智薏高速公路標線的選擇及其施工應用研究

謝茜茜 周楊 劉業(yè)勝

摘要：為實現(xiàn)無人駕駛車輛視覺感知系統(tǒng)及激光雷達系統(tǒng)在全天候條件下對標線的識別，文章研究了智慧高速公路標線對涂料和反光珠的選擇要求，分析了雨夜珠沉降率、雨夜珠面密度與標線逆反射系數(shù)的關系并應用于南寧沙井至吳圩智慧高速公路雨夜標線的施劃。該智慧高速公路通過選擇高品質(zhì)涂料及高逆反射系數(shù)雨夜珠，采用中型自動化熱熔噴涂設備并控制雨夜珠和玻璃的播撒量、雨夜珠的沉降率及面密度，實現(xiàn)了全線雨夜標線的施工。所施劃的雨夜標線在干燥、潮濕、連續(xù)降雨狀態(tài)下均滿足設計要求，確保無人駕駛車輛的行駛安全，進一步助力無人駕駛技術的發(fā)展。

關鍵詞：智慧高速；無人駕駛；雨夜陶瓷珠；全天候；連續(xù)降雨

中圖分類號：U491.5+23A581944

0引言

隨著生活水平的提高，汽車已經(jīng)成為日常出行及交通運輸中必不可少的工具。截至2022年3月底，全國汽車保有量為3.07億輛［1］。然而全國的交通事故發(fā)生數(shù)量每年仍然＞200 000起，交通擁堵情況更是數(shù)不勝數(shù)。為了降低交通事故的發(fā)生及擁堵，國家制造強國建設戰(zhàn)略咨詢委員會發(fā)布的《中國制造2025》明確指出［2］，通過大力發(fā)展搭載先進的車載傳感器等的智能網(wǎng)聯(lián)汽車，使汽車具備復雜的環(huán)境感知等控制功能，顯著地降低交通事故率及交通擁堵率，以期最終實現(xiàn)“零傷亡、零擁堵”。

自動駕駛作為智能網(wǎng)聯(lián)汽車的關鍵技術之一，是當前全球汽車與交通出行領域智能化和網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展的主要方向。根據(jù)美國汽車工程師協(xié)會（SAE）推出的分類標準，將自動駕駛汽車分為6個等級，即：L0-無自動化、L1-駕駛支援、L2-部分自動化、L3-有條件自動化、L4-高度自動化和L5完全自動化［3］。得益于近年科學技術的發(fā)展，特別是5G網(wǎng)絡技術的發(fā)展，國內(nèi)外多家企業(yè)致力于無人駕駛汽車的研發(fā)并先后推出了各自的無人駕駛智能汽車，但從銷售的搭載了自動駕駛功能的商用汽車分析，主要以L2級別的無人駕駛汽車為主，即高級輔助駕駛系統(tǒng)（Advanced Driving Assistant System，ADAS）［4］。該系統(tǒng)包括ACC自適應巡航、自動駐車、車道偏離預警+車道保持、盲區(qū)檢測、防碰撞預警及緊急制動系統(tǒng)［5］，而車道標線檢測與跟蹤是車道偏離預警+車道保持系統(tǒng)的重要組成部分，其被成功檢測與否，決定了該系統(tǒng)是否可以實現(xiàn)。

目前車道標線的檢測方法主要包括：基于視覺感知的車道線檢測和基于雷達的車道線檢測［6］?；谝曈X感知的車道標線檢測為利用車載CCD攝像機對路面及標線進行彩色圖像采集，然后對圖像進行灰度化處理，最后利用基于RHT的車道線檢測、改進的最大類間方差二值化方法及Canny邊緣檢測算法等不同算法對車道標線邊緣進行提取及擬合，從而實現(xiàn)機器對路面標線的識別［7-8］。在整個圖像處理中，車道標線的亮度值相對較高，非車道標線的干擾，如路面、大樹、山體等的亮度值相對較低［9］。即白天標線越白，夜間標線越亮，與路面等的對比度越強，圖像在進行灰度化處理后，標線與路面的差異性越明顯，算法提取的標線邊緣信息越可靠，車道偏離預警及車道保持系統(tǒng)的正確率越高。基于雷達的車道線檢測為利用若干線激光雷達對車道標線進行檢測，根據(jù)標線對激光雷達反射強度獲取標線的關鍵點云，利用Radon變換等算法提取道路便捷和車道線，從而實現(xiàn)對路面標線的識別［10-11］。使用激光雷達進行標線檢測時，地物介質(zhì)表面的反射系數(shù)決定了激光回波能量的多少，該反射系數(shù)取決于激光的波長、介質(zhì)材料以及介質(zhì)表面的明暗黑白程度［12］。即標線表面反射體的折射率越高，反射的激光回波能量越大，標線越容易被識別。

1智慧高速公路標線的選擇

為了使無人駕駛汽車無論是采用視覺感知系統(tǒng)還是激光雷達系統(tǒng)均可以更好地識別標線，采用高折射率的反光材料獲取更高亮度的標線是至關重要的選擇。而該種高亮度標線不僅在白天具有很好的視覺視認性，在晴朗的夜間以及在夜間雨后路面潮濕或者下雨狀態(tài)下仍然具備較高的視認性，以確保無人駕駛車輛的全天候安全出行。因此，智慧高速公路標線在涂料的選擇和面撒反光珠的選擇上尤為重要。

1.1涂料的選擇

目前，標線主要以熱熔涂料標線為主。熱熔涂料主要由樹脂、鈦白粉、無機填料組成。其中，樹脂充當膠粘劑作用，可以提高標線與反光珠，如雨夜珠的粘結力，降低反光珠在標線正常使用時的脫落率，減緩標線亮度的衰減速度，最終達到延長標線使用壽命的目的。采用挑撥測試法測試不同樹脂比例的熱熔涂料與雨夜珠的粘結力。挑撥測試法如圖1所示。

在挑撥測試儀器中取支點距離L、H及夾角a為固定值，挑撥力F與接觸點的距離a也為固定值。每次測試時，選擇近似沉降率的雨夜珠，采用固定的挑撥力F多次挑動雨夜珠直至雨夜珠脫落，記錄下雨夜珠挑落的次數(shù)。在熱熔涂料其他成分不變的條件下，分別測試涂料樹脂含量為5%、10%、19%條件下熱熔標線雨夜珠的粘結力，測試結果如表1所示。

通過表1測試結果可知，樹脂含量越高，雨夜珠與標線的結合力越大，表明標線在正常使用時珠子的脫落率越低。此外，鈦白粉在標線中充當增白劑作用，可以有效地提高標線的白度，同時據(jù)文獻［13］，鈦白粉的含量也可以提高白色涂料的反射率，影響標線在白天和夜間的可視性效果。尤其在夜間，鈦白粉含量較高的涂料可以有效地反射汽車車燈光源，提高路面與標線的對比度，增強標線的夜間可視性。因此，樹脂含量及鈦白粉含量高的高品質(zhì)熱熔涂料，更容易被無人駕駛汽車的視覺系統(tǒng)辨識。

1.2標線面撒反光珠的選擇

熱熔涂料本身的反射率是有限的。標線的反光主要還是依靠表面面撒反光珠。常規(guī)使用的面撒反光珠有普通玻璃珠、雨夜玻璃珠及雨夜陶瓷珠。其中，雨夜玻璃珠的結構為玻璃珠內(nèi)核表面覆蓋了一層微玻璃珠的集合體；雨夜陶瓷珠結構為聚合物基體表面覆蓋了一層微晶陶瓷珠。

三種珠子除了結構不一樣外，最主要的區(qū)別為珠子的折射率不一樣。通常，普通玻璃珠的折射率為1.5%～1.6%，雨夜玻璃珠表面的微玻璃珠折射率為1.7%～1.9%，雨夜陶瓷珠的微晶陶瓷珠的折射率為1.9%～2.4%。而不同折射率的反光珠，在干燥條件和有水膜覆蓋條件下對光的折射是不一樣的，如圖2所示。在干燥條件下，反光珠的折射率越高，逆反射亮度系數(shù)越高，在折射率為1.9%時，逆反射系數(shù)最佳。而在有水膜覆蓋的條件下，由于中間介質(zhì)水的折射率與空氣折射率不一樣，導致折射率為1.9%的材料無法實現(xiàn)最佳的逆反射性能，而最佳的逆反射性能對應的折射率為2.4%。

根據(jù)上述理論分析，在30 m幾何光學、觀測角為1.05°、入射角為88.76°的條件下，測試三種不同反光珠的標線在干態(tài)、潮濕和連續(xù)降雨狀態(tài)下的逆反射系數(shù)，分別模擬三種不同反光珠在晴天干燥、路面潮濕以及下雨狀態(tài)下標線的亮度。其中，標線干態(tài)狀態(tài)下檢測方法參考標準ASTM E1710，潮濕狀態(tài)下檢測方法參考標準ASTM E2177，連續(xù)降雨狀態(tài)下檢測方法參考標準ASTM E2832［14］。測試結果如圖3所示。

測試結果表明，高折射率的反光珠，不但在干燥狀態(tài)下具備較高的逆反射系數(shù)，在路面潮濕和連續(xù)降雨狀態(tài)下仍然具備非常高的逆反射系數(shù)，即采用高折射率的反光珠，在干燥夜晚、夜間路面潮濕和夜間下雨的條件下，標線均具備較高的亮度。而且，反光珠折射率越大，逆反射系數(shù)越高，標線越亮。因此，在三種不同狀態(tài)下，雨夜陶瓷珠的折射率最大，逆反射系數(shù)最高，標線最亮，其與路面的差異性最大，最有利于無人駕駛車輛視覺系統(tǒng)及激光雷達系統(tǒng)的辨識；而折射率較低的面撒玻璃珠標線，雖然在干燥條件下具備一定的亮度，但因為其在潮濕路面和下雨條件下，逆反射系數(shù)非常低，亮度幾乎接近于路面，從而較難被無人駕駛車輛視覺系統(tǒng)及激光雷達系統(tǒng)辨識。

2南寧沙井至吳圩智慧高速公路雨夜標線施工應用

南寧沙井至吳圩高速公路開展智慧高速公路建設，是無人駕駛技術作為智慧高速公路的重要內(nèi)容之一，使標線的選擇和應用變得極為重要。為了提高無人駕駛車輛視覺及激光雷達系統(tǒng)對標線的識別能力，降低系統(tǒng)出錯概率，特別是傳統(tǒng)普通標線在夜間路面潮濕和下雨狀態(tài)幾乎“失盲”而導致系統(tǒng)無法識別的問題，高品質(zhì)雨夜標線必將是首選。通過上述理論分析及試驗對比測試研究［15］，南寧沙井至吳圩高速公路標線采用3 M熱熔雨夜標線。3 M高品質(zhì)熱熔雨夜標線由高品質(zhì)熱熔、1.9%～2.4%高折射率3 M雨夜陶瓷珠及美標3號玻璃珠組成。

常規(guī)的熱熔雨夜標線施工工藝包括雙珠播散手推熱熔車掛涂、中型自動化雙珠播撒熱熔車噴涂及大型全自動化熱熔噴涂車噴涂。傳統(tǒng)的手推熱熔車掛涂施工速度慢，施工質(zhì)量與操作人員熟練程度密切相關。自動化設備施工速度快，施工質(zhì)量由設備保證，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。為了確保標線的施工速度及施工質(zhì)量，該智慧高速公路在國內(nèi)首次采用中型自動化設備全線施劃3 M熱熔雨夜標線，同時研究了3 M雨夜陶瓷珠沉降率、雨夜珠面密度與逆反射系數(shù)的關系，為后續(xù)大規(guī)模推廣奠定基礎。

2.1雨夜陶瓷珠沉降率與逆反射系數(shù)關系

3 M雨夜陶瓷珠折射率為1.9%～2.4%，具備全天候雨夜特性。在實際的使用過程中，發(fā)現(xiàn)雨夜珠的沉降率與雨夜標線的干態(tài)、潮濕和連續(xù)降雨逆反射系數(shù)密切相關。3 M雨夜陶瓷珠是一層微晶陶瓷珠包裹于有機聚合物實心核而形成的大小不一、形狀近似橢球的珠子。珠子撒在標線上后基本上以臥著粘附和立著粘附兩種形式粘接于標線表面，如圖4所示。

經(jīng)過統(tǒng)計分析，珠子經(jīng)設備噴灑進入標線后，90%左右的珠子是臥著粘附在標線上，10%左右的珠子是立著粘附于標線上。經(jīng)研究，雨夜珠的沉降與相對逆反射系數(shù)關系如圖5所示。其中，相對逆反射系數(shù)為實測逆反射系數(shù)值與理論最大逆反射系數(shù)值之比。沉降率與相對逆反射系數(shù)近似線性關系。當雨夜珠完全裸露在標線表面時，相對逆反射系數(shù)最大，為100%；當雨夜珠完全浸入標線時，相對逆反射系數(shù)最小，為0。這與普通玻璃珠及雨夜玻璃珠的規(guī)律正好相反。在兼顧雨夜珠與標線的粘接力及其逆反射系數(shù)條件下，推薦的雨夜珠沉降率應控制在50%～60%為宜。

2.2雨夜陶瓷珠面密度與逆反射系數(shù)關系

雨夜陶瓷珠面密度是指單位面積內(nèi)雨夜珠的數(shù)量。因自動化設備噴撒珠子時無法實現(xiàn)在噴撒面積內(nèi)的均勻性，如圖6所示，因此，采用固定寬度的若干方格內(nèi)面密度加權平均法。

采用30 mm×30 mm固定寬度的網(wǎng)格進行統(tǒng)計。3 M雨夜陶瓷珠的粒徑分布為0.8～2.0 mm，因此，理論上30 mm×30 mm的方格內(nèi)，最大的面密度約為560顆。在雨夜珠的沉降率約50%～60%的條件下，雨夜珠的面密度和相對逆反射系數(shù)關系如圖7所示。從測試的結果分析，雨夜珠的相對逆反射系數(shù)與其面密度基本上呈線性關系，即面密度越小，相對逆反射系數(shù)越低，標線越暗。

2.33 m雨夜標線自動化施工

為確保施劃后的雨夜標線滿足《南寧沙井至吳圩公路兩階段施工圖設計》文件對雨夜標線初始條件下干燥和連續(xù)降雨狀態(tài)下逆反射系數(shù)，及正常使用條件下干燥和連續(xù)降雨狀態(tài)下逆反射系數(shù)的要求，標線采用樹脂含量及鈦白粉含量高的高品質(zhì)熱熔涂料，不但能確保熱熔涂料具備較高白度，而且能保證涂料與雨夜珠、玻璃珠的粘結力，減少標線正常使用期間反光珠的脫落，延長智慧高速公路標線的使用壽命。采用的雨夜珠播撒量≥260 g/m2，玻璃珠播撒量≥600 g/m2，確保標線不但滿足初始條件下標線亮度要求，而且滿足正常使用條件下標線的亮度要求。

本次標線施劃采用中型自動化設備施劃。通過調(diào)節(jié)設備珠子噴槍的壓力及噴嘴開口，調(diào)整雨夜珠實際播撒量為260 g/m2，玻璃珠實際播撒量為600～700 g/m2。通過調(diào)整熱熔涂料的施劃溫度和標線的厚度，確保大部分雨夜珠的沉降率在50%～60%，面密度平均值在35～45顆/25.4 mm×25.4 mm。施劃后的標線抽樣亮度系數(shù)如表2所示，抽樣點標線逆反射系數(shù)均滿足設計標準要求。

3結語

高樹脂含量及鈦白粉含量的熱熔涂料，不僅可以增加涂料對反光珠的粘接力，而且可以提高標線的白度；高折射率的雨夜珠不但能使標線在干燥狀態(tài)下亮度更高，而且使標線在夜間路面潮濕和下雨狀態(tài)下仍然具備較高的亮度，大大提升了標線在全天候條件下與路面的辨識度，提高智慧高速公路無人駕駛車輛對標線的視覺和激光雷達系統(tǒng)在全天候條件下對標線的識別能力及可檢測性，減少了設備出錯的概率［16］。

南寧沙井至吳圩智慧高速公路采用了樹脂含量和鈦白粉含量高的高品質(zhì)熱熔涂料搭配折射率在1.9%～2.4%的3 M雨夜陶瓷珠全天候雨夜標線。該智慧高速公路首次全面采用中型自動化噴涂設備施劃該雨夜標線，通過調(diào)節(jié)，雨夜珠實際播撒為260 g/m2，玻璃珠實際播撒量為600～700 g/m2；通過調(diào)節(jié)熱熔溫度及標線厚度等措施，將雨夜珠的沉降率控制在50%～60%、雨夜珠的面密度平均值控制在35～45顆/25.4 mm×25.4 mm。確保施劃標線的質(zhì)量及其在干燥、潮濕、連續(xù)降雨狀態(tài)下均具備較高的逆反射系數(shù)，滿足了設計指標要求。該智慧高速公路熱熔涂料雨夜標線將滿足并提高無人駕駛汽車對標線的識別，進一步助力無人駕駛技術的發(fā)展。

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作者簡介：謝茜茜（1986—），助理工程師，主要從事高速公路建設管理工作。