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隧道雷视融合全息感知系统

文章来源：未知责任编辑：管理员人气：发表时间：2023-09-20 16:15

 

隧道雷视融合全息感知系统与传统路侧感知手段相比具有如下优势：雷达与视觉数据级融合，大幅提高交通目标、事件检测精度，实现全天候环境“可用、可信、可靠、可视”，车、路、云协同应用，交通目标纹理、时空、行为全息感知。隧道雷视融合全息感知系统基于雷视融合微波感知单元，全方位感知道路实时运行状态，结合边缘计算、高精地图实现数字快速路建设，即时发现交通事件和道路拥堵等情况，实现交通路口和路段数据实时全息化。系统围绕“智能、快速、绿色、安全”目标，协助快速路诱导系统、信号控制系统、预警系统、应急管理系统快速处理问题，提升快速路通行能力，改善快速路交通安全，提升快速路的管理效率。

一

项目简介

雷视融合全息感知系统安装于某省道隧道。该隧道全长3.3km，宽9m，高5m，双向两车道。隧道内设置四个停车带，入口在东西两侧，停车带分别位于两侧600m、1300m左右的位置。东侧出口200m位置为弯道，道路为单洞双向通行，流量大，货车比例大，易发交通事故。
为减少干扰、发挥雷达最优性能，本项目采用23台雷视一体机，安装于隧道顶端中央，覆盖隧道双向全域道路，实现约3.3km范围内双向路数字孪生以及事件检测、流量监测效果。雷视融合系统采用“雷达+视频”一体化设计，支持视频采集编码功能，500万像素（2560×1920），可通过视频实现目标特征化信息监测；可进行大区域检测，沿来车方向正常检测区域达350m（由于隧道反射干扰，实际检测距离稍有缩短），同时检测8个车道；跟踪检测256个目标，包括每个目标的位置坐标、速度、类型等，实现交通目标轨迹跟踪；同时，可对交通异常事件进行检测，包括异常停车、逆行、变道、超高速、超低速、未保持安全车距、排队超限、缓行、拥堵、行人闯入、占用车道等，并输出报警信息。

二

技术特点

（一）FMCW（调频连续波）技术
雷视一体机发射波为高频连续波，其频率随时间按照三角波规律变化，接收的回波频率与发射的频率变化规律相同。雷视一体机利用三角波规律，根据这个微小的时间差对这些目标进行跟踪和测量。
（二）多类即时数据与统计数据
雷视一体机可基于对目标的跟踪式检测及回波的度量，测得车辆的位置、车型、速度等即时交通数据，实时输出车道排队长度和排队数量；可通过设置虚拟检测断面，完全替代传统检测器，统计并输出每车道多达四个断面的流量、平均速度、占有率、85%位速率、车头时距、车间距等交通数据。
（三）大范围高精度算法
雷视一体机向外连续投射—个宽幅的微波束，以保证正面覆盖多个车道，实现大区域大范围检测，提高检测精度。雷视一体机配合安装调试软件，可根据实际的路面信息标定车道；利用大区域跟踪检测原理，解决大车遮挡小车的情况，防止漏检，提高检测精度；连续发射调频微波波束，探测道路上的车辆信息。当车辆进入波束覆盖范围时，检测器通过反射回来的回波判定车辆，并应用先进的AIP技术（相对距离、方位角、速度）区分、识别、确定目标车辆，给每一个目标车辆标定编号，通过实时定位车辆的坐标位置来跟踪目标，实现对波束覆盖范围内车辆的轨迹跟踪式检测。
（四）即时/模拟影像
支持调取摄像头的即时画面，传送至监控端，以动画的方式显示雷达获取到的车辆动态。
（五）环境地图
支持高德地图、百度地图、谷歌地图、蜂鸟地图、易景地图，支持三维地图。雷达目标显示只能在平面图上完成。
（六）无缝升级
遵循技术先进、功能齐全、性能稳定、节约成本的原则，综合考虑施工、维护及操作因素，为今后的发展、扩建、改造等留有扩充的余地。

三

系统架构

雷达设备采用RJ45接口，汇集于路侧交换机。流量数据、事件数据按雷达既定协议传输，实现数字孪生以及事件报警流量监测等功能。系统架构如图1所示。
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图1 隧道雷视融合全息感知系统架构

四

系统布设

隧道内部感知设备的具体布设要求如下：隧道拱顶安装，间隔150m，安装方向保持一致；面向来车方向；东边出口有弯道，加密一台雷达设备。系统布设如图2所示。
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图2 隧道雷视融合全息感知系统布设 

五

系统功能

系统可实现数字化多维监测，基于雷视感知的微观数据，建立微观孪生、中观分析、宏观交通态势监测；可实现数字化智能分析，通过大数据分析引擎，将轨迹数据和交通数据，按照不同的时间、空间维度，根据业务需求，输出报表，以支撑管理决策；可实现数字化精准处置，合理利用有限的资源，管理日益增加的快速路网，管理部门可在雷视联动的基础上，更快、更精准地发现和处置交通问题。
（一）雷视融合全息感知
在隧道全程按需布设雷视一体机，可以最大限度适应隧道线形环境，无死角覆盖，并利用多雷达目标无缝接力技术，实现隧道全域交通流的实时监测，精确捕获进入隧道每一车辆的类型、位置、速度、方向等，高频率刷新，使用跟踪融合算法，实现运行轨迹完整、精细、有效记录；同时，融合视频结构化算法，识别特征化信息，加强设备感知能力，提高设备适应性，为构建虚拟孪生世界的动态交通环境提供全天候精准、稳定、可靠的数据源基础。雷视融合全息感知如图3所示。
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图3 雷视融合全息感知
（二）隧道运行监测分析
设备对隧道交通运行环境进行实时扫描监测，能够全天候、全照度持续监测隧道交通流的运行状态，实现对隧道入口、内部区段、隧道出口交通流量、车速等交通数据信息的实时采集，依据不同空间颗粒度，分点、分段提供科学和体系化的交通实时参数，实现对交通事故及车辆超速、慢速、停车、倒车、逆行、行人闯入等异常交通事件的精准监测；能够输出视频监控画面，以便进一步分析确认，实现隧道运行动态全事件监测。隧道运行监测分析如图4所示。
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图4 隧道运行监测分析
可检测的交通参数包括实时交通流量、交通在途量、平均通行时间、平均通行速度、路段占有率。
可检测的交通事件如下。
交通拥堵：根据区域内车辆的平均车速、空间占有率，判断当前道路是否拥堵。
交通事故：将雷达检测区域分割成不同区间，对比不同区间的速度方差，以此判断检测区域内是否有事故发生。
违法停车：如果车辆在道路上由行驶改变为静止状态，且静止时间不小于某一设定值的交通事件，则判断为违法停车。
车辆超速、低速行驶：实时跟踪监测车辆速度、位置，若发现车辆车速超过阈值或低于阈值，则实时上报事件平台，或者结合视频进行抓拍。
违法变道：车辆在道路上行驶过程中，在白实线区域等禁止变道的路段，改变其行驶车道。
占用应急车道事件：车辆在应急车道行驶或者停车。
倒车、逆行：车辆在道路上的行驶方向与规定方向相反。
非法闯入：目标违反规定，闯入禁止驶入的区域，则判断为非法闯入，可进行警示和取证。
（三）车辆跟踪
系统基于雷视融合AI分析技术，对交通目标轨迹进行精细化跟踪与分析，一方面监控相机对目标车辆的可视化监测，实时识别车牌和车辆特征信息，另一方面结合多目标跟踪雷达，跟踪每个目标的特定编号、定位和轨迹，经过AI分析融合，实现特征车辆的跨镜头全程定位跟踪。跟踪视频画面可以实时上传至监控中心，实现实时运行状态监测。车辆跟踪如图5所示。
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图5 车辆跟踪
（四）交通事件的联合响应与反馈
1、视频监控联动
雷达系统在路侧端实现与视频监控系统的联动，可以全程跟踪车辆轨迹、全域监控交通状态、即时发现交通事件，通过边缘计算设备将信息直接传递至关联摄像机，触发摄像机的云台、对焦等，使重点监控车辆或事件始终保持在监控画面中，且画面足够清晰，便于视频结构化二次分析和工作人员在线确认。
2、交通控制联动
雷达系统可以精准检测到每条车道的交通运行状况，通过拥堵分析和事件识别分析，精准定位事件发生位置以及车道编号；与隧道入口、内部车道控制系统联动，通过边缘网络将信息发送至处理器，使用相关的逻辑算法，控制车道开关闭信号灯，在发生事件或事故的第一时间，通知上游车辆进行紧急避让，避免二次事故或拥堵。交通事件的联合响应与反馈如图6所示。
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图6 交通事件的联合响应与反馈

六

主要设备

系统核心设备是雷视融合微波感知单元，采用“雷达+视频”一体化设计，支持视频采集编码功能，支持H.264/H.265/S+265视频+JPEG图片流同时输出,300、500、900万像素可选，通过视频实现目标特征化信息监测，支持车牌识别、车身颜色识别、车辆类型识别、车标识别、车辆子品牌识别。
设备主要性能如下：设备触发位置由雷达远近距离的控制旋钮锁定；具备三保险功能，雷达触发、脉冲触发、视频触发，抓拍率达99.9%以上；具备自测功能，按测试按钮LED显示“96”数值；测速距离范围为0～500m；超低功耗嵌入式专用高速处理器，解决散热问题，嵌入式无风扇设计，无死机现象；提供RS232和RS485接口，可接入串口设备或数据；提供网络接口，可接入电子警察数据和视频（SVAC或H.264）；提供12路I/0输出接口；提供SD卡接口；内嵌智能分析算法，可统计最多12个车道的车辆占道信息，转换I/O输出；可通过I/O、RS485、网络等，与信号机接机实现智能信号控制、流量分析；可接入多个电子警察摄像机，自动匹配方向和车道信息；可与信号机现有IO检测器配合实现交通信号自适应控制；操作系统为LINUX；处理能力不少于12车道；流量检测方面，可统计流量信息、占道时长；电警数据接入方面，可接入电警数据、视频；数据转换方面，可将流量信息自动转换I/O数据，可匹配多车道；支持硬件看门狗，解决设备死机问题；网络接口为RJ-45以太网接口，10M/100M自适应；通讯接口为一组RS232、一组RS485；电源为12VDC。

七

系统应用

隧道雷视融合全息感知系统建设采用雷视融合一体机作为前端感知单元，集成了毫米波雷达和视频模组两个传感模块，满足高精准、全天候、大区域的数据采集，具备视频直观可视化的优势。隧道雷视融合全息感知系统还在系统后端部署了目标融合服务平台，融合全路段雷视融合一体机输出的目标数据，为实现区域宏观交通态势监测、诱导系统对接、交通事件预警、交通状态可视化展示、设备一体化运维管控构建数据底座。
在隧道节点建设层面，在进出口和直线段分别部署雷视融合一体机，实时检测弯道与直线段的交通流信息，并结合隧道道信号控制系统制定放行策略，合理放行汇入车辆，提高线路段的通行能力；同时，借助雷视融合一体机提供的超视距感知能力，每当有车辆汇入/汇出时，提供汇流预警信息，从而减少合流处事故发生，保障行驶车辆安全进出。
在隧道直线路段，全线部署雷视融合一体机，通过目标融合服务平台多雷达融合拼接技术，实现对主线路段的全域监测，实现实时监测主线交通运行态势、车辆行为轨迹、异常交通事件、异常交通流，为广播系统、交通诱导系统、出行服务系统、事件预警系统提供道路交通状态和事件数据，帮助管理者快速处理事件，提高主线道路的通畅率。
在隧道进出口节点，分别部署雷视融合一体机，分别检测交通状态，并将数据回传至目标融合服务平台，经道路诱导系统进一步分析判别，将道路诱导信息第一时间发布至可变情报板，实现快速路出口交通诱导服务，对下匝道车辆进行引流，缓解交通压力。
从本次项目建设的实际应用来看，雷视融合一体机以及配套的前端态势感知系统架构正逐步显示出其优势和重要性。基于雷视融合一体机感知底座的高精准、全天候、大区域主动感知系统，有效地提升了交管部门的管控能力和对交通安全事件的预见性。
（原文刊载于2023年第8期《中国交通信息化》）

 

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    隧道雷视融合全息感知系统

     

    隧道雷视融合全息感知系统与传统路侧感知手段相比具有如下优势：雷达与视觉数据级融合，大幅提高交通目标、事件检测精度，实现全天候环境“可用、可信、可靠、可视”，车、路、云协同应用，交通目标纹理、时空、行为全息感知。隧道雷视融合全息感知系统基于雷视融合微波感知单元，全方位感知道路实时运行状态，结合边缘计算、高精地图实现数字快速路建设，即时发现交通事件和道路拥堵等情况，实现交通路口和路段数据实时全息化。系统围绕“智能、快速、绿色、安全”目标，协助快速路诱导系统、信号控制系统、预警系统、应急管理系统快速处理问题，提升快速路通行能力，改善快速路交通安全，提升快速路的管理效率。

    一

    项目简介

    雷视融合全息感知系统安装于某省道隧道。该隧道全长3.3km，宽9m，高5m，双向两车道。隧道内设置四个停车带，入口在东西两侧，停车带分别位于两侧600m、1300m左右的位置。东侧出口200m位置为弯道，道路为单洞双向通行，流量大，货车比例大，易发交通事故。
    为减少干扰、发挥雷达最优性能，本项目采用23台雷视一体机，安装于隧道顶端中央，覆盖隧道双向全域道路，实现约3.3km范围内双向路数字孪生以及事件检测、流量监测效果。雷视融合系统采用“雷达+视频”一体化设计，支持视频采集编码功能，500万像素（2560×1920），可通过视频实现目标特征化信息监测；可进行大区域检测，沿来车方向正常检测区域达350m（由于隧道反射干扰，实际检测距离稍有缩短），同时检测8个车道；跟踪检测256个目标，包括每个目标的位置坐标、速度、类型等，实现交通目标轨迹跟踪；同时，可对交通异常事件进行检测，包括异常停车、逆行、变道、超高速、超低速、未保持安全车距、排队超限、缓行、拥堵、行人闯入、占用车道等，并输出报警信息。

    二

    技术特点

    （一）FMCW（调频连续波）技术
    雷视一体机发射波为高频连续波，其频率随时间按照三角波规律变化，接收的回波频率与发射的频率变化规律相同。雷视一体机利用三角波规律，根据这个微小的时间差对这些目标进行跟踪和测量。
    （二）多类即时数据与统计数据
    雷视一体机可基于对目标的跟踪式检测及回波的度量，测得车辆的位置、车型、速度等即时交通数据，实时输出车道排队长度和排队数量；可通过设置虚拟检测断面，完全替代传统检测器，统计并输出每车道多达四个断面的流量、平均速度、占有率、85%位速率、车头时距、车间距等交通数据。
    （三）大范围高精度算法
    雷视一体机向外连续投射—个宽幅的微波束，以保证正面覆盖多个车道，实现大区域大范围检测，提高检测精度。雷视一体机配合安装调试软件，可根据实际的路面信息标定车道；利用大区域跟踪检测原理，解决大车遮挡小车的情况，防止漏检，提高检测精度；连续发射调频微波波束，探测道路上的车辆信息。当车辆进入波束覆盖范围时，检测器通过反射回来的回波判定车辆，并应用先进的AIP技术（相对距离、方位角、速度）区分、识别、确定目标车辆，给每一个目标车辆标定编号，通过实时定位车辆的坐标位置来跟踪目标，实现对波束覆盖范围内车辆的轨迹跟踪式检测。
    （四）即时/模拟影像
    支持调取摄像头的即时画面，传送至监控端，以动画的方式显示雷达获取到的车辆动态。
    （五）环境地图
    支持高德地图、百度地图、谷歌地图、蜂鸟地图、易景地图，支持三维地图。雷达目标显示只能在平面图上完成。
    （六）无缝升级
    遵循技术先进、功能齐全、性能稳定、节约成本的原则，综合考虑施工、维护及操作因素，为今后的发展、扩建、改造等留有扩充的余地。

    三

    系统架构

    雷达设备采用RJ45接口，汇集于路侧交换机。流量数据、事件数据按雷达既定协议传输，实现数字孪生以及事件报警流量监测等功能。系统架构如图1所示。
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    图1 隧道雷视融合全息感知系统架构

    四

    系统布设

    隧道内部感知设备的具体布设要求如下：隧道拱顶安装，间隔150m，安装方向保持一致；面向来车方向；东边出口有弯道，加密一台雷达设备。系统布设如图2所示。
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    图2 隧道雷视融合全息感知系统布设 

    五

    系统功能

    系统可实现数字化多维监测，基于雷视感知的微观数据，建立微观孪生、中观分析、宏观交通态势监测；可实现数字化智能分析，通过大数据分析引擎，将轨迹数据和交通数据，按照不同的时间、空间维度，根据业务需求，输出报表，以支撑管理决策；可实现数字化精准处置，合理利用有限的资源，管理日益增加的快速路网，管理部门可在雷视联动的基础上，更快、更精准地发现和处置交通问题。
    （一）雷视融合全息感知
    在隧道全程按需布设雷视一体机，可以最大限度适应隧道线形环境，无死角覆盖，并利用多雷达目标无缝接力技术，实现隧道全域交通流的实时监测，精确捕获进入隧道每一车辆的类型、位置、速度、方向等，高频率刷新，使用跟踪融合算法，实现运行轨迹完整、精细、有效记录；同时，融合视频结构化算法，识别特征化信息，加强设备感知能力，提高设备适应性，为构建虚拟孪生世界的动态交通环境提供全天候精准、稳定、可靠的数据源基础。雷视融合全息感知如图3所示。
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    图3 雷视融合全息感知
    （二）隧道运行监测分析
    设备对隧道交通运行环境进行实时扫描监测，能够全天候、全照度持续监测隧道交通流的运行状态，实现对隧道入口、内部区段、隧道出口交通流量、车速等交通数据信息的实时采集，依据不同空间颗粒度，分点、分段提供科学和体系化的交通实时参数，实现对交通事故及车辆超速、慢速、停车、倒车、逆行、行人闯入等异常交通事件的精准监测；能够输出视频监控画面，以便进一步分析确认，实现隧道运行动态全事件监测。隧道运行监测分析如图4所示。
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    图4 隧道运行监测分析
    可检测的交通参数包括实时交通流量、交通在途量、平均通行时间、平均通行速度、路段占有率。
    可检测的交通事件如下。
    交通拥堵：根据区域内车辆的平均车速、空间占有率，判断当前道路是否拥堵。
    交通事故：将雷达检测区域分割成不同区间，对比不同区间的速度方差，以此判断检测区域内是否有事故发生。
    违法停车：如果车辆在道路上由行驶改变为静止状态，且静止时间不小于某一设定值的交通事件，则判断为违法停车。
    车辆超速、低速行驶：实时跟踪监测车辆速度、位置，若发现车辆车速超过阈值或低于阈值，则实时上报事件平台，或者结合视频进行抓拍。
    违法变道：车辆在道路上行驶过程中，在白实线区域等禁止变道的路段，改变其行驶车道。
    占用应急车道事件：车辆在应急车道行驶或者停车。
    倒车、逆行：车辆在道路上的行驶方向与规定方向相反。
    非法闯入：目标违反规定，闯入禁止驶入的区域，则判断为非法闯入，可进行警示和取证。
    （三）车辆跟踪
    系统基于雷视融合AI分析技术，对交通目标轨迹进行精细化跟踪与分析，一方面监控相机对目标车辆的可视化监测，实时识别车牌和车辆特征信息，另一方面结合多目标跟踪雷达，跟踪每个目标的特定编号、定位和轨迹，经过AI分析融合，实现特征车辆的跨镜头全程定位跟踪。跟踪视频画面可以实时上传至监控中心，实现实时运行状态监测。车辆跟踪如图5所示。
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    图5 车辆跟踪
    （四）交通事件的联合响应与反馈
    1、视频监控联动
    雷达系统在路侧端实现与视频监控系统的联动，可以全程跟踪车辆轨迹、全域监控交通状态、即时发现交通事件，通过边缘计算设备将信息直接传递至关联摄像机，触发摄像机的云台、对焦等，使重点监控车辆或事件始终保持在监控画面中，且画面足够清晰，便于视频结构化二次分析和工作人员在线确认。
    2、交通控制联动
    雷达系统可以精准检测到每条车道的交通运行状况，通过拥堵分析和事件识别分析，精准定位事件发生位置以及车道编号；与隧道入口、内部车道控制系统联动，通过边缘网络将信息发送至处理器，使用相关的逻辑算法，控制车道开关闭信号灯，在发生事件或事故的第一时间，通知上游车辆进行紧急避让，避免二次事故或拥堵。交通事件的联合响应与反馈如图6所示。
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    图6 交通事件的联合响应与反馈

    六

    主要设备

    系统核心设备是雷视融合微波感知单元，采用“雷达+视频”一体化设计，支持视频采集编码功能，支持H.264/H.265/S+265视频+JPEG图片流同时输出,300、500、900万像素可选，通过视频实现目标特征化信息监测，支持车牌识别、车身颜色识别、车辆类型识别、车标识别、车辆子品牌识别。
    设备主要性能如下：设备触发位置由雷达远近距离的控制旋钮锁定；具备三保险功能，雷达触发、脉冲触发、视频触发，抓拍率达99.9%以上；具备自测功能，按测试按钮LED显示“96”数值；测速距离范围为0～500m；超低功耗嵌入式专用高速处理器，解决散热问题，嵌入式无风扇设计，无死机现象；提供RS232和RS485接口，可接入串口设备或数据；提供网络接口，可接入电子警察数据和视频（SVAC或H.264）；提供12路I/0输出接口；提供SD卡接口；内嵌智能分析算法，可统计最多12个车道的车辆占道信息，转换I/O输出；可通过I/O、RS485、网络等，与信号机接机实现智能信号控制、流量分析；可接入多个电子警察摄像机，自动匹配方向和车道信息；可与信号机现有IO检测器配合实现交通信号自适应控制；操作系统为LINUX；处理能力不少于12车道；流量检测方面，可统计流量信息、占道时长；电警数据接入方面，可接入电警数据、视频；数据转换方面，可将流量信息自动转换I/O数据，可匹配多车道；支持硬件看门狗，解决设备死机问题；网络接口为RJ-45以太网接口，10M/100M自适应；通讯接口为一组RS232、一组RS485；电源为12VDC。

    七

    系统应用

    隧道雷视融合全息感知系统建设采用雷视融合一体机作为前端感知单元，集成了毫米波雷达和视频模组两个传感模块，满足高精准、全天候、大区域的数据采集，具备视频直观可视化的优势。隧道雷视融合全息感知系统还在系统后端部署了目标融合服务平台，融合全路段雷视融合一体机输出的目标数据，为实现区域宏观交通态势监测、诱导系统对接、交通事件预警、交通状态可视化展示、设备一体化运维管控构建数据底座。
    在隧道节点建设层面，在进出口和直线段分别部署雷视融合一体机，实时检测弯道与直线段的交通流信息，并结合隧道道信号控制系统制定放行策略，合理放行汇入车辆，提高线路段的通行能力；同时，借助雷视融合一体机提供的超视距感知能力，每当有车辆汇入/汇出时，提供汇流预警信息，从而减少合流处事故发生，保障行驶车辆安全进出。
    在隧道直线路段，全线部署雷视融合一体机，通过目标融合服务平台多雷达融合拼接技术，实现对主线路段的全域监测，实现实时监测主线交通运行态势、车辆行为轨迹、异常交通事件、异常交通流，为广播系统、交通诱导系统、出行服务系统、事件预警系统提供道路交通状态和事件数据，帮助管理者快速处理事件，提高主线道路的通畅率。
    在隧道进出口节点，分别部署雷视融合一体机，分别检测交通状态，并将数据回传至目标融合服务平台，经道路诱导系统进一步分析判别，将道路诱导信息第一时间发布至可变情报板，实现快速路出口交通诱导服务，对下匝道车辆进行引流，缓解交通压力。
    从本次项目建设的实际应用来看，雷视融合一体机以及配套的前端态势感知系统架构正逐步显示出其优势和重要性。基于雷视融合一体机感知底座的高精准、全天候、大区域主动感知系统，有效地提升了交管部门的管控能力和对交通安全事件的预见性。
    （原文刊载于2023年第8期《中国交通信息化》）

     



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