路面狀況識(shí)別與傳感器應(yīng)用研究

高暢 金珊珊

摘要：天氣往往直接影響著路面狀況，關(guān)系著人們出行安全，路面上的積水將直接導(dǎo)致路面濕滑，低溫時(shí)路面上的積水還可能結(jié)冰，嚴(yán)重降低路表抗滑系數(shù)，因此實(shí)時(shí)了解道路路面狀況顯得尤為必要?，F(xiàn)收集研究了目前常用的幾種路面狀況傳感器，描述了其工作原理，對(duì)比分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，梳理了其在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)路面狀況傳感器存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。研究表明，一個(gè)可靠的路面狀況識(shí)別系統(tǒng)可以幫助人們提前準(zhǔn)確了解天氣對(duì)路面造成的影響，從而使道路管理者和使用者提前采取有效措施，確保行車安全，提高出行效率。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)駕駛;路面狀況識(shí)別;傳感器;工作原理;應(yīng)用現(xiàn)狀

0? ? 引言

無(wú)論是傳統(tǒng)駕駛方式還是新興的自動(dòng)駕駛技術(shù)，行駛過(guò)程中的安全始終是一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，因此，如何實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)掌握車量周圍信息、感知道路狀況從而提前預(yù)警”成為當(dāng)前道路安全領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。感知信息必然離不開傳感器，雖然目前的車載傳感器已經(jīng)形成一個(gè)較為完善的技術(shù)體系，但是仍受感知盲區(qū)、感知距離有限、成本較高等因素限制[1]。路側(cè)感知設(shè)備的出現(xiàn)彌補(bǔ)了車載傳感器的不足，在緩解交通擁堵壓力、降低道路交通事故的發(fā)生率、降低獲取信息的成本方面也具有一定優(yōu)勢(shì)[2]。路側(cè)感知設(shè)備是指將傳感器安裝到道路上，通過(guò)傳感器獲取當(dāng)前道路信息。當(dāng)前使用的道路傳感器包括交通數(shù)據(jù)采集、路面狀況識(shí)別、周邊環(huán)境采集等多種類型，其中路面狀況識(shí)別類傳感器作為天氣信息采集傳感器，可采集路面溫度、道路濕滑狀況[3]、道路雨雪厚度、抓地力[4]等環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)提高道路安全性有十分重要的幫助。根據(jù)測(cè)量方式不同，路面狀況識(shí)別類傳感器大致可以分為接觸式與非接觸式兩類[5]，本文簡(jiǎn)單梳理了當(dāng)前路面狀況傳感器的主要工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀。

1? ? 工作原理

1.1? ? 接觸式路面狀況傳感器

接觸式路面狀況傳感器采用的技術(shù)原理包括電容測(cè)量技術(shù)、光纖測(cè)量技術(shù)和紅外光譜分析技術(shù)等，根據(jù)不同技術(shù)原理可制造出不同形式的接觸式傳感器。下面根據(jù)技術(shù)原理的不同，對(duì)各式接觸式傳感器原理進(jìn)行介紹。

1.1.1? ? 電容式

電容式路面狀況識(shí)別傳感器是通過(guò)測(cè)量電容的大小判斷路面狀況，空氣、水、冰作為兩電極間介質(zhì)時(shí)介電常數(shù)不同，使得電容大小存在差異，因此可以根據(jù)相對(duì)電容值的測(cè)量結(jié)果判斷介質(zhì)屬性。國(guó)內(nèi)外都基于電容測(cè)量原理生產(chǎn)了路面狀況傳感器，例如德國(guó)的IRS31Pro型傳感器可在定性區(qū)別干燥、積水、結(jié)冰的基礎(chǔ)上，測(cè)定4 mm以內(nèi)的水膜厚度，其外形如圖1所示;我國(guó)也基于電容原理生產(chǎn)了BLRS31型傳感器。

1.1.2? ? 光纖式

光纖式路面狀況識(shí)別傳感器是利用光可在光纖、水、冰中傳輸，而不能在路面材料中傳輸?shù)脑碇谱鞯?，?dāng)路面干燥時(shí)光纖束接收不到光，而當(dāng)路面積水或結(jié)冰時(shí)就會(huì)接收到一定的光，由此可以定量判斷路面積水和結(jié)冰的厚度。雖然光纖傳感器可以定量測(cè)量厚度，但無(wú)法區(qū)別是積水還是結(jié)冰，并且受環(huán)境影響較大，因此在應(yīng)用中并未得到推廣。

1.1.3? ? 紅外光譜式

紅外光譜式路面狀況識(shí)別傳感器利用了相關(guān)光學(xué)原理：傳感器通過(guò)激光二極管向路面發(fā)射紅外光，紅外光在干燥路面、水、冰、雪路面上照射后會(huì)不同程度地發(fā)生反射、折射、散射等現(xiàn)象，再利用光電二極管接收作用后的紅外光信號(hào)，通過(guò)光譜分析接收到的紅外光信號(hào)，便可區(qū)分路面干、潮、濕三種狀態(tài)，并進(jìn)一步計(jì)算出道路上水、冰或雪的覆蓋厚度。此種傳感器有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，但是在準(zhǔn)確度上有待提高。

1.2? ? 非接觸式路面狀況識(shí)別傳感器

根據(jù)技術(shù)原理不同，非接觸式路面狀況識(shí)別傳感器可分為反射光強(qiáng)式和光學(xué)偏振式，兩種傳感器原理及特點(diǎn)介紹如下：

1.2.1? ? 反射光強(qiáng)式

反射光強(qiáng)式路面狀況識(shí)別傳感器使用的測(cè)量方法包括多波段反射光強(qiáng)檢測(cè)法和多角度反射光強(qiáng)檢測(cè)法，其原理是當(dāng)路表狀況不同時(shí)，其吸收和反射的光不同，通過(guò)對(duì)接收的反射光強(qiáng)進(jìn)行分析，可以對(duì)路面干濕、雨雪狀況進(jìn)行定性判斷，但是卻無(wú)法對(duì)水膜厚度和積雪情況進(jìn)行定量測(cè)量。芬蘭Vaisala公司的DSC111傳感器就是基于反射光強(qiáng)測(cè)量技術(shù)生產(chǎn)的，如圖2所示。

1.2.2? ? 光學(xué)偏振式

由于水和冰分子排列取向是不嚴(yán)格一致的、具有各向異性，因此入射光束照射后，水和冰會(huì)使其分解為傳播速度不同的兩種偏振光，測(cè)量的偏振強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)偏振態(tài)分析便可以獲取當(dāng)前路表信息。但由于此類傳感器價(jià)格貴且安裝不方便等原因，基于該原理的傳感器目前尚處于理論研究階段，還未得到實(shí)際應(yīng)用。

2? ? 路面狀況傳感器國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1? ? 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

惡劣天氣客觀上加大了交通出行的危險(xiǎn)系數(shù)，因此路面狀況識(shí)別一直是各個(gè)國(guó)家強(qiáng)調(diào)的技術(shù)工作重點(diǎn)。歐美國(guó)家對(duì)于路面狀況傳感器研究較早，迄今已有幾十年的研究歷史，技術(shù)也較為成熟，許多企業(yè)已研發(fā)出了具備較強(qiáng)功能性和較高可靠性的路面狀況傳感器[6]。當(dāng)前市面上的路面狀況識(shí)別傳感器也以歐美國(guó)家的產(chǎn)品為主，如德國(guó)Lufft公司的IRS21、IRS31、NIRS31，芬蘭Vaisala公司的DRS511、DSC111、FP2000，美國(guó)QTT公司的Sensit等[7]，這些都是在市場(chǎng)上應(yīng)用比較廣泛、較為主流的路面?zhèn)鞲衅?，可以較為準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)路表狀況[8]，為行人出行和交通管控提供更便捷的信息來(lái)源。

2.2? ? 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

雖然我國(guó)在路面狀況識(shí)別傳感器方面的研究起步較晚，但國(guó)家對(duì)此高度重視，并給予了大力支持，因此相關(guān)技術(shù)得以高速發(fā)展，取得了多項(xiàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成果，改變了我國(guó)此類傳感器完全依靠進(jìn)口的狀況。當(dāng)然，目前我國(guó)較國(guó)外先進(jìn)技術(shù)仍存在一定差距，在精度、穩(wěn)定性、成本等方面還有待提升。

在應(yīng)用方面，由于我國(guó)公路里程長(zhǎng)、發(fā)展迅速，加上傳感器價(jià)格較高，所以目前大多仍采用交通監(jiān)控、交警巡查等傳統(tǒng)方式進(jìn)行路面狀況識(shí)別管控。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)于路面狀況傳感器也逐漸從理論研究、數(shù)據(jù)分析階段過(guò)渡到了產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用階段[9]。例如，北京市就在2019年2月份應(yīng)用路面狀況識(shí)別傳感器監(jiān)控了高速公路的表面狀態(tài)，并且在出現(xiàn)降雪時(shí)，根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息，有針對(duì)性地展開了除雪、融冰、封路等工作。

3? ? 路面狀況傳感器發(fā)展趨勢(shì)

3.1? ? 打造低成本的國(guó)產(chǎn)傳感器

我國(guó)針對(duì)路面狀況監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究起步較晚，相關(guān)傳感器很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都依靠國(guó)外進(jìn)口，近些年雖取得了一定技術(shù)突破，但在精度和穩(wěn)定性上仍有待提高;進(jìn)口的路面狀況識(shí)別傳感器雖然在精度與穩(wěn)定性上滿足要求，但在生產(chǎn)制作和銷售運(yùn)輸上成本較高。因此，打破國(guó)外市場(chǎng)壟斷，制造精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、成本低的國(guó)產(chǎn)傳感器是當(dāng)前的重要任務(wù)。

3.2? ? 多傳感器融合識(shí)別

由于天氣引起的道路路面狀況十分復(fù)雜，僅僅用干燥或潮濕并不能夠全面描述路面的實(shí)際狀況，因此需要多傳感器融合識(shí)別，才能有效提高路面狀況識(shí)別的準(zhǔn)確性。在區(qū)分路面干燥、潮濕的同時(shí)，可利用溫度、濕度、風(fēng)速、大氣壓力、噪聲等多種傳感器對(duì)路面溫度、水分的鹽度（即凝固點(diǎn)）等進(jìn)行判斷，結(jié)合以上多種傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)得到一個(gè)較為準(zhǔn)確的路面濕滑、積水和結(jié)冰狀況，為道路管理者提供更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，為道路使用者提供更為便利的出行信息[10]。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

路面狀況識(shí)別不僅關(guān)系著當(dāng)前駕駛者的行駛安全、行駛效率，而且也制約著無(wú)人駕駛技術(shù)的發(fā)展。對(duì)于無(wú)人駕駛技術(shù)來(lái)說(shuō)，如何保障惡劣天氣狀況下的駕駛安全，提前知曉道路狀況，合理決策通行方式，規(guī)避道路行駛風(fēng)險(xiǎn)成為其從研發(fā)階段走向商業(yè)化階段的重大障礙之一。因此，全方位發(fā)展路面狀況識(shí)別傳感器技術(shù)，對(duì)保障道路安全、推動(dòng)智能道路建設(shè)、助力無(wú)人駕駛技術(shù)推廣等具有十分重要的意義。

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收稿日期：2020-05-14

作者簡(jiǎn)介：高暢（1997—），女，河北衡水人，研究方向：電子信息科學(xué)與技術(shù)。