張曉春 陸昕彤 胡鍵涵

摘? 要：為進(jìn)一步推進(jìn)車輛自動(dòng)駕駛與道路基礎(chǔ)設(shè)施的智能化聯(lián)系，高性能可靠的智能頻段識(shí)別道路標(biāo)志已成為交通基礎(chǔ)設(shè)施研究者和建設(shè)者關(guān)注的重點(diǎn)。針對(duì)現(xiàn)行道路標(biāo)志對(duì)自動(dòng)駕駛影響的氣象環(huán)境和交通環(huán)境的敏感性缺陷及標(biāo)線材料污損性，該文定義并設(shè)計(jì)一種隱含于路面結(jié)構(gòu)中的新型道路隱形指示標(biāo)志，提出路面結(jié)構(gòu)中道路隱形指示標(biāo)志的布設(shè)方式，能夠整體提高交通標(biāo)志的使用壽命，對(duì)智慧交通領(lǐng)域的研究具有重要意義。

關(guān)鍵詞：隱形指示標(biāo)志；自動(dòng)駕駛；智慧交通；創(chuàng)新應(yīng)用；電壓

中圖分類號(hào)：U417.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）08-0005-07

Abstract： In order to further promote the intelligent relationship between vehicle autopilot and road infrastructure， high-performance and reliable intelligent band recognition of road signs has become the focus of traffic infrastructure researchers and builders. In view of the sensitivity defects of the current road signs on the meteorological environment and traffic environment and the contamination of marking materials， this paper defines and designs a new type of road invisible indicator sign hidden in the pavement structure. It is proposed that the layout of invisible road signs in the pavement structure can improve the service life of traffic signs as a whole， which is of great significance to the research in the field of intelligent transportation.

Keywords： invisible sign; autopilot; intelligent transportation; innovative application; voltage

自動(dòng)駕駛技術(shù)是未來道路交通的重要關(guān)鍵技術(shù)，車輛所在車道的識(shí)別是自動(dòng)駕駛技術(shù)的一大基石。對(duì)于道路隱形指示標(biāo)志的合理使用，可有效彌補(bǔ)現(xiàn)有道路顯形標(biāo)志標(biāo)線存在的問題，提高交通標(biāo)志的使用壽命，完善了智慧交通領(lǐng)域的基本組成。

1? 交通標(biāo)志的發(fā)展歷程

交通標(biāo)志起源于德國(guó)，距今已有80多年的歷史。在早期西方工業(yè)社會(huì)，道路邊線的設(shè)計(jì)和涂劃相對(duì)簡(jiǎn)單，交通管理部門僅在道路上施劃中心線及人行橫道線。自西方工業(yè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)危機(jī)結(jié)束至第二次世界大戰(zhàn)全面爆發(fā)前，道路交通快速發(fā)展，這一時(shí)期的道路已有同向多車道，交通管理部門通過涂劃道路交通標(biāo)志起到分隔車道的作用，從而保障同方向行駛車輛安全。隨后，標(biāo)志由最初的單實(shí)線逐漸補(bǔ)充了虛線和雙實(shí)線，標(biāo)志的顏色也從單純白色到現(xiàn)在的白、黃、紅和藍(lán)等顏色。

2? 現(xiàn)有交通標(biāo)志的缺陷

近年來，隨著交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展和對(duì)出行體驗(yàn)、道路運(yùn)輸效率的重視，人們對(duì)道路標(biāo)志的要求逐漸提高，而伴隨著自動(dòng)駕駛及相關(guān)智能化產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，能否準(zhǔn)確、快速地識(shí)別道路標(biāo)志，并基于識(shí)別結(jié)果引導(dǎo)駕駛行為，日趨成為交通安全的重要前提?，F(xiàn)有交通標(biāo)志是基于可見光頻譜內(nèi)的人眼（攝像系統(tǒng)）識(shí)別的標(biāo)志，即顯形交通標(biāo)志。當(dāng)前道路車道識(shí)別技術(shù)依賴于路面標(biāo)志線的識(shí)別，包括車道標(biāo)志線、交通標(biāo)志線等。目前，現(xiàn)行道路交通標(biāo)志線，其性能是得到了充分驗(yàn)證的，也成為了道路交通的一大基本要素。但現(xiàn)有道路標(biāo)志線難以克服以下幾個(gè)問題。

2.1? 氣象環(huán)境影響

標(biāo)志標(biāo)線受霧氣、雨水、冰雪、霧霾和沙塵等氣象影響服役性能大幅下降。交通標(biāo)志正常服役的基礎(chǔ)是可識(shí)別性，在可見光視覺感知條件下，無論是駕駛員可識(shí)別還是人工智能可識(shí)別，都需要標(biāo)志標(biāo)線的完整、清晰和連續(xù)可視。而受惡劣氣象環(huán)境影響，駕駛員和圖像識(shí)別系統(tǒng)無法視覺觀測(cè)到道路前方連續(xù)清晰的道路表面顯形交通標(biāo)志標(biāo)線及視覺區(qū)域范圍內(nèi)的交通標(biāo)志標(biāo)線，這對(duì)于交通安全是一巨大隱患[1-3]。

2.2? 復(fù)雜交通環(huán)境影響

主要受一定范圍其他車輛遮蔽和阻擋的視覺感知，如城市道路中前方公交車對(duì)隨后小型車的視覺遮擋，跨線車輛對(duì)后方攝像頭和其他傳感器的影響。在復(fù)雜車流環(huán)境下，高精度和低延遲就成為了首要的自動(dòng)駕駛需求[4-6]。

2.3? 標(biāo)志線工作狀態(tài)的影響

標(biāo)志線的污損及材料老化導(dǎo)致交通標(biāo)志線服役壽命不足。交通標(biāo)志正常服役的另一大基礎(chǔ)是連續(xù)性和服役期與有效壽命匹配。現(xiàn)有交通標(biāo)志線在實(shí)際工作環(huán)境中，其壽命往往低于道路面層，需要反復(fù)涂劃，既影響交通通行，又增加了道路養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，同時(shí)降低交通安全[7-8]。

因此，亟需一種不受交通載荷和路面環(huán)境影響且長(zhǎng)壽命的新型道路標(biāo)志。同時(shí)，隨著基于各類傳感器的計(jì)算機(jī)識(shí)別技術(shù)的高速發(fā)展，使得滿足自動(dòng)駕駛需求的新型標(biāo)志及識(shí)別系統(tǒng)已成為可能。

3? 道路隱形指示標(biāo)志的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1? 道路隱形指示標(biāo)志的基本定義

道路隱形標(biāo)志是一種埋設(shè)于道路上面層之下，可以被車輛感知的交通標(biāo)志。相比于現(xiàn)有的涂劃于道路表面的道路標(biāo)志（顯形道路標(biāo)志），埋設(shè)在道路面層之下的交通標(biāo)志不可被人眼感知或圖像識(shí)別，因而命名為道路隱形標(biāo)志。道路隱形標(biāo)志的識(shí)別方式為傳感器識(shí)別，傳感器在完成識(shí)別后，可直接將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并引導(dǎo)自動(dòng)駕駛?，F(xiàn)有道路標(biāo)志采用的識(shí)別技術(shù)路線為：首先通過視覺或視覺仿生傳感器獲得路面標(biāo)志的圖像，通過駕駛員或圖像處理手段獲得圖像信號(hào)，再將獲得的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)或電信號(hào)，進(jìn)而對(duì)駕駛行為進(jìn)行決策，最終表現(xiàn)為一般的駕駛行為；道路隱形標(biāo)志則直接獲得路面以下的信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，并傳遞給駕駛員或直接接入自動(dòng)駕駛的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行決策，最終也表現(xiàn)為一般的駕駛行為。道路隱形標(biāo)志與顯形標(biāo)志的明顯區(qū)別在于無須進(jìn)行圖像識(shí)別，從底層邏輯優(yōu)化了道路標(biāo)志的信號(hào)轉(zhuǎn)化，提高了響應(yīng)速度。

3.2? 道路隱形指示標(biāo)志的幾何設(shè)計(jì)

為了確保道路隱形指示標(biāo)志的基本定位能力，其幾何特性是最重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。圖1展示了道路隱形指示標(biāo)志設(shè)計(jì)過程中最基本的5個(gè)幾何特征：標(biāo)志的數(shù)量（N）、標(biāo)志的長(zhǎng)度（L）、標(biāo)志的寬度（W）和同一組道路隱形標(biāo)志塊內(nèi)部各標(biāo)志的間距（D）和相鄰組道路隱形標(biāo)志塊外部的標(biāo)志間距（M）。通過與行駛速度和步進(jìn)頻率測(cè)試方法的耦合，可以完美匹配獲取上述幾何特性，這為后續(xù)精確定位提供了基礎(chǔ)。在這種設(shè)計(jì)方案中，所有標(biāo)志都設(shè)置在行車道的中間，其目的是確保所有類型的汽車都能識(shí)別這些信息。同時(shí)，幾何設(shè)計(jì)的總寬度不宜過大，以便提高傳感器與車輛耦合過程中的適配性。上述5個(gè)基本的幾何特征可以滿足對(duì)車道寬度、車輛位置和行駛速度的要求。同時(shí)，道路隱形標(biāo)志檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)編碼的基本要求是確保信息密度。如圖1所示的道路隱形指示標(biāo)志幾何設(shè)計(jì)方法，其編碼具體方式為存在性編碼，即所在位置是否具有可識(shí)別的標(biāo)志，具有可識(shí)別性則輸出1，不具有可識(shí)別性則輸出0，則在標(biāo)志數(shù)量設(shè)計(jì)為8時(shí)即可形成一個(gè)八位二進(jìn)制編碼。利用八位二進(jìn)制編碼的不同組合形式可以有效進(jìn)行車道導(dǎo)向和地理位置導(dǎo)向（表1）。

（a）? 道路隱形指示標(biāo)志設(shè)計(jì)的立面圖

（b）? 道路隱形指示標(biāo)志設(shè)計(jì)的平面圖

目前使用的道路交通標(biāo)志的總數(shù)還比較少，這使得八位編碼可以有效地表示現(xiàn)有的交通標(biāo)志。通過道路隱形指示標(biāo)志的設(shè)計(jì)和使用，將有效提高自動(dòng)駕駛的駕駛行為決策的效率，從而提高復(fù)雜環(huán)境下的道路行車安全。

對(duì)比現(xiàn)有顯形道路標(biāo)線所存在的老化開裂、易磨損、雨夜反光性不足和振蕩標(biāo)線失能等安全隱患，道路隱形標(biāo)志的一個(gè)顯著特點(diǎn)是具有長(zhǎng)壽命性。其布設(shè)原則是將道路隱形標(biāo)志置于上層路面之下，該設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證道路隱形標(biāo)志能夠被檢測(cè)到，同時(shí)又得益于上層路面的保護(hù)，有效地延長(zhǎng)了道路隱形標(biāo)志的使用壽命。從理論上講，道路隱形標(biāo)志的使用壽命和上面層的使用壽命基本相同。進(jìn)而，道路隱形標(biāo)志可以延長(zhǎng)交通標(biāo)志的使用壽命，避免現(xiàn)有顯形道路存在的因標(biāo)志性能下降而導(dǎo)致交通安全隱患的問題，進(jìn)而提高道路交通安全和通行能力。

3.3? 道路隱形指示標(biāo)志的材料設(shè)計(jì)

道路隱形指示標(biāo)志的具體涂劃材料應(yīng)當(dāng)經(jīng)過反復(fù)多次的材料試驗(yàn)決定。本文提出基于瞬變電磁法（TEM）測(cè)試時(shí)的材料關(guān)鍵屬性。TEM測(cè)試感應(yīng)電壓V算法如下

V（t）=， （1）

式中：k1為常數(shù)；I為發(fā)射電流；q為線圈面積；σ 為介質(zhì)電導(dǎo)率；t 為時(shí)間。

而TEM測(cè)試過程中一次場(chǎng)的傳播τ速度為

？子=2？仔， （2）

式中：ρ為均質(zhì)介質(zhì)的電阻率；μ0為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，在空氣中等于 4 π×107 h/m；t為瞬時(shí)場(chǎng)的擴(kuò)散時(shí)間。

上述公式表明，檢測(cè)的具體內(nèi)容與被穿透層的電導(dǎo)率、電阻率和磁導(dǎo)率密切相關(guān)?，F(xiàn)有的研究表明，瀝青材料的介電常數(shù)[9]約為 2.8～3，而瀝青混凝土材料的介電常數(shù)[10-12]為4.5～8。金屬材料的介電常數(shù)與瀝青混凝土的介電常數(shù)明顯不同，因此可以產(chǎn)生一個(gè)明顯的感應(yīng)電場(chǎng)（二次場(chǎng)）?；驹韴D如圖2所示。

3.4? 道路隱形指示標(biāo)志的檢測(cè)與識(shí)別

道路隱形標(biāo)志的識(shí)別精度和速度是整體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)表明，三維探地雷達(dá)（3D Ground-Penetrating Rader， 即3D GPR）在識(shí)別異介質(zhì)層的形狀和深度的能力是卓越的[13]，這為道路隱形指示標(biāo)志的探測(cè)提供了高可行性；同時(shí)，經(jīng)過一系列的初步技術(shù)驗(yàn)證，電磁探測(cè)設(shè)備也具有探測(cè)金屬介質(zhì)或其他可以激發(fā)二次場(chǎng)介質(zhì)材料幾何特性的性能，電磁探測(cè)設(shè)備主要采用的探測(cè)方法包括瞬變電磁法（TEM）、平衡線圈法（Balanced Coil， BC）等。相比于探地雷達(dá)，電磁檢測(cè)的方法更具有經(jīng)濟(jì)性，但其精度受地下介質(zhì)的復(fù)雜程度、設(shè)備的靈敏度等因素的影響，因此，需要通過不斷實(shí)驗(yàn)來優(yōu)化提高電磁檢測(cè)的精度以滿足不同場(chǎng)景下的特定需求。兩者的設(shè)計(jì)檢測(cè)方法如圖3所示。

三維探地雷達(dá)（3D GPR）的基本組成包括發(fā)射天線、接收天線和圖像處理設(shè)備，其工作原理是：利用發(fā)射天線發(fā)射電磁波，由于不同層間的介電常數(shù)不同，其層與層之間會(huì)發(fā)生反射和折射，再通過接收天線接收這些返回的回波（A-掃描信號(hào)），并對(duì)回波進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后形成B-掃描圖像，即完成了對(duì)不同目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別和定位工作。其工作原理如圖4所示。

（a）? 三維步進(jìn)探測(cè)方案

（b）? 探測(cè)器具體排布方案

相比于普通的探地雷達(dá)（GPR）技術(shù)，三維探地雷達(dá)（3D GPR）具有下述更突出的優(yōu)勢(shì)。

1）雷達(dá)信號(hào)源輸出的頻率分量可以精確控制，而且每個(gè)頻率分量的能量相等。

2）通過控制雷達(dá)主機(jī)的信號(hào)帶寬，可以有效抑制噪聲，從而提高靈敏度。

3）探地雷達(dá)信號(hào)是一種頻域信號(hào)，可以方便地應(yīng)用頻域的信號(hào)處理方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，100 MHz～3 GHz，可由用戶根據(jù)需求設(shè)定，同時(shí)兼顧探測(cè)深度和高分辨率的需要。

同時(shí)，在三維GPR方法中采用了階梯式頻率脈沖測(cè)試方法。階梯式頻率脈沖是指GPR的工作頻率以階梯式方式進(jìn)行，GPR發(fā)出的信號(hào)從起始頻率（f. start）到終止頻率（f. stop），在一個(gè)掃描周期內(nèi)的頻率間隔Δf，而其工作帶寬B和頻率間隔Δf為

， （3）

式中：B為工作帶寬；f. start為起始頻率；f. stop為終止頻率；Δf為頻率間隔；N為步進(jìn)頻率次數(shù)。

同時(shí)，使用數(shù)字頻率信號(hào)源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鎖相循環(huán)，步進(jìn)頻率的三維探地雷達(dá)可以產(chǎn)生0.5～10 ms的掃描周期，包含1 500個(gè)從100 MHz～3 GHz不同頻率的信號(hào)。由于步進(jìn)頻率的三維探地雷達(dá)是一個(gè)同相位接收器，保證了整個(gè)掃描周期的信號(hào)在毫秒內(nèi)可以被完全利用。同時(shí)，步進(jìn)頻率掃描技術(shù)可以通過編程以控制測(cè)試性能，針對(duì)不同的測(cè)試目的，使用不同的頻率范圍來控制整個(gè)頻譜。步進(jìn)頻率信號(hào)模型如圖5所示，初始頻率f0，步進(jìn)頻率為Δf，第n個(gè)時(shí)間段的頻率為f0+（n-1）Δf。

與三維探地雷達(dá)技術(shù)相比，電磁探測(cè)技術(shù)采用不同磁通量對(duì)應(yīng)于不同的電磁場(chǎng)的基本原理，其突出優(yōu)勢(shì)在于其成本低。瞬變電磁法（TEM）和平衡線圈法（BC）是電磁探測(cè)技術(shù)采用的2種主要探測(cè)方法，2種探測(cè)方法應(yīng)用于道路隱形標(biāo)志方面各有優(yōu)劣勢(shì)。

瞬變電磁法（TEM）也稱時(shí)域電磁法（Time Domain Electromagnetic Method）。瞬變電磁法共使用2個(gè)線圈進(jìn)行接收，一個(gè)為不接地的返回線圈，另一個(gè)為恢復(fù)線圈。不接地的回流線圈發(fā)射一個(gè)脈沖電場(chǎng)（主場(chǎng)）來激發(fā)被測(cè)物并產(chǎn)生一個(gè)二次場(chǎng)?；謴?fù)線圈接收二次場(chǎng)在發(fā)射脈沖之間的時(shí)間變化。通過分析接收到的二次場(chǎng)數(shù)據(jù)，可以確定異常電場(chǎng)的位置，從而發(fā)現(xiàn)該物體。瞬變電磁法工作示意圖如圖6所示。

平衡線圈法的工作原理如圖 7 所示。發(fā)射線圈和接收線圈在自下而上的方向上相互平行排列。一對(duì)雙胞胎接收線圈使用平衡差分連接到一個(gè)差分放大器電路。當(dāng)沒有金屬時(shí)，發(fā)射線圈的磁場(chǎng)在雙子接收線圈中感應(yīng)出大小相等但方向相反的電動(dòng)勢(shì)。這導(dǎo)致感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互抵消，接收線圈的磁場(chǎng)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)金屬物體進(jìn)入磁場(chǎng)范圍時(shí)，電磁感應(yīng)在金屬內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，產(chǎn)生渦流，從而激發(fā)變化磁場(chǎng)。由于金屬物體相對(duì)于2個(gè)接收線圈的位置不同，接收到的信號(hào)信息也有所不同。差分電路輸出的電平信號(hào)反映了金屬的大小和特性。2個(gè)接收線圈接收到的信號(hào)的振幅和相位根據(jù)金屬物體的位置、大小、導(dǎo)電性和滲透性而變化。這種振幅和相位信息被用來探測(cè)和區(qū)分金屬異物。與瞬變電磁法相比，平衡線圈法的探測(cè)深度較淺，但可用于大面積區(qū)域的快速探測(cè)。

4道路隱形指示標(biāo)志的應(yīng)用與前景

4.1檢測(cè)預(yù)期結(jié)果

三維探地雷達(dá)技術(shù)通過對(duì)不同探測(cè)方法的原理和技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行預(yù)估，將具有更高的預(yù)期結(jié)果或期望值。通過讀取編碼信息并將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這一結(jié)果可以直接寫入自動(dòng)駕駛的駕駛行為決策數(shù)據(jù)庫中。同時(shí)，三維探地雷達(dá)技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果也將通過中央處理器傳輸?shù)接脩艚缑?，以引?dǎo)駕駛員的行為。

瞬變電磁法、平衡線圈法等方法通過探測(cè)上面層下部的異質(zhì)材料，進(jìn)而獲得信號(hào)振幅以得到相對(duì)應(yīng)的道路隱形標(biāo)志。探測(cè)過程中將多個(gè)探測(cè)器以固定排列方式耦合，可以檢測(cè)整個(gè)行車道范圍內(nèi)的信號(hào)振幅變化。通過將圖8（a）所示的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖8（b）所示的電平信號(hào)，可以有效地獲得關(guān)于標(biāo)記存在的信息。車輛前進(jìn)速度和探測(cè)周期的組合可以測(cè)試長(zhǎng)度，結(jié)果如圖8（c）和8（d）所示。瞬變電磁法和平衡線圈法可以有效地降低設(shè)備成本，同時(shí)為整個(gè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)便化提供更為可靠的技術(shù)路線。

4.2? 布設(shè)位置預(yù)期成果

道路隱形標(biāo)志的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了保護(hù)層設(shè)計(jì)的概念，如圖9所示。上層路面設(shè)計(jì)為保護(hù)層，以保證現(xiàn)有道路標(biāo)線和道路隱形標(biāo)志同時(shí)存在。瀝青混凝土路面上層的設(shè)計(jì)壽命不低于5 a，維護(hù)周期為2～3 a。道路隱形標(biāo)志的設(shè)計(jì)是與上層路面同時(shí)更換。根據(jù)彈性層體系理論和基本假設(shè)，鋪設(shè)在上層下面的道路隱形標(biāo)志材料幾乎不會(huì)被損壞，為其長(zhǎng)壽命提供了理論依據(jù)。道路隱形標(biāo)志系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)模型示意圖如圖10所示。利用道路隱形標(biāo)志幾何布設(shè)對(duì)應(yīng)的八位二進(jìn)制編碼進(jìn)行車道和相關(guān)經(jīng)緯度等地理位置的布設(shè)，通過現(xiàn)有GPS定位作為對(duì)應(yīng)位置的確認(rèn)以確保道路隱形標(biāo)志布設(shè)位置的準(zhǔn)確性。

圖9? 多傳感器耦合定位示意圖

圖10? 道路隱形標(biāo)志系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)示意圖

4.3? 綜合應(yīng)用前景

關(guān)于自動(dòng)駕駛中的車輛定位的研究，各課題組都在快速展開并有效進(jìn)行。既往研究表明，車輛的精確空間定位需要多個(gè)傳感器之間的協(xié)作。本文描述的道路隱形標(biāo)志為車輛定位提供了一種新形式的基礎(chǔ)設(shè)施支持，其提供了超越現(xiàn)有標(biāo)線系統(tǒng)的車道間的精確定位和交通規(guī)劃潛力。道路隱形標(biāo)志體現(xiàn)了一種新形式的預(yù)感設(shè)計(jì)，通過提前編寫道路交通指令來規(guī)劃前方路線，并通過連續(xù)檢測(cè)為自動(dòng)駕駛提供連續(xù)的交通信息。現(xiàn)有的標(biāo)線系統(tǒng)受其視野的限制，不能有效地預(yù)測(cè)前方的情況，因此道路隱形標(biāo)志更適合未來的發(fā)展。

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