Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ И КООРДИНАТ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ С ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ИХ ИДЕНТИФИКАЦИЕЙ И АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГИСТРАЦИЕЙ НАРУШЕНИЙ ПРАВИЛ ДОРОЖНОГО ДВИЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к системам регулирования движения транспортных средств (ТС), а точнее к способам и устройствам контроля за соблюдением правил дорожного движения (ПДД), в том числе за соблюдением скоростного режима.

Для контроля за соблюдением скоростного режима ТС, двигающихся в потоке и автоматической регистрации нарушений, необходимо произвести измерение скорости и координат транспортного средства и, в случае нарушения им скоростного режима, идентифицировать его с требуемой, достаточно высокой степенью вероятности. Измерение скорости, как правило, производится радиолокационными устройствами (радарами), принцип измерения скорости которых основан на эффекте Доплера, либо лазерными устройствами (лидарами), у которых принцип измерения скорости основан на оценке интервалов времени между излученными и принятыми (отраженными от ТС) импульсами, с последующим вычислением скорости. Данные устройства обеспечивают метрологически достоверные данные о скоростях ТС. Координаты ТС при контроле скоростного режима движения ТС не определяются, а как правило задаются, т.е. радар или лидар измеряет скорость ТС в заранее определенной зоне контроля, которая имеет размеры, сопоставимые с размерами ТС. Идентификация ТС производится, в большинстве известных случаев, по государственному регистрационному знакам (ГРЗ), считываемому видеокамерой в той же зоне контроля и распознаваемому с помощью специального программного обеспечения, устанавливаемого в устройство контроля (см., например, опубликована межд. заявка WО 9946613 МПК⁶, G01S 13/00, G08G 1/052, 1/054, опубл. 16.09.1999; CN 1707545 МПК⁷ G08G 1/052, 1/054, опубл. 14.12.2005).

Известны способы и устройства для определения скорости и координат с использованием видеокамер и сенсорных систем, встроенных в дорожное полотно, где видеокамеры используются для регистрации нарушающего ТС (см., например, пат. ЕР 1513125, МПК⁷ G08G 1/017, 1/04, 1/054, опубл. 09.03.2005; опубликованная межд. заявка WO 2005/062275, МПК⁷ G08G 1/01, 1/052, 1/054, опубл. 07.07.2005). Недостатками данных систем контроля за соблюдением скоростного режима ТС являются специфические требования по климатическим условиям применения (отсутствие снежного покрова и отрицательных температур), а также то, что они регистрируют (замечают) нарушение скоростного режима только на участке дороги между сенсорами, который при этом стремятся уменьшить до размеров расстояния между осями автомобиля, с целью повышения точности измерения скорости нарушающего ТС.

Известен способ определения скорости, где видеокамерой панорамного обзора непрерывно снимают выделенный участок дорожного полотна (см., например, ЕР 1744292, МПК⁷ G08G 1/04, 1/052, 1/054, G06T 7/00, опубл. 10.07.2006). Скорость ТС вычисляют по расстоянию между двумя определенными положениями ТС, зафиксированными на двух кадрах, снимаемых данной видеокамерой, и по интервалу времени между этими кадрами. При этом видеокамера калибруется по четырем вершинам прямоугольника, которые реально размечены на дорожном полотне на известных расстояниях. Выявленное ТС-нарушитель регистрируется другой камерой - камерой, позволяющей получить видеокадр с более высоким разрешением. Недостатком способа и устройства для его реализации по данному патенту является то, что из теоретических оценок, а также по ГОСТу Р 50856-96 видеокамера не является средством, которое предназначено для получения метрологически достоверных данных о скорости ТС, поскольку позволяет вычислять скорость ТС с ошибкой, которая зависит от точности юстировки, калибровки видеокамеры и размеров движущегося ТС.

Известен способ определения ТС, движущихся с превышением скорости (пат. США US 6696978, МПК⁷ G08G 1/01, 1/052, 1/054, опубл. 24.02.2004), заключающийся в том, что радиолокатором или лазерным локатором (лидаром) излучают э/м импульсы в направлении выбранного ТС, принимают отраженные импульсы, определяют скорость ТС известным способом и формируют сигнал для активизации видеокамеры для формирования кадра с регистрационным номером ТС при обнаружении превышения скоростного режима с выводом в указанный кадр: измеренной скорости, распознанного регистрационного номера и других данных идентификации ТС. Полученные данные передаются в оперативный центр контроля для принятия соответствующих мер по совершенным правонарушениям. Недостатком данного способа является то, что в данном техническом решении в зону обзора радиолокатора должно попадать только одно ТС. Это означает, что количество радиолокаторов и видеокамер должно соответствовать числу полос движения, что резко повышает стоимость оборудования и затраты на его эксплуатацию. Кроме того, поскольку вероятность одновременного попадания в зону приема радиолокатором отраженных от нескольких ТС сигналов достаточно велика, это повышает вероятность ошибки идентификации ТС-нарушителя, что является неприемлемым для случаев, когда ТС двигаются в плотном потоке по нескольким полосам движения. Так, например, в патенте GB 1211834, МПК G01S 13/92, G08G 1/052, G08G 1/054) запрещена фиксация (фотографирование) ТС видеокамерой для регистрации, если в зоне облучения радиолокатора находится еще одно ТС.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является способ определения скорости движения и координат транспортных средств с последующей их идентификацией и автоматической регистрацией нарушений дорожного движения по пат. США US 6266627, МПК⁷ G08G 1/00, 1/052, 1/054, G01S 13/00, опубл. 24.07.2001. Данный способ заключается в том, что в направлении движущихся по участку дорожного полотна ТС излучают импульсы э/м излучения, принимают импульсы отраженного э/м излучения, вычисляют дальность и скорость движения транспортных средств путем сравнения параметров излученных и принятых импульсов и сравнивают измеренную скорость ТС с максимально разрешенной на данном участке с последующим формированием, в случае регистрации превышения скорости, сигнала для фиксации регистрационного номера нарушающего ТС с помощью видеокамеры с последующей идентификацией ТС и автоматической регистрацией нарушений скоростного режима. При этом определяют полосу движения ТС-нарушителя по вычисленной дальности.

Данный способ также имеет вышеуказанный недостаток - большую вероятность ложного определения ТС-нарушителя при фактическом отсутствии нарушения, что можно пояснить следующим образом. Для пояснения рассмотрим реальную ситуацию, показанную на фиг.1 в описании данного патента. На представленной в патенте фиг.1 луч радиолокатора показан расходящимся под углом 4-5°, что является идеализацией, используемой в теоретических расчетах, и соответствует мощности излучения по уровню -3 дБ основного лепестка диаграммы направленности радиолокатора. Реальная диаграмма направленности антенны радиолокатора с учетом мощности основного лепестка по уровню от -3 дБ до ориентировочно -20 дБ значительно шире и всегда содержит боковые лепестки, что показано на фиг.1 дополнительных материалов, касающихся патента-прототипа, и выделено розовым цветом со штриховкой. Как видно из фиг.1, в зоне раскрыва диаграммы антенны (как в основном, так и в боковых лепестках) присутствуют сигналы, отраженные от ТС. Все ТС, попавшие на дугу радиусом R (показано на фиг.1 в виде заштрихованного сектора зеленого цвета) находятся на одной дальности от радиолокатора и, следовательно, импульсы, отраженные от этих ТС, придут на радиолокатор в одно время. Из фиг.1 видно, что, по крайней мере, три автотранспортных средства, движущихся по совершенно разным полосам движения находятся на одной дальности, и отраженные от них сигналы придут в одно время, но с различной мощностью. Мощность принимаемых сигналов Рr, определяемая формулой

где P_r - мощность принимаемых сигналов, P_t - мощность излучаемых сигналов, Ga² - квадрат коэффициента усиления антенны радиолокатора, S_o - эффективная отражающая поверхность цели, R⁴ - четвертая степень расстояния объекта от радиолокатора, является функцией нескольких изменяющихся параметров. Таким образом, возможно, что мощность принятых сигналов Р_r, отраженных от ТС с малой S_o (малые габариты ТС) при большой мощности P_t (основной лепесток диаграммы направленности радиолокатора) может быть соизмерима с мощностью Рr принятых сигналов, отраженных от ТС с большой S_o (большие габариты ТС) при малой мощности P_t (боковые лепестки диаграммы направленности радиолокатора), движущегося по другой полосе движения и не совершающего нарушение скоростного режима, что может привести к ошибке в определении ТС-нарушителя.

Приведем в качестве примера ссылку из весьма авторитетного источника (Справочник по радиолокации, п/редакцией М. Сколника, т.1, Глава 9, стр.356): «…любое численное значение ЭПР (S_o в вышеуказанной формуле) справедливо только для конкретных целей, комбинации поляризаций, пространственного положения и частоты, для которой это значение и было определено. В большинстве случаев, представляющих практический интерес, ЭПР цели может меняться в широких пределах: на 20-30 дБ и более при сравнительно небольшом изменении любого из этих параметров».

Таким образом, вполне очевидна ситуация, когда радиолокатор принимает отраженные сигналы как от ТС, двигающегося по контролируемой полосе движения и отчетливо видимого видеокамерой, так и от ТС, двигающегося по соседней полосе движения. Допустив, что расстояния сопоставимы, площадь ТС, движущегося параллельно контролируемому ТС, в несколько раз больше, а скорость превышает разрешенную, получим ситуацию, при которой устройство выдаст сигнал о превышении скорости ТС, находящимся в зоне контроля. Если вероятность данных событий велика (насыщенный трафик движения), то количество ошибочно зафиксированных нарушений будет чрезвычайно велико, что резко снизит эксплуатационные характеристики способа-прототипа.

Исходя из вышеприведенного анализа, можно утверждать, что способ-прототип обладает существенным недостатком, а именно большой вероятностью ошибки идентификации ТС-нарушителя, что делает способ-прототип неприемлемым для использования на дорожном полотне с большим количеством полос движения при плотном транспортном потоке.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является устройство для определения скорости движения и координат транспортных средств с последующей их идентификацией и автоматической регистрацией нарушений дорожного движения по пат. США US 6266627, МПК⁷ G08G 1/00, 1/052, 1/054, G01S 13/00, опубл. 24.07.2001. Устройство содержит радиолокатор, видеокамеру для записи и распознавания ГРЗ и блок обработки и управления данных, соединенный с ними и включающий в себя соединенное с упомянутой видеокамерой средство для выработки сигнала - метки для случая, когда зарегистрировано нарушение скоростного режима.

Недостатком данного устройства, реализующего вышеописанный способ также, как и в предыдущих аналогах, является большая вероятность ошибки идентификации ТС-нарушителя, что делает невозможным его использование на дорожном полотне с большим количеством полос движения и/или при плотном транспортном потоке. Кроме того, недостатком устройства-прототипа является небольшая протяженность зоны контроля - не более 20-30 метров.

Задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются:

- разработка способа определения скорости движения и координат транспортных средств и устройства для его осуществления, обеспечивающих снижение вероятности ошибки идентификации ТС-нарушителя в системах автоматической регистрации нарушений скоростного режима движения ТС,

- увеличение протяженности зоны контроля скоростного режима движения с одного - двух десятков метров до нескольких сотен - тысячи метров,

- использование одного, а не нескольких устройств для контроля участков дороги с многополосным движением.

Решение данной задачи позволит резко снизить затраты на строительство и обслуживание эстакад для установки устройств контроля скоростного режима.

Поставленные задачи в части способа достигаются за счет того, что в разработанном способе, как и в способе-прототипе излучают в направлении движущихся по участку дорожного полотна транспортных средств импульсы э/м излучения, принимают импульсы отраженного э/м излучения, вычисляют дальности и скорости движения, по крайней мере, одного транспортного средства путем сравнения параметров излученных и принятых импульсов и сравнивают измеренную скорость транспортного средства с максимально разрешенной на данном участке, с последующим формированием в случае регистрации превышения скорости, сигнала для распознавания ГРЗ нарушающего транспортного средства с помощью видеокамеры с последующей идентификацией транспортного средства и автоматической регистрацией нарушений правил дорожного движения (ПДД).

Новым, в разработанном способе, является то, что упомянутые импульсы излучают радиолокатором синхронно с видеосъемкой того же участка дорожного полотна видеокамерой панорамного обзора, которая откалибрована так, что каждому элементу строки Y_i и каждому элементу столбца X_i матрицы видеокамеры ставят в соответствие реальные координаты расстояний от упомянутой видеокамеры до соответствующих участков на дорожном полотне. При этом по принятым радиолокатором сигналам вычисляют дальность и скорость не одного, а всех транспортных средств, находящихся в текущий момент на выбранном участке дорожного полотна протяженностью несколько сотен метров, и, независимо и синхронно, по полученному посредством упомянутой видеокамеры изображению транспортных средств вычисляют координаты и скорости тех же транспортных средств, находящихся в кадре. После чего сравнивают упомянутые, получаемые независимо друг от друга посредством радиолокатора и видеокамеры потоки данных, содержащие значения скоростей и координат всех транспортных средств, находящихся в текущий момент на выбранном участке дорожного полотна. При этом для получения метрологически достоверных значений скоростей и координат транспортных средств, используют данные радиолокатора. Каждому ТС, нарушающему ПДД, обеспечивают дальнейшее сопровождение до момента распознавания ГРЗ, затем формируют кадр изображения ТС-нарушителя с отчетливо видимым ГРЗ, распознанным ГРЗ, датой, временем и зафиксированной скоростью и/или координатой, что позволяет осуществлять автоматическую регистрацию нарушений ПДД.

В первом частном случае реализации разработанного способа целесообразно сравнение упомянутых, получаемых независимо друг от друга посредством радиолокатора и видеокамеры, потоков данных, содержащих значения скоростей и координат всех транспортных средств, находящихся в текущий момент на выбранном участке дорожного полотна осуществлять, например, корреляционным методом.

Поставленные задачи в части устройства достигаются за счет того, что разработанное устройство, как и устройство-прототип содержит радиолокатор, видеокамеру для записи и распознавания ГРЗ транспортных средств, нарушающих ПДД, и блок управления и обработки данных, соединенный с ними.

Новым в разработанном устройстве является то, что в качестве радиолокатора используется радиолокатор, содержащий модуль обработки сигналов, осуществляющий вычисление скорости и дальности всех ТС, находящихся на выбранном участке дорожного полотна, при этом в устройство введена видеокамера панорамного обзора, обеспечивающая съемку участка дороги от 40-50 метров до нескольких сотен метров, которая соединена с блоком управления и обработки данных, который снабжен программным обеспечением для синхронизации работы радиолокатора и видеокамеры панорамного обзора, сравнения принимаемых от них потоков данных, получения метрологически достоверных результатов измерения скоростей и координат ТС, нарушивших скоростной режим движения, и передачи данных для автоматической регистрации нарушений правил дорожного движения.

В первом частном случае реализации устройства целесообразно функции видеокамеры для панорамного обзора и функции видеокамеры для распознавания ГРЗ выполнять одной широкоугольной «мегапиксельной» видеокамерой.

Во втором частном случае реализации устройства целесообразно в качестве видеокамеры для записи и распознавания ГРЗ использовать несколько «обычных» видеокамер, в соответствии с количеством полос движения.

На Фиг.1 представлена блок-схема разработанного устройства по п.3 формулы.

На Фиг.2 представлена блок-схема разработанного устройства по п.4 формулы.

На Фиг.3 представлена блок-схема разработанного устройства по п.5 формулы с использованием нескольких видеокамер для распознавания ГРЗ в соответствии в количеством полос движения.

На Фиг.4 представлена схема, поясняющая работу устройства на контролируемом участке дороги.

На Фиг.5 представлен внешний вид и структура блоков и узлов, входящих в состав разработанного устройства.

На Фиг.6 представлен пример конкретной реализации отображения результатов работы устройства на экране монитора в оперативном центре управления дорожным движением.

Устройство, представленное на Фиг.1, содержит блок 1 управления и обработки, радиолокатор 2 с модулем 3 обработки сигналов, видеокамеру панорамного обзора 4 и видеокамеру распознавания ГРЗ 5.

Блок 1 управления и обработки данных представляет собой компьютер с программным обеспечением, который осуществляет:

- управление работой радиолокатора 2 и видеокамер 4, 5,

- прием сигналов от видеокамер 4, 5,

- прием данных от модуля 3 обработки сигналов радиолокатора 2,

- формирование потоков данных координат и скоростей ТС, находящихся в кадре видеокамеры 4,

- сравнение потоков данных от модуля 3 радиолокатора 2 и видеокамеры 4,

- передачу данных на центральный пост (не представлен) управления дорожным движением для автоматической регистрации нарушений правил дорожного движения.

Конкретная реализация блока 1 управления и обработки выполнена на базе процессора «Интел Пентиум-М». Блок 1 обладает высокой производительностью, сравнительно низким энергопотреблением (~40 Вт), конструктивно защищен от механических воздействий оригинальной системой амортизации и предназначен для работы в диапазоне температур от -40 до +60°С (См. Фиг.5).

В качестве радиолокатора 2 используется радиолокатор, выполненный по классической моноимпульсной схеме с последующим цифровым накоплением и обработкой принятых импульсов. Несущая частота излучения 24,15 ГГц. Длительность импульса по уровню 0,5Р_изл.=30 нс. Период повторения импульсов 25 мкс. Модуль 3 обработки сигналов радиолокатора 2 содержит процессор, позволяющий одновременно выделять, формировать и накапливать пачки из 256÷1024 импульсов для каждого элемента дальности, выполнять над ними быстрое преобразование Фурье и обнаруживать отраженные от ТС сигналы. Модуль 3 позволяет также проводить селекцию ТС по скоростям, начиная с нулевых.

В качестве видеокамеры панорамного обзора 4, в одном частном случае, используется широкоугольная «мегапиксельная» видеокамера, которая одновременно выполняет и функции видеокамеры распознавания ГРЗ 5, поскольку обладает возможностью высокого разрешения за счет большего (в 5-10 раз) числа элементов матрицы, по сравнению с обычной видеокамерой. Применение такого варианта целесообразно для участков дорог с большим числом полос движения (более двух).

В другом частном случае в качестве панорамной видеокамеры 4 используются одна широкоугольная видеокамера панорамного обзора 4 и несколько видеокамер 5 для распознавания ГРЗ в соответствии с количеством полос движения, что целесообразно для участков дорог с малым числом полос движения, поскольку обычные видеокамеры гораздо дешевле мегапиксельной.

Разработанный способ определения скорости движения и координат транспортных средств с последующей их идентификацией и автоматической регистрацией нарушений дорожного движения в соответствии с п.1 формулы реализуют с помощью устройства, представленного на Фиг.1, следующим образом.

Перед началом работы устройства осуществляют его предварительную калибровку, при которой каждому элементу строки Y_i и каждому элементу столбца X_i матрицы видеокамеры панорамного обзора 4 ставят в соответствие координаты расстояний от упомянутой видеокамеры 4 до соответствующих участков на дорожном полотне. Это необходимо для проведения независимой оценки скорости ТС с помощью видеокамеры 4.

Далее, как показано на Фиг.4, радиолокатором 2 излучают э/м импульсы в направлении движущихся ТС на выбранном участке дорожного полотна и принимают отраженные импульсы. Синхронно с излучением радиолокатора 2 проводят видеосъемку того же участка дорожного полотна видеокамерой 4. Зона действия основного лепестка антенны радиолокатора 2 конструктивно сопряжена с зоной обзора панорамной видеокамеры 4, как показано на Фиг.4. После чего, по принятым радиолокатором 2 сигналам, с помощью модуля 3 вычисляют дальность и скорость всех транспортных средств, находящихся в текущий момент на выбранном участке дорожного полотна, и независимо и синхронно по полученному посредством видеокамеры 4 изображению транспортных средств вычисляют, посредством блока 1 управления и обработки, координаты и скорости тех же транспортных средств. Затем с помощью блока 1 сравнивают, например, корреляционным методом в соответствии с п.2 формулы, упомянутые, получаемые независимо друг от друга потоки данных, содержащие скорости и координаты всех ТС, находящихся в текущий момент на выбранном участке дорожного полотна. Метрологически достоверными данными о скоростях и координатах Y_i транспортных средств принимаются данные, полученные от радиолокатора 2. За достоверные данные о координатах X_i, тех же транспортных средств, принимаются данные, полученные от видеокамеры 4. В случае превышения транспортными средствами установленного порога скорости на данном участке они определяются как ТС-нарушители скоростного режима, и каждому из них обеспечивают дальнейшее сопровождение блоком 1 управления и обработки до дальности, позволяющей произвести распознавание их ГРЗ видеокамерой 5. Затем блоком 1 производится автоматическое распознавание ГРЗ и формирование кадра изображения ТС-нарушителя с отчетливо видимым ГРЗ, результатом распознавания ГРЗ, датой, временем, идентификатором видеокамеры 5 и зафиксированной скоростью, что позволяет осуществить автоматическую регистрацию нарушений ПДД.

Таким образом, поскольку в разработанном способе используются метрологически достоверные данные о координатах и скоростях ТС, наблюдаемых по всем полосам дорожного полотна одновременно, то вероятность ошибки идентификации ТС автоматической системы регистрации нарушений ПДД снижена по сравнению с прототипом.

Пример конкретной реализации отображения результатов работы устройства на экране монитора в центре оперативного управления (ЦОУ) дорожным движением представлен на Фиг.6.

На Фиг.6(а) представлен кадр съемки панорамной видеокамеры, на котором показан нарушитель, обведенный рамкой и указана его фактическая скорость 73 км/ч. В левом верхнем углу кадра указаны дата и время совершенного правонарушения.

На Фиг.6(б) показан фрагмент журнала событий, хранящихся в базе данных с историей зафиксированных правонарушений. Задана пороговая скорость 60 км/ч. В журнал заносятся все ТС-нарушители, скорость которых превышает установленный порог, при этом фиксируется скорость, распознанный ГРЗ, дата и время нарушения.

В правом верхнем углу показано панорамное изображение контролируемого участка дороги с нарушителем, справа показаны кадры съемки автомобиля с распознанным ГРЗ.

Эти данные передаются в центр оперативного управления, где составляется протокол об административном правонарушении.

Таким образом, технический результат, обеспечиваемый предлагаемым способом и устройством для его реализации, заключающийся в:

- снижении вероятности ошибки идентификации ТС автоматической системой регистрации нарушений ПДД, который достигается за счет применения двух независимых способов определения скоростей и координат ТС с помощью видеокамеры и радиолокатора с последующим сравнением результатов измерений, что позволяет уменьшить общую вероятность ошибки идентификации,

- увеличении протяженности зоны контроля скоростного режима движения с одного, двух десятков метров до нескольких сотен метров,

- использовании одного, а не нескольких устройств для контроля участков дороги с многополосным движением,

обеспечивается, что позволяет решить поставленные задачи.