【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 公路網(wǎng)。 江蘇省以長(zhǎng)江為界分為蘇北高速公路網(wǎng)和蘇南高速公路網(wǎng) ,分別實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)。江蘇省蘇北高速公路路徑識(shí)別技術(shù)研究的對(duì)象即蘇北高速公路網(wǎng) ,蘇北高速公路網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)范圍包括京滬高速沂淮江段、寧連高速淮連段、京福高速徐州東繞城段、徐宿 高速公路、寧宿高速公路、寧通高速公路、廣靖高速公路、連徐高速公路、寧靖鹽高速公路、汾灌高速公路及江陰大橋。在研究中針對(duì)當(dāng)時(shí)蘇北具體路網(wǎng)提出了蘇北高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的多路徑判別方法及相關(guān)措施。 浙江省高速公路網(wǎng)對(duì)路徑識(shí)別問(wèn)題進(jìn)行研究的時(shí)候 ,其高速公路路網(wǎng)中存在兩個(gè)二義性路徑的路環(huán) :一個(gè)是杭甫高速公路 (沽清 — 大朱家 )、上三高速公路全線、雨臺(tái)溫高速公路 (寧波東 — 吳番樞紐 )組成的路環(huán) 。另一個(gè)是由滬杭、杭甫、繞城高速公路組成的路環(huán)。針對(duì)這兩個(gè)二義性路徑。浙江省當(dāng)時(shí)采用的方法是以出口 /入口隔離法為輔 ,通行費(fèi)的拆分則是在對(duì) 歷史交通量和未來(lái)交通量的分析基礎(chǔ)上 ,與路公司共同商討 ,取得一致同意的情況下達(dá)成用節(jié)點(diǎn)位勢(shì)法來(lái)進(jìn)行多路徑的路徑識(shí)別 ,它仿照電學(xué)里面的節(jié)點(diǎn)位勢(shì)法 ,確定用路段里程來(lái)表征路段阻抗 ,從而計(jì)算出多路徑情況下各路徑的行駛車(chē)輛數(shù) ,進(jìn)而依次在各路公司拆分通行費(fèi) ,對(duì)車(chē)輛的通行費(fèi)按照最短路徑來(lái)征收。其拆分為了適應(yīng)不斷變化的交通流量 ,省收費(fèi)結(jié)算中心和路公司定期組織對(duì)二義性路徑的交通流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)調(diào)查 ,并通過(guò)實(shí)際運(yùn)行一段時(shí)間后 (三個(gè)月～半年 ),根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)的流量狀況和分布情況、車(chē)輛選擇路徑的情況以及與現(xiàn)用的二義性路徑拆分原則的差距情況 ,對(duì)原來(lái)的分配方案和比例進(jìn)行調(diào)整。 山東省高速公路通車(chē)?yán)锍坛^(guò) 3000km,預(yù)計(jì) 2021 年將達(dá)到 4000km,高速公路通車(chē)?yán)锍虨槿珖?guó)第一 ,聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)里程已達(dá)到 2144km,路網(wǎng)內(nèi)有多家路公司。最初山東省采用最短距離法進(jìn)行路徑識(shí)別與通行費(fèi)收入拆分。隨著聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)高速公路網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大 ,不同利益主體管轄的路段將會(huì)逐漸并入網(wǎng)中 ,路網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜 ,路徑識(shí)別與通行費(fèi)收入拆分問(wèn)題日益突出 ,據(jù)估計(jì)由多路徑產(chǎn)生的費(fèi)用占路網(wǎng)總通行費(fèi)用的,每年達(dá) 1000 萬(wàn)元左右。為此山東省對(duì)山東省高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)路徑識(shí)別與通行費(fèi)收 入拆分問(wèn)題進(jìn)行研究認(rèn)為 : 要從山東省高速公路總體路網(wǎng)規(guī)劃出發(fā) ,綜合考慮設(shè)備投資、受益及今后運(yùn)營(yíng)成7 本等多方面因素提出方案 。 路徑識(shí)別與通行費(fèi)收入拆分問(wèn)題主要從兩個(gè)方面解決 ,一是收費(fèi)車(chē)道業(yè)務(wù)操作層 ,主要是路徑識(shí)別問(wèn)題 。二是收費(fèi)管理層面 ,主要是通行費(fèi)收入拆分問(wèn)題。 車(chē)道收費(fèi)業(yè)務(wù)操作要求盡可能精確識(shí)別每一車(chē)輛的行駛路徑 ,不損害道路通行者利益 ,合理收取通行費(fèi)。在進(jìn)行路徑識(shí)別時(shí) ,根據(jù)具體情況對(duì)不同路段采取不同方法。根據(jù)當(dāng)時(shí)道路情況 ,他們建議在對(duì)綜合路阻之差在 10%(可更多或更少 )以上不同路徑進(jìn)行識(shí)別時(shí) ,應(yīng)用最短路徑法 。當(dāng)不同路徑的路阻之差在 10%之內(nèi) ,且車(chē)流量較少 ,涉及的通行費(fèi)較低時(shí) ,可采取收費(fèi)員入口指導(dǎo) ,出口詢問(wèn)方式 。當(dāng)長(zhǎng)度之差在 10%之內(nèi) ,且車(chē)流量較大 ,多路徑通行費(fèi)較高時(shí) ,也可以考慮在在關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)立標(biāo)識(shí)站 ,但標(biāo)識(shí)站數(shù)量一定要控制 , 盡量減少對(duì)全路網(wǎng)的影響 。另外 ,在路徑識(shí)別精度方面 ,不同路段也要有所側(cè)重。當(dāng)路網(wǎng)中多路徑路段屬于同一經(jīng)營(yíng)主體時(shí) ,建議不對(duì)行駛路徑進(jìn)行精確識(shí)別。 由于目前我國(guó)聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)還是剛剛開(kāi)始 ,對(duì)其相關(guān)的技術(shù)研究的還不是都很深入 ,路徑識(shí)別技術(shù)的研究在這種環(huán)境下也只是剛剛開(kāi)始 ,在現(xiàn)有的“一路一公司”的情況下實(shí)行 的協(xié)商法需要各路公司相互之間有良好的協(xié)調(diào)關(guān)系。高速公路多路徑識(shí)別技術(shù)作為依附于高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的一門(mén)新技術(shù)必然會(huì)隨著聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)技術(shù)的進(jìn)步而不斷發(fā)展完善 ,特別是在當(dāng)前提倡的電子不停車(chē)收費(fèi) (ETC)技術(shù)不斷成熟完善的情況下 ,對(duì)車(chē)輛行駛路徑的精確識(shí)別必然會(huì)在現(xiàn)實(shí)和經(jīng)濟(jì)上都允許的前提下得以實(shí)現(xiàn)。 8 第 3 章 多路徑識(shí)別算法的 基本理論 多路徑識(shí)別包含多種技術(shù)方法，下面主要介紹了多路徑識(shí)別方法的主要分類(lèi)，詳細(xì)說(shuō)明了識(shí)別方法涉及到的主要算法。 多路徑識(shí)別方法的分類(lèi) 目前，在高速公路路徑識(shí)別的主要技術(shù)方法有：標(biāo)識(shí)站法、 車(chē)牌照識(shí)別法、最短路徑法。從基本思路看，多路徑識(shí)別技術(shù)可以分為精確識(shí)別和概率識(shí)別兩類(lèi)。 精確識(shí)別 精確識(shí)別的原理是識(shí)別出路網(wǎng)中每一車(chē)輛的實(shí)際行駛路徑，避免路網(wǎng)中出現(xiàn)行駛路徑的歧義，從而解決路網(wǎng)中多路徑問(wèn)題。標(biāo)識(shí)站法、車(chē)牌照識(shí)別法都屬于精確識(shí)別的范疇。 要做到對(duì)車(chē)輛行駛路徑的精確識(shí)別通常由兩種方法：通過(guò)土建設(shè)施的手段，確保任意車(chē)輛從一個(gè)收費(fèi)站（點(diǎn)）到另一收費(fèi)站（點(diǎn)）間只能有唯一的行駛路徑；通過(guò)標(biāo)識(shí)方法采集車(chē)輛行駛路徑信息，確認(rèn)車(chē)輛行駛路徑。第二種方法只需在產(chǎn)生歧義的路段設(shè)立標(biāo)識(shí)站，獲取車(chē)輛行駛的標(biāo)識(shí) 信息，就可以根據(jù)出口信息、入口信息、標(biāo)識(shí)信息，識(shí)別出任意車(chē)輛的行駛路徑。 準(zhǔn)確識(shí)別車(chē)輛的實(shí)際行駛路徑，可分為停車(chē)式和不停車(chē)兩種，以下提到的標(biāo)識(shí)站均為“停車(chē)式標(biāo)識(shí)站”。在收費(fèi)車(chē)道上安裝非接觸式 IC 卡讀寫(xiě)設(shè)備，司機(jī)通過(guò)此路段時(shí)，將 IC 卡（通行卡）在讀寫(xiě)天線的規(guī)定距離內(nèi)劃過(guò)，自動(dòng)欄桿開(kāi)啟、車(chē)輛通行，并記錄該標(biāo)識(shí)站信息。 標(biāo)識(shí)站的主要缺點(diǎn)是車(chē)輛每次經(jīng)過(guò)標(biāo)識(shí)站時(shí)必須停車(chē)，導(dǎo)致行車(chē)速度減慢，降低了高速公路的服務(wù)水平，與聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的精神直接相違背，在實(shí)施時(shí)，輕易不采用。在國(guó)家政策方面，交通部交公路發(fā) [1999]9 號(hào)文件《關(guān)于認(rèn)真做好公路收費(fèi)站點(diǎn)清理整頓的通知》中規(guī)定“對(duì)通行車(chē)輛一次完成通行費(fèi)收繳和票證發(fā)放工作，不準(zhǔn)設(shè)立旨在進(jìn)行內(nèi)部監(jiān)督驗(yàn)票的檢查站”。顯然，國(guó)家法律法規(guī)的規(guī)定對(duì)設(shè)置停車(chē)式標(biāo)識(shí)站做出了限制，設(shè)置停車(chē)式標(biāo)識(shí)站已不可行。 隨著圖像識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，也可應(yīng)用“車(chē)牌照識(shí)別”技術(shù)進(jìn)行多路徑的識(shí)別。即高速公路入、出口以及路網(wǎng)內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置車(chē)牌照抓拍系統(tǒng)，攝取通過(guò)車(chē)輛牌照。 車(chē)牌照識(shí)別方法雖然不影響行車(chē)速度，但是應(yīng)用車(chē)牌照抓拍系統(tǒng)進(jìn)行多路徑的9 判別，投資較大且系統(tǒng)精度根據(jù)圖像識(shí)別算法的不同效果 也不同一般不能達(dá)到100%。 概率識(shí)別 一般來(lái)說(shuō)，道路使用者路徑選擇行為是基于道路使用效益最大化和運(yùn)營(yíng)成本最小化的原則之上的，即：花最少的時(shí)間、最少的費(fèi)用、走最短的路、獲取最大的效益。因此，運(yùn)行時(shí)間最少的路徑對(duì)于時(shí)間價(jià)值導(dǎo)向型的道路使用者來(lái)說(shuō)具有更強(qiáng)的吸引力，用戶一般采用最短路徑法。 最短路徑法取最短路徑為行駛路徑。從起點(diǎn)到終點(diǎn)存在兩條或兩條以上的路徑，將最短路徑作為車(chē)輛選擇路徑，此方法最為簡(jiǎn)便，投資最少。最短路徑法直接將多路徑車(chē)輛通行費(fèi)分配給最短路徑業(yè)主，因此，這種方法的精確度取決于車(chē)輛在實(shí)際的 路徑選擇過(guò)程中選擇最短路徑的概率。但是在高速公路中倒卡、逃費(fèi)問(wèn)題嚴(yán)重，因此這種算法的拆分關(guān)系到將通行費(fèi)拆分給哪個(gè)收費(fèi)單位的問(wèn)題，影響了一部分單位的收益。 所以在本次設(shè)計(jì)中主要研究了精確識(shí)別中的車(chē)牌照識(shí)別技術(shù)，分析研究圖像處理得算法，用以提高車(chē)牌照識(shí)別的準(zhǔn)確度。 多路徑識(shí)別算法的理論基礎(chǔ) 在本文涉及到的多路徑識(shí)別算法 — 車(chē)牌照識(shí)別技術(shù)中，對(duì)于 一個(gè)完整的車(chē)輛牌照識(shí)別系統(tǒng) 而言 應(yīng)該包括圖像采集、圖像預(yù)處理、車(chē)牌定位、字符切分、字符識(shí)別以及圖像編碼、數(shù)碼傳輸與更新等步驟，基本可以分為硬件部分和軟件部分，硬件部分主 要完成車(chē)輛圖像的攝取采集，軟件部分主要完成對(duì)采集到的車(chē)輛圖像進(jìn)行車(chē)輛牌照定位、車(chē)牌字符切分與車(chē)牌字符識(shí)別等工作，這部分工作最為復(fù)雜，最后對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和存儲(chǔ)，將處理后的識(shí)別信息交給管理系統(tǒng)進(jìn)行管理。整個(gè)系統(tǒng)的核心是軟件部分的工作，能否通過(guò)牌照對(duì)車(chē)輛進(jìn)行有效管理，很大程度上取決于軟件部分識(shí)別車(chē)牌的準(zhǔn)確性。 車(chē)牌照識(shí)別的主要算法 車(chē)牌識(shí)別的常用算法法有很多種，如結(jié)構(gòu)模式識(shí)別方法、統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別等等。下面分別介紹各種方法： 結(jié)構(gòu)模式識(shí)別可能比較復(fù)雜，但都具有相 當(dāng)嚴(yán)格的規(guī)律性。換句話說(shuō)，字符圖像含有豐富的結(jié)構(gòu)信息。可以設(shè)法提取含有這種信息的結(jié)構(gòu)特征及其組字規(guī)律作為識(shí)別的依據(jù)，這就是結(jié)構(gòu)模式識(shí)別。 結(jié)構(gòu)模式識(shí)別是早期漢字識(shí)別研究的主要方法。其主要出發(fā)點(diǎn)是漢字的組成結(jié)10 構(gòu) .從漢字的構(gòu)成上講，漢字是由筆劃以及偏旁部首構(gòu)成的 。還可以認(rèn)為漢字是由更小的結(jié)構(gòu)基元構(gòu)成的。由這些結(jié)構(gòu)基元及其相互關(guān)系完全可以精確地對(duì)漢字加以描述，這種方法也叫句法模式識(shí)別。識(shí)別時(shí)，利用上述結(jié)構(gòu)信息以及句法分析地方法進(jìn)行識(shí)別，類(lèi)似于一個(gè)邏輯推理器。 基于這種方法來(lái)描述字符的結(jié)構(gòu)在理論上是比較恰當(dāng)?shù)?，其?要優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)字體變化的適應(yīng)性強(qiáng)，區(qū)分相似字的能力強(qiáng)；但是，在實(shí)際應(yīng)用中，其所面臨的問(wèn)題是抗干擾能力差，因?yàn)樵趯?shí)際得到的文本圖像中存在各種干擾，比如傾斜、斷裂、粘連、污點(diǎn)等。這些因素直接影響到結(jié)構(gòu)基元的提取。假如基元不能準(zhǔn)確得到，后面的識(shí)別就成了無(wú)源之水。所以，在字符識(shí)別領(lǐng)域，純結(jié)構(gòu)模式識(shí)別方法己經(jīng)逐漸衰落。 統(tǒng)計(jì)決策論發(fā)展較早，理論也比較成熟 .其要點(diǎn)是提取待識(shí)別模式的一組統(tǒng)計(jì)特征，然后按照一定準(zhǔn)則所確定的決策函數(shù)進(jìn)行分類(lèi)判決。字符的統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別是將字符點(diǎn)陣看作一個(gè)整體，其所用的特征是從這個(gè) 整體上經(jīng)過(guò)大量的統(tǒng)計(jì)而得到的 .統(tǒng)計(jì)特征的特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，匹配與分類(lèi)的算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn) .不足之處在于細(xì)分能力較弱，區(qū)分相似字的能力差一些。常見(jiàn)的統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別方法有： （ 1） 投影直方圖法。利用字符圖像在水平及垂直方向的投影作為特征。這種方法是模式識(shí)別早期使用的方法。 （ 2） 利用變換特征方法。對(duì)圖像進(jìn)行變換，變換后對(duì)圖像從空間域變到頻域，特征的維數(shù)大大降低。但是這些方法總的特征就是運(yùn)算量太大，運(yùn)算復(fù)雜度高，難以滿足實(shí)時(shí)處理的要求。 （ 3） 傅立葉描述子和 Spline 曲線近似。這兩種方法都是針對(duì)字符圖像輪廓的。傅立葉描述子是利用傅立葉函數(shù)模擬封閉的輪廓線，將傅立葉和函數(shù)的各個(gè)系數(shù)作為特征，該方法致命缺點(diǎn)是對(duì)于輪廓線不封閉的字符圖像不適用。車(chē)牌字符本身所占象素點(diǎn)較少，常常會(huì)出現(xiàn)筆劃斷裂輪廓不封閉。 Spline 曲線是在輪廓上找到曲率大的折點(diǎn)，利用 Spline 曲線來(lái)近似相鄰折點(diǎn)之間的輪廓線，該方法的缺點(diǎn)在于對(duì)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象比較敏感。 （ 4） 特征點(diǎn)方法。它的主要思想是利用字符點(diǎn)陣中一些有代表性的點(diǎn)作為特征來(lái)區(qū)分不同的字符。這些點(diǎn)包括端點(diǎn)、折點(diǎn)以及交叉點(diǎn)等等，獲得了比較好的效果。其特點(diǎn)是對(duì)于內(nèi)部筆劃粘連的字符識(shí)別的適應(yīng)性較強(qiáng)，直 觀性好，但是不易表示為矢量形式，不適合作為粗分類(lèi)的特征，匹配難度大。 （ 5） 基于微結(jié)構(gòu)特征的方法。字符是由筆劃組成的，筆劃是由一定方向，一定位置關(guān)系和長(zhǎng)寬比的矩形線段組成的。這些矩形則稱(chēng)為微結(jié)構(gòu)。利用微結(jié)構(gòu)及微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系組成的特征對(duì)字符進(jìn)行識(shí)別。其不足之處正好和特征點(diǎn)的方法相反，11 在內(nèi)部筆劃粘連時(shí)，微結(jié)構(gòu)的提取會(huì)遇到困難。 統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別認(rèn)為圖像可能包含一個(gè)或多個(gè)物體，并且每個(gè)物體屬于若干事先定義的類(lèi)型、范疇或模式之一。雖然模式識(shí)別可以用多種方法實(shí)現(xiàn)，但我們只關(guān)心用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)它的實(shí)現(xiàn)。字符統(tǒng)計(jì)模式是 把字符的點(diǎn)陣看成一個(gè)整體，通過(guò)做大量的統(tǒng)計(jì)得到所需要的特征。最常用的字符統(tǒng)計(jì)模式方法是模板匹配的字符識(shí)別方法。模板匹配的字符識(shí)別方法是通過(guò)一定準(zhǔn)則確定決策函數(shù)，并進(jìn)行分類(lèi)判斷的方法。模板匹配的字符識(shí)別方法是指度量輸入模式與樣本之間的某種相似性，取最相似者為輸入模式所屬類(lèi)別。它根據(jù)字符的直觀形象抽取特征，用相關(guān)匹配原理進(jìn)行識(shí)別。這個(gè)方法不需要特征提取這個(gè)過(guò)程，字符圖像直接作為特征與模板進(jìn)行比較，相似度最高的模板即定為識(shí)別結(jié)果。它優(yōu)點(diǎn)是可以并行處理，簡(jiǎn)單易行。缺點(diǎn)是如果進(jìn)行簡(jiǎn)單的模板匹配，只能夠識(shí)別同種字體、同 樣大小的字符，對(duì)于筆劃變粗、變細(xì)、傾斜的字符適應(yīng)能力比較差，特別是模板與字符筆劃的匹配失誤時(shí)，會(huì)有很大的誤差。 3． 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人腦思維方式的數(shù)學(xué)模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代生物學(xué)研究人腦的組織成果基礎(chǔ)上提出的，用來(lái)模擬人類(lèi)大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和行為，它從微觀結(jié)構(gòu)和功能上對(duì)人腦進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的 優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) 主要表現(xiàn)在如下的幾個(gè)方面： 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 優(yōu)點(diǎn) ： 1,能逼近任意線性函數(shù) 2,信息的并行分布式處理和存儲(chǔ) 3,可以多輸入多輸出 4,便于用超大規(guī)模的集成電路或光學(xué)集成電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 5,具有自學(xué)習(xí)的能力； 6,具有聯(lián)想存儲(chǔ)功能； 7,具有高速尋找優(yōu)化解的能力 . 雖然人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有上述的優(yōu)點(diǎn)，并且在 OCR 中也取得了一些成果，但是在車(chē)牌字符的識(shí)別中仍然存在很大的缺陷： l，車(chē)牌字符象素點(diǎn)陣小，筆劃常常出現(xiàn)斷裂，通過(guò)學(xué)習(xí)規(guī)則，誤差系數(shù)相差很小，容易出現(xiàn)誤識(shí)； 2，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，每次迭代的梯度值都受樣本中噪聲干擾，影響較大，整個(gè)系統(tǒng)收斂速度較慢，不適合實(shí)時(shí)識(shí)別的要求。 用于字符識(shí)別最常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，所謂 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ，核心方法是梯度下降法，它采用梯度 搜索技術(shù)，以期使網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸 值與期望的均方差為最小。 BP神12 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要有兩種形態(tài)： (l)前向傳播：計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的輸出。 隱層神經(jīng)元的輸入為所有輸入的加權(quán)之和，即 （式 ） 隱層神經(jīng)元的輸出井采用 S函數(shù)激發(fā) x，得 （式 ） 輸