。

　　2.3 系统实现

　　为实现行驶车辆信息与司乘人员信息关联，本文所述的高速公路车辆信息采集方法具体实施步骤如下所示：

　　（1）根据高速公路沿线基站的覆盖范围，建立基站与高速公路门架的映射关系，并将基站与高速公路的映射关系存储在数据库服务器DS内；

　　（2）采用抓拍终端模块CTM抓拍行驶车辆的高速公路门架流水轨迹数据，基于门架流水数据形成按车牌区分的门架流水轨迹链；其中vlp为车牌号，gtn为车辆在tn时间点所经过的门架，即gtn为Cg的特征值；

　　（3）采用信令采集模块Sam获取行驶车辆上司乘人员的手机信令轨迹数据，根据COO定位法，以手机所连接基站作为移动手机的当前位置，并过滤非高速公路范围内的手机信令，形成手机信令；其中phone为手机号，ptm为该手机在tm时刻所连接的基站信息，即ptm为Cp的特征值；

　　（4）根据轨迹链特征对最长公共字串（LCSS）算法进行改进，当Cp存在pti=ptj=ptk并且pti、ptj、ptk都与中Cg特征值gtm一致时，取最小值，若为最小值，则认为特征值pti与gtm一致；

　　（5）数据融合系统调用数据库服务器DS内的基站与高速公路门架映射关系，经过比对后得到最长公共字串，若Co完全包含Cg并且：

　　（其中△t指门架基准时间与手机信令基准时间之间的误差值），则认为Cg与Cp是关联的，即持有手机（phone）的人员在车牌为（vlp）的行驶车辆上。

　　为了验证高速公路车辆信息采集系统的性能，在某高速公路路段进行了相关的实验和测试。实验结果显示，通过对车辆抓拍流水轨迹链和司乘人员手机信令轨迹链进行特征对比，系统能够成功实现高速公路行驶车辆与司乘人员的信息关联，达到预期的人车关联目标。通过实现高速公路行驶车辆与车上司乘人员的准确关联，能够为司乘人员提供更为精准和有效的智能化交通服务。例如根据车辆的行驶轨迹和司乘人员所在位置，系统可以提供实时的路况信息、出行建议和导航服务。此外，基于关联的信息分析，系统还能够为交通管理部门提供数据支持，优化交通流动，改善道路拥堵状况。

　　结语

　　本文提出了一种基于轨迹关联识别的高速公路车辆信息采集系统。该系统基于门架抓拍流水数据和手机信令数据分别构建车辆行驶轨迹链和司乘人员轨迹链。通过对两种轨迹链进行轨迹特征对比，实现高速公路行驶车辆与车上司乘人员的信息关联。这项研究为高速智能交通管理提供了重要的数据支撑，应用前景广泛。

　　通过与智能交通系统的结合，可以为交通管理单位的精准信息发布提供渠道，也可为司乘人员提供实时路况信息、出行建议和导航等智能化交通服务。

　　参考文献：

　　[1]王曦,黄敏.科技时代如何优化高速公路信息化与智能化建设探究[J].交通科技与管理,2023,4(9):180-182.

　　[2]贺莉娜,郭泽阔.基于人工智能和大数据的城市轨道交通智能化运维生态系统研究[J].城市轨道交通研究,2022,25(9): 79-84,89.

　　[3]尹锋,赖清明.高速公路信息采集智能发布系统设计研究[J].湖南交通科技, 2023,49(1):139-145.

　　[4]王艺霏,刘敏飞,柴尚杰.应用物联网技术的车辆定位采集系统设计[J].装备制造技术,2022(5):23-26.

　　[5]吴雨佳,尹伟石,孟品超.基于手机信令数据的用户位置预测方法研究[J].长春理工大学学报(自然科学版),2022,45(5): 130-137.

　　作者简介：喻斌，硕士研究生，工程师，研究方向：智慧交通；罗梓铭，硕士研究生，工程师，研究方向：智慧交通；岳康，本科，助理工程师，研究方向：智慧交通；程荣，本科，助理工程师，研究方向：智慧交通；刘龙平，本科，研究方向：边缘计算。