基于雷視融合的交通信息檢測技術(shù)及其應(yīng)用

李弋博

(中遠海運科技股份有限公司， 上海 200135)

0 引 言

近年來，隨著數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)從制造業(yè)逐步拓展到了城市各系統(tǒng)的建設(shè)中，深刻影響著城市的規(guī)劃、建設(shè)和發(fā)展。在雄安新區(qū)的建設(shè)規(guī)劃中就曾提出“堅持數(shù)字城市與現(xiàn)實城市同步規(guī)劃、同步建設(shè)”，給出了“數(shù)字孿生城市”的概念，其中數(shù)字孿生交通系統(tǒng)是數(shù)字孿生概念在交通控制領(lǐng)域的實際應(yīng)用。數(shù)字孿生交通系統(tǒng)通過對路網(wǎng)各影響要素和參與者進行全息感知，在獲取實時動態(tài)信息的同時，基于積累的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯β肪W(wǎng)后續(xù)運行情況進行模擬和預測，對路網(wǎng)交通管理提出建議，甚至進行自主決策，提供適應(yīng)性和靈活性強的實時路網(wǎng)優(yōu)化策略。

道路動態(tài)交通流是打造數(shù)字孿生交通系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對其進行準確有效的全息檢測具有重要意義。所謂全息檢測，就是將路網(wǎng)中與交通有關(guān)的關(guān)鍵信息全部數(shù)字化，這些信息包括但不限于交通流量、排隊長度、路口通行時間、車輛特征信息(車牌、車型、顏色、駕駛員)和發(fā)生的特殊事件(事故、違法事件)等。若要進行路網(wǎng)全息檢測，通過單一技術(shù)是很難有效實現(xiàn)的，因此將幾種技術(shù)有機結(jié)合，實現(xiàn)“1+1>2”的效果，是技術(shù)發(fā)展的必然方向。

1 交通檢測技術(shù)現(xiàn)狀

從安裝方式的角度看，交通檢測技術(shù)手段可分為接觸式和非接觸式2類，其中：接觸式檢測以地感線圈和地磁檢測為典型代表；非接觸式檢測以微波雷達、激光雷達和視頻檢測為典型代表。從檢測區(qū)域的角度看，交通檢測技術(shù)手段可分為斷面檢測和區(qū)域檢測2類，其中：斷面檢測以地感線圈、地磁檢測和常規(guī)微波車檢器為代表；區(qū)域檢測以廣域微波雷達、多線激光雷達和視頻檢測為典型代表。對于交通全息檢測來說，需獲取整個路網(wǎng)中的實時動態(tài)交通流信息，因此必須采用區(qū)域交通檢測技術(shù)，其中幾種典型的區(qū)域交通檢測技術(shù)對比見表1。

表1 幾種典型的區(qū)域交通信息檢測技術(shù)對比

從表1中可看出：微波雷達和激光雷達都能實現(xiàn)大區(qū)域交通流數(shù)字化檢測，但無法檢測車牌和顏色等車輛視覺信息；視頻能檢測車輛視覺信息，但檢測范圍較小，受光照和雨霧的影響比較嚴重。因此，現(xiàn)有的單一檢測技術(shù)都難以滿足交通全息檢測的需求，必須從技術(shù)復用互補和數(shù)據(jù)融合方面尋求解決方案。

2 雷視融合交通檢測

在技術(shù)復用方面，雷達檢測與視頻檢測具有明顯的互補特點。在雷達技術(shù)路線選擇上，激光雷達與微波雷達相比，具有檢測分辨率高、車型識別能力強和定位精準等優(yōu)點，但其設(shè)備體積大、成本高，且在檢測區(qū)域和全天候檢測能力等方面表現(xiàn)較差，難以滿足大規(guī)模的交通數(shù)字孿生系統(tǒng)建設(shè)需求。

微波雷達檢測與視頻檢測具有很好的互補性，將二者的數(shù)據(jù)相融合，能提高系統(tǒng)整體的魯棒性和數(shù)據(jù)的準確性。微波雷達能全天候準確檢測目標的速度和位置信息；視頻檢測設(shè)備能對目標可視化信息特征進行捕捉，對特定目標進行跟蹤和捕捉，并進行事件分析和上報。在檢測區(qū)域內(nèi)同時部署這2種技術(shù)的有關(guān)硬件，通過軟硬件一體化的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可充分發(fā)揮技術(shù)融合優(yōu)勢，在檢測區(qū)域覆蓋、檢測適應(yīng)性和成本控制等方面達成平衡，全天候、全方位精確檢測道路交通流量、占有率、路口排隊長度、車輛通行速度和車輛行駛軌跡等各類信息。同時，雷達檢測數(shù)據(jù)與視頻數(shù)據(jù)相融合，能使雷達檢測到的精準定位信息和速度信息與視頻檢測的目標相匹配，在實現(xiàn)大區(qū)域、全天候檢測的同時，做到檢測場景直觀可視，相對于采用單一檢測技術(shù)，在應(yīng)用效果方面具有明顯優(yōu)勢。

2.1 雷視融合技術(shù)

雷視融合技術(shù)是集微波雷達交通檢測技術(shù)和視頻交通檢測技術(shù)于一體，用于實現(xiàn)交通全息檢測的技術(shù)，雷達交通檢測結(jié)果與視頻交通檢測結(jié)果各有優(yōu)點和缺點，檢測結(jié)果對比見圖1和圖2。

圖1 視頻檢測設(shè)備場景圖

圖2 雷達檢測效果圖

從圖1和圖2中可看出，視頻檢測的優(yōu)點是能獲得牌照、顏色等車輛物理特征信息，以及近距離車輛的位置信息，缺點是具有視覺透視效應(yīng)，即對于相同尺寸的車輛而言，其距離越遠看起來越小，如圖1中的車輛1(距離檢測點約20 m)和車輛2(距離檢測點約100 m)都是小型車，車輛2看起來比車輛1小很多，難以準確檢測遠距離車輛的位置和速度信息。另外，視頻檢測受光照和氣候等自然條件的影響比較嚴重，不能全天候準確檢測。雷達檢測的優(yōu)點是沒有視覺透視效應(yīng)，在雷達檢測中，車輛1與車輛2呈現(xiàn)的尺寸基本一致，因而能準確檢測遠距離車輛的位置和速度信息，且不受光照和氣候等自然條件的影響，能全天候檢測，但無法識別車輛牌照和顏色等車輛視覺信息。因此，將雷達檢測技術(shù)與視頻檢測技術(shù)融為一體的雷視融合交通檢測技術(shù)能集二者的優(yōu)勢于一體，取長補短。

雷視融合技術(shù)發(fā)展至今，經(jīng)歷了3個階段，這3個階段分別代表了雷視融合技術(shù)的3個層次。

1) 第一階段(雷視融合第一層次)屬于初級階段，只是將雷達與視頻設(shè)備安裝在同一個外殼內(nèi)，實際上二者的硬件和軟件及數(shù)據(jù)輸出都是分開的，視頻起到的作用僅限于協(xié)助雷達遠程調(diào)試，該階段的產(chǎn)品以雷視一體微波車檢器為典型代表。

2) 第二階段(雷視融合第二層次)視頻所起的作用相對第一階段明顯增大，除了協(xié)助雷達調(diào)試以外，還協(xié)助雷達進行車輛分類和行人非機動車識別，該階段的產(chǎn)品相比第一階段的產(chǎn)品，其車型分類能力和抗行人及非機動車干擾能力明顯增強，但與交通全息檢測的目標還有很大距離。該階段的視頻不具備車牌識別能力，也不具備目標全息融合和全程融合跟蹤能力，無法實現(xiàn)交通全息檢測。

3) 第三階段(雷視融合第三層次)屬于最新階段，實現(xiàn)了微波雷達與視頻檢測散射點層面的數(shù)據(jù)融合，從而實現(xiàn)了交通全息檢測。雷達交通檢測技術(shù)與視頻交通檢測技術(shù)有一個共同點，即通過這2種技術(shù)檢測到的原始信息都是目標的散射點信息，即目標各部位在檢測器傳感器上的成像信息是強度不同的散射點，這樣每個目標在檢測器上的圖像就是一片形狀不規(guī)則、強度不一的散射點，基于該特點可實現(xiàn)雷達與視頻交通檢測散射點層面的融合。在實際數(shù)據(jù)融合應(yīng)用中，由于兩者的參考坐標系不同(雷達數(shù)據(jù)參考系建立在三維世界坐標系下；視頻數(shù)據(jù)參考坐標系建立在圖像二維坐標系下)，為實現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)的有效融合，需對雷達與視頻設(shè)備進行空間標定和時間同步。在第三代雷視融合設(shè)備中，雷達與攝像機實時采集數(shù)據(jù)，保證兩者采集的數(shù)據(jù)在時間上同步。同時，通過信息處理單元為世界坐標系與圖像像素坐標系建立對應(yīng)關(guān)系，通過轉(zhuǎn)換算法將檢測目標在世界坐標系下的三維坐標轉(zhuǎn)換為圖像像素坐標系下的二維坐標，并根據(jù)不同設(shè)備安裝情況調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)的輔助參數(shù)，對設(shè)備進行標定(見圖3)，從而實現(xiàn)對各類信息的實時檢測。

圖3 雷視融合設(shè)備參數(shù)標定設(shè)置界面

2.2 雷視融交通全息檢測設(shè)備構(gòu)成

基于第三階段雷視融合技術(shù)的雷視融合全息檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。將高清視頻單元和微波收發(fā)單元產(chǎn)生的視頻流和目標散射點信息流饋入信號處理單元，通過分析視頻流獲得車輛牌照信息；雷達與視頻目標檢測散射點層面信息融合，一方面確定目標的幾何位置信息(包括坐標和速度)，另一方面獲得車輛的特征相關(guān)信息(包括車輛牌照號碼、車型、主體顏色和相關(guān)照片等)，這樣就能獲得道路交通流車輛的所有主要信息(即交通全息，包括車輛坐標、運動速度、車輛牌照號碼、車型、主體顏色和相關(guān)照片等)?；诶滓暼诤先z測設(shè)備的地面路口的交通全息檢測實際效果展示見圖5。

3 雷視融合交通全息檢測設(shè)備的應(yīng)用

在東海大橋智慧交通管理系統(tǒng)建設(shè)中，外場設(shè)備采用雷視融合檢測方案。該系統(tǒng)由外場設(shè)備、內(nèi)場設(shè)備和系統(tǒng)管理平臺組成，其拓撲圖見圖6。

圖6 東海大橋智慧交通管理系統(tǒng)拓撲圖

相比傳統(tǒng)檢測設(shè)備，雷視融合檢測設(shè)備具有全天候檢測不受氣候影響、檢測區(qū)域廣、數(shù)據(jù)精度高和數(shù)據(jù)多元化等優(yōu)點。通過雷視融合技術(shù)，系統(tǒng)能實現(xiàn)對東海大橋交通流的全數(shù)字化管理，將所有車輛目標的坐標、速度、車牌號碼、車身主體顏色、車型和駕駛?cè)苏掌刃畔?shù)字化，對交通流實施精細化管理。系統(tǒng)可采集的交通流數(shù)據(jù)主要包括：

1) 與車輛相關(guān)的數(shù)據(jù)，即斷面信息(流量、速度、占有率、車型和車頭時距等)、區(qū)域信息(車輛密度、排隊長度、區(qū)域平均速度和擁堵指數(shù)等)和單車信息(車牌號碼、顏色、車型和駕駛?cè)苏掌?；

2) 交通違法數(shù)據(jù)(占用應(yīng)急車道、超速、違停、逆行、倒車和實線變道等)；

3) 交通事件數(shù)據(jù)(擁堵、交通事故、施工和行人等)；

4) 車路協(xié)同數(shù)據(jù)(道路車輛實時運動軌跡)。

東海大橋智慧交通管理系統(tǒng)具有交通大數(shù)據(jù)采集、數(shù)字化交通流實時動態(tài)展示、擁堵預警與視頻場景推送、綜合執(zhí)法卡口、特定目標車輛追蹤、交通事件檢測與視頻場景推送、交通違法檢測與取證和信息分發(fā)管理等功能，具有以下特點：

1) 在國內(nèi)率先實現(xiàn)對特大橋交通流的全數(shù)字化、可視化展示，整個東海大橋的交通流全部掌握，并提供車輛對象的全結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；

2) 特定車輛全范圍視頻追蹤，車輛行駛到哪里，監(jiān)控視頻追蹤到哪里，監(jiān)控車輛始終在視野內(nèi)，對于勤務(wù)和智能重卡無人車測試監(jiān)控而言具有重要意義；

3) 停車事件檢測與事件局部視頻場景聯(lián)動推送，一旦大橋上有違法停車的情況，停車點位前后2個遙控攝像機將自動聚焦于該車輛并預警，便于監(jiān)控人員采取應(yīng)對措施；

4) 針對交通擁堵和交通事件及時發(fā)布預警引導，以盡可能地避免發(fā)生二次事故，降低對交通的影響，提高交通安全管理水平；

5) 為車路協(xié)同提供全面的交通大數(shù)據(jù)，助力智能重卡測試與自動駕駛的實現(xiàn)。

圖7為系統(tǒng)內(nèi)各點位交通流量統(tǒng)計信息;圖8為智能重卡無人駕駛測試車跟蹤場景。

圖7 各點位交通流量統(tǒng)計信息

圖8 智能重卡無人駕駛測試車跟蹤場景

4 結(jié) 語

雷視融合交通全息檢測技術(shù)采用微波雷達與視頻一體化設(shè)計，集微波雷達交通檢測技術(shù)和視頻交通檢測技術(shù)于一體，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，取長補短，克服了單一技術(shù)的缺點。實踐結(jié)果表明，雷視融合檢測設(shè)備能檢測車輛軌跡數(shù)據(jù)、行人及非機動車軌跡數(shù)據(jù)和車道車輛特征信息等重要交通信息，與傳統(tǒng)單一檢測技術(shù)相比具有全天候、長距離、高精度和多元化的優(yōu)勢，能更好地滿足交通全息檢測的需求。當然，作為一種新興技術(shù)，該技術(shù)仍有很大的提升空間，比如：系統(tǒng)調(diào)試難度較高，需由專業(yè)人員調(diào)試，后期維護相對復雜；與互聯(lián)網(wǎng)交通數(shù)據(jù)有效融合的實施方案有待探索等。