基于激光雷達(dá)技術(shù)的道路車輛超限檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用分析

■林 典

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

超限超載治理事關(guān)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，各級(jí)政府和交通管理部門均建設(shè)了大量超限檢測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施。 隨著科技的發(fā)展，治超從單純依靠人力的模式，向無人化、智能化的科技非現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法轉(zhuǎn)變，道路貨運(yùn)車輛超限不停車檢測(cè)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“非現(xiàn)場(chǎng)超限檢測(cè)”）是取得執(zhí)法依據(jù)的重要工具。 強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)不同車型的輪廓尺寸限值作了明確規(guī)定[1]，但在傳統(tǒng)的治超系統(tǒng)中，受限于技術(shù)、設(shè)備、場(chǎng)景等因素，僅僅能針對(duì)重量進(jìn)行檢測(cè)和判定，而對(duì)車輛超長(zhǎng)、超寬、超高等輪廓超限行為難以精準(zhǔn)測(cè)量，易引發(fā)安全事故[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于TOF 技術(shù)原理的激光雷達(dá)已在工業(yè)測(cè)量、自動(dòng)駕駛等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]，在車檢線、部分固定治超站等已采用激光雷達(dá)進(jìn)行靜態(tài)外輪廓測(cè)量[4]，而對(duì)于非現(xiàn)場(chǎng)治超動(dòng)態(tài)條件下的外輪廓測(cè)量，尚未形成成熟的應(yīng)用方法，也沒有相關(guān)的國(guó)家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)?；诖耍疚慕Y(jié)合福建省實(shí)施非現(xiàn)場(chǎng)治超檢測(cè)試點(diǎn)工程中的應(yīng)用分析，提出影響非現(xiàn)場(chǎng)治超激光雷達(dá)的主要因素，并總結(jié)合理有效的技術(shù)要求，為后續(xù)大規(guī)模實(shí)施非現(xiàn)場(chǎng)治超輪廓檢測(cè)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供技術(shù)依據(jù)。

1 技術(shù)原理

激光雷達(dá)測(cè)量車輛輪廓是依據(jù)激光脈沖飛行時(shí)間TOF（Time of flight）來獲取被檢測(cè)車輛表面的點(diǎn)云信息，從而獲取外輪廓曲線，并通過點(diǎn)云計(jì)算尺寸。 車輛的外輪廓曲線由極坐標(biāo)系下的無數(shù)個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的，點(diǎn)的坐標(biāo)由（L，θ）兩個(gè)參數(shù)構(gòu)成。 其中距離L 通過激光測(cè)距原理測(cè)得，通過計(jì)時(shí)器測(cè)算激光由發(fā)射到接收到反射回波的時(shí)間差，再乘上光速獲得。當(dāng)激光發(fā)射器發(fā)出激光光束后，內(nèi)部計(jì)時(shí)器記錄時(shí)間t1；當(dāng)激光光束碰到物體后，其部分光束原路返回并達(dá)到激光接收器，內(nèi)部計(jì)時(shí)器記錄時(shí)間t2，則激光測(cè)距儀與物體之間的距離為：

而角度θ 是在處理算法上通過數(shù)據(jù)比對(duì)識(shí)別出第一個(gè)有效掃描范圍的測(cè)量點(diǎn)，并依次匹配其所對(duì)應(yīng)的距離L，這樣完成一個(gè)完整有效點(diǎn)的測(cè)量，最后采用算法將所有有效點(diǎn)進(jìn)行粗大誤差篩除后，取各點(diǎn)平均值繪制輪廓曲線[5]。

2 系統(tǒng)方案

在非現(xiàn)場(chǎng)超限檢測(cè)中使用的激光雷達(dá)可分為單線激光雷達(dá)和多線激光雷達(dá)2 種，在結(jié)構(gòu)和布置上有所不同，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 單線激光雷達(dá)和多線激光雷達(dá)參數(shù)比對(duì)

2.1 單線激光雷達(dá)布置方式

由于建立三維車輛輪廓點(diǎn)云的方法不同，單線雷達(dá)和多線雷達(dá)在非現(xiàn)場(chǎng)超限檢測(cè)系統(tǒng)中的布置方式不同， 以一個(gè)雙向雙車道的非現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)點(diǎn)為例，采用單線雷達(dá)的典型布置方式如圖1 所示。

圖1 采用單線雷達(dá)的雙向雙車道車輛外輪廓現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)點(diǎn)布置方式

單線雷達(dá)的布置方案一般采用3 根L 桿或門架。 位于稱重區(qū)中心線正上方的L 桿上裝有4 個(gè)激光雷達(dá)（如道路平整落差小，無中央綠化帶等遮擋物，交界處可優(yōu)化減少1 個(gè)激光雷達(dá)）分別安裝在每個(gè)車道的兩端， 垂直車輛行駛方向進(jìn)行車道掃描，通過該門架可以得到車輛的寬度和高度信息；稱重區(qū)中心線前后約25 m 的L 桿或門架上各安裝有1個(gè)激光器，掃描平面平行于車輛行駛方向，可以得到車輛的長(zhǎng)度信息，通過后臺(tái)軟件算法，輔助一定的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償參數(shù)，形成三維動(dòng)態(tài)建模，生成點(diǎn)云圖和車輛輪廓數(shù)據(jù)。 現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖如圖2 所示。

圖2 單線雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖

單線激光雷達(dá)的激光源發(fā)出的線束是單線，在角頻率上反應(yīng)靈敏，具有掃描速度快、分辨率強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)橹荒茏髌矫鎾呙?，需配置多臺(tái)激光聯(lián)動(dòng)測(cè)量。 現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)對(duì)安裝調(diào)試工藝要求高，雷達(dá)需盡量達(dá)到水平，并同時(shí)測(cè)量多個(gè)外部環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)部調(diào)校，具體應(yīng)注意做到：所有雷達(dá)的安裝高度需設(shè)置為5～7 m 左右；激光雷達(dá)激光掃描區(qū)域不可以有遮擋，可去掉遮擋或調(diào)整雷達(dá)避開遮擋；盡量安裝在門架上，以滿足長(zhǎng)度測(cè)量激光的靈敏度要求；可增加牢固的外罩以及穩(wěn)定牢固的支架來減少振動(dòng)對(duì)雷達(dá)測(cè)量的影響，注意調(diào)整保護(hù)罩角度，避免陽(yáng)光直射。

2.2 多線激光雷達(dá)布置方式

多線雷達(dá)的布置方案（圖3）一般在安裝抓拍相機(jī)的稱重區(qū)中心線前或后側(cè)約25 m 的L 桿或門架上安裝1 臺(tái)激光雷達(dá)，斜向覆蓋檢測(cè)區(qū)域；遇到路面不規(guī)則或者有遮擋物的情況，需在前后各安裝1 臺(tái)。 雷達(dá)掃描距離最多可達(dá)到300 m，其通過對(duì)掃描區(qū)域內(nèi)的車輛點(diǎn)云進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)建模，提取車輛外輪廓尺寸、車輛特征等信息。 現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖如圖4 所示。

圖3 采用多線雷達(dá)的雙向雙車道車輛外輪廓現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)點(diǎn)布置方式

圖4 多線雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖

應(yīng)用在治超上的多線激光雷達(dá)一般采用固態(tài)雷達(dá)，常用線束達(dá)到300 線以上，有MEMS、FLASH、OPA 等多種技術(shù)路線，可識(shí)別物體的高度信息并進(jìn)行三維建模[6]，產(chǎn)品具有探測(cè)距離遠(yuǎn)，掃描點(diǎn)云密度高，安裝調(diào)試簡(jiǎn)易，維護(hù)方便等特點(diǎn)，產(chǎn)品造價(jià)略高但可拓展性強(qiáng)，2 m 范圍內(nèi)有一定的探測(cè)盲區(qū)，因現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境受限，在線性路面上車流量大的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)遮擋。 在選型及安裝調(diào)試過程中應(yīng)注意做到：車道數(shù)量多，車況復(fù)雜的點(diǎn)位謹(jǐn)慎選擇多線激光，安裝選點(diǎn)應(yīng)盡量選擇視野開闊無遮擋的地方，避開前后的樹枝，桿件等遮擋物；雷達(dá)安裝最佳高度為6 m，至少不低于5.5 m，以減少貨車、掛車等大件運(yùn)輸車對(duì)雷達(dá)檢測(cè)區(qū)域的遮擋；根據(jù)路面寬度及行車方向調(diào)整好測(cè)量角度，一般雷達(dá)固定后水平方向與車道線夾角45°，垂直方向下傾10°～12°時(shí)效果最佳。

3 試驗(yàn)研究

2022 年以來，福建省在各地市開展了國(guó)省道非現(xiàn)場(chǎng)超限檢測(cè)工程的推廣實(shí)施，目前在大多數(shù)點(diǎn)位均配置了不同品牌、不同方案的車輛外輪廓檢測(cè)系統(tǒng)。 為研究設(shè)計(jì)方案的測(cè)量準(zhǔn)確度，確定技術(shù)要求，使用標(biāo)準(zhǔn)參考車輛對(duì)2 個(gè)品牌的2 種不同方案（單線雷達(dá)和多線雷達(dá)）外輪廓測(cè)量進(jìn)行了試驗(yàn)。

試驗(yàn)使用3 種參考標(biāo)準(zhǔn)車輛在無雨霧干擾天氣狀態(tài)下進(jìn)行，包括1 輛二軸小型貨車、1 輛三軸剛性貨車和1 輛六軸鉸接貨車； 為排除其他干擾因素，參考車輛通過檢測(cè)區(qū)時(shí)勻速直線行駛。 在試驗(yàn)前，使用激光測(cè)距儀和鋼卷尺測(cè)量靜態(tài)下參考車輛實(shí)際外廓尺寸，得到長(zhǎng)度、寬度和高度的參考標(biāo)準(zhǔn)值。 隨后在不同運(yùn)行速度下，由外輪廓測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量行駛中車輛的外輪廓值，每個(gè)速度測(cè)量3 次，與參考標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)得到測(cè)量誤差。 試驗(yàn)結(jié)果如表2、3 所示，表中長(zhǎng)、寬、高尺寸各行依次對(duì)應(yīng)二軸、三軸、六軸貨車，單線及多線雷達(dá)分別選用一款品牌產(chǎn)品。

表2 車輛外輪廓測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果（單線雷達(dá)）

表3 車輛外輪廓測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果（多線雷達(dá)）

試驗(yàn)結(jié)果顯示，無論是單線雷達(dá)還是多線雷達(dá)，動(dòng)態(tài)下對(duì)車輛外輪廓測(cè)量均有一定誤差，滿足設(shè)計(jì)要求的長(zhǎng)度最大測(cè)量誤差不大于±300 mm，寬度最大測(cè)量誤差不大于±100 mm，高度最大測(cè)量誤差不大于±50 mm范圍；單線雷達(dá)寬度測(cè)量誤差略小于多線雷達(dá)。

現(xiàn)行國(guó)家校準(zhǔn)規(guī)范[9]為路面條件良好的低速勻速狀態(tài)下的校準(zhǔn)要求，但受車速、路面狀況、車輛不規(guī)范駕駛等因素影響，實(shí)際路面動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)誤差與現(xiàn)行國(guó)家校準(zhǔn)規(guī)范仍有差距。 當(dāng)前廣東、浙江、江西等多省份已經(jīng)相繼出臺(tái)了關(guān)于高速動(dòng)態(tài)輪廓檢測(cè)的地方標(biāo)準(zhǔn)，建議福建省也可根據(jù)非現(xiàn)場(chǎng)治超的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景制定相關(guān)技術(shù)及校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。

4 測(cè)量影響因素分析

對(duì)于治超系統(tǒng)而言，需要車輛外輪廓測(cè)量結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確度和可靠性，以提高作為超限執(zhí)法依據(jù)的可信度。 因此，對(duì)于外輪廓測(cè)量系統(tǒng)，需要考察其重復(fù)性誤差和示值誤差2 個(gè)指標(biāo)。 系統(tǒng)的性能取決于使用的激光雷達(dá)本身的性能，以及用于三維建模和尺寸提取的算法。

在非現(xiàn)場(chǎng)治超檢測(cè)的場(chǎng)景下，激光發(fā)射和接收中，由于激光雷達(dá)本身特性和外部環(huán)境因素共同導(dǎo)致發(fā)出的激光在抵達(dá)接收機(jī)時(shí)具有不同程度的能量衰減，同時(shí)還會(huì)改變光點(diǎn)的形態(tài)，造成點(diǎn)云的不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響車輛外輪廓測(cè)量的準(zhǔn)確度。 非現(xiàn)場(chǎng)超限檢測(cè)時(shí)的車輛點(diǎn)云如圖5 所示。 影響激光衰減的因素可分為激光雷達(dá)自身屬性、檢測(cè)目標(biāo)的激光反射性質(zhì)以及大氣透射率這三方面[7-8]，測(cè)距衰減公式為：

圖5 非現(xiàn)場(chǎng)超限檢測(cè)激光雷達(dá)點(diǎn)云

式中，R 為激光測(cè)量距離，K 為激光雷達(dá)自身特性，τ 為大氣穿透率，ρTAR為探測(cè)目標(biāo)的反射率。

對(duì)于激光雷達(dá)自身特性而言，其測(cè)距的準(zhǔn)確度主要與信噪比密切相關(guān)， 當(dāng)信噪比高于一定閾值時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)的分布可較好地服從正態(tài)分布；當(dāng)信噪比降低，測(cè)試數(shù)據(jù)的分布范圍變大，重復(fù)性誤差增大。 測(cè)距的準(zhǔn)確度取決于飛行時(shí)間的測(cè)量準(zhǔn)確度，即發(fā)射和接收脈沖觸發(fā)時(shí)間的準(zhǔn)確度以及晶振的頻率穩(wěn)定度；發(fā)射脈沖和晶振頻率穩(wěn)定度由內(nèi)部電路決定，而接收脈沖觸發(fā)時(shí)間準(zhǔn)確度與激光脈沖的波形相關(guān)。 在外部，大氣中的氣體的吸收、氣溶膠和各種離散的隨機(jī)分布粒子等都會(huì)對(duì)激光產(chǎn)生衰減效應(yīng)，大氣中不均勻的溫度則會(huì)引起大氣湍流，會(huì)引起激光的閃爍、膨脹和漂移等效應(yīng)，這些效應(yīng)都會(huì)給激光光束帶來傳輸損耗，最終使得到達(dá)被檢測(cè)目標(biāo)時(shí)激光光束強(qiáng)度減弱，因此、晴、雨、雪、霧、霾都會(huì)造成點(diǎn)云的失真。 此外，諸如不同顏色車身、金屬和非金屬的不同材料、不同濕度的車輛外表面，也會(huì)造成被測(cè)車輛反射率不同，引起點(diǎn)云的變化。

由于非現(xiàn)場(chǎng)治超檢測(cè)時(shí)， 車輛處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，車輛的運(yùn)行速度、加速度、偏航等參數(shù)對(duì)飛行時(shí)間的計(jì)算造成較大的不確定性；車輛在運(yùn)行中造成車身上的光影變化、車后的水霧，以及非測(cè)量主體（如非機(jī)動(dòng)車、行人）的干擾，道路振動(dòng)進(jìn)一步造成了測(cè)量不確定度的增大。 基于上述影響因素，在路面安裝點(diǎn)位選擇時(shí)，應(yīng)盡量選擇道路平直，平整度好，無坑洼，散水性好的路面，避開如云霧的山谷、坡面等易產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流的路面， 避開路況復(fù)雜的交叉路口，做好標(biāo)志標(biāo)線規(guī)劃，加強(qiáng)標(biāo)牌引導(dǎo)，分離機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車道，施劃實(shí)線，盡量減少跟車及并行的出現(xiàn)概率，減少非機(jī)動(dòng)車及行人的干擾。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)施公路貨運(yùn)車輛的非現(xiàn)場(chǎng)超限檢測(cè)是提升國(guó)家治理能力的重要工程，也是智慧交通的重要環(huán)節(jié)。 使用激光雷達(dá)為原理的測(cè)量系統(tǒng)作為車輛外輪廓檢測(cè)的工具，可以有效解決車輛外輪廓超限動(dòng)態(tài)檢測(cè)的難題。 本文通過對(duì)激光雷達(dá)的原理、布置方案、影響因素的分析，結(jié)合福建省實(shí)施非現(xiàn)場(chǎng)治超檢測(cè)點(diǎn)建設(shè)的實(shí)際， 對(duì)選型和安裝要點(diǎn)進(jìn)行了闡述；通過試驗(yàn)，獲得了多種類型輪廓檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量誤差特性。 下一步，將選取更多樣本，在各類環(huán)境條件、 不同行駛行為下進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究，為制定相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。