激光式寬高儀在高速公路超限檢測中的應(yīng)用

李靖博

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

自2004年在全國范圍內(nèi)集中開展車輛超限超載治理工作至今已有13年的時間。通過深入持續(xù)的綜合治理，高速公路車輛超載率已穩(wěn)定控制在1%以下[1]，基本消除了高速公路超載的現(xiàn)象。但針對車輛尺寸的超限檢測，大多停留在通過人工肉眼識別或安裝限高桿的方法，不僅效率低下，影響車輛放行速度[2]，而且精度欠佳，安全性難以保障。一旦超寬超高車輛駛?cè)敫咚俟罚瑯O有可能損壞公路的基礎(chǔ)設(shè)施，縮短公路的使用壽命，同時影響自身和其他車輛的正常通行，給交通安全帶來極大的事故隱患，甚至釀成慘烈的交通事故[3]。

針對車輛超寬超高的問題，在高速公路入口治超檢測系統(tǒng)中引入激光式寬高儀，通過激光掃描測距的方法，實現(xiàn)不停車自動檢測出車輛的寬度和高度信息，并上傳顯示在治超管理平臺，方便治超人員勸返違法車輛，為高速過往車輛提供安全、高效的出行條件服務(wù)。

1 系統(tǒng)組成

激光式寬高儀檢測系統(tǒng)由激光傳感器、寬高儀數(shù)據(jù)處理器、檢測車道控制器和上位機(jī)超限檢測軟件組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

1.1 激光傳感器

寬高儀采用激光測距的方法對車輛的寬高進(jìn)行檢測，相比超聲波測距和紅外測距、激光測距方向性好、具有更高的精度和速度、測量距離也最遠(yuǎn)，已廣泛應(yīng)用于汽車防撞、建筑或空地安全監(jiān)護(hù)、軌道交通、海關(guān)等領(lǐng)域[4]。

圖1 激光式寬高儀檢測系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)選用德國SICK（西克）公司生產(chǎn)的LMS111型激光傳感器，如圖2所示，它是一款高效、緊湊經(jīng)濟(jì)型的2D LiDAR傳感器，采用了多回波檢測技術(shù)，主要用于室外區(qū)域防撞、測量及安防的激光掃描，其測量范圍0.5～20 m，開啟角度270°，角度分辨率0.25°，掃描頻率25 Hz/50 Hz，能輕易滿足對掃描范圍和應(yīng)用軟件的不同要求。具有堅實、緊湊的外殼，易于安裝，防護(hù)等級IP 67、工作環(huán)境溫度-40℃～+60℃，即使在室外惡劣環(huán)境下也能穩(wěn)定運(yùn)行。具有以太網(wǎng)、CAN、串行232等多種接口，可實時輸出測量數(shù)據(jù)，已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)非接觸測量領(lǐng)域，是非接觸外形測量的最佳選擇。

圖2 LMS111型激光傳感器

1.2 寬高儀數(shù)據(jù)處理器

寬高儀數(shù)據(jù)處理器通過網(wǎng)線與LMS111型激光傳感器相連接，實時接收激光傳感器采集到的汽車寬高信息并進(jìn)行處理，準(zhǔn)確得出車輛的寬度與高度，然后通過以太網(wǎng)將寬度、高度、信息發(fā)送給檢測車道控制器。

系統(tǒng)選用山西萬立科技有限公司生產(chǎn)的WLKG-02-03型寬高儀數(shù)據(jù)處理器，設(shè)備位于入口治超亭內(nèi)機(jī)柜內(nèi)，設(shè)備高度2U，處理器具有5個RJ45電口，1個光纖接口，1個串行通訊接口（調(diào)試用），4個 USB接口，使用環(huán)境為溫度：-20℃～50℃，相對濕度小于等于85%RH。

1.3 檢測車道控制器

檢測車道控制器作為寬高儀檢測系統(tǒng)的硬件顯示終端，可以選用同高速收費(fèi)站出入口車道一樣配置的車道控制器，采用臺灣研華嵌入式工業(yè)級主機(jī)、可以24 h不間斷運(yùn)行，設(shè)備平均無故障時間MTBF＞50 000 h。

1.4 上位機(jī)超限檢測軟件

為了使治超員更直觀、簡明地查看到車輛的寬高信息，系統(tǒng)的上位機(jī)應(yīng)用軟件在現(xiàn)有治超管理軟件基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的寬高信息顯示模塊完成，通過加載寬高儀動態(tài)庫，將車輛寬度、高度信息結(jié)果顯示在界面程序中，并將其數(shù)據(jù)信息保存在服務(wù)器SQL數(shù)據(jù)庫中。

2 檢測原理

將激光式寬高儀安裝在高速公路入口治超車道前龍門架中間朝下的位置，通電后發(fā)出連續(xù)固定頻率的激光束，當(dāng)激光束接觸到通過的車輛時發(fā)生反射，反射回激光式寬高儀后，通過定時器比較計算發(fā)射和接收的時間間隔測得其與車輛的距離[5]，采用LMS自適應(yīng)濾波算法對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，濾除測量數(shù)據(jù)中存在的干擾數(shù)據(jù)，從而得出車輛的寬度和高度信息。寬高儀檢測計算車輛寬度和高度示意圖如圖3所示。

圖3 寬高儀檢測計算示意圖

在車輛進(jìn)入激光式寬高儀掃描區(qū)域前，激光式寬高儀會測出自己距路面垂直距離H，H的距離基本穩(wěn)定在6 m左右，圖中點(diǎn)A和點(diǎn)C為車輛最邊緣的兩點(diǎn)，α（0°≤α≤90°）為激光式寬高儀掃描到車輛邊緣 A點(diǎn)的角度，β（0°≤β≤90°）為激光式寬高儀掃描到車輛邊緣C點(diǎn)的角度，OA為激光式寬高儀掃描到車輛邊緣A點(diǎn)的長度，OC為激光式寬高儀掃描到車輛邊緣C點(diǎn)的長度，通過公式計算激光式寬高儀到車輛的垂直距離OB為：OB=OA×sinα和OB=OC×sinβ，則被檢車輛的實際高度H車為：H車=H-OB，被檢車輛的實際寬度W車為：W車=AC=OA×cosα+OC×cos（180°-β）車輛經(jīng)過激光式寬高儀的掃描區(qū)域時，將計算得出多組H車和W車的數(shù)據(jù)，按照實際情況剔除部分無效和干擾數(shù)據(jù)（如高度大于6 m或小于1 m，寬度大于4 m或小于1 m的數(shù)據(jù)），在這些數(shù)據(jù)中選取有效的最大值即為車輛的高度和寬度。

3 實施應(yīng)用

本文研究的激光式寬高儀已經(jīng)在山西臨縣至離石高速公路棗林、三交、臨縣南治超站得到了實踐應(yīng)用，現(xiàn)場應(yīng)用實景如圖4所示。

圖4 激光式寬高儀的應(yīng)用

經(jīng)過現(xiàn)場實踐檢驗，針對不同車型的車輛，均能正確檢測其寬度和高度數(shù)據(jù)，檢測誤差寬度在±2%以內(nèi)，高度在±1%以內(nèi)。軟件界面如圖5所示，在系統(tǒng)主界面實時顯示最近7個車輛的通行時間、車牌號碼、車型、寬度、高度、重量、超限結(jié)果等信息，并能查詢歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計打印日志信息及數(shù)據(jù)報表，系統(tǒng)操作簡便、運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，能夠滿足超限檢測的日常使用要求。

圖5 寬高儀檢測顯示軟件界面

4 結(jié)語

本文采用在高速公路超限檢測站入口處安裝激光式寬高儀，來作為判斷車輛是否超限的手段，經(jīng)實踐檢驗證明是有效可行的，可以在其他地區(qū)廣泛推廣應(yīng)用。通過引入寬高儀檢測設(shè)備，不僅可以有效地遏制非法改裝車輛的駛?cè)耄€能規(guī)范警示司機(jī)的運(yùn)貨行為，避免由此引發(fā)的路產(chǎn)損失和交通事故。隨著智能交通產(chǎn)品的不斷開發(fā)，在車輛寬高儀檢測方面仍有很大的改進(jìn)提升空間，如可以增加車輛長度的檢測，使系統(tǒng)功能更加完善，可以建立車輛三維輪廓模型，對超限部位進(jìn)行更準(zhǔn)確定位，這些還將在今后繼續(xù)不斷地深入完善，更好地為行車安全服務(wù)。