延庆至崇礼高速公路雷达路况感知系统
2021-03-04 09:11:03
来源：中国交通信息化
作者：吴建波
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作者：吴建波（河北延崇高速公路筹建处）
摘要：现阶段要实现真正意义上“智能的车、聪明的路、愉悦的人”，就必须将各个信息孤岛通过“桥梁”有效地连接起来，形成一个有效的智慧有机体。而智慧高速中基础数据的感知和采集精度以及其颗粒的精细程度将会在很大程度上决定智慧高速公路的智能化水平。本文以延庆至崇礼高速为依托，阐述了常规机电系统的不足与提升，介绍了智慧交通全新理念，对系统实施技术路线、系统建设实施方案进行了详细阐述与分析。2018年2月28日，交通运输部下发《交通运输部加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点》的通知。为推动新一代国家控制网及智慧公路试点有序开展，防止试点同质化、碎片化，按照交通运输部的统一部署，北京、河北、吉林、江苏、浙江、福建、江西、河南、广东等九个省份重点开展试点。河北省交通运输厅专门下发《关于推进全省交通运输“大智移云”发展的实施意见》（冀交科技[2018]310号）文件，确定由延崇高速承担建设智慧公路试点项目，完成基础设施数字化、路运一体化车路协同、北斗高精度定位及综合应用试点任务，并根据需求在基于大数据的路网综合管理与服务方面进行试点建设。因此，河北延崇高速公路筹建处在项目科技创新方面，为了突破传统高速三大系统建设理念，自项目立项之日起，不断吸取来自各行各业的全新思路以及先进技术，先后邀请来自国内外的专家以及院校、企事业单位的研究人员共同参与进来，来完成智慧延崇的种种建设诉求。中国高速公路全程监控系统在2008年被正式提出，随后被快速推广到全国并形成规范，其核心理念为“全程监视，实时管控”，在整个高速公路机电系统中占用很重要的地位。常规机电系统已在中国发展几十年有余，虽然随着时代的变迁经历了很大变化，实现了从“模拟时代”到“数字时代”的跨越，但在很多方面仍然存在不足和缺陷。随着新技术、新设备的不断涌出，智慧高速将使常规机电系统的问题在根本上得到解决与提升。监测区域：从传统监测局部区域、流量推测交通状况到无盲区、全覆盖、真实反应。监测条件：从受光照、气候自然条件影响到全天候适应的全面改善。特殊车辆：从对特殊车辆的管理无从下手到车辆级、车道级精准管控，异常行为实时分析，危险信息点对点提示，车辆持续跟踪、实时定位，异常车辆持续监视的新技术全面突破。定位方式：从被动式获取特殊车辆定位信息到主动式全面掌控所有车辆全面数据。隧道安全管理：从隧道内发生事故时无法获取一手全面信息，到隧道内发生事故时所有车辆分布情况、事故现场信息、行人疏散应急方案全面解决。两客一危车辆管理：从无法精准获取车辆异常行为、分布位置、安全管控，到车辆信息实时获取、异常行为实时分析、异常车况点对点提示。安全管控：从异常路况、车辆事后发现，到路况、车辆异常实时分析事先预警。管理提升：从单一的断面级管理，提升高到宏观级、区域级、车道级、车辆级的多层次、多角度、全方面的精细化管理。现阶段，各省份均已开展自动驾驶阶段性实验和建设，以“智慧高速、智慧城市，数字地球”为主题进行全面规划和布局。传统的交通通行方式与运载方式将会被自动驾驶技术所取代，车辆的行驶以及交通的通行方案全部由“中心大脑”进行全面优化、控制以及信息发布，车辆能够遵循最佳通行方案进行行驶，交通拥堵的诟病将会得到有效解决。新技术、新方案的出现和应用将提供全面化的支撑，“想你所想，给你所给”将成为未来交通领域的重要标志，未来多要素大范围的高精度路况感知设备将隐藏在各个角落，为整个交通控制中心、自动驾驶车辆、实景导航系统、救援系统等提供重要数据保障。延崇高速路况感知系统的核心建设思想是能够以延崇高速公路为依托来验证并实现全要素、多态式的路况精准感知、精准管控的综合性解决方案，该系统的投入应用满足延崇高速公路未来10~20年的“智慧交通”发展建设和需求，在道路安全防范、道路精细化管理、畅享智慧交通3个方面得到全面的提升，在根本上改变过去传统全程监控系统“有监无控”、特殊天气特殊环境下“无监无控”的尴尬局面，将该路段打造成“全天候工作、全面感知、全程定位、全程掌控、全面监视，全面可视”的全新六全理念的智慧高速体系。本方案采用多设备、多数据源全面融合的方式来实现延崇智慧高速路况感知系统，实现车辆级、车道级、区域级三级多层次管理体验，满足延崇高速管理者对路产实现精细化管理、奥运期间安全防范、司乘人员畅享智慧高速的不用需求。为了实现以上目标，需要在3个方面进行突破、深入研究和实现。基础层：基础层是整个系统的最底层，也是整个系统的基础保障，其主要任务是“全面感知”，感知的内容信息一定要精准，能够满足并实现“全天候工作”。数据层：数据层是整个系统的核心，它将基础层发送过来的所有数据进行分析、处理、融合，其主要任务是完成“全程定位”，只有找到想要找的目标，才能实时对其进行跟踪、定位，才能实现“全程掌控、全面监视”。展示层：展示层是整个系统的最高首领，系统所有的工作内容都围绕它来展开，其主要任务是完成“全程掌控、全面监视”的工作。想要实现六全功能，该系统需要突破的技术难关有很多，最基础的就是要实现所有目标的车道级“全程跟踪，实时定位”这一核心。在路况感知系统的选择上，延崇高速公路筹建处做了大量不同类型设备组合方式的现场调研、方案论证、实地测试，包括：全向毫米波雷达与高清卡口组合方式实现技术方案、定向短距毫米波雷达与道路监控摄像机组合方式实现技术方案、激光雷达与道路监控摄像机组合方式实现技术方案以及基于传统监控摄像机实现AI视频结构化方式实现方案。通过对各种方案的优劣性比较、项目总体投资比较和可行性方案比较，最终选择了由全向毫米波雷达与高清卡口组合方式实现技术方案。本方案特在河北省张承高速公路承德段专门做了4公里的综合测试试验区，对该系统各项技术进行了长达1年的持续测试与验证来确认此种方案的可行性，并通过实际测试来发现其中的不足与问题。雷达路况感知系统主要包括雷达管理服务器、雷达管理工作站、雷达检测分析处理软件、雷达传感器、边缘计算服务器、雷达边缘计算协同应用软件、高清卡口单元（车牌识别设备）等。系统总体结构如下图所示。雷达传感器安装在道路中央、路肩高杆、隧道侧壁等位置；边缘计算服务器安装在综合电控柜机箱内，与雷达传感器、跟踪监控摄像机、车牌识别设备以及其他设备进行连接；雷达管理服务器、雷达管理工作站配置在数据中心或隧道管理所，全路况感知智能指挥综合管理系统、雷达检测预警管理应用系统来实现对相关设备的配置、管理、授权，实现与监控数据的交互；雷达检测分析处理软件实现对雷达原始数据的实时分析；边缘计算服务器接入至现场的工业以太网交换机，实现与数据中心设备的连接。系统采用河北德冠隆公司的CitRadar-360雷达传感器，该雷达采用360°高速扫描对高速公路上行驶的车辆、行人、障碍物体进行实时跟踪定位检测，并判断其运动状态和位置信息。该雷达传感器能够对1000米直径圆形范围内的目标物体进行跟踪扫描定位并可获取每个目标物体的独立信息，包括即时速度、运动方向、经纬度、目标尺寸、ID编号、方向角等重要信息，并可以将道路上所感知的路况信息、交通状态信息、车辆实时信息分析汇总后通过车路协同通信设备与道路上行驶车辆、自动驾驶车辆或无人驾驶车辆进行数据交互，来满足车辆实现全速智能驾驶的定位要求。在延崇高速公路沿线以及隧道内，平均750米一处布设1套雷达传感器，特殊路段、隧道、重点区域加密布设安，安装高度为5米，外场一般安装在道路中央，隧道内采用侧壁安装方式。交互式边缘计算服务器主要安装并运行边缘计算协同应用系统，主要实现雷达设备与高清卡口单元的同步触发抓拍、被跟踪目标丢失补偿、目标轨迹修正、轨迹再现、多雷达之间目标信息数据相互传递、雷达目标动态数据与车牌抓拍获取的车辆特征数据深度融合、被跟踪目标信息回溯、数据格式转化、与车路协同V2X设备进行数据通信、与第三方平台或设备进行数据通信、目标定位实时解析输出高精度经纬度信息等多种功能。设备布设数量与雷达传感器一样，采用与雷达传感器同点或同位置安装方式。高清卡口单元由高清卡口识别摄像机、频闪灯、爆闪灯等组成。全线每隔3~5公里布设一处高清卡口车辆识别单元，每一处按照车道数量单方向配置2套300万像素高清卡口车牌识别单元。利用图像识别技术来获取车辆的特征信息包括：车牌信息、车标信息、车系信息、车型信息、车辆颜色信息、生产年代信息、驾驶人员信息。将该信息送入到交互式边缘计算服务器中，交互式边缘计算服务器将被跟踪定位车辆的动态数据信息以及被车辆抓拍摄像机抓取经数据采集处理器处理后的车辆特征信息进行绑定和融合，完成车辆在系统中全部数据的整合工作。道路监控跟踪摄像机主要与雷达传感器相互配合，当雷达综合管理预警系统检测到异常事件以及需要查看实时道路视频和需要跟踪某一车辆或行人时，雷达综合管理预警系统通过雷达设备获取信息后联合附近的摄像机。根据定义的联动规则，使用这些信息来控制跟总摄像机进行准确查看，雷达综合管理预警系统能自动控制摄像机平移、倾斜、变焦、变倍等动作，并做出快速响应。雷达管理服务器主要安装并运行全路况感知智能指挥综合管理系统，其与前方的雷达专用边缘计算服务器进行通信，获取雷达专用边缘计算服务器发过来的数据信息、报警信息、视频信息等，并对雷达专用边缘计算服务器下发控制指令、参数设定指令、联动指令等，管理服务器服务器启动数据库对系统中的所有数据进行存储，并于人机交互工作进行数据通信，回报报警信息、并接受并完成工作站下发过来的所有信息以及控制指令，完成系统中所有雷达专用边缘计算服务器配置信息、搭建系统架构、建立网络数据链路、本地或远程维护、数据查看、筛选、导出等重要工作。处理所有潜在的或可能形成事故的关键信息，启动相应的决策规则加以处理，与监控数据服务器进行信息交互，可向道路监控系统或第三方提供SDK二次开发包或API数据接口，实现与监控系统（含视频控制平台）的联动、声音报警等。设备主要完成以下工作：数据交换、存储功能、系统通信、维护、集中报警、预案生成、联动方案执行、加载GIS电子地图、图形加速引擎、车辆行人异常事故事件检测与报警、图像存储、数据存储、报警事件录像存查、报表生产、与第三方联动指令发送、设备系统参数设定、发送预设方案、日常操作人机界面集中警报。雷达管理工作站主要安装并运行雷达检测预警管理应用系统，该系统提供了雷达良好的远距离大范围探测能力和交通态势感知能力，同时又保持极低的误报率。其检测事件类型包括：车辆停驶、交通事故、车辆拥堵、车辆排队、车辆逆行、车辆慢行、抛洒物、行人、禁止通行、违章变道以及特定区域的非法入侵等重要事件，几秒钟就可以对异常事件形成报警予以提示，如有需要系统可对异常车辆进行持续自动跟踪，自动提取车辆信息，为交通执法提供了重要依据。为了实现大范围全程监控检测，这种设备提供了全套的成熟的解决方案。此外也可以安装在路中央、路肩偏坡，路侧高地上。雷达检测预警管理应用系统所提供的全套解决方案不会被自然或人为的光线变化所影响，包括隧道的“黑白洞”现象所影响，还可以在极恶劣条件下正常工作，包括雨、雪、雾、烟、灰尘等，甚至在全黑的环境下24小时都可以保持较高的检测精度不变。这是现有视频事件检测系统所无法比拟的，是视频检测系统的全新升级替代产品，也是智慧交通中综合感知能力最强的产品。
