基于駕駛?cè)艘曊J(rèn)性的交通標(biāo)線反光性檢測(cè)方法

湯 婧， 王 益， 陳開源， 陳家源， 周晨靜

(1.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部， 北京 100124； 2.清華大學(xué)交通研究所， 北京 100084；3.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司， 南寧 530000； 4.北京建筑大學(xué)建筑與工程學(xué)院， 北京 102616)

0 引言

交通標(biāo)線是道路安全設(shè)施不可或缺的組成部分，對(duì)路面使用者傳達(dá)道路交通相關(guān)規(guī)定、警示、指引等信息[1]. 交通標(biāo)線反光性差是引發(fā)夜間交通事故的重要原因，據(jù)統(tǒng)計(jì)，因道路標(biāo)線問題產(chǎn)生交通事故的概率高達(dá)70%. 尤其在夜晚駕駛過程中，周遭環(huán)境亮度低、駕駛?cè)艘暰嗍芟?，僅通過汽車前照燈在反光標(biāo)線上產(chǎn)生的定向光學(xué)特性來視認(rèn)車道及道路輪廓[2]. 夜間的交通事故率是白天的2～2.5倍，相較于其他原因造成的交通事故人員傷亡和損失更大[3]. 因此，精準(zhǔn)高效檢測(cè)交通標(biāo)線的夜間反光性是確保道路交通標(biāo)線質(zhì)量以及交通安全設(shè)施檢測(cè)中的1個(gè)重要環(huán)節(jié).

交通標(biāo)線的夜間反光性取決于標(biāo)線材料中逆反射單元的逆反射特性，當(dāng)前使用“逆反射亮度系數(shù)”評(píng)價(jià)交通標(biāo)線的光度性能. 在實(shí)際工程應(yīng)用中大多采用便攜式逆反射系數(shù)測(cè)量?jī)x或車載式逆反射系數(shù)測(cè)量?jī)x進(jìn)行檢測(cè).

1)便攜式逆反射系數(shù)測(cè)量?jī)x測(cè)定法

在同時(shí)滿足2個(gè)測(cè)試角度：觀測(cè)角度1.05°、入射角度88.76°下，將符合JT/T 612要求的測(cè)試儀器與行車方向平行放置在選取的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試[3]，測(cè)試儀會(huì)以數(shù)字的形式表征逆反射系數(shù)值，測(cè)試結(jié)果取其算數(shù)平均值. 此測(cè)量方法可反映車輛行駛過程中司機(jī)對(duì)標(biāo)線反光亮度的客觀評(píng)價(jià)[4]，但在實(shí)際測(cè)量過程中需要進(jìn)行封路、取樣定點(diǎn)對(duì)交通影響大；且只能抽檢，不能完全代替全線路段的狀況.

2)車載式逆反射系數(shù)測(cè)量?jī)x測(cè)定法

由于標(biāo)線快速檢測(cè)設(shè)備在中國(guó)的應(yīng)用較晚，目前還沒有形成標(biāo)線快速檢測(cè)設(shè)備的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范. 市場(chǎng)上主流的檢測(cè)設(shè)備來自于歐美生產(chǎn)，符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1436或美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E2177[5]. 儀器安裝方式分為焊接和吸盤吸附2類. 檢測(cè)原理是通過激光反射成像測(cè)量逆反射系數(shù)[6]. 該檢測(cè)方法精度高、速度快對(duì)交通影響小，可對(duì)路段進(jìn)行不封路全線檢測(cè)，但在實(shí)際測(cè)量過程中普及難度大，且一次只能對(duì)單一車道的車道線進(jìn)行檢測(cè).

當(dāng)前的2種檢測(cè)方法針對(duì)大規(guī)模已經(jīng)處于養(yǎng)護(hù)階段的標(biāo)線在安全適用性和經(jīng)濟(jì)高效性上有所欠缺[7]. 在實(shí)際場(chǎng)景中，對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求嚴(yán)格，受天氣影響大且操作繁復(fù)冗雜. 且交通標(biāo)線的可視性最直觀的反應(yīng)是駕駛?cè)藢?duì)標(biāo)線亮度的接受度，因此逆反射系數(shù)檢測(cè)法在實(shí)際檢測(cè)中存在實(shí)用性不足等缺點(diǎn).

本研究在充分考慮道路交通標(biāo)線特征的基礎(chǔ)上，基于駕駛?cè)艘曈X注意機(jī)制，從視認(rèn)角度出發(fā)，提出一種根據(jù)夜間交通標(biāo)線亮度值評(píng)價(jià)標(biāo)線可視性的方法，該方法實(shí)操性強(qiáng)、普及性高、對(duì)交通影響小、儀器設(shè)備要求低、檢測(cè)結(jié)果更具直觀性. 為驗(yàn)證標(biāo)線亮度值檢測(cè)方法能否有效評(píng)價(jià)標(biāo)線的反光特性，進(jìn)行了夜間駕駛實(shí)驗(yàn)，獲取了逆反射系數(shù)客觀數(shù)據(jù)和亮度值計(jì)算數(shù)據(jù)，通過斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)法，探討了提出方法的有效性.

1 交通標(biāo)線亮度值檢測(cè)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)思路

圖像亮度由反射系數(shù)決定，指畫面的明亮程度，是從白色表面到黑色表面的感覺連續(xù)體[8]，可直觀的反映出交通標(biāo)線的反光性能. 因此，研究設(shè)想通過拍攝測(cè)試路段標(biāo)線圖像，通過計(jì)算標(biāo)線圖像亮度值來表示其反光性能.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本研究采用租借檢測(cè)車開展實(shí)驗(yàn). 檢測(cè)車由一輛經(jīng)過改造的實(shí)際車輛、攝像機(jī)設(shè)備等組成，拍攝測(cè)試路段檢測(cè)車前車燈照射條件下的路面標(biāo)線圖像，模擬駕駛?cè)艘归g行駛過程中接受標(biāo)線亮度值的視覺反應(yīng).

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)由2部分組成：圖像采集和數(shù)據(jù)處理.

1)檢測(cè)車上的攝像裝置以每5 m為一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)拍攝交通標(biāo)線彩色圖像，將采集到的彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像并計(jì)算整個(gè)圖片的平均灰度值即為標(biāo)線的亮度值. 由于檢測(cè)車拍攝圖像中的標(biāo)線為非規(guī)則多邊形形狀，普通的目標(biāo)識(shí)別方法并不能有效提取標(biāo)線的區(qū)域. 因此，通過圖像分割算法Deeplabv3分割出圖像中包含標(biāo)線的掩膜(mask)，其中mask矩陣中背景區(qū)域值為0，標(biāo)線區(qū)域值為1.

2)對(duì)原圖像進(jìn)行高斯降噪、灰度處理并與mask矩陣按元素相乘，得到標(biāo)線區(qū)域?yàn)樵叶戎刀渌麉^(qū)域?yàn)?值的灰度圖像[9]. 此時(shí)，篩選出灰度圖像中大于0的灰度值并計(jì)算出其平均灰度值即標(biāo)線區(qū)域的亮度. 計(jì)算原圖像的平均灰度值，標(biāo)線與原圖像平均灰度值之差即表示兩者的亮度值之差.

3)用原圖片的亮度與標(biāo)線的亮度差來評(píng)估標(biāo)線的反光性能.

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

2021-11-24 21:50—22:10對(duì)北京市門頭溝區(qū)G108(京昆路)潭拓寺鎮(zhèn)綜合執(zhí)法站至王坡村路口一段的標(biāo)線進(jìn)行逆反射系數(shù)檢測(cè)以及表面亮度的拍攝提取. 測(cè)試采用便攜式逆反射標(biāo)線測(cè)量?jī)x1臺(tái)、安裝有攝像頭的檢測(cè)車1臺(tái)、數(shù)據(jù)記錄表等對(duì)標(biāo)線進(jìn)行不封路反光性能檢測(cè). 全程共6.2 km，途徑京昆路、潭王路，路線如圖1所示. 外業(yè)檢測(cè)時(shí)間段內(nèi)天氣晴，路面干燥，當(dāng)天最高氣溫7℃，最低氣溫-2℃，南風(fēng)轉(zhuǎn)西北風(fēng)<3級(jí)，檢測(cè)車車速平均18.6 km/h[10].

檢測(cè)車上配備駕駛員1人，檢測(cè)記錄員1人. 攝像裝置以每5 m為一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)拍攝圖像，同時(shí)檢測(cè)記錄員下車測(cè)試定點(diǎn)的逆反射系數(shù)值，取平均值作為檢測(cè)點(diǎn)結(jié)果，并記錄在冊(cè). 計(jì)算機(jī)將收集的圖像由彩色轉(zhuǎn)化為灰度圖像，計(jì)算整個(gè)圖像的平均灰度值. 通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)中的目標(biāo)檢測(cè)(Yolov4)、圖像分割(Deeplabv3)等算法快速而精準(zhǔn)地識(shí)別、截取圖像中的標(biāo)線，同時(shí)自動(dòng)完成其亮度值計(jì)算.

本次實(shí)驗(yàn)共采集白色反光標(biāo)線和黃色反光標(biāo)線共約28組檢測(cè)數(shù)據(jù).

圖1 標(biāo)線檢測(cè)選取對(duì)象路線圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得到標(biāo)線的逆反射系數(shù)值28組，并將采集到的圖像利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別、圖像分割以及灰度處理計(jì)算得到標(biāo)線表面亮度值28組，剔除儀器測(cè)試和圖像提取有問題的數(shù)據(jù)，最終得到24組樣本. 初步對(duì)比兩組數(shù)據(jù)的走勢(shì)，發(fā)現(xiàn)標(biāo)線亮度值與逆反射系數(shù)有一定的關(guān)聯(lián). 如圖2所示.

圖2 逆反射系數(shù)和亮度值對(duì)比

為驗(yàn)證逆反射系數(shù)和亮度值的相關(guān)性，本文對(duì)整理的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析. 擬采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析實(shí)驗(yàn)采集整理的數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行使用條件的檢驗(yàn)，兩組變量是連續(xù)數(shù)據(jù)且呈現(xiàn)線性相關(guān)關(guān)系，如圖3所示. 但正態(tài)性檢驗(yàn)結(jié)果顯示：顯著性均小于0.05，數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布，故不滿足皮爾遜相關(guān)系數(shù)的使用條件(見表1). 因此，本文采用非參數(shù)檢驗(yàn)，即進(jìn)行斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn).

圖3 逆反射系數(shù)與亮度值散點(diǎn)圖

表1 正態(tài)性檢驗(yàn)

斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)是用以衡量2組變量之間關(guān)系密切程度的非參數(shù)指標(biāo)，該分析方法對(duì)數(shù)據(jù)條件的要求沒有皮爾遜相關(guān)系數(shù)嚴(yán)格，不需要先驗(yàn)知識(shí)便可準(zhǔn)確獲取變量的采樣概率分布.對(duì)于變量X=[x1,x2,…，xn]T和變量Y=[y1,y2,…，yn]T見式(1)：

或

(1)

式中，xi,yi表示2個(gè)變量依照大小排位的登記；n為實(shí)驗(yàn)采集整理的數(shù)據(jù)；di為二列等級(jí)變量的等極差數(shù)；di=xi-yi;相關(guān)系數(shù)rs的取值范圍為：[-1,+1]；|rs|表明2變量間相關(guān)的程度，rs>0表示正相關(guān)，rs<0表示負(fù)相關(guān)，rs=0表示零相關(guān).|rs|越接近于1，表明2變量相關(guān)程度越高，他們之間的關(guān)系越密切.

樣本算得的相關(guān)系數(shù)是否有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，還應(yīng)進(jìn)一步作假設(shè)檢驗(yàn).通常情況下使用統(tǒng)計(jì)量t進(jìn)行檢驗(yàn)，首先原假設(shè)為2個(gè)變量不相關(guān)，然后計(jì)算統(tǒng)計(jì)量，見式(2)：

(2)

式中，rs為相關(guān)系數(shù)；n為實(shí)驗(yàn)采集整理的數(shù)據(jù)；n-2為自由度.當(dāng)|t|>t0.05(n-2)時(shí)，則不接受原假設(shè)，說明2個(gè)變量之間存在顯著的線性關(guān)系.

利用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS對(duì)夜間標(biāo)線的逆反射系數(shù)和亮度值之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行檢驗(yàn)，其具體檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

表2 兩指標(biāo)變量樣本的相關(guān)分析結(jié)果

從表2得知，逆反射系數(shù)值和亮度值是在0.01水平上顯著相關(guān). 本實(shí)驗(yàn)從研究?jī)芍笜?biāo)變量間的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)入手，用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，驗(yàn)證了本文提出的用亮度值來評(píng)判夜間標(biāo)線可視性方法的科學(xué)合理性.

從部分標(biāo)線檢測(cè)結(jié)果來看，標(biāo)線的逆反射系數(shù)高，但對(duì)應(yīng)的標(biāo)線亮度值卻比較低. 針對(duì)實(shí)際調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)情況，出現(xiàn)這種情況可能是因?yàn)槁访嫫秸葘?duì)道路交通標(biāo)線逆反射亮度系數(shù)測(cè)試產(chǎn)生了影響[11]. 入射角偏差對(duì)道路交通標(biāo)線逆反射亮度系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果影響較大，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)應(yīng)注意調(diào)整儀器的放置位置.

3 結(jié)束語

針對(duì)交通標(biāo)線反光性檢測(cè)方法，本文通過對(duì)標(biāo)線反光性能的自身特性、作用機(jī)理以及檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行分析研究，在遵循實(shí)用性、靈活性的原則上提出一種根據(jù)夜間交通標(biāo)線的表面亮度來評(píng)判夜間標(biāo)線的可視性方法. 并基于實(shí)驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行記錄和提取，利用斯皮爾曼相關(guān)分析法對(duì)搜集整理的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果表明逆反射系數(shù)值和亮度值顯著相關(guān)，驗(yàn)證了本文提出方法的有效性. 該方法可避免逆反射系數(shù)測(cè)定法對(duì)于檢測(cè)環(huán)境要求的嚴(yán)格性，有助于檢測(cè)大規(guī)模處于養(yǎng)護(hù)階段的標(biāo)線.

本文僅基于夜間駕駛拍攝圖像進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理得到的數(shù)據(jù)展開研究，但交通標(biāo)線反光性的影響要素還包括標(biāo)線的種類，標(biāo)線的玻璃微珠折射率，標(biāo)線表面的檢測(cè)環(huán)境等，為了增強(qiáng)研究結(jié)果的合理性和科學(xué)性，后續(xù)研究將充分考慮檢測(cè)車速度、檢測(cè)環(huán)境、檢測(cè)天氣、標(biāo)線種類等的影響. 同時(shí)，本文為小樣本實(shí)驗(yàn)，后續(xù)研究需要通過大樣本的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證.