基于智能優(yōu)化算法的車輛寬高檢測系統(tǒng)

康曉麗，魏漢明

(山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，太原 030012)

近年來，我國高速公路的通車?yán)锍滩粩嘌由?，提升了各地之間的通行效率，這不僅極大的拉動(dòng)了內(nèi)需，促進(jìn)了我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，也為我國發(fā)展的藍(lán)圖夯實(shí)了基礎(chǔ)[1]。根據(jù)近幾年道路與車輛增長率的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，車輛增長率總是快于道路的增長率。路況擁堵、交通事故和環(huán)境污染等的情況越來越多。截至2020年底，全國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.72億輛，其中汽車2.81億輛，新注冊登記機(jī)動(dòng)車達(dá)3 328萬輛。載貨汽車保有量達(dá)2 944萬輛，創(chuàng)歷史新高。從分布情況看，我國有53個(gè)城市的汽車保有量超過百萬輛，機(jī)動(dòng)車數(shù)量與高速公路的矛盾愈發(fā)突出。

節(jié)假日期間，高速公路收費(fèi)站等卡口處面臨的通行壓力很大，交通擁擠情況嚴(yán)重。所以對通行車輛檢測效率的要求也越來越高。傳統(tǒng)的人工檢測需要兩名工作人員操作，不僅耗費(fèi)人力，還存在實(shí)時(shí)性差、效率低、精確度低等問題[2]。紅外技術(shù)測量雖可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量，但其比較適合測量幾何尺寸小且規(guī)則的物體，當(dāng)測量貨車等大且不規(guī)則的物體時(shí)，容易出現(xiàn)被測物體擋住光幕，而使接收器接收不到發(fā)射來的光信號。基于這種情況，利用激光測量技術(shù)，經(jīng)過優(yōu)化算法處理，保證車輛寬高信息的精確度，提高檢測效率，禁止違規(guī)車輛通行，就是一項(xiàng)亟待解決的任務(wù)[3-4]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

寬高檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括：固定傳感器的龍門架、激光傳感器(SICK-LMS10)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(100 M)、開關(guān)電源、工業(yè)控制主機(jī)等。將激光傳感器固定在龍門架上，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與傳感器的通信。圖1為車輛寬高檢測系統(tǒng)構(gòu)成圖。

圖1 寬高檢測系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Composition of width and height detection system

首先設(shè)定傳感器的掃描起始位置與終止位置，使激光傳感器可以掃描整個(gè)車輛斷面信息[5]。當(dāng)設(shè)備開機(jī)啟動(dòng)后，上位機(jī)控制軟件向激光傳感器發(fā)送連續(xù)掃描命令，激光傳感器會(huì)以固定角度連續(xù)發(fā)射激光(設(shè)置為0.5°)，激光碰到物體后發(fā)生反射并被接收后轉(zhuǎn)發(fā)至工控機(jī)。車輛進(jìn)入到檢測目標(biāo)區(qū)域后，設(shè)置在龍門架上的激光傳感器掃描汽車兩側(cè)的寬高信息，在車輛通行完成后，工控機(jī)將檢測到的信息通過運(yùn)算，得到車輛最高最寬信息，并顯示到軟件界面中。若存在超限行為，將會(huì)觸發(fā)報(bào)警器。如圖2所示為車輛寬高檢測系統(tǒng)測量流程圖。

圖2 寬高檢測系統(tǒng)測量流程 Fig.2 Measurement process of width and height detection system

2 關(guān)鍵技術(shù)

在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，傳感器信號將不可避免的受到內(nèi)外部各種混合因素的影響。自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)簡單且功能較好，具備可根據(jù)輸入信號特征自動(dòng)調(diào)參的特點(diǎn)[6]。

自適應(yīng)濾波算法具有收斂速度快，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，應(yīng)用于濾除復(fù)雜無規(guī)律未知環(huán)境中的干擾噪聲效果良好，具備一定的普適性[7]。遞推最小二乘法(Recursive Least Square,簡稱RLS)是一種最小二乘法的快速算法，其濾波結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。當(dāng)有用輸入信號的分布規(guī)律發(fā)生變化時(shí)，濾波器開始自身調(diào)參，改變權(quán)值，緊隨輸入信號的變化規(guī)律。

圖3 自適應(yīng)RLS濾波器示意圖Fig.3 Schematic diagram of adaptive RLS filter

如圖3所示，自適應(yīng)橫向RLS濾波器存在兩路輸入，一路為輸入信號x(n)，且x(n)=[x(1)，x(2)，…，x(N)]；另一路為期望信號d(n)，其中d(n)=[d(1)，d(2)，…，d(N)].濾波器沖激響應(yīng)序列為{w1(n)，w2(n)，…，wM(n)}.y(n)可表示如下：

(1)

定義期望響應(yīng)d(n)與輸出響應(yīng)y(n)之間的差為誤差e(n)，即

e(n)=d(n)-y(n)=d(n)-wTx(n)

(2)

則e(n)的加權(quán)平方和即為：

(3)

其中：

w=[w1,w2,…,wM]T

x(n)=[x(n),x(n-1),…,x(n-M+1)]

λ(0≤λ<1)為加權(quán)因子，引入的數(shù)據(jù)越新占的權(quán)重越重。

加權(quán)平方和最小時(shí)可得，

而

所以可得到如下關(guān)系式：

(4)

令：

(5)

(6)

將式(5)和(6)代入式(4)得：

Rx(n)w(n)=U(n)

(7)

整理得：

(8)

e(n)=d(n)-wT(n-1)x(n)

(9)

將其代入式(6)可得：

(10)

由于wT(i-1)x(i)xT(i)=x(i)xT(i)w(i-1)，所以式(10)又可寫為：

(11)

將式(11)代入式(8)可得：

(12)

為實(shí)現(xiàn)簡化運(yùn)算，這里設(shè)定任一時(shí)刻的濾波器參數(shù)相同，可得：

w(0)=w(1)=…=w(n-1)

(13)

因此：

w(n-1)

(14)

設(shè)定λ=0，可得：

(15)

將式(14)和式(15)代入式(12)，得：

(16)

表達(dá)式(16)就是一種自適應(yīng)濾波算法，其參數(shù)主要受輸入誤差的影響。

3 軟件設(shè)計(jì)

在軟件方面，車輛寬高檢測系統(tǒng)主要可實(shí)現(xiàn)以下功能點(diǎn)：首先預(yù)處理接收到的傳感器信息，經(jīng)過后臺(tái)計(jì)算后將車輛最高最寬值以及其他基礎(chǔ)信息顯示到軟件界面中，同時(shí)與后臺(tái)設(shè)置的相關(guān)閾值進(jìn)行比較，一旦超出閾值設(shè)置則發(fā)出報(bào)警[8-9]。其次系統(tǒng)還具備歷史數(shù)據(jù)查詢、相關(guān)參數(shù)設(shè)定等功能模塊。如圖4所示為激光傳感器數(shù)據(jù)處理流程圖。

圖4 激光傳感器數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Data processing flow of laser sensor

軟件開發(fā)利用C#語言加MYSQL數(shù)據(jù)庫的方式。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對通行車輛的不停車檢測，系統(tǒng)為了能夠?qū)z測數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的查詢，設(shè)計(jì)有實(shí)時(shí)監(jiān)管數(shù)據(jù)字段表，實(shí)時(shí)監(jiān)管數(shù)據(jù)字段表如表1所示。

表1 實(shí)時(shí)監(jiān)管數(shù)據(jù)字段表Tab.1 Real time supervision data field table

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖5所示為系統(tǒng)界面圖。按照上面提到的硬件布置及軟件處理流程。通行車輛通過檢測區(qū)，采集設(shè)備對車輛相關(guān)信息進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)信息進(jìn)入軟件后臺(tái)通過算法處理后輸出，車輛相關(guān)信息可在系統(tǒng)軟件中直觀顯示。

圖5 系統(tǒng)界面圖Fig.5 System interface diagram

如表2所示為系統(tǒng)后臺(tái)部分字段相關(guān)數(shù)據(jù)信息?？赏ㄟ^采集的車輛信息與軟件中設(shè)置的閾值相比較來判斷此車輛是否超限。如圖6所示為檢測現(xiàn)場照片。

表2 部分字段數(shù)據(jù)Tab.2 Partial field data

圖6 現(xiàn)場測試照片F(xiàn)ig.6 Site test photo

5 結(jié)論

本研究通過利用激光傳感器對車輛寬高信息進(jìn)行連續(xù)掃描，通過后臺(tái)計(jì)算得出車輛最高最寬信息并在系統(tǒng)界面中顯示，同時(shí)還可自動(dòng)判斷車輛是否超限、是否可通行。在檢測過程中，系統(tǒng)通過自適應(yīng)濾波算法調(diào)參，濾除傳感器信號內(nèi)外部因素的影響，實(shí)現(xiàn)不停車檢測?？捎行б种七`規(guī)車輛上路造成的損失，具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。