動態(tài)車輛輪廓測量技術(shù)在公路上的應(yīng)用

呂 波

(山西欣奧特自動化工程有限公司，山西太原030012)

交通運輸既是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，又是推動國民經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的基礎(chǔ)條件，近年來，受經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和利益驅(qū)動的雙重影響，公路超限運輸現(xiàn)象普遍存在。超限運輸危害巨大，治理超限超載現(xiàn)象，對經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。遏制超限超載車輛的關(guān)鍵是準(zhǔn)確的測量出車輛輪廓的實際尺寸，利用脈沖式激光測距技術(shù)及多次回波檢測技術(shù)，實現(xiàn)對車輛輪廓的動態(tài)測量，檢測精度極高，實現(xiàn)了完全意義上的不停車自動檢測。

1 動態(tài)車輛輪廓測量技術(shù)的技術(shù)要點

本項目的技術(shù)領(lǐng)域包括三個方面:脈沖式激光測距技術(shù)、激光多次回波檢測技術(shù)、多元回歸算法建模。

1.1 脈沖式激光測距技術(shù)

脈沖式激光測距從發(fā)明到現(xiàn)在己經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，如地形測量、導(dǎo)彈運行軌道跟蹤等，脈沖激光測距是利用激光脈沖持續(xù)時間短，能量在時間上相對集中，瞬時功率很大的特點，脈沖激光測距范圍可以達到幾公里。如果精度要求不高，只是利用被測目標(biāo)對脈沖激光的漫反射所取得的反射信號，也可以進行測距。加裝高速旋轉(zhuǎn)鏡面，可以將激光脈沖波發(fā)射向各個方向從而形成一個對二維區(qū)域的掃描。在掃描器的掃描范圍內(nèi)，設(shè)置不同形狀的保護區(qū)域，當(dāng)有物體進入該區(qū)域時，發(fā)出報警信號，也可以根據(jù)每個測量點的距離，計算物體的外型輪廓、坐標(biāo)定位等。

1.2 激光多次回波檢測技術(shù)

激光多次回波檢測技術(shù)指利用脈沖激光器發(fā)出激光脈沖波，當(dāng)光波遇到物體反射后，激光接收器收到返回光波且返回波的能量足以觸發(fā)門限值，數(shù)據(jù)系統(tǒng)開始計算其與被測物體之間的距離，如果首先遇到的物體是玻璃或其他可以透過的物體，激光會繼續(xù)向前傳播，當(dāng)碰到第二個物體時，部分能量返回，激光接收器和數(shù)據(jù)系統(tǒng)開始工作，依次類推，激光掃描器所發(fā)出的一個激光脈沖波就可以給出多個測量值，客戶可以根據(jù)自己的實際需要，選擇一個或多個數(shù)據(jù)進行處理，使反映距離信息的數(shù)據(jù)樣本更趨于真實。

1.3 多元回歸算法建模，得到準(zhǔn)確地車輛輪廓模型

將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)樣本準(zhǔn)確處理得到車輛輪廓模型，是車輛輪廓測量要研究的關(guān)鍵技術(shù)，由于計算車輛尺寸時涉及到多個變量，所以在數(shù)據(jù)處理算法上應(yīng)利用多元回歸算法解決。采用多元回歸方法可以全面的考慮多個因素對車輛尺寸數(shù)據(jù)的影響，更準(zhǔn)確地建立車輛輪廓模型，減小算法和數(shù)據(jù)處理中帶來的誤差。多元回歸方法根據(jù)已知條件的數(shù)據(jù)，通過預(yù)處理得出圖像的大致趨勢或者數(shù)據(jù)之間的大致關(guān)系，選取適當(dāng)?shù)幕貧w方程，擬合回歸參數(shù)，檢驗回歸方程顯著性和回歸系數(shù)顯著性，完成數(shù)據(jù)處理或后續(xù)研究。

2 項目的技術(shù)先進性和可行性分析

2.1 關(guān)鍵技術(shù)問題

1)脈沖式激光測距技術(shù)

車輛輪廓測量系統(tǒng)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確地測量出車輛輪廓的實際尺寸，脈沖式激光測距技術(shù)適合于大尺寸、遠距離的測量，同時脈沖測距法通過發(fā)射周期性脈沖，測量脈沖的飛行時間來獲得測量距離，具有峰值功率高，探測距離遠，測量速度快，重復(fù)頻率高，可測量動態(tài)目標(biāo)等優(yōu)點。利用脈沖式激光測距技術(shù)實現(xiàn)的檢測方法一般分單次回波檢測和多次回波檢測，其不同點在于單次回波檢測中一次激光脈沖只提供一個返回波數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理簡單，但是對環(huán)境干擾敏感，而多次回波檢測中一次激光脈沖在穿透透明物體后可繼續(xù)傳播，所以每發(fā)射一次激光脈沖可以得到多個測量值，通過對多個數(shù)據(jù)的綜合處理，可以有效過濾天氣、光線、測體顏色、溫度等外界干擾，得到更加準(zhǔn)確的距離信息與定位坐標(biāo)。

2)多元回歸算法重建車輛輪廓模型

激光測距采集到的大量數(shù)據(jù)，要用合適的數(shù)據(jù)處理算法重建，才能得到準(zhǔn)確的車輛輪廓模型，這也是超限車輛檢測系統(tǒng)軟件處理的關(guān)鍵部分。由于計算車輛尺寸時涉及到多個變量，所以在數(shù)據(jù)處理的算法上應(yīng)利用多元回歸算法解決，多元回歸亦稱多重回歸，即采用兩個或兩個以上的影響因素作為自變量來解釋因變量的變化。采用多元回歸方法可以全面的考慮多個因素對車輛尺寸數(shù)據(jù)的影響，更準(zhǔn)確地建立車輛輪廓模型，減小算法和數(shù)據(jù)處理中帶來的誤差。

3)車輛輪廓動態(tài)測量技術(shù)

項目應(yīng)滿足公路超限超載檢測對通行效率的要求，傳統(tǒng)的人工測量方式是靜態(tài)測量，不僅降低了通行效率，延長通過時間，加劇道路擁堵，而且檢測人員勞動強度大，人為因素多，安全方面也有很大隱患。利用激光測距自動檢測車輛輪廓信息，其數(shù)據(jù)采樣頻率保證在20Hz以上，車輛可以30 km/h的速度通過檢測裝置，滿足了動態(tài)測量要求，提高車輛關(guān)口通行效率，實現(xiàn)了完全意義上的不停車自動檢測，有效解決了超限檢測與通行效率的矛盾。

3 技術(shù)、工藝路線及研究手段

動態(tài)車輛輪廓多元回歸測量系統(tǒng)的檢測單元可采用激光掃描測量單元。通過激光掃描測量技術(shù)，實現(xiàn)非接觸檢測，對經(jīng)過的車輛進行高速動態(tài)掃描，系統(tǒng)得到一系列離散的輪廓，根據(jù)這些輪廓信息可以判斷出車輛最大高度、最大寬度和最大長度。車輛長寬高測量模塊，實現(xiàn)軟件最重要的功能，根據(jù)硬件接口子系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)實時提取車輛的輪廓信息，從而獲得車輛的最大和最高寬度，同時對一些干擾進行識別和排除。其中，對于車輛寬高的測量，使用了激光寬高測量儀。采用成熟的激光時間飛行原理，加入最新的多次回波檢測技術(shù)(兩次回波)，使測量儀即使在惡劣環(huán)境下也能準(zhǔn)確測量。測量儀通過激光掃描可以實現(xiàn)非接觸式測量距離，并根據(jù)距離繪制二維圖像，通過改變安裝方向多加裝一臺激光掃描儀，可以實現(xiàn)車輛長度的檢測，可以實現(xiàn)真正意義上的長寬高三維測量。工作示意圖如圖1所示。

圖1 寬高測量儀工作原理示意圖

激光測距采集到的大量數(shù)據(jù)，需用合適的數(shù)據(jù)處理算法重建，才能得到準(zhǔn)確的車輛輪廓模型，這也是超限車輛檢測系統(tǒng)軟件處理的關(guān)鍵部分。在數(shù)量分析中，通常變量與變量之間存在著一定的聯(lián)系。要了解變量之間如何發(fā)生相互影響的，就需要利用相關(guān)分析和回歸分析。動態(tài)車輛輪廓多元回歸測量系統(tǒng)的主要組成包括雙測量傳感器及數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)處理等部分，其系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 輪廓測量系統(tǒng)的主要組成

4 社會效益分析

本項目的實施，將產(chǎn)生巨大的社會效益，包括以下幾個方面:

1)車輛輪廓尺寸測量自動化，可以實現(xiàn)完全意義上的不停車自動檢測

公路運輸中日益嚴重的超載超限現(xiàn)象嚴重影響了經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，運用光電技術(shù)結(jié)合動態(tài)測量技術(shù)，可以實現(xiàn)治超工作的自動化和準(zhǔn)確性，提高了關(guān)口通行效率，有效解決了超限檢測與通行效率的矛盾，提高了檢測效率。

2)保障道路運輸安全，減小道路環(huán)境污染

車輛裝載幾何尺寸超限會改變車輛的設(shè)計參數(shù)和性能，給交通安全帶來極大的威脅，也降低了高速公路的使用效率，擾亂了運輸市場的正常秩序，而且由于超限車輛燃油系統(tǒng)負荷過大，排放嚴重超標(biāo)，對環(huán)境造成嚴重污染。本項目的實施，對規(guī)范車輛尺寸，保證安全及較少尾氣排放有積極地社會意義。

3)科技含量高，適用于多個行業(yè)應(yīng)用

系統(tǒng)利用目前發(fā)展比較成熟的脈沖激光測距技術(shù)和可靠的系統(tǒng)實施方案，可以實現(xiàn)對車輛整體輪廓的準(zhǔn)確實時測量，該系統(tǒng)經(jīng)過改造，也可應(yīng)用于貨運列車的動態(tài)超標(biāo)檢測，港口碼頭貨柜集裝箱管理，煤炭糧食等散裝物的存儲管理等，具有廣泛的行業(yè)應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語

動態(tài)車輛輪廓測量技術(shù)主要依托于以脈沖激光測距技術(shù)為核心的車輛輪廓檢測。將所研發(fā)的核心技術(shù)進行應(yīng)用和擴展，實現(xiàn)公路超限超載檢測的動態(tài)化和自動化。通過此技術(shù)的實施，利用脈沖式激光測距技術(shù)及多次回波檢測技術(shù)，可以極好的實現(xiàn)對車輛輪廓的動態(tài)測量，檢測精度，實現(xiàn)了完全意義上的不停車自動檢測，具有其他技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢，在公路領(lǐng)域的應(yīng)用將會越來越廣。

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