ITS mit Weitblick: China auf der Überholspur

China setzt auf Bildverarbeitungskameras, um seine Infrastruktur mit intelligenten Verkehrsüberwachungssystemen auszubauen.

Checkpoint auf einer Autobahn

AVT's Prosilica GC

Seit den Reformen von 1978 ist Chinas Volkswirtschaft kontinuierlich um durchschnittlich 7 bis 8 Prozent pro Jahr gewachsen. Mit einem Bruttoinlandsprodukt von ca. 5 Billionen Dollar (3,7 Billionen Euro) ist das Land zur dynamischsten Wirtschaftsmacht der Welt geworden. Das Wirtschaftswachstum wird von einem schnellen Ausbau des chinesischen Straßennetzes im Rahmen des so genannten National Trunk Highway System (NTHS) begleitet. Die wirtschaftliche Expansion des Landes führte zu mehr Gütertransport sowie demographischen Veränderungen wie etwa eine zunehmende Urbanisierung. So stieg der Anteil der Menschen, die in Städten wohnen, zwischen 1978 und 2005 von 17,4 auf 41,8 Prozent und die wachsende Mittelschicht sorgt für eine boomende Motorisierung: 75 Millionen Fahrzeuge sollen Ende 2010 auf Chinas Straßen unterwegs sein.

Hoher Bedarf an intelligenten Verkehrslösungen
Das NTHS besteht aus Schnellstraßen und Autobahnen verschiedener Klassen und soll laut Ministerium für Kommunikation bis 2020 insgesamt 3 Millionen Kilometer umfassen. Das Autobahnnetz ist schon heute mit 65.000 km das zweitgrößte der Welt nach dem der USA und dürfte 2020 um 85.000 km lang sein. Der aktuelle nationale Autobahnnetzplan sieht den Bau von sieben Autobahnen vor, die von Beijing aus sternförmig in alle Himmelsrichtungen führen sollen: Neun Nord-Süd- und 18 Ost-West-Verbindungen zwischen Städten mit über 200.000 Einwohnern sollen insgesamt über einer Milliarde Menschen in ganz China zur Verfügung stehen.

Der Megastau von 2010 auf der Beijing-Tibet-Autobahn über 100 km, der neun Tage lang dauerte, hat es bewiesen: Die Verkehrsüberlastung in China nimmt rapide zu. Um dagegen zu steuern, haben die chinesischen Behörden massiv  in den Ausbau von intelligenten Verkehrssystemen – auch ITS (Intelligent Transportation Systems) genannt  –investiert. Sowohl chinesische als auch internationale Unternehmen wurden dazu aufgerufen, ITS-Lösungen zu entwickeln und umzusetzen, um Chinas Straßen  effektiver und sicherer zu machen. Allein im vierten Quartal 2009 wurden 1.063 ITS-Projekte im Wert von über 2 Milliarden Yuan (24,6 Mio €) durchgeführt, davon 384 für Verkehrsampelüberwachung, 238 für Geschwindigkeitsmessung, 238 für so genannte „Checkpoints“ und 203 für Verkehrsüberwachungsanlagen.

In Zusammenarbeit mit seinem lokalen Vertriebspartner China Daheng ist Allied Vision Technologies (AVT) an mehreren ITS-Projekten in fünf großen Ballungsräumen als Lieferant von Kameras für Bildverarbeitungsanwendungen beteiligt.

ITS im Einsatz – Lösungen für die Stadt und die Autobahn
Im Unterschied zu Europa oder Nordamerika werden ITS-Lösungen in China nicht nachträglich, sondern gleich bei der Planung und dem Bau von neuen Straßen mit einbezogen. So entfallen nachträgliche Bauarbeiten, Umleitungen oder Straßensperrungen. ITS wird in der Stadt und auf der Autobahn in China vor allem in drei Bereichen eingesetzt: Zur Sicherung von Kreuzungen, an Checkpoints und zur Verkehrsflussüberwachung auf der Autobahn.

Große Straßenkreuzungen werden überwacht, um je nach lokaler Situation verschiedene Verkehrsverstöße zu dokumentieren. Dazu gehört die Erkennung von Ampelverstößen und falschem Einordnen bzw. Abbiegen sowie die Kennzeichenerkennung. Jedes Setup besteht aus vier Kameras, die  auf alle vier Seiten der Kreuzung verteilt sind, sowie zwei LED Blitzanlagen pro Seite für Nachtaufnahmen. Das System ist 20 Meter von der Haltelinie entfernt und zielt in die Richtung des Verkehrsflusses. Eine 2-Megapixel-Kamera wie die Prosilica GC1600C von Allied Vision Technologies ist in der Lage, bis zu zwei Verkehrsspuren gleichzeitig zu erfassen, während die Prosilica GC2450C mit 5 Megapixeln für dreispurige Straßen bevorzugt wird. Die Kameras sind mit 16mm C-Mount-Objektiven ausgestattet, um einen weiten Blickwinkel sowie scharfe Details zu gewährleisten. Zwei Detektorschleifen sind im Straßenbelag vor und nach der Verkehrsampel integriert, um Fahrzeuge zu erfassen und die Kamera auszulösen. Um den Verkehrsverstoß zu beweisen wird das Fahrzeug vor, auf und nach der Kreuzung fotografiert. Die Anlagen werden oft vernetzt, um die Hardwarekosten zu minimieren: Die Daten zu den erfassten Verstößen werden optisch über  Glasfaserkabel zu einer Polizeizentrale übertragen, wo sie gespeichert und analysiert werden. Polizeimitarbeiter können das System fernsteuern, indem sie Einstellungsparameter über eine Software modifizieren.

Checkpoints auf chinesischen Autobahnen sind automatisierte Kontrollpunkte, die sowohl zur Verkehrsregulierung als auch zur Verkehrsüberwachung eingesetzt werden. Sie werden von der Polizei genutzt, um verdächtige Fahrzeuge zu identifizieren – etwa solche, die kein Kennzeichen haben oder als gestohlen gemeldet sind. Wird ein verdächtiges Fahrzeug erfasst, wird die nächste Polizeidienstelle automatisch alarmiert. Das System wird außerdem zur Kontrolle des Verkehrsflusses und zur Messung der Durchschnittsgeschwindigkeit der vorbeifahrenden Fahrzeuge verwendet. An einem solchen Checkpoint werden üblicherweise je nach Anzahl der Fahrspuren bis zu drei Digitalkameras mit 2 Megapixeln Auflösung und eine LED Beleuchtung eingesetzt.

Vorteile von Machine Vision Kameras in ITS Applikationen
Obwohl Kleinbild- oder Konsumentenkameras in Verkehrsanwendungen noch weit verbreitet sind, beginnt die Branche die immensen Vorteile von industriellen Bildverarbeitungskameras zu erkennen. Besonders die Sensoren mit digitalem Verschluss, die schnellen Schnittstellen und die Software Development Kits, wie sie von Kameraherstellern wie Allied Vision Technologies bereitgestellt werden, zeichnen solche Kameras aus.

So haben Interline Frame Transfer CCD- und Global Shutter CMOS-Sensoren mechanische Verschlüsse überflüssig gemacht. Diese waren für ITS-Anwendungen unentbehrlich, die bisher mit hochauflösenden SLR-Kameras mit Rolling Shutter CMOS-Sensoren arbeiteten. Doch leider hat ein mechanischer Verschluss wie jedes mechanische Bauteil unter intensiver Nutzung eine begrenzte Lebensdauer, so dass solche Systeme oft anfällig sind und häufige Reparaturen und somit hohe Wartungskosten nach sich ziehen.

Außerdem ermöglichen digitale Datenschnittstellen wie GigE Vision lange Kabellängen und die Übertragung der Bilddaten zu einer zentralen Stelle in Echtzeit. GigE Vision ermöglicht Kabellängen von bis zu hundert Metern mit konventionellen Ethernet kabeln. Auch bei dem FireWire Interface bietet Allied Vision Technologies Digitalkameras mit eingebautem optischen Faseranschluss an, mit dem Entfernungen von mehreren hundert Metern zwischen Kamera und Computer überbrückt werden können. Somit kann die Polizei schneller reagieren bzw. Leitsysteme können die momentane Verkehrslage steuern. Mit Machine Vision Kameras lassen sich hochauflösende Bilder bei hoher Bildrate permanent übertragen, 365 Tage im Jahr.

Digitalkameras für die industrielle Bildverarbeitung werden für eine optimale Integration in ein System entwickelt und können daher gut mit anderen Systemkomponenten zusammenarbeiten. Das mitgelieferte Software Development Kit und die Kompatibilität mit Third-Party Softwarelösungen – etwa dank XML parsed feature Unterstützung – erleichtern die Entwicklungsarbeit von ITS Bildverarbeitungssystemen. Darüber hinaus macht die Kompatibilität der Kameras zu industriellen Standards ein Wechsel des Kameramodells innerhalb einem bestehenden Systems besonders einfach, ohne dass die ganze Bildauswertungssoftware neu programmiert werden müsste.

Industrielle Bildverarbeitungskameras bieten zudem viele wertvolle Funktionen wie verzögerungsfreier Trigger für eine möglichst zeitnahe Bilderfassung, anpassungsfähige Belichtungszeit, Gain- und Binning Modi, um die Kameraeinstellungen den wechselnden Lichtverhältnissen im Außenbereich anzupassen, digitaler Verschluss (Global Shutter) und eine hohe Lichtempfindlichkeit für maximale Bewegungsschärfe und verzerrungsfreie Bilder. Der Einstellbare I/O Port ermöglicht außerdem die Synchronisation der Kamera mit anderen Systemkomponenten wie etwa Bodenschleife, Radar, Laser oder Blitz. Manche Kamerahersteller bieten sogar Funktionen an, die speziell für die Verkehrsüberwachung entwickelt wurden. So verfügt die Prosilica GX von Allied Vision Technologies über eine integrierte Motorlinsensteuerung, mit der sich Objektiveinstellungen ohne Umwege direkt über die Kamera kontrollieren lassen. 

Intelligente Lösungen für die Stadt – die Zukunft auf Chinas Straßen
Ein neues ITS Projekt soll den Verkehr in einem der größten Ballungsgebiete Chinas regulieren. Ziel ist es, Verkehrsflüsse zu analysieren, um Staus und Verkehrsbehinderungen vorzubeugen. Das System ermittelt die Verkehrsdichte und durchschnittliche Geschwindigkeit auf Verkehrsadern und löst automatisch eine Alarmmeldung aus, wenn Verkehrsbehinderungen wie ein liegen gebliebenes oder falsch geparktes Fahrzeug erkannt werden. Darüber hinaus sieht das System zusätzliche Kontrollen vor. So ist es mit einer Kennzeichenerkennungsfunktion ausgestattet, um verdächtige Fahrzeuge zu identifizieren, und kann die Nutzung von reservierten Fahrspuren (z.B. Busspuren) durch nicht-autorisierte Fahrzeuge überwachen.

Mit vielen innovativen Projekten im ganzen Land ist China bei der Entwicklung und Umsetzung von intelligenten Verkehrsüberwachungs- und Verkehrsleitsystemen führend, während viele andere Länder in Europa und Nordamerika solche Investitionen aus wirtschaftlichen oder politischen Gründen auf Eis gelegt haben. Hoffentlich wird das chinesische Beispiel die Behörden anderer Länder dazu bewegen, ihre eigene Politik zu überdenken und ITS als das zu erkennen, was es ist: Eine sinnvolle Lösung für viele der aktuellen Herausforderungen, mit denen Infrastrukturplaner heute konfrontiert werden.