截止2024.8.21 12点 已更新e全部小问的建模和问题一的代码
bash
####https://docs.qq.com/doc/DVU9YYUFLWlNOY3py
E题:
问题1:统计四个观测点的交通流参数随时间的变化规律
为了统计交通流参数(如车流密度、流量和速度),首先需要从视频数据中提取车辆信息。涉及到使用计算机视觉技术,如车辆检测和跟踪算法。
方法步骤:
- 数据提取:使用图像处理算法(如OpenCV中的背景减除和车辆识别技术)从视频中检测并追踪每辆车的运动。
- 参数计算:
密度:在特定时间点计算视频帧中的车辆数除以观测区域的长度。
流量:计算单位时间内通过特定点的车辆数。
速度:通过追踪同一车辆在连续帧中的位置变化来计算平均速度。 - 数据分析:采用时间序列分析来观察这些参数随时间的变化规律,识别高峰时段、趋势和周期性变化。
问题一代码详解:
主要实现了基于YOLOv5目标检测模型的视频处理,来检测车辆并进行一些后续处理,车辆计数和速度计算。
1. 导入库并加载YOLO模型
python
import cv2
import torch
# 加载YOLO模型
model = torch.hub.load('ultralytics/yolov5', 'yolov5s') # 使用YOLOv5预训练模型
- cv2 是 OpenCV 库,用于计算机视觉任务,如读取和显示视频。
- torch 是 PyTorch 库,用于深度学习模型的加载和处理。
torch.hub.load('ultralytics/yolov5', 'yolov5s')
通过 PyTorch Hub 加载 YOLOv5 的预训练模型,其中'yolov5s'
是 YOLOv5 的一个轻量级版本,专门用于快速目标检测。
2. 读取视频文件并逐帧处理
python
video_path = 'traffic_video.mp4'
cap = cv2.VideoCapture(video_path)
# 逐帧处理视频
while cap.isOpened():
ret, frame = cap.read()
if not ret:
break
# YOLO模型检测车辆
results = model(frame)
# 显示检测结果
results.render() # 在检测到的车辆上绘制边界框
cv2.imshow('YOLO Detection', frame)
# 按键退出
if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
break
cap.release()
cv2.destroyAllWindows()
cv2.VideoCapture(video_path)
读取视频文件,cap.read()
每次读取一帧。results = model(frame)
使用 YOLO 模型对当前帧进行车辆检测。results.render()
自动在检测出的物体(车辆)上绘制边界框。cv2.imshow('YOLO Detection', frame)
显示当前帧及检测结果,实时展示车辆检测的过程。cv2.waitKey(1)
控制显示每帧的间隔时间,按下'q'
键时退出。
3. 车辆计数
python
vehicle_count = 0
# 画面中央有一条线用于计数车辆
line_position = frame.shape[0] // 2 # 设置画面中央为计数线
for vehicle in results.xyxy: # 遍历每个检测到的车辆
x1, y1, x2, y2, conf, cls = vehicle
center_y = (y1 + y2) / 2
# 如果车辆中心点经过计数线
if center_y > line_position:
vehicle_count += 1
- 定义了一条位于画面中央的计数线
line_position
,用来检测车辆是否通过。 - 遍历每个检测到的车辆(YOLO 的
results.xyxy
存储检测结果的边界框和分类信息),并计算车辆的中心点center_y
。 - 如果中心点超过了计数线,表示车辆通过,
vehicle_count
自增。
4. 计算车辆速度
python
fps = cap.get(cv2.CAP_PROP_FPS) # 获取视频帧率
real_world_distance_per_pixel = 0.05 # 每个像素对应的实际距离,单位为米(需要标定)
# 对于每个车辆,计算其在前后帧中的位移
for vehicle in tracked_vehicles:
x1_prev, y1_prev, x2_prev, y2_prev = vehicle['previous_bbox']
x1_curr, y1_curr, x2_curr, y2_curr = vehicle['current_bbox']
# 计算车辆中心点的像素位移
displacement_in_pixels = ((x1_curr - x1_prev)**2 + (y1_curr - y1_prev)**2)**0.5
# 转换为实际距离
displacement_in_meters = displacement_in_pixels * real_world_distance_per_pixel
# 计算速度 = 位移 / 时间
speed = displacement_in_meters * fps # 单位为米/秒
speed_kmh = speed * 3.6 # 转换为公里/小时
- 这里使用了视频的帧率
fps
和每像素对应的实际距离real_world_distance_per_pixel
来计算车辆的速度。 tracked_vehicles
假设存储的是每个车辆在不同帧的位置信息(例如前一帧和当前帧的边界框),通过计算车辆的像素位移来估算实际位移。- 最终通过速度公式(位移/时间)计算每辆车的速度,并将其转换为公里/小时(
km/h
)。
5. 车辆密度计算
python
# 视频画面的实际长度为L公里
vehicle_count_in_frame = len(results.xyxy) # 当前帧中检测到的车辆数
density = vehicle_count_in_frame / L # 单位为辆/公里
- 假设视频画面的实际长度为
L
公里,这里通过当前帧检测到的车辆数vehicle_count_in_frame
来计算车辆密度,单位为辆/公里。
总结
- 该代码的主要任务是使用 YOLOv5 对视频中的车辆进行检测、计数、跟踪和速度计算。
- 视频中的每一帧通过 YOLO 模型进行处理,模型会输出检测到的车辆,并在视频画面上实时显示检测结果。
- 代码还涉及了车辆计数、基于帧与帧之间的位移计算车辆速度,以及根据检测到的车辆数计算车辆密度等功能。
问题2:建立交通流拥堵模型
构建一个模型以预测特定路段可能出现的持续拥堵状态,并能提前发出预警。此模型需要考虑多种因素,如交通流参数和道路条件。
建模方法:
- 理论基础:利用基本交通流理论(如LighthillWhithamRichards (LWR)模型)来描述车流动态。
- 拥堵识别:设定密度或流量的阈值,超过这些阈值时认为是拥堵状态。例如,如果车辆密度超过每公里车辆数的某个特定值。
- 预警系统:利用时间序列预测方法(如ARIMA模型或机器学习算法)根据历史数据预测未来的车流状态,从而实现拥堵前10分钟的预警。
问题3:验证模型有效性
利用收集的实际交通流数据对建立的模型进行验证,确保模型预测与实际情况相符。
验证步骤:
- 拟合与预测:使用部分数据训练模型,并用另一部分数据进行测试,评估模型的预测准确性。
- 性能评估:使用统计指标(如均方误差、R²等)来量化模型的预测性能。
问题4:优化视频监控点布局
考虑到成本和监控效果的平衡,优化监控点的布局至关重要。
优化策略:
- 数据驱动的布局优化:根据历史数据分析结果,确定哪些路段更容易拥堵,相应地增加监控点。
- 成本效益分析:考虑到设备和维护成本,评估增加监控点的经济可行性。
- 模拟测试:使用模拟技术(如微观交通模拟软件)测试不同布局方案的效果,选择最优方案。