王寧昌 潘洪強 韋維

摘要：在高速公路入口，動態(tài)測量即將駛?cè)敫咚俟奋囕v的長寬高信息，對車輛實行的超限拒入，對高速公路運維養(yǎng)護有重要意義。文章設計了三種基于激光雷達動態(tài)對車輛外輪廓信息進行測量的方案，并對方案的系統(tǒng)架構(gòu)和程序進行詳細介紹，從安裝成本、使用效果、施工實施限制等角度分析比較了各方案的利弊，為項目實施提供方案參考，以打造智慧高速公路。

關鍵詞：智慧高速公路；激光雷達；車輛外輪廓測量；入口治超

中圖分類號：U495A571904

0引言

隨著全國高速公路的建設和發(fā)展，高速公路運營安全及養(yǎng)護變得越來越重要。非法超載超限貨運車輛在行駛過程中，直接加速了高速公路設施、橋梁、涵洞與路面的損壞，增加了交通事故發(fā)生的概率，這已經(jīng)變成了影響交通行業(yè)發(fā)展的障礙。為了杜絕車輛超限超載，全國陸續(xù)啟動高速公路入口稱重檢測系統(tǒng)和外輪廓測量系統(tǒng)，違法超限超載貨運車輛將禁止駛?cè)搿８鶕?jù)交通運輸部發(fā)布的《關于進一步規(guī)范高速公路入口治超工作的通知》，全面推行高速公路入口檢測、出口倒查、責任追究和信用治理，堅決遏制違法超限超載運輸，保障高速公路安全、暢通、高效運行。車輛外輪廓測量系統(tǒng)負責動態(tài)快速準確地測量車輛的長寬高信息，配合地磅稱重設備、車輛輪軸識別設備和車輛車牌識別設備一起，提供車輛的重量信息，車軸信息、車輛長寬高信息、車牌信息，為實行超限拒入提供了執(zhí)法依據(jù)，能更好地保障高速公路的安全、暢通、高效運行，有效地減少高速公路交通安全事故率，延長高速公路壽命，降低人力成本和養(yǎng)護成本。

激光雷達具有抗干擾能力強，響應速度快，測量精度高等優(yōu)點，采用激光雷達對車輛輪廓尺寸進行檢測，能滿足高速入口測量的準確性和實時性。采用多激光雷達配合，能同時測量車輛的三維信息，檢測精度能達到1 cm，檢測速度快，能在車輛離開測量區(qū)域100 ms內(nèi)輸出測量結(jié)果。車輛外輪廓測量系統(tǒng)通過網(wǎng)絡以json格式輸出測量結(jié)果，能方便地接入各收費平臺系統(tǒng)。

1系統(tǒng)功能要求

激光雷達車輛外輪廓測量系統(tǒng)能夠?qū)崟r精確地測量車道上通過車輛的長度、寬度和高度信息。其采用性能優(yōu)良的工業(yè)級處理器與嵌入式實時操作系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠；支持實時數(shù)據(jù)傳輸；具備來電自動恢復以及數(shù)據(jù)斷點續(xù)傳能力；具備故障自動檢測以及實時上報功能；在霧、雨、雪天氣下能穩(wěn)定運行；采用動態(tài)跟蹤算法，對車輛目標連續(xù)實時測量，車輛離開測量區(qū)域即刻輸出測量信息，方便快速；配置簡單，部署方便；能夠適應多種收費站站前廣場的場景。

2硬件方案設計

激光雷達車輛外輪廓測量系統(tǒng)由一個或兩個負責測量車輛寬高信息的激光雷達a、一個負責測量車輛長高信息的激光雷達b以及一個測量主控單元組成（見圖1）。激光雷達與測量主控單元通過RS485總線連接，采用屏蔽雙絞線，具有良好的抗噪聲性能、較長的傳輸距離和較快的速率。測量主控單元通過RJ45與治超系統(tǒng)相連，只需要配置IP與端口信息，即可將數(shù)據(jù)接入治超系統(tǒng)，調(diào)試和部署極為方便。

激光雷達安裝在稱重車道的L桿或門架上。激光雷達A負責采集車輛行進方向垂直截面上的輪廓信息（圖2），激光雷達B（圖3）負責采集車輛行進方向截面上的輪廓信息，測量主控單元可根據(jù)需要，安裝在L桿的立桿上或治超系統(tǒng)的機柜和機房里。

激光雷達輸出的實時點云數(shù)據(jù)傳到測量主控單元，主控單元對點云數(shù)據(jù)進行坐標變換處理，檢測出車輛目標，對車輛目標進行實時跟蹤，將測量的高度寬度信息和高度長度信息匹配后，生成車輛外輪廓的測量信息，通過網(wǎng)口輸出到治超系統(tǒng)，治超系統(tǒng)匯總車輛重量、車軸、車牌、車輛長寬高信息后，在顯示屏給出允許通行或拒絕駛?cè)氲男盘枺?］。

在激光雷達選型方面，考慮到激光雷達在室外工作時夏天陽光照射，冬天冷凍結(jié)冰，所選擇的激光雷達需要有很寬的工作適應溫度范圍，同時要支持掃描窗口加熱去霧以減少掃描窗口遮擋對掃描結(jié)果的影響。根據(jù)測量精度要求，需選擇角分辨率小、掃描角度大、掃描幀率高的激光雷達，以達到厘米精度的測量結(jié)果；基于駕駛員安全，需選擇在不可見光頻段工作且對人眼安全的激光雷達。

另外，在施工方案上，除了要考慮新建的或正在改擴建的具有站前廣場的收費站，還要考慮已有的老舊收費站，盡量在不影響原有收費系統(tǒng)的情況下，復用L桿、門架等基礎設施，讓施工安裝配置更簡單。

3軟件方案設計

本系統(tǒng)采用管道流水線的架構(gòu)風格，雷達數(shù)據(jù)接收線程負責接收雷達數(shù)據(jù)，目標識別線程負責將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成跟蹤目標信息，目標跟蹤線程負責目標跟蹤和匹配，結(jié)果輸出線程將車輛測量結(jié)果封裝成json數(shù)據(jù)格式輸出到治超系統(tǒng)，如圖4所示。

系統(tǒng)接收到激光雷達的點云數(shù)據(jù)后，以地面作為背景，對每幀數(shù)據(jù)進行比較，過濾變化率小的點，余下的點即為車輛目標，將目標點云與雷達安裝參數(shù)進行轉(zhuǎn)換計算，即得到目標的高度和寬度。在車輛駛?cè)敕较?，獲得車輛的長度和高度信息，在車輛駛?cè)虢孛娣较颍@得車輛的寬度和高度信息，如圖5所示。

獲取車輛目標后，分別對兩個方向的目標進行跟蹤，對連續(xù)5幀符合條件的目標，建立跟蹤信息，跟蹤信息記錄每幀目標的高度和寬度信息；對連續(xù)5幀不符合條件的目標，視為車輛駛離。此時，將兩個截面的跟蹤信息，用高度進行匹配，得到車輛最大的長寬高結(jié)果［1］，見下頁圖6。

4現(xiàn)場實施方案

參照總體方案設計和現(xiàn)場條件，給出了雙雷達單桿方案、三雷達單桿方案和三雷達雙桿方案。每個方案在具體的實施場景中都有各自的成本優(yōu)勢、測量精度和場景適應性優(yōu)勢，可根據(jù)項目需求，因地制宜地選擇合適的方案，能取得更好的效果。

4.1雙雷達單桿方案

該方案將激光雷達A和激光雷達B交叉安裝在L桿中間的位置，激光雷達A掃描稱重車道內(nèi)車輛行進方向的垂直截面，激光雷達B掃描車道中心車輛行進方向截面，測量主控單元安裝在L桿立桿上，激光雷達與主控單元的RS485接線走L桿內(nèi)部，有較好的防水防塵效果。主控單元與治超系統(tǒng)連接的RJ45走L桿電源管線的線路。測量時，激光雷達A掃描稱重車道內(nèi)車輛行進方向的垂直截面，檢測到車輛目標后，建立車輛跟蹤任務，在車輛駛?cè)腭偝隼走_掃描區(qū)域的過程中，逐幀更新跟蹤車輛的寬度信息和高度信息。激光雷達B掃描車道中心車輛行進方向截面，檢測到車輛目標后，建立車輛跟蹤任務，在車輛駛?cè)腭偝隼走_掃描區(qū)域過程中，逐幀更新跟蹤車輛的長度信息和高度信息。主控單元根據(jù)跟蹤目標的高度，匹配激光雷達A和激光雷達B的車輛跟蹤結(jié)果，當激光雷達B的車輛跟蹤離開雷達掃描區(qū)域中心點時，即為車輛離開門架的時間。此時，主控單元將匹配的車輛的最大的長寬高結(jié)果發(fā)送到治超系統(tǒng)，完成車輛測量，如圖7所示。

該方案可以在現(xiàn)有的收費車道基礎設施上加裝設備，無須加裝L桿，在老舊的收費站和沒有站前廣場的收費站上，可直接復用原來監(jiān)控相機的L桿和管道基礎設施，在成本上有較大的優(yōu)勢。但是，由于激光雷達安裝在車輛的頂部，激光雷達只能掃描到車輛的頂面輪廓信息，故在測量準確度上會有所缺失，車輛后視鏡容易被頂面遮擋而無法測量，造成寬度、長度偏小。

4.2三雷達單桿方案

三雷達單桿方案在雙雷達單桿方案的基礎上，增加了一個掃描稱重車道內(nèi)車輛行進方向垂直截面的激光雷達A，兩個激光雷達A分別安裝在L桿車道上方的兩側(cè)，共同掃描車輛行進方向的垂直截面；激光雷達B仍安裝在L桿中間位置，掃描車輛的行進方向截面。測量時，先融合兩個激光雷達A的點云數(shù)據(jù)，組成在車輛行進方向垂直截面的掃描信息，檢測到車輛目標后，建立車輛跟蹤任務，在車輛駛?cè)腭偝隼走_掃描區(qū)域過程中，逐幀更新跟蹤車輛的寬度信息和高度信息。激光雷達B掃描車道中心車輛行進方向截面，檢測到車輛目標后，建立車輛跟蹤任務，在車輛駛?cè)腭偝隼走_掃描區(qū)域過程中，逐幀更新跟蹤車輛的長度信息和高度信息。主控單元根據(jù)跟蹤目標的高度，匹配激光雷達A和激光雷達B的車輛跟蹤結(jié)果，當激光雷達B的車輛跟蹤離開雷達掃描區(qū)域中間點時，即為車輛離開門架的時間。此時，主控單元將匹配的車輛的最大的長寬高結(jié)果發(fā)送到治超系統(tǒng)，完成車輛測量，如圖8所示。

該方案在車輛行進的垂直方向上增加了激光雷達，能掃描到車輛兩側(cè)輪廓和頂面的輪廓，故相較于雙雷達方案，在寬度上有更好的精度，同時也有較低的施工成本和施工改造難度，但還存在長度、精度的問題。故在有較高精度要求且在基礎設施無法改擴建的條件下，可以選用。

4.3三雷達雙桿方案

三雷達雙桿方案在單桿方案的基礎上，增加安裝了一個L桿，將激光雷達分別安裝在兩個L桿上，用于解決測量長度精度的問題。兩個激光雷達A安裝在前L桿車道兩側(cè)，掃描車輛行進方向的垂直截面；激光雷達B安裝在后L桿中間掃描車道行進方向截面。測量時，先融合前L桿上兩個激光雷達A的點云數(shù)據(jù)，組成在車輛行進方向垂直截面的掃描信息，檢測到車輛目標后，建立車輛跟蹤任務，在車輛駛?cè)腭偝隼走_掃描區(qū)域的過程中，逐幀更新跟蹤車輛的寬度信息和高度信息。后L桿激光雷達B掃描車道中心車輛行進方向截面，檢測到車輛目標后，建立車輛跟蹤任務，在車輛駛?cè)腭偝隼走_掃描區(qū)域的過程中，逐幀更新跟蹤車輛的長度信息和高度信息。主控單元根據(jù)跟蹤目標的高度，匹配激光雷達A和激光雷達B的車輛跟蹤結(jié)果，當激光雷達A的跟蹤消失時，即為車輛離開前L桿的時間。此時，匹配激光雷達A的高度信息和寬度信息，將兩個L桿的安裝間距減去測長跟蹤車頭位置坐標，即得出實際的車長。主控單元將匹配的車輛的最大的長寬高結(jié)果發(fā)送到治超系統(tǒng)，完成車輛測量，如圖9所示。

該方案能準確地測量車輛的長寬高信息，但由于需要安裝兩根L桿，需要在新建設的、有站前廣場的收費站安裝。同時，增加的L桿也帶來了額外的安裝成本并增加了施工配置難度，故在成本允許的條件下，可以選用該方案進行車輛外輪廓尺寸的測量。

5結(jié)語

本文根據(jù)高速公路入口治超對車輛長寬高信息進行不停車動態(tài)實時測量的需求，從硬件角度、軟件角度、現(xiàn)場實施的角度分析與設計了多套可行方案，分析了使用激光雷達進行測量的優(yōu)勢，并從成本、施工難度等角度提供了項目建設和選型建議，為高速公路的運維管理提供便利，為高速公路的養(yǎng)護提供保障，為智慧高速公路建設提供支持。

參考文獻

［1］ 龐正雅，周志峰，王立瑞，等.基于激光雷達的運動補償方法［J］.激光與光電子學進展，2020，57（2）：221-228.

基金項目：中央引導地方科技發(fā)展專項“廣西智慧道路機電系統(tǒng)新技術綜合平臺建設”（編號：桂科ZY20111015）

作者簡介：王寧昌（1986—），工程師，研究方向：智慧高速信息系統(tǒng)。