基于激光雷達(dá)的高速公路車輛外輪廓測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

王寧昌 潘洪強(qiáng) 韋維

摘要：在高速公路入口，動(dòng)態(tài)測(cè)量即將駛?cè)敫咚俟奋囕v的長(zhǎng)寬高信息，對(duì)車輛實(shí)行的超限拒入，對(duì)高速公路運(yùn)維養(yǎng)護(hù)有重要意義。文章設(shè)計(jì)了三種基于激光雷達(dá)動(dòng)態(tài)對(duì)車輛外輪廓信息進(jìn)行測(cè)量的方案，并對(duì)方案的系統(tǒng)架構(gòu)和程序進(jìn)行詳細(xì)介紹，從安裝成本、使用效果、施工實(shí)施限制等角度分析比較了各方案的利弊，為項(xiàng)目實(shí)施提供方案參考，以打造智慧高速公路。

關(guān)鍵詞：智慧高速公路；激光雷達(dá)；車輛外輪廓測(cè)量；入口治超

中圖分類號(hào)：U495A571904

0引言

隨著全國(guó)高速公路的建設(shè)和發(fā)展，高速公路運(yùn)營(yíng)安全及養(yǎng)護(hù)變得越來(lái)越重要。非法超載超限貨運(yùn)車輛在行駛過(guò)程中，直接加速了高速公路設(shè)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(guó)陸續(xù)啟動(dòng)高速公路入口稱重檢測(cè)系統(tǒng)和外輪廓測(cè)量系統(tǒng)，違法超限超載貨運(yùn)車輛將禁止駛?cè)?。根?jù)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)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(cè)、出口倒查、責(zé)任追究和信用治理，堅(jiān)決遏制違法超限超載運(yùn)輸，保障高速公路安全、暢通、高效運(yùn)行。車輛外輪廓測(cè)量系統(tǒng)負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)快速準(zhǔn)確地測(cè)量車輛的長(zhǎng)寬高信息，配合地磅稱重設(shè)備、車輛輪軸識(shí)別設(shè)備和車輛車牌識(shí)別設(shè)備一起，提供車輛的重量信息，車軸信息、車輛長(zhǎng)寬高信息、車牌信息，為實(shí)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(yùn)行，有效地減少高速公路交通安全事故率，延長(zhǎng)高速公路壽命，降低人力成本和養(yǎng)護(hù)成本。

激光雷達(dá)具有抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，采用激光雷達(dá)對(duì)車輛輪廓尺寸進(jìn)行檢測(cè)，能滿足高速入口測(cè)量的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。采用多激光雷達(dá)配合，能同時(shí)測(cè)量車輛的三維信息，檢測(cè)精度能達(dá)到1 cm，檢測(cè)速度快，能在車輛離開(kāi)測(cè)量區(qū)域100 ms內(nèi)輸出測(cè)量結(jié)果。車輛外輪廓測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以json格式輸出測(cè)量結(jié)果，能方便地接入各收費(fèi)平臺(tái)系統(tǒng)。

1系統(tǒng)功能要求

激光雷達(dá)車輛外輪廓測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)精確地測(cè)量車道上通過(guò)車輛的長(zhǎng)度、寬度和高度信息。其采用性能優(yōu)良的工業(yè)級(jí)處理器與嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠；支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸；具備來(lái)電自動(dòng)恢復(fù)以及數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳能力；具備故障自動(dòng)檢測(cè)以及實(shí)時(shí)上報(bào)功能；在霧、雨、雪天氣下能穩(wěn)定運(yùn)行；采用動(dòng)態(tài)跟蹤算法，對(duì)車輛目標(biāo)連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量，車輛離開(kāi)測(cè)量區(qū)域即刻輸出測(cè)量信息，方便快速；配置簡(jiǎn)單，部署方便；能夠適應(yīng)多種收費(fèi)站站前廣場(chǎng)的場(chǎng)景。

2硬件方案設(shè)計(jì)

激光雷達(dá)車輛外輪廓測(cè)量系統(tǒng)由一個(gè)或兩個(gè)負(fù)責(zé)測(cè)量車輛寬高信息的激光雷達(dá)a、一個(gè)負(fù)責(zé)測(cè)量車輛長(zhǎng)高信息的激光雷達(dá)b以及一個(gè)測(cè)量主控單元組成（見(jiàn)圖1）。激光雷達(dá)與測(cè)量主控單元通過(guò)RS485總線連接，采用屏蔽雙絞線，具有良好的抗噪聲性能、較長(zhǎng)的傳輸距離和較快的速率。測(cè)量主控單元通過(guò)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(dá)安裝在稱重車道的L桿或門架上。激光雷達(dá)A負(fù)責(zé)采集車輛行進(jìn)方向垂直截面上的輪廓信息（圖2），激光雷達(dá)B（圖3）負(fù)責(zé)采集車輛行進(jìn)方向截面上的輪廓信息，測(cè)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(jī)柜和機(jī)房里。

激光雷達(dá)輸出的實(shí)時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳到測(cè)量主控單元，主控單元對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換處理，檢測(cè)出車輛目標(biāo)，對(duì)車輛目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，將測(cè)量的高度寬度信息和高度長(zhǎng)度信息匹配后，生成車輛外輪廓的測(cè)量信息，通過(guò)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(zhǎng)寬高信息后，在顯示屏給出允許通行或拒絕駛?cè)氲男盘?hào)［1］。

在激光雷達(dá)選型方面，考慮到激光雷達(dá)在室外工作時(shí)夏天陽(yáng)光照射，冬天冷凍結(jié)冰，所選擇的激光雷達(dá)需要有很寬的工作適應(yīng)溫度范圍，同時(shí)要支持掃描窗口加熱去霧以減少掃描窗口遮擋對(duì)掃描結(jié)果的影響。根據(jù)測(cè)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(dá)，以達(dá)到厘米精度的測(cè)量結(jié)果；基于駕駛員安全，需選擇在不可見(jiàn)光頻段工作且對(duì)人眼安全的激光雷達(dá)。

另外，在施工方案上，除了要考慮新建的或正在改擴(kuò)建的具有站前廣場(chǎng)的收費(fèi)站，還要考慮已有的老舊收費(fèi)站，盡量在不影響原有收費(fèi)系統(tǒng)的情況下，復(fù)用L桿、門架等基礎(chǔ)設(shè)施，讓施工安裝配置更簡(jiǎn)單。

3軟件方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用管道流水線的架構(gòu)風(fēng)格，雷達(dá)數(shù)據(jù)接收線程負(fù)責(zé)接收雷達(dá)數(shù)據(jù)，目標(biāo)識(shí)別線程負(fù)責(zé)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成跟蹤目標(biāo)信息，目標(biāo)跟蹤線程負(fù)責(zé)目標(biāo)跟蹤和匹配，結(jié)果輸出線程將車輛測(cè)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(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，以地面作為背景，對(duì)每幀數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，過(guò)濾變化率小的點(diǎn)，余下的點(diǎn)即為車輛目標(biāo)，將目標(biāo)點(diǎn)云與雷達(dá)安裝參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算，即得到目標(biāo)的高度和寬度。在車輛駛?cè)敕较?，獲得車輛的長(zhǎng)度和高度信息，在車輛駛?cè)虢孛娣较?，獲得車輛的寬度和高度信息，如圖5所示。

獲取車輛目標(biāo)后，分別對(duì)兩個(gè)方向的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，對(duì)連續(xù)5幀符合條件的目標(biāo)，建立跟蹤信息，跟蹤信息記錄每幀目標(biāo)的高度和寬度信息；對(duì)連續(xù)5幀不符合條件的目標(biāo)，視為車輛駛離。此時(shí)，將兩個(gè)截面的跟蹤信息，用高度進(jìn)行匹配，得到車輛最大的長(zhǎng)寬高結(jié)果［1］，見(jiàn)下頁(yè)圖6。

4現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案

參照總體方案設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)條件，給出了雙雷達(dá)單桿方案、三雷達(dá)單桿方案和三雷達(dá)雙桿方案。每個(gè)方案在具體的實(shí)施場(chǎng)景中都有各自的成本優(yōu)勢(shì)、測(cè)量精度和場(chǎng)景適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)項(xiàng)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(dá)單桿方案

該方案將激光雷達(dá)A和激光雷達(dá)B交叉安裝在L桿中間的位置，激光雷達(dá)A掃描稱重車道內(nèi)車輛行進(jìn)方向的垂直截面，激光雷達(dá)B掃描車道中心車輛行進(jìn)方向截面，測(cè)量主控單元安裝在L桿立桿上，激光雷達(dá)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(cè)量時(shí)，激光雷達(dá)A掃描稱重車道內(nèi)車輛行進(jìn)方向的垂直截面，檢測(cè)到車輛目標(biāo)后，建立車輛跟蹤任務(wù)，在車輛駛?cè)腭偝隼走_(dá)掃描區(qū)域的過(guò)程中，逐幀更新跟蹤車輛的寬度信息和高度信息。激光雷達(dá)B掃描車道中心車輛行進(jìn)方向截面，檢測(cè)到車輛目標(biāo)后，建立車輛跟蹤任務(wù)，在車輛駛?cè)腭偝隼走_(dá)掃描區(qū)域過(guò)程中，逐幀更新跟蹤車輛的長(zhǎng)度信息和高度信息。主控單元根據(jù)跟蹤目標(biāo)的高度，匹配激光雷達(dá)A和激光雷達(dá)B的車輛跟蹤結(jié)果，當(dāng)激光雷達(dá)B的車輛跟蹤離開(kāi)雷達(dá)掃描區(qū)域中心點(diǎn)時(shí)，即為車輛離開(kāi)門架的時(shí)間。此時(shí)，主控單元將匹配的車輛的最大的長(zhǎng)寬高結(jié)果發(fā)送到治超系統(tǒng)，完成車輛測(cè)量，如圖7所示。

該方案可以在現(xiàn)有的收費(fèi)車道基礎(chǔ)設(shè)施上加裝設(shè)備，無(wú)須加裝L桿，在老舊的收費(fèi)站和沒(méi)有站前廣場(chǎng)的收費(fèi)站上，可直接復(fù)用原來(lái)監(jiān)控相機(jī)的L桿和管道基礎(chǔ)設(shè)施，在成本上有較大的優(yōu)勢(shì)。但是，由于激光雷達(dá)安裝在車輛的頂部，激光雷達(dá)只能掃描到車輛的頂面輪廓信息，故在測(cè)量準(zhǔn)確度上會(huì)有所缺失，車輛后視鏡容易被頂面遮擋而無(wú)法測(cè)量，造成寬度、長(zhǎng)度偏小。

4.2三雷達(dá)單桿方案

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

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

4.3三雷達(dá)雙桿方案

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

該方案能準(zhǔn)確地測(cè)量車輛的長(zhǎng)寬高信息，但由于需要安裝兩根L桿，需要在新建設(shè)的、有站前廣場(chǎng)的收費(fèi)站安裝。同時(shí)，增加的L桿也帶來(lái)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(jìn)行車輛外輪廓尺寸的測(cè)量。

5結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)高速公路入口治超對(duì)車輛長(zhǎng)寬高信息進(jìn)行不停車動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量的需求，從硬件角度、軟件角度、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的角度分析與設(shè)計(jì)了多套可行方案，分析了使用激光雷達(dá)進(jìn)行測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，并從成本、施工難度等角度提供了項(xiàng)目建設(shè)和選型建議，為高速公路的運(yùn)維管理提供便利，為高速公路的養(yǎng)護(hù)提供保障，為智慧高速公路建設(shè)提供支持。

參考文獻(xiàn)

［1］ 龐正雅，周志峰，王立瑞，等.基于激光雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2020，57（2）：221-228.

基金項(xiàng)目：中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)“廣西智慧道路機(jī)電系統(tǒng)新技術(shù)綜合平臺(tái)建設(shè)”（編號(hào)：桂科ZY20111015）

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