激光式宽高仪在高速公路超限检测中的应用

李靖博

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

自2004年在全国范围内集中开展车辆超限超载治理工作至今已有13年的时间。通过深入持续的综合治理，高速公路车辆超载率已稳定控制在1%以下[1]，基本消除了高速公路超载的现象。但针对车辆尺寸的超限检测，大多停留在通过人工肉眼识别或安装限高杆的方法，不仅效率低下，影响车辆放行速度[2]，而且精度欠佳，安全性难以保障。一旦超宽超高车辆驶入高速公路，极有可能损坏公路的基础设施，缩短公路的使用寿命，同时影响自身和其他车辆的正常通行，给交通安全带来极大的事故隐患，甚至酿成惨烈的交通事故[3]。

针对车辆超宽超高的问题，在高速公路入口治超检测系统中引入激光式宽高仪，通过激光扫描测距的方法，实现不停车自动检测出车辆的宽度和高度信息，并上传显示在治超管理平台，方便治超人员劝返违法车辆，为高速过往车辆提供安全、高效的出行条件服务。

1 系统组成

激光式宽高仪检测系统由激光传感器、宽高仪数据处理器、检测车道控制器和上位机超限检测软件组成。系统构成如图1所示。

1.1 激光传感器

宽高仪采用激光测距的方法对车辆的宽高进行检测，相比超声波测距和红外测距、激光测距方向性好、具有更高的精度和速度、测量距离也最远，已广泛应用于汽车防撞、建筑或空地安全监护、轨道交通、海关等领域[4]。

图1 激光式宽高仪检测系统构成

系统选用德国SICK（西克）公司生产的LMS111型激光传感器，如图2所示，它是一款高效、紧凑经济型的2D LiDAR传感器，采用了多回波检测技术，主要用于室外区域防撞、测量及安防的激光扫描，其测量范围0.5～20 m，开启角度270°，角度分辨率0.25°，扫描频率25 Hz/50 Hz，能轻易满足对扫描范围和应用软件的不同要求。具有坚实、紧凑的外壳，易于安装，防护等级IP 67、工作环境温度-40℃～+60℃，即使在室外恶劣环境下也能稳定运行。具有以太网、CAN、串行232等多种接口，可实时输出测量数据，已广泛应用于各种工业非接触测量领域，是非接触外形测量的最佳选择。

图2 LMS111型激光传感器

1.2 宽高仪数据处理器

宽高仪数据处理器通过网线与LMS111型激光传感器相连接，实时接收激光传感器采集到的汽车宽高信息并进行处理，准确得出车辆的宽度与高度，然后通过以太网将宽度、高度、信息发送给检测车道控制器。

系统选用山西万立科技有限公司生产的WLKG-02-03型宽高仪数据处理器，设备位于入口治超亭内机柜内，设备高度2U，处理器具有5个RJ45电口，1个光纤接口，1个串行通讯接口（调试用），4个 USB接口，使用环境为温度：-20℃～50℃，相对湿度小于等于85%RH。

1.3 检测车道控制器

检测车道控制器作为宽高仪检测系统的硬件显示终端，可以选用同高速收费站出入口车道一样配置的车道控制器，采用台湾研华嵌入式工业级主机、可以24 h不间断运行，设备平均无故障时间MTBF＞50 000 h。

1.4 上位机超限检测软件

为了使治超员更直观、简明地查看到车辆的宽高信息，系统的上位机应用软件在现有治超管理软件基础上增加相应的宽高信息显示模块完成，通过加载宽高仪动态库，将车辆宽度、高度信息结果显示在界面程序中，并将其数据信息保存在服务器SQL数据库中。

2 检测原理

将激光式宽高仪安装在高速公路入口治超车道前龙门架中间朝下的位置，通电后发出连续固定频率的激光束，当激光束接触到通过的车辆时发生反射，反射回激光式宽高仪后，通过定时器比较计算发射和接收的时间间隔测得其与车辆的距离[5]，采用LMS自适应滤波算法对检测数据进行处理，滤除测量数据中存在的干扰数据，从而得出车辆的宽度和高度信息。宽高仪检测计算车辆宽度和高度示意图如图3所示。

图3 宽高仪检测计算示意图

在车辆进入激光式宽高仪扫描区域前，激光式宽高仪会测出自己距路面垂直距离H，H的距离基本稳定在6 m左右，图中点A和点C为车辆最边缘的两点，α（0°≤α≤90°）为激光式宽高仪扫描到车辆边缘 A点的角度，β（0°≤β≤90°）为激光式宽高仪扫描到车辆边缘C点的角度，OA为激光式宽高仪扫描到车辆边缘A点的长度，OC为激光式宽高仪扫描到车辆边缘C点的长度，通过公式计算激光式宽高仪到车辆的垂直距离OB为：OB=OA×sinα和OB=OC×sinβ，则被检车辆的实际高度H车为：H车=H-OB，被检车辆的实际宽度W车为：W车=AC=OA×cosα+OC×cos（180°-β）车辆经过激光式宽高仪的扫描区域时，将计算得出多组H车和W车的数据，按照实际情况剔除部分无效和干扰数据（如高度大于6 m或小于1 m，宽度大于4 m或小于1 m的数据），在这些数据中选取有效的最大值即为车辆的高度和宽度。

3 实施应用

本文研究的激光式宽高仪已经在山西临县至离石高速公路枣林、三交、临县南治超站得到了实践应用，现场应用实景如图4所示。

图4 激光式宽高仪的应用

经过现场实践检验，针对不同车型的车辆，均能正确检测其宽度和高度数据，检测误差宽度在±2%以内，高度在±1%以内。软件界面如图5所示，在系统主界面实时显示最近7个车辆的通行时间、车牌号码、车型、宽度、高度、重量、超限结果等信息，并能查询历史数据，统计打印日志信息及数据报表，系统操作简便、运行可靠、稳定，能够满足超限检测的日常使用要求。

图5 宽高仪检测显示软件界面

4 结语

本文采用在高速公路超限检测站入口处安装激光式宽高仪，来作为判断车辆是否超限的手段，经实践检验证明是有效可行的，可以在其他地区广泛推广应用。通过引入宽高仪检测设备，不仅可以有效地遏制非法改装车辆的驶入，还能规范警示司机的运货行为，避免由此引发的路产损失和交通事故。随着智能交通产品的不断开发，在车辆宽高仪检测方面仍有很大的改进提升空间，如可以增加车辆长度的检测，使系统功能更加完善，可以建立车辆三维轮廓模型，对超限部位进行更准确定位，这些还将在今后继续不断地深入完善，更好地为行车安全服务。