高速公路超高超宽车辆自动检测技术研究
2024-10-18
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第18卷第5期 2016年1O月 交通科技与经济 VoL 18,No.5 0ct.,2016 Technology&Economy in Areas of Communications 高速公路超高超宽车辆自动检测技术研究 王摘婷 ,李坤伦 (1.西安公路研究院,陕西西安710065;2.长安大学,陕西西安710064) 要:研究对高速公路通行的货车进行高宽数据信息自动采集,结合超高(宽)车辆自动检测原理与实践,从计算 模型、自动检测平台建立等方面对高速公路超高(宽)车辆自动检测技术进行阐述,为自动检测技术应用于高速公路 车辆几何尺寸超载提供依据和理论支持。 关键词:激光测量仪;计算模型;几何尺寸;超限车辆;自动检测 中图分类号:U462.2+2 文献标识码:A 文章编号:1008—5696(2016)05—0075—06 Automatic detection technology of super height and width vehicle on the expressway WANG Ting ,LI Kunlun2 (1.Xi’an Highway Research Institute,Xi’an 710065,China;2.Chang’an University,Xi’an 710064,China) Abstract:This paper mainly studies how to collect the height and width data for trcuks in automatic way, and the automatic vehicle detection technology from ultra high(wide)automatic vehicle detection principle and practice.The computation model and the automatic detection platform are established which can provide a theoretical basis and support for the application of this technology in highway vehicle geometric size overload. Key words:laser measuring instrument;calculation model;geometric size;out of gauge vehicle;automatic detection 目前,国内高速公路出口普遍采用计重设备采 集车辆重量信息,以达到治理质量超限超载的问 题,2006年12月治超前,高速公路质量超载车辆占 全部货运车辆的26.8 ,现在,质量超载率稳定在 1 以下。 是靠收费站工作人员目测或者使用长尺进行测量, 测量结果不准确,存在严重的安全隐患。 因此,进一步加快人工治超到自动化治超的转 变已经成为如今治超工作的发展趋势,这其中,必 须要解决几何尺寸超限车辆自动检测问题。 但是,关于几何尺寸超限运输的统计数字,至 今未受到应有的重视,也无从得知其发展规律。可 以确定的是,几何超限车辆,随着运输方式的转变、 汽车保有量的增加,以及汽车运输业的迅速发展, 1超高(宽)车辆自动检测原理与实践 随着车辆超限检测中车辆重量超限率的稳步 控制(在1 以下),高速公路人口超限检测的重心 也渐渐地由车辆重量检测转移到了车辆尺寸(主要 其绝对数字和超限比率逐年增加。几何尺寸超限 会改变车辆的设计参数和性能,给交通安全带来威 是车辆宽高)检测上来。由于现有车辆尺寸检测存 在的问题,迫切的需要找到一种新的可以对车辆尺 寸进行检测的方法。以下是摸索研究后可使用的 几种检测方法: 1)标线法:在检测车辆通过的检测车道旁边, 人为的划定一条高度标线(如4.5 m),所有车辆经 过时,检测员和标线进行比对。如果超过或接近标 胁。一些未经检测发现的超限车辆高速通过时,撞 毁桥梁,致使预制力钢筋外露并断裂,以陕西为例, 仅2009年,就发生碰撞事故1O余起。但目前对于 车辆几何尺寸超限却没有自动化的采集设备,通常 收稿日期:2016—07—21 作者简介:王婷(1984一),女,硕士,工程师,研究方向:交通工程 交通科技与经济 第18卷 线,则车辆可能尺寸超限,检测员再通过长尺进行 精确测量,完成对车辆的尺寸检测。该方法的主 特点是投入很少,相对简单。但是只能实现对 辆 的高度检测,并且其中主要是人为进行测量,精确 度较低。 2)红外测量法:在超限检测车道内,分别按照 宽度方向和高度方向,架设两组红外对射装置.限 定好车辆的行驶路径后,可同时实现车辆的宽度和 高度超限检测。该方法的主要特点是能同时实现 宽度和高度检测,精度较高。但是只能获取车辆超 限与否的信息,不能获取车辆宽高的详细数据,并 且对车辆的行驶路径有严格要求(主要受限于宽度 测量) 3)激光测量法:在车辆的检测车道上方(一般 高度6~7 m),架设1台激光测量仪,即可实现对车 辆宽度和高度的检测。陔方法的主要特点是:适Hj 于所有的检测车道(无论是否有独立场地);车辆在 检测过程巾可以较高的速度通过,并且和重量检测 同步进行,效率较高.检测精度较高,可获取详细的 车辆宽高信息(甚至可以描绘出宽高截面轮廓网)。 但相对其他方法投入较高。 通过对几种方法的分析比较,可以看出,激光 测量法无疑是精确性,可用度较高的一种,并且对 使J}{j环境无过多要求。国内外很多领域现在郁开 始使用激光测量仪进行测量,包括海关、轨道交通 的宽高限位,结合国内外应用实践,以及高速公路 实际测量j|辆的自身特点,采集车辆几何尺寸可采 用激光测量仪。 实现方法:使用两台激光测量仪,一台安装于 车辆的正前方,平行于测量前进方向安装,测量乍 辆的长度,另一台安装于车的尾部,垂至于车辆的 前进方向,测量车辆的宽度及高度。 1.1该方案特点 1)采用红外激光,非接触式测量,高科技含量。 2)安全,对人体没有任何危害,完全绿色。 3)高精度,高可靠性,维护简单。 1.2激光测量仪测量原理 通过旋转镜面将脉冲激光发射向各个方向,j} 南激光测量仪接受反射光线,通过计时器计算发射 和接受之间的时间差就可以计算测量距离。使川 波特率500 k以上的高速通讯卡接口,激光测量仪 可以实现所有检测数据的实时传送。通过接收激 光扫描仪的反射信号,自动得到货车装载的实际断 面尺寸,给出超限部位的超高、超宽二维坐标及超 限车辆的其他信息。 2计算模型的建立 激光测量仪的主要原理是从当前设备发射一 组激光束.根据激光柬的返同计算出与物体之间的 距离,从而得m物体的有效高度,并进一步计算出 物体的宽度。具体过程如下: 1)首先必须进行一次尢车状态下的标准点扫 描即初始化,得…没备到地面的有效高度,如图1 所示: 图1初始化扫描示意图 得到没备到地面标高,记为H 2)标准点扫描完成后,就可进行车辆的宽高测 量。要求车辆缓慢驶入.如图2所示。 图2车辆通行扫描示意图 乍在缓慢行驶过程 }1.测量仪开始对车辆进行 扫捕,得…一组如下的车辆截面扫捕网,如图3 所示。 图3车辆截面扫描示意图 第5期 王婷,等:高速公路超高超宽车辆自动检测技术研究 3)车辆扫描结束后,根据得到的扫描序列,可 以开始对车辆的宽高进行分析,其中高度分析如图 4所示。, 由图5可知,两扫描点之间车辆的有效宽度W 应该为第一扫描点的宽度w。减去第二扫描点的宽 度W ,由三角函数关系得出: Wl—D1 X COS“ W2一D2×COS b W—Dl X COS“一D2×COS b 其中:w 为第一扫描点的宽度,D 为第一扫描点 的长度,a为第一扫描线与车辆之间之间夹角,w 为第二扫描点的宽度,D 为第二扫描点的长度,b 为第二扫描线与车辆之间之间夹角。 将所有有效的w相加,最终得出车辆的实际 宽度。 图4车辆高度分析示意图 对任意一束扫描点,扫描线与车辆之间的夹角 “已知,由图4可以看出,扫描点与车辆之间的间距 D和转换后的高度H有如下关系: sin n—H/D 故每个扫描点的转化高度均可得出为: H—D×sin a 其中:n为扫描线与车辆之间的夹角,H为每个扫描 点的转化高度,D为扫描点与车辆之间的间距。 此时,根据测量结果,可以得出一组转化高度 值序列(Hl,H2,H ,H4……H )。 由于开始已经进行过标准扫描点的初始化.知 道当前扫描点到地面的实际高度H。,所以用实际 高度减去当前的转化高度,就可以得到车辆在扫描 图5车辆宽度分析示意图 按照国家相关规定,车宽是指平行于车辆纵向 对称平面并分别抵靠车辆两侧固定突出部位的两 平面之间的距离,简单地说就是汽车宽度方向两极 端点间的距离。其中,汽车两侧固定突出部位不包 含后视镜、侧面标志灯、示位灯、转向灯、挠性挡泥 板、折叠式踏板、防滑链以及与地面接触变形部 分等。 点的高度,由此得出一组车辆截面的扫描点高度, 记为(HJl,H H』 ……H ),有如下关系: HJ1一Hf)一H1 Hf2一H0一Hl 计算车辆有效高度时,应按照实际情况除去该 部分数值,制定车辆宽度测量过程中的有效高度范 围。例如,可确定最低有效高度为Ho,最高有效高 度为H∽有效高度为H,则H。≤H≤H 。 H,,,一H。一H 此组高度必须进行有效性判断,大于一定值如 6 m或小于一定值如0.5 m均视为无效,由此得到 一为使得结果更接近实际值,测量过程中应注意 以下几点: 组车辆截面的有效扫描点高度,选取该有效扫描 点高度中的最大值作为该检测车辆的最终测量 高度。 4)高度分析完成后,可再对宽度进行分析。 由于车辆表面可能高度不均,分析宽度时,将 1)通过测量扫描线构成的三角分析,测量仪的 高度在距离地面6 m左右较合适。在首次初始化 的时候,必须精确对地面高度进行校准,并保证与 地面垂直,否则可能造成误差过大。 所有的扫描点按顺序两两相邻进行分析。如果两 个相邻扫描点的车辆高度均为有效高度,则两点之 间的宽度有效,最后对所有的有效宽度进行相加, 得出车辆的实际宽度。 2)车辆检测触发器(红外对射触发)应放置在 检测仪前1 ITI左右,保证给系统留出足够的检测预 处理时间。 3)车辆检测必须依次按顺序进行,每次只能对 交通科技与经济 第18卷 一辆车进行检测,并保证检测仪下无其他物体干扰。 假设车辆的采样帧数为Z,高宽检测器的扫描频率 为P,车辆的通过速度为 ,车长为L,则可以得到 应用激光扫描测距传感器获取通过车辆外廓 各点数据,经过合成算法,得到车辆装载高度和宽 度,将其与载货汽车运输超限判定标准比较,确定 是否超限。检测结果直观,可为高速公路运输管理 部门提供便利。在公路货物运输中,因装载尺寸超 限引发的交通事故时有发生,给国家财产造成极大 的损失。随着科学技术的发展,激光检测将逐渐取 如下关系式: Z—P×(L÷V) 根据此关系式可知,在扫描频率P不变的情况 下,要保持Z在要求的最低帧数之上(建议大于3O 帧),则车辆通过速度V和车辆长度L有正比关系, 和车辆的宽高没有直接关系。也就是说,长度较长 代人工检测,成为高速公路车辆几何尺寸检测的主 的车辆,通过速度可以相对快些,长度较短的车辆, 要手段。 3 自动检测技术参数设定 车辆行驶通过高(宽)检测器,检测器发射激 光,开始对车辆高宽进行检测,超长报警。如果车 辆行驶速度过快,则会导致高宽检测器采样数不 足,导致无法精确分析车辆高度以及宽度,无法准 确检测,失去超高宽车辆检测的意义。车辆高度可 能存在凹凸不平的现象,如果采样数不足,有可能 将凸起部分漏掉,这样就导致检测结果失败,没有 起到合理阻止超高宽车辆进入高速公路的目的。 因此,按照理想状态,车速应该越慢越好,这 样,检测器的采样数也会随着车速的放慢而增大, 可以实现精确检测。然而,如果车辆行驶速度过 慢,则会导致堵车等不利因素,造成检测站拥堵,不 利于车辆顺利通行,因此,就存在寻找一个合适的 车辆通行速度,既要保证车辆的检测采样数达到要 求,又要保证车辆的正常行驶,这就需要进行一定 的测算工作,以保证得到最优通过车速。 根据实际使用设备的型号以及技术参数,室外 型测高测宽测量仪技术指标如下: 范围(最大值1O 反射率):18 ̄20 m 扫描角度:Max:270。 角度分辨率:0.25。~0.5o可调 扫描频率:25 ̄50 Hz 响应时间:20 ̄40 ms 分辨率/系统误差:10 mm/typ.±30 mm 数据接口:Etherent 激光防护等级:1级(人眼安全) 工作温度/储存温度:一3O~5O℃/一3O~ 70℃ 防护等级:IP67 由光测量术语的解释可以知道,扫描频率是指 单位时间(1 s)内扫描的次数,扫描频率与角度分辨 率成正比。设备扫描频率由如上技术指标可以确 定为25 Hz,即每秒钟扫描25下。可作如下设定, 通过速度必须较低,此要求的目的就是保证车辆的 通过时间足够,以确保激光扫描有足够的时间来采 样数据帧。 因为扫描频率P已知,代入上述关系式可得: Z一25×L÷V 按照相关规定,可知一般货车长度限制为 12 II1,那么,以12 rn为货车长度限值,可得如下 关系: Z一25×l2÷ 车辆的扫描帧数,根据实际需要,一般不能低 于30帧,代入上式,就可得如下关系: 30—25×12÷V 最终得到V一10 m/s。 其中:Z为车辆的采样帧数,P为高宽检测器的 扫描频率,V为车辆通过速度,L为车长。 即在扫描帧数不能低于3O帧,车长最大不超过 12 m的情况下,车辆的建议通行速度为10 m/s。 因此,在一般车辆长度小于12 m的情况下,车 辆最大通过速度建议为10 m/s及以下是适当的,通 过速度过大则会直接导致采样帧数不够,使得分析 结果出现较大误差。 除了考虑在被测车辆自身长度影响下的车速 外,车速的快慢还将影响宽高检测器的检测准确 性,假定车辆是以10 m/s的速度通过检测设备。 车辆通过速度的快慢,会影响车辆检测器的采 样帧数,导致采样数不够,影响精度;同时,车辆通 过检测器速度的高低同样影响到激光采样射线是 否在同一平面上,从而影响采样精度,下面分析在 不同车速情况下,采样截面的偏离误差。 如图6所示,h ,h 在同一个采样平面内,如果 车速过快,将会导致采样线到达h。的位置,hz与h 不在同一个平面内,导致采样出线误差。 下面对误差进行具体的测算 受车辆宽度的影响,采样激光射线不可能同时 到达被测量车辆的表面,存在一定的时间差,由于 存在时间差,就可能导致测量结果出现如图6的现 第5期 王婷,等:高速公路超高超宽车辆白动检测技术研究 此,由图6可知, f—hl/c n 一 ×t S 一 ×(w/2/ctg /(’) 因此,当宽度一定的时候,速度越高,偏移越 大,但由于激光只是把光束聚集成单束光,本质还 是光,所以和普通光速一样,因此C=300 000 km/s, 代入上述式子可得: S 一 ×(w/2/ctg O/300 000 000) 当以车速i0 m/s通过时, Sl( )一10×(w/2/ctgO/300 000 000) 图6采样误差示意图 其中:W为车辆的宽度,0为扫描线与车辆之间夹 角,h.为扫描线的长度,f为激光束到达车辆边缘所 需时间,r为激光传送速度, 为偏移距离, 为最 大偏移距离, 为车速。 这个偏移量非常小,几乎可以忽略不计。 象,即采样界面不在同一个平面上,假设车辆的宽 度为W,那么到达车辆边缘的激光射线的距离为h (以图6为例),可以得到如下关系: w/2一hl×ctg 0 hl一(w/2)/ctg 0 然而,在实际应用过程中,通过车速过低虽然 可以得到精确的扫描帧数和精确高宽,但却是以牺 的大小随着车辆宽度、高度以及检测器安装 牲收费站通过率为代价,容易造成收费站车辆拥 堵,形成不利影响。 这就需要各收费站根据实际情况,权衡两者利 弊,确定最大通过速度。 的高度变化而变化,对于同一辆车来言,车辆的宽 度,高度是一定的,因此,对于同一辆车而言,只要 检测器安装高度确定,则车辆的曰大小也随之确定, 影响车辆扫描精度的就只有车速, 表示激光传送 速度, 表示偏移距离, 表示最大偏移距离,即检 测激光射线到达车辆边缘时的偏移距离,因 4超高(宽)车辆自动检测平台设计 系统硬件设备布设如图7所示。 图7几何尺寸物理超限系统设备布设图 车辆几何尺寸物理超限检i贝0系统由红外光幕 车辆分离器、车辆宽高检测仪、红外对射触发器等 组成。 外光幕检测到有车,信号传送到高宽测量仪,高宽 测量仪B开始进入工作状态,高宽测量仪计算出通 过车辆的最高最宽尺寸,并进行记录。当红外光幕 检测到车辆已经通过,检测过程中,红外线触发器C 车辆尺寸物理超限检测系统由红外光幕车辆 分离器、车辆宽高检测仪、红外对射触发器等组成, 车辆行驶通过车辆分离器红外光幕,车辆分离器红 检测结果应一直无车,接下来对检测车辆高宽是否 超限进行判断。若没有高宽超限,则结束此次检 ・80・ 交通科技与经济 第18卷 测,车辆正常放行;如果检测到车辆高宽超限,则继 续返回进行判别,直到准确判断为止,结束此次检 测过程。具体检测流程如图8所示: 5结论 以往对车辆装载几何参数检测,主要采用人工 检查,花费时间较长,且检测精度较低。本文通过 对激光检测技术原理及实践方面的介绍,及计算模 型的建立、自动检测平台设计等方面研究了如何利 用自动检测技术对高速公路过收费站通行车辆进 行超高超(宽)检测。但在实际应用中,如何更加有 效地判断车辆检测过程中的有效高度,如何在实现 超限尺寸检测功能的同时,还可与动态称量系统、 车牌照识别系统互联,实现远程监控,一次性地动 态检测通过车辆所有超限项目,这些问题还需要进 一步的研究。 参考文献: [1] 黄世玲.交通运输学[M].北京:人民交通出版 社,1988. 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