基于激光雷达技术的道路车辆超限检测技术应用分析

■林 典

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

超限超载治理事关人民生命财产安全，各级政府和交通管理部门均建设了大量超限检测基础设施。 随着科技的发展，治超从单纯依靠人力的模式，向无人化、智能化的科技非现场执法转变，道路货运车辆超限不停车检测系统（简称“非现场超限检测”）是取得执法依据的重要工具。 强制性国家标准中对不同车型的轮廓尺寸限值作了明确规定[1]，但在传统的治超系统中，受限于技术、设备、场景等因素，仅仅能针对重量进行检测和判定，而对车辆超长、超宽、超高等轮廓超限行为难以精准测量，易引发安全事故[2]。随着科学技术的发展，基于TOF 技术原理的激光雷达已在工业测量、自动驾驶等多个领域得到广泛应用[3]，在车检线、部分固定治超站等已采用激光雷达进行静态外轮廓测量[4]，而对于非现场治超动态条件下的外轮廓测量，尚未形成成熟的应用方法，也没有相关的国家检测标准。基于此，本文结合福建省实施非现场治超检测试点工程中的应用分析，提出影响非现场治超激光雷达的主要因素，并总结合理有效的技术要求，为后续大规模实施非现场治超轮廓检测及相关标准的制定提供技术依据。

1 技术原理

激光雷达测量车辆轮廓是依据激光脉冲飞行时间TOF（Time of flight）来获取被检测车辆表面的点云信息，从而获取外轮廓曲线，并通过点云计算尺寸。 车辆的外轮廓曲线由极坐标系下的无数个点构成的，点的坐标由（L，θ）两个参数构成。 其中距离L 通过激光测距原理测得，通过计时器测算激光由发射到接收到反射回波的时间差，再乘上光速获得。当激光发射器发出激光光束后，内部计时器记录时间t1；当激光光束碰到物体后，其部分光束原路返回并达到激光接收器，内部计时器记录时间t2，则激光测距仪与物体之间的距离为：

而角度θ 是在处理算法上通过数据比对识别出第一个有效扫描范围的测量点，并依次匹配其所对应的距离L，这样完成一个完整有效点的测量，最后采用算法将所有有效点进行粗大误差筛除后，取各点平均值绘制轮廓曲线[5]。

2 系统方案

在非现场超限检测中使用的激光雷达可分为单线激光雷达和多线激光雷达2 种，在结构和布置上有所不同，具体参数如表1 所示。

表1 单线激光雷达和多线激光雷达参数比对

2.1 单线激光雷达布置方式

由于建立三维车辆轮廓点云的方法不同，单线雷达和多线雷达在非现场超限检测系统中的布置方式不同， 以一个双向双车道的非现场检测点为例，采用单线雷达的典型布置方式如图1 所示。

图1 采用单线雷达的双向双车道车辆外轮廓现场检测点布置方式

单线雷达的布置方案一般采用3 根L 杆或门架。 位于称重区中心线正上方的L 杆上装有4 个激光雷达（如道路平整落差小，无中央绿化带等遮挡物，交界处可优化减少1 个激光雷达）分别安装在每个车道的两端， 垂直车辆行驶方向进行车道扫描，通过该门架可以得到车辆的宽度和高度信息；称重区中心线前后约25 m 的L 杆或门架上各安装有1个激光器，扫描平面平行于车辆行驶方向，可以得到车辆的长度信息，通过后台软件算法，辅助一定的动态补偿参数，形成三维动态建模，生成点云图和车辆轮廓数据。 现场安装示意图如图2 所示。

图2 单线雷达现场安装示意图

单线激光雷达的激光源发出的线束是单线，在角频率上反应灵敏，具有扫描速度快、分辨率强、可靠性高的优点，但因为只能作平面扫描，需配置多台激光联动测量。 现场安装时对安装调试工艺要求高，雷达需尽量达到水平，并同时测量多个外部环境指标数据进行细部调校，具体应注意做到：所有雷达的安装高度需设置为5～7 m 左右；激光雷达激光扫描区域不可以有遮挡，可去掉遮挡或调整雷达避开遮挡；尽量安装在门架上，以满足长度测量激光的灵敏度要求；可增加牢固的外罩以及稳定牢固的支架来减少振动对雷达测量的影响，注意调整保护罩角度，避免阳光直射。

2.2 多线激光雷达布置方式

多线雷达的布置方案（图3）一般在安装抓拍相机的称重区中心线前或后侧约25 m 的L 杆或门架上安装1 台激光雷达，斜向覆盖检测区域；遇到路面不规则或者有遮挡物的情况，需在前后各安装1 台。 雷达扫描距离最多可达到300 m，其通过对扫描区域内的车辆点云进行三维动态建模，提取车辆外轮廓尺寸、车辆特征等信息。 现场安装示意图如图4 所示。

图3 采用多线雷达的双向双车道车辆外轮廓现场检测点布置方式

图4 多线雷达现场安装示意图

应用在治超上的多线激光雷达一般采用固态雷达，常用线束达到300 线以上，有MEMS、FLASH、OPA 等多种技术路线，可识别物体的高度信息并进行三维建模[6]，产品具有探测距离远，扫描点云密度高，安装调试简易，维护方便等特点，产品造价略高但可拓展性强，2 m 范围内有一定的探测盲区，因现场环境受限，在线性路面上车流量大的时候会出现遮挡。 在选型及安装调试过程中应注意做到：车道数量多，车况复杂的点位谨慎选择多线激光，安装选点应尽量选择视野开阔无遮挡的地方，避开前后的树枝，杆件等遮挡物；雷达安装最佳高度为6 m，至少不低于5.5 m，以减少货车、挂车等大件运输车对雷达检测区域的遮挡；根据路面宽度及行车方向调整好测量角度，一般雷达固定后水平方向与车道线夹角45°，垂直方向下倾10°～12°时效果最佳。

3 试验研究

2022 年以来，福建省在各地市开展了国省道非现场超限检测工程的推广实施，目前在大多数点位均配置了不同品牌、不同方案的车辆外轮廓检测系统。 为研究设计方案的测量准确度，确定技术要求，使用标准参考车辆对2 个品牌的2 种不同方案（单线雷达和多线雷达）外轮廓测量进行了试验。

试验使用3 种参考标准车辆在无雨雾干扰天气状态下进行，包括1 辆二轴小型货车、1 辆三轴刚性货车和1 辆六轴铰接货车； 为排除其他干扰因素，参考车辆通过检测区时匀速直线行驶。 在试验前，使用激光测距仪和钢卷尺测量静态下参考车辆实际外廓尺寸，得到长度、宽度和高度的参考标准值。 随后在不同运行速度下，由外轮廓测量系统测量行驶中车辆的外轮廓值，每个速度测量3 次，与参考标准值进行比对得到测量误差。 试验结果如表2、3 所示，表中长、宽、高尺寸各行依次对应二轴、三轴、六轴货车，单线及多线雷达分别选用一款品牌产品。

表2 车辆外轮廓测量试验结果（单线雷达）

表3 车辆外轮廓测量试验结果（多线雷达）

试验结果显示，无论是单线雷达还是多线雷达，动态下对车辆外轮廓测量均有一定误差，满足设计要求的长度最大测量误差不大于±300 mm，宽度最大测量误差不大于±100 mm，高度最大测量误差不大于±50 mm范围；单线雷达宽度测量误差略小于多线雷达。

现行国家校准规范[9]为路面条件良好的低速匀速状态下的校准要求，但受车速、路面状况、车辆不规范驾驶等因素影响，实际路面动态测量系统误差与现行国家校准规范仍有差距。 当前广东、浙江、江西等多省份已经相继出台了关于高速动态轮廓检测的地方标准，建议福建省也可根据非现场治超的实际应用场景制定相关技术及校准标准。

4 测量影响因素分析

对于治超系统而言，需要车辆外轮廓测量结果具有较高的准确度和可靠性，以提高作为超限执法依据的可信度。 因此，对于外轮廓测量系统，需要考察其重复性误差和示值误差2 个指标。 系统的性能取决于使用的激光雷达本身的性能，以及用于三维建模和尺寸提取的算法。

在非现场治超检测的场景下，激光发射和接收中，由于激光雷达本身特性和外部环境因素共同导致发出的激光在抵达接收机时具有不同程度的能量衰减，同时还会改变光点的形态，造成点云的不准确，进而影响车辆外轮廓测量的准确度。 非现场超限检测时的车辆点云如图5 所示。 影响激光衰减的因素可分为激光雷达自身属性、检测目标的激光反射性质以及大气透射率这三方面[7-8]，测距衰减公式为：

图5 非现场超限检测激光雷达点云

式中，R 为激光测量距离，K 为激光雷达自身特性，τ 为大气穿透率，ρTAR为探测目标的反射率。

对于激光雷达自身特性而言，其测距的准确度主要与信噪比密切相关， 当信噪比高于一定阈值时，测量数据的分布可较好地服从正态分布；当信噪比降低，测试数据的分布范围变大，重复性误差增大。 测距的准确度取决于飞行时间的测量准确度，即发射和接收脉冲触发时间的准确度以及晶振的频率稳定度；发射脉冲和晶振频率稳定度由内部电路决定，而接收脉冲触发时间准确度与激光脉冲的波形相关。 在外部，大气中的气体的吸收、气溶胶和各种离散的随机分布粒子等都会对激光产生衰减效应，大气中不均匀的温度则会引起大气湍流，会引起激光的闪烁、膨胀和漂移等效应，这些效应都会给激光光束带来传输损耗，最终使得到达被检测目标时激光光束强度减弱，因此、晴、雨、雪、雾、霾都会造成点云的失真。 此外，诸如不同颜色车身、金属和非金属的不同材料、不同湿度的车辆外表面，也会造成被测车辆反射率不同，引起点云的变化。

由于非现场治超检测时， 车辆处于运动状态，车辆的运行速度、加速度、偏航等参数对飞行时间的计算造成较大的不确定性；车辆在运行中造成车身上的光影变化、车后的水雾，以及非测量主体（如非机动车、行人）的干扰，道路振动进一步造成了测量不确定度的增大。 基于上述影响因素，在路面安装点位选择时，应尽量选择道路平直，平整度好，无坑洼，散水性好的路面，避开如云雾的山谷、坡面等易产生强对流的路面， 避开路况复杂的交叉路口，做好标志标线规划，加强标牌引导，分离机动车与非机动车道，施划实线，尽量减少跟车及并行的出现概率，减少非机动车及行人的干扰。

5 结语

实施公路货运车辆的非现场超限检测是提升国家治理能力的重要工程，也是智慧交通的重要环节。 使用激光雷达为原理的测量系统作为车辆外轮廓检测的工具，可以有效解决车辆外轮廓超限动态检测的难题。 本文通过对激光雷达的原理、布置方案、影响因素的分析，结合福建省实施非现场治超检测点建设的实际， 对选型和安装要点进行了阐述；通过试验，获得了多种类型轮廓检测系统的测量误差特性。 下一步，将选取更多样本，在各类环境条件、 不同行驶行为下进行进一步的试验研究，为制定相关技术标准奠定基础。