智薏高速公路标线的选择及其施工应用研究

谢茜茜 周杨 刘业胜

摘要：为实现无人驾驶车辆视觉感知系统及激光雷达系统在全天候条件下对标线的识别，文章研究了智慧高速公路标线对涂料和反光珠的选择要求，分析了雨夜珠沉降率、雨夜珠面密度与标线逆反射系数的关系并应用于南宁沙井至吴圩智慧高速公路雨夜标线的施划。该智慧高速公路通过选择高品质涂料及高逆反射系数雨夜珠，采用中型自动化热熔喷涂设备并控制雨夜珠和玻璃的播撒量、雨夜珠的沉降率及面密度，实现了全线雨夜标线的施工。所施划的雨夜标线在干燥、潮湿、连续降雨状态下均满足设计要求，确保无人驾驶车辆的行驶安全，进一步助力无人驾驶技术的发展。

关键词：智慧高速；无人驾驶；雨夜陶瓷珠；全天候；连续降雨

中图分类号：U491.5+23A581944

0引言

随着生活水平的提高，汽车已经成为日常出行及交通运输中必不可少的工具。截至2022年3月底，全国汽车保有量为3.07亿辆［1］。然而全国的交通事故发生数量每年仍然＞200 000起，交通拥堵情况更是数不胜数。为了降低交通事故的发生及拥堵，国家制造强国建设战略咨询委员会发布的《中国制造2025》明确指出［2］，通过大力发展搭载先进的车载传感器等的智能网联汽车，使汽车具备复杂的环境感知等控制功能，显著地降低交通事故率及交通拥堵率，以期最终实现“零伤亡、零拥堵”。

自动驾驶作为智能网联汽车的关键技术之一，是当前全球汽车与交通出行领域智能化和网联化发展的主要方向。根据美国汽车工程师协会（SAE）推出的分类标准，将自动驾驶汽车分为6个等级，即：L0-无自动化、L1-驾驶支援、L2-部分自动化、L3-有条件自动化、L4-高度自动化和L5完全自动化［3］。得益于近年科学技术的发展，特别是5G网络技术的发展，国内外多家企业致力于无人驾驶汽车的研发并先后推出了各自的无人驾驶智能汽车，但从销售的搭载了自动驾驶功能的商用汽车分析，主要以L2级别的无人驾驶汽车为主，即高级辅助驾驶系统（Advanced Driving Assistant System，ADAS）［4］。该系统包括ACC自适应巡航、自动驻车、车道偏离预警+车道保持、盲区检测、防碰撞预警及紧急制动系统［5］，而车道标线检测与跟踪是车道偏离预警+车道保持系统的重要组成部分，其被成功检测与否，决定了该系统是否可以实现。

目前车道标线的检测方法主要包括：基于视觉感知的车道线检测和基于雷达的车道线检测［6］。基于视觉感知的车道标线检测为利用车载CCD摄像机对路面及标线进行彩色图像采集，然后对图像进行灰度化处理，最后利用基于RHT的车道线检测、改进的最大类间方差二值化方法及Canny边缘检测算法等不同算法对车道标线边缘进行提取及拟合，从而实现机器对路面标线的识别［7-8］。在整个图像处理中，车道标线的亮度值相对较高，非车道标线的干扰，如路面、大树、山体等的亮度值相对较低［9］。即白天标线越白，夜间标线越亮，与路面等的对比度越强，图像在进行灰度化处理后，标线与路面的差异性越明显，算法提取的标线边缘信息越可靠，车道偏离预警及车道保持系统的正确率越高。基于雷达的车道线检测为利用若干线激光雷达对车道标线进行检测，根据标线对激光雷达反射强度获取标线的关键点云，利用Radon变换等算法提取道路便捷和车道线，从而实现对路面标线的识别［10-11］。使用激光雷达进行标线检测时，地物介质表面的反射系数决定了激光回波能量的多少，该反射系数取决于激光的波长、介质材料以及介质表面的明暗黑白程度［12］。即标线表面反射体的折射率越高，反射的激光回波能量越大，标线越容易被识别。

1智慧高速公路标线的选择

为了使无人驾驶汽车无论是采用视觉感知系统还是激光雷达系统均可以更好地识别标线，采用高折射率的反光材料获取更高亮度的标线是至关重要的选择。而该种高亮度标线不仅在白天具有很好的视觉视认性，在晴朗的夜间以及在夜间雨后路面潮湿或者下雨状态下仍然具备较高的视认性，以确保无人驾驶车辆的全天候安全出行。因此，智慧高速公路标线在涂料的选择和面撒反光珠的选择上尤为重要。

1.1涂料的选择

目前，标线主要以热熔涂料标线为主。热熔涂料主要由树脂、钛白粉、无机填料组成。其中，树脂充当胶粘剂作用，可以提高标线与反光珠，如雨夜珠的粘结力，降低反光珠在标线正常使用时的脱落率，减缓标线亮度的衰减速度，最终达到延长标线使用寿命的目的。采用挑拨测试法测试不同树脂比例的热熔涂料与雨夜珠的粘结力。挑拨测试法如图1所示。

在挑拨测试仪器中取支点距离L、H及夹角a为固定值，挑拨力F与接触点的距离a也为固定值。每次测试时，选择近似沉降率的雨夜珠，采用固定的挑拨力F多次挑动雨夜珠直至雨夜珠脱落，记录下雨夜珠挑落的次数。在热熔涂料其他成分不变的条件下，分别测试涂料树脂含量为5%、10%、19%条件下热熔标线雨夜珠的粘结力，测试结果如表1所示。

通过表1测试结果可知，树脂含量越高，雨夜珠与标线的结合力越大，表明标线在正常使用时珠子的脱落率越低。此外，钛白粉在标线中充当增白剂作用，可以有效地提高标线的白度，同时据文献［13］，钛白粉的含量也可以提高白色涂料的反射率，影响标线在白天和夜间的可视性效果。尤其在夜间，钛白粉含量较高的涂料可以有效地反射汽车车灯光源，提高路面与标线的对比度，增强标线的夜间可视性。因此，树脂含量及钛白粉含量高的高品质热熔涂料，更容易被无人驾驶汽车的视觉系统辨识。

1.2标线面撒反光珠的选择

热熔涂料本身的反射率是有限的。标线的反光主要还是依靠表面面撒反光珠。常规使用的面撒反光珠有普通玻璃珠、雨夜玻璃珠及雨夜陶瓷珠。其中，雨夜玻璃珠的结构为玻璃珠内核表面覆盖了一层微玻璃珠的集合体；雨夜陶瓷珠结构为聚合物基体表面覆盖了一层微晶陶瓷珠。

三种珠子除了结构不一样外，最主要的区别为珠子的折射率不一样。通常，普通玻璃珠的折射率为1.5%～1.6%，雨夜玻璃珠表面的微玻璃珠折射率为1.7%～1.9%，雨夜陶瓷珠的微晶陶瓷珠的折射率为1.9%～2.4%。而不同折射率的反光珠，在干燥条件和有水膜覆盖条件下对光的折射是不一样的，如图2所示。在干燥条件下，反光珠的折射率越高，逆反射亮度系数越高，在折射率为1.9%时，逆反射系数最佳。而在有水膜覆盖的条件下，由于中间介质水的折射率与空气折射率不一样，导致折射率为1.9%的材料无法实现最佳的逆反射性能，而最佳的逆反射性能对应的折射率為2.4%。

根据上述理论分析，在30 m几何光学、观测角为1.05°、入射角为88.76°的条件下，测试三种不同反光珠的标线在干态、潮湿和连续降雨状态下的逆反射系数，分别模拟三种不同反光珠在晴天干燥、路面潮湿以及下雨状态下标线的亮度。其中，标线干态状态下检测方法参考标准ASTM E1710，潮湿状态下检测方法参考标准ASTM E2177，连续降雨状态下检测方法参考标准ASTM E2832［14］。测试结果如图3所示。

测试结果表明，高折射率的反光珠，不但在干燥状态下具备较高的逆反射系数，在路面潮湿和连续降雨状态下仍然具备非常高的逆反射系数，即采用高折射率的反光珠，在干燥夜晚、夜间路面潮湿和夜间下雨的条件下，标线均具备较高的亮度。而且，反光珠折射率越大，逆反射系数越高，标线越亮。因此，在三种不同状态下，雨夜陶瓷珠的折射率最大，逆反射系数最高，标线最亮，其与路面的差异性最大，最有利于无人驾驶车辆视觉系统及激光雷达系统的辨识；而折射率较低的面撒玻璃珠标线，虽然在干燥条件下具备一定的亮度，但因為其在潮湿路面和下雨条件下，逆反射系数非常低，亮度几乎接近于路面，从而较难被无人驾驶车辆视觉系统及激光雷达系统辨识。

2南宁沙井至吴圩智慧高速公路雨夜标线施工应用

南宁沙井至吴圩高速公路开展智慧高速公路建设，是无人驾驶技术作为智慧高速公路的重要内容之一，使标线的选择和应用变得极为重要。为了提高无人驾驶车辆视觉及激光雷达系统对标线的识别能力，降低系统出错概率，特别是传统普通标线在夜间路面潮湿和下雨状态几乎“失盲”而导致系统无法识别的问题，高品质雨夜标线必将是首选。通过上述理论分析及试验对比测试研究［15］，南宁沙井至吴圩高速公路标线采用3 M热熔雨夜标线。3 M高品质热熔雨夜标线由高品质热熔、1.9%～2.4%高折射率3 M雨夜陶瓷珠及美标3号玻璃珠组成。

常规的热熔雨夜标线施工工艺包括双珠播散手推热熔车挂涂、中型自动化双珠播撒热熔车喷涂及大型全自动化热熔喷涂车喷涂。传统的手推热熔车挂涂施工速度慢，施工质量与操作人员熟练程度密切相关。自动化设备施工速度快，施工质量由设备保证，质量稳定可靠。为了确保标线的施工速度及施工质量，该智慧高速公路在国内首次采用中型自动化设备全线施划3 M热熔雨夜标线，同时研究了3 M雨夜陶瓷珠沉降率、雨夜珠面密度与逆反射系数的关系，为后续大规模推广奠定基础。

2.1雨夜陶瓷珠沉降率与逆反射系数关系

3 M雨夜陶瓷珠折射率为1.9%～2.4%，具备全天候雨夜特性。在实际的使用过程中，发现雨夜珠的沉降率与雨夜标线的干态、潮湿和连续降雨逆反射系数密切相关。3 M雨夜陶瓷珠是一层微晶陶瓷珠包裹于有机聚合物实心核而形成的大小不一、形状近似椭球的珠子。珠子撒在标线上后基本上以卧着粘附和立着粘附两种形式粘接于标线表面，如图4所示。

经过统计分析，珠子经设备喷洒进入标线后，90%左右的珠子是卧着粘附在标线上，10%左右的珠子是立着粘附于标线上。经研究，雨夜珠的沉降与相对逆反射系数关系如图5所示。其中，相对逆反射系数为实测逆反射系数值与理论最大逆反射系数值之比。沉降率与相对逆反射系数近似线性关系。当雨夜珠完全裸露在标线表面时，相对逆反射系数最大，为100%；当雨夜珠完全浸入标线时，相对逆反射系数最小，为0。这与普通玻璃珠及雨夜玻璃珠的规律正好相反。在兼顾雨夜珠与标线的粘接力及其逆反射系数条件下，推荐的雨夜珠沉降率应控制在50%～60%为宜。

2.2雨夜陶瓷珠面密度与逆反射系数关系

雨夜陶瓷珠面密度是指单位面积内雨夜珠的数量。因自动化设备喷撒珠子时无法实现在喷撒面积内的均匀性，如图6所示，因此，采用固定宽度的若干方格内面密度加权平均法。

采用30 mm×30 mm固定宽度的网格进行统计。3 M雨夜陶瓷珠的粒径分布为0.8～2.0 mm，因此，理论上30 mm×30 mm的方格内，最大的面密度约为560颗。在雨夜珠的沉降率约50%～60%的条件下，雨夜珠的面密度和相对逆反射系数关系如图7所示。从测试的结果分析，雨夜珠的相对逆反射系数与其面密度基本上呈线性关系，即面密度越小，相对逆反射系数越低，标线越暗。

2.33 m雨夜标线自动化施工

为确保施划后的雨夜标线满足《南宁沙井至吴圩公路两阶段施工图设计》文件对雨夜标线初始条件下干燥和连续降雨状态下逆反射系数，及正常使用条件下干燥和连续降雨状态下逆反射系数的要求，标线采用树脂含量及钛白粉含量高的高品质热熔涂料，不但能确保热熔涂料具备较高白度，而且能保证涂料与雨夜珠、玻璃珠的粘结力，减少标线正常使用期间反光珠的脱落，延长智慧高速公路标线的使用寿命。采用的雨夜珠播撒量≥260 g/m2，玻璃珠播撒量≥600 g/m2，确保标线不但满足初始条件下标线亮度要求，而且满足正常使用条件下标线的亮度要求。

本次标线施划采用中型自动化设备施划。通过调节设备珠子喷枪的压力及喷嘴开口，调整雨夜珠实际播撒量为260 g/m2，玻璃珠实际播撒量为600～700 g/m2。通过调整热熔涂料的施划温度和标线的厚度，确保大部分雨夜珠的沉降率在50%～60%，面密度平均值在35～45颗/25.4 mm×25.4 mm。施划后的标线抽样亮度系数如表2所示，抽样点标线逆反射系数均满足设计标准要求。

3结语

高树脂含量及钛白粉含量的热熔涂料，不仅可以增加涂料对反光珠的粘接力，而且可以提高标线的白度；高折射率的雨夜珠不但能使标线在干燥状态下亮度更高，而且使标线在夜间路面潮湿和下雨状态下仍然具备较高的亮度，大大提升了标线在全天候条件下与路面的辨识度，提高智慧高速公路无人驾驶车辆对标线的视觉和激光雷达系统在全天候条件下对标线的识别能力及可检测性，减少了设备出错的概率［16］。

南宁沙井至吴圩智慧高速公路采用了树脂含量和钛白粉含量高的高品质热熔涂料搭配折射率在1.9%～2.4%的3 M雨夜陶瓷珠全天候雨夜标线。该智慧高速公路首次全面采用中型自动化喷涂设备施划该雨夜标线，通过调节，雨夜珠实际播撒为260 g/m2，玻璃珠实际播撒量为600～700 g/m2；通过调节热熔温度及标线厚度等措施，将雨夜珠的沉降率控制在50%～60%、雨夜珠的面密度平均值控制在35～45颗/25.4 mm×25.4 mm。确保施划标线的质量及其在干燥、潮湿、连续降雨状态下均具备较高的逆反射系数，满足了设计指标要求。该智慧高速公路热熔涂料雨夜标线将满足并提高无人驾驶汽车对标线的识别，进一步助力无人驾驶技术的发展。

参考文献

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作者简介：谢茜茜（1986—），助理工程师，主要从事高速公路建设管理工作。