动态车辆轮廓测量技术在公路上的应用

吕 波

(山西欣奥特自动化工程有限公司，山西太原030012)

交通运输既是国民经济的基础产业，又是推动国民经济发展和社会进步的基础条件，近年来，受经济结构和利益驱动的双重影响，公路超限运输现象普遍存在。超限运输危害巨大，治理超限超载现象，对经济社会的可持续发展具有重要意义。遏制超限超载车辆的关键是准确的测量出车辆轮廓的实际尺寸，利用脉冲式激光测距技术及多次回波检测技术，实现对车辆轮廓的动态测量，检测精度极高，实现了完全意义上的不停车自动检测。

1 动态车辆轮廓测量技术的技术要点

本项目的技术领域包括三个方面:脉冲式激光测距技术、激光多次回波检测技术、多元回归算法建模。

1.1 脉冲式激光测距技术

脉冲式激光测距从发明到现在己经获得了广泛的应用，如地形测量、导弹运行轨道跟踪等，脉冲激光测距是利用激光脉冲持续时间短，能量在时间上相对集中，瞬时功率很大的特点，脉冲激光测距范围可以达到几公里。如果精度要求不高，只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射所取得的反射信号，也可以进行测距。加装高速旋转镜面，可以将激光脉冲波发射向各个方向从而形成一个对二维区域的扫描。在扫描器的扫描范围内，设置不同形状的保护区域，当有物体进入该区域时，发出报警信号，也可以根据每个测量点的距离，计算物体的外型轮廓、坐标定位等。

1.2 激光多次回波检测技术

激光多次回波检测技术指利用脉冲激光器发出激光脉冲波，当光波遇到物体反射后，激光接收器收到返回光波且返回波的能量足以触发门限值，数据系统开始计算其与被测物体之间的距离，如果首先遇到的物体是玻璃或其他可以透过的物体，激光会继续向前传播，当碰到第二个物体时，部分能量返回，激光接收器和数据系统开始工作，依次类推，激光扫描器所发出的一个激光脉冲波就可以给出多个测量值，客户可以根据自己的实际需要，选择一个或多个数据进行处理，使反映距离信息的数据样本更趋于真实。

1.3 多元回归算法建模，得到准确地车辆轮廓模型

将系统采集到的数据样本准确处理得到车辆轮廓模型，是车辆轮廓测量要研究的关键技术，由于计算车辆尺寸时涉及到多个变量，所以在数据处理算法上应利用多元回归算法解决。采用多元回归方法可以全面的考虑多个因素对车辆尺寸数据的影响，更准确地建立车辆轮廓模型，减小算法和数据处理中带来的误差。多元回归方法根据已知条件的数据，通过预处理得出图像的大致趋势或者数据之间的大致关系，选取适当的回归方程，拟合回归参数，检验回归方程显著性和回归系数显著性，完成数据处理或后续研究。

2 项目的技术先进性和可行性分析

2.1 关键技术问题

1)脉冲式激光测距技术

车辆轮廓测量系统的关键是准确地测量出车辆轮廓的实际尺寸，脉冲式激光测距技术适合于大尺寸、远距离的测量，同时脉冲测距法通过发射周期性脉冲，测量脉冲的飞行时间来获得测量距离，具有峰值功率高，探测距离远，测量速度快，重复频率高，可测量动态目标等优点。利用脉冲式激光测距技术实现的检测方法一般分单次回波检测和多次回波检测，其不同点在于单次回波检测中一次激光脉冲只提供一个返回波数据，数据处理简单，但是对环境干扰敏感，而多次回波检测中一次激光脉冲在穿透透明物体后可继续传播，所以每发射一次激光脉冲可以得到多个测量值，通过对多个数据的综合处理，可以有效过滤天气、光线、测体颜色、温度等外界干扰，得到更加准确的距离信息与定位坐标。

2)多元回归算法重建车辆轮廓模型

激光测距采集到的大量数据，要用合适的数据处理算法重建，才能得到准确的车辆轮廓模型，这也是超限车辆检测系统软件处理的关键部分。由于计算车辆尺寸时涉及到多个变量，所以在数据处理的算法上应利用多元回归算法解决，多元回归亦称多重回归，即采用两个或两个以上的影响因素作为自变量来解释因变量的变化。采用多元回归方法可以全面的考虑多个因素对车辆尺寸数据的影响，更准确地建立车辆轮廓模型，减小算法和数据处理中带来的误差。

3)车辆轮廓动态测量技术

项目应满足公路超限超载检测对通行效率的要求，传统的人工测量方式是静态测量，不仅降低了通行效率，延长通过时间，加剧道路拥堵，而且检测人员劳动强度大，人为因素多，安全方面也有很大隐患。利用激光测距自动检测车辆轮廓信息，其数据采样频率保证在20Hz以上，车辆可以30 km/h的速度通过检测装置，满足了动态测量要求，提高车辆关口通行效率，实现了完全意义上的不停车自动检测，有效解决了超限检测与通行效率的矛盾。

3 技术、工艺路线及研究手段

动态车辆轮廓多元回归测量系统的检测单元可采用激光扫描测量单元。通过激光扫描测量技术，实现非接触检测，对经过的车辆进行高速动态扫描，系统得到一系列离散的轮廓，根据这些轮廓信息可以判断出车辆最大高度、最大宽度和最大长度。车辆长宽高测量模块，实现软件最重要的功能，根据硬件接口子系统提供的数据实时提取车辆的轮廓信息，从而获得车辆的最大和最高宽度，同时对一些干扰进行识别和排除。其中，对于车辆宽高的测量，使用了激光宽高测量仪。采用成熟的激光时间飞行原理，加入最新的多次回波检测技术(两次回波)，使测量仪即使在恶劣环境下也能准确测量。测量仪通过激光扫描可以实现非接触式测量距离，并根据距离绘制二维图像，通过改变安装方向多加装一台激光扫描仪，可以实现车辆长度的检测，可以实现真正意义上的长宽高三维测量。工作示意图如图1所示。

图1 宽高测量仪工作原理示意图

激光测距采集到的大量数据，需用合适的数据处理算法重建，才能得到准确的车辆轮廓模型，这也是超限车辆检测系统软件处理的关键部分。在数量分析中，通常变量与变量之间存在着一定的联系。要了解变量之间如何发生相互影响的，就需要利用相关分析和回归分析。动态车辆轮廓多元回归测量系统的主要组成包括双测量传感器及数据通信，数据处理等部分，其系统组成如图2所示。

图2 轮廓测量系统的主要组成

4 社会效益分析

本项目的实施，将产生巨大的社会效益，包括以下几个方面:

1)车辆轮廓尺寸测量自动化，可以实现完全意义上的不停车自动检测

公路运输中日益严重的超载超限现象严重影响了经济社会可持续发展，运用光电技术结合动态测量技术，可以实现治超工作的自动化和准确性，提高了关口通行效率，有效解决了超限检测与通行效率的矛盾，提高了检测效率。

2)保障道路运输安全，减小道路环境污染

车辆装载几何尺寸超限会改变车辆的设计参数和性能，给交通安全带来极大的威胁，也降低了高速公路的使用效率，扰乱了运输市场的正常秩序，而且由于超限车辆燃油系统负荷过大，排放严重超标，对环境造成严重污染。本项目的实施，对规范车辆尺寸，保证安全及较少尾气排放有积极地社会意义。

3)科技含量高，适用于多个行业应用

系统利用目前发展比较成熟的脉冲激光测距技术和可靠的系统实施方案，可以实现对车辆整体轮廓的准确实时测量，该系统经过改造，也可应用于货运列车的动态超标检测，港口码头货柜集装箱管理，煤炭粮食等散装物的存储管理等，具有广泛的行业应用前景。

5 结束语

动态车辆轮廓测量技术主要依托于以脉冲激光测距技术为核心的车辆轮廓检测。将所研发的核心技术进行应用和扩展，实现公路超限超载检测的动态化和自动化。通过此技术的实施，利用脉冲式激光测距技术及多次回波检测技术，可以极好的实现对车辆轮廓的动态测量，检测精度，实现了完全意义上的不停车自动检测，具有其他技术无可比拟的优势，在公路领域的应用将会越来越广。

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