李弋博

(中遠(yuǎn)海運(yùn)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?jǐn)?shù)字城市與現(xiàn)實(shí)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(shí)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(jìn)行全息感知，在獲取實(shí)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(yùn)行情況進(jìn)行模擬和預(yù)測，對路網(wǎng)交通管理提出建議，甚至進(jìn)行自主決策，提供適應(yīng)性和靈活性強(qiáng)的實(shí)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(jìn)行準(zhǔn)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(jìn)行路網(wǎng)全息檢測，通過單一技術(shù)是很難有效實(shí)現(xiàn)的，因此將幾種技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)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(dá)、激光雷達(dá)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(dá)、多線激光雷達(dá)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(shí)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(dá)和激光雷達(dá)都能實(shí)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(yán)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(fù)用互補(bǔ)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(fù)用方面，雷達(dá)檢測與視頻檢測具有明顯的互補(bǔ)特點(diǎn)。在雷達(dá)技術(shù)路線選擇上，激光雷達(dá)與微波雷達(dá)相比，具有檢測分辨率高、車型識別能力強(qiáng)和定位精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，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(dá)檢測與視頻檢測具有很好的互補(bǔ)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(zhǔn)確性。微波雷達(dá)能全天候準(zhǔn)確檢測目標(biāo)的速度和位置信息；視頻檢測設(shè)備能對目標(biāo)可視化信息特征進(jìn)行捕捉，對特定目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和捕捉，并進(jìn)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(dá)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(dá)檢測數(shù)據(jù)與視頻數(shù)據(jù)相融合，能使雷達(dá)檢測到的精準(zhǔn)定位信息和速度信息與視頻檢測的目標(biāo)相匹配，在實(shí)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(dá)交通檢測技術(shù)和視頻交通檢測技術(shù)于一體，用于實(shí)現(xiàn)交通全息檢測的技術(shù)，雷達(dá)交通檢測結(jié)果與視頻交通檢測結(jié)果各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，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(dá)檢測效果圖

從圖1和圖2中可看出，視頻檢測的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(yuǎn)看起來越小，如圖1中的車輛1(距離檢測點(diǎn)約20 m)和車輛2(距離檢測點(diǎn)約100 m)都是小型車，車輛2看起來比車輛1小很多，難以準(zhǔn)確檢測遠(yuǎn)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(yán)重，不能全天候準(zhǔn)確檢測。雷達(dá)檢測的優(yōu)點(diǎn)是沒有視覺透視效應(yīng)，在雷達(dá)檢測中，車輛1與車輛2呈現(xiàn)的尺寸基本一致，因而能準(zhǔn)確檢測遠(yuǎn)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(dá)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(bǔ)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(dá)與視頻設(shè)備安裝在同一個外殼內(nèi)，實(shí)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(dá)遠(yuǎn)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(dá)調(diào)試以外，還協(xié)助雷達(dá)進(jìn)行車輛分類和行人非機(jī)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(jī)動車干擾能力明顯增強(qiáng)，但與交通全息檢測的目標(biāo)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(biāo)全息融合和全程融合跟蹤能力，無法實(shí)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(shí)現(xiàn)了微波雷達(dá)與視頻檢測散射點(diǎn)層面的數(shù)據(jù)融合，從而實(shí)現(xiàn)了交通全息檢測。雷達(dá)交通檢測技術(shù)與視頻交通檢測技術(shù)有一個共同點(diǎn)，即通過這2種技術(shù)檢測到的原始信息都是目標(biāo)的散射點(diǎn)信息，即目標(biāo)各部位在檢測器傳感器上的成像信息是強(qiáng)度不同的散射點(diǎn)，這樣每個目標(biāo)在檢測器上的圖像就是一片形狀不規(guī)則、強(qiáng)度不一的散射點(diǎn)，基于該特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)與視頻交通檢測散射點(diǎn)層面的融合。在實(shí)際數(shù)據(jù)融合應(yīng)用中，由于兩者的參考坐標(biāo)系不同(雷達(dá)數(shù)據(jù)參考系建立在三維世界坐標(biāo)系下；視頻數(shù)據(jù)參考坐標(biāo)系建立在圖像二維坐標(biāo)系下)，為實(shí)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)的有效融合，需對雷達(dá)與視頻設(shè)備進(jìn)行空間標(biāo)定和時間同步。在第三代雷視融合設(shè)備中，雷達(dá)與攝像機(jī)實(shí)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(biāo)系與圖像像素坐標(biāo)系建立對應(yīng)關(guān)系，通過轉(zhuǎn)換算法將檢測目標(biāo)在世界坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為圖像像素坐標(biāo)系下的二維坐標(biāo)，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(jìn)行標(biāo)定(見圖3)，從而實(shí)現(xiàn)對各類信息的實(shí)時檢測。

圖3 雷視融合設(shè)備參數(shù)標(biāo)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(biāo)散射點(diǎn)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(dá)與視頻目標(biāo)檢測散射點(diǎn)層面信息融合，一方面確定目標(biāo)的幾何位置信息(包括坐標(biāo)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(biāo)、運(yùn)動速度、車輛牌照號碼、車型、主體顏色和相關(guān)照片等)。基于雷視融合全息檢測設(shè)備的地面路口的交通全息檢測實(shí)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?fù)鋱D見圖6。

圖6 東海大橋智慧交通管理系統(tǒng)拓?fù)鋱D

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(diǎn)。通過雷視融合技術(shù)，系統(tǒng)能實(shí)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(biāo)的坐標(biāo)、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(shí)施精細(xì)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(shí)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(shí)時運(yùn)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(shí)時動態(tài)展示、擁堵預(yù)警與視頻場景推送、綜合執(zhí)法卡口、特定目標(biāo)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(diǎn)：

1) 在國內(nèi)率先實(shí)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(diǎn)位前后2個遙控攝像機(jī)將自動聚焦于該車輛并預(yù)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(yù)警引導(dǎo)，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(shí)現(xiàn)。

圖7為系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)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(diǎn)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(dá)與視頻一體化設(shè)計，集微波雷達(dá)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(bǔ)短，克服了單一技術(shù)的缺點(diǎn)。實(shí)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(jī)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(dāng)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(hù)相對復(fù)雜；與互聯(lián)網(wǎng)交通數(shù)據(jù)有效融合的實(shí)施方案有待探索等。