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中国智能交通协会

智慧高速公路多功能路侧设施一体化集成关键技术及应用

2022-06-17   来源:中国智能交通协会


  成果评价登记号:ZZJX2021KP009
  完成单位:
    交通运输部公路科学研究所
    四川数字交通科技股份有限公司
    北京工业大学

  一、简要技术说明
  为解决高速公路感知范围小、漏报率高、检测率低、只能覆盖单向、布设成本高等问题,项目开展了路侧系统多元信息融合感知技术攻关、路侧系统布设优化方法研究和路侧集成设备研发工作。成果攻克了路侧视频和雷达数据空间、时间维度融合及定位精准无偏移的快速匹配技术,构建了路侧系统感知、通信、控制节点布设优化模型,设计研发了多功能路侧系统集成智能杆,提出了远距离、高精度、低成本的路侧系统建设工程解决方案。研究成果在成宜智慧高速公路和蓉城二绕智慧高速公路得到实际应用,实现了多目标车辆轨迹全程跟踪、交通事件全时空精准识别。

  关键技术:
  1、路侧系统多元数据融合及感知技术
  为解决在高速公路复杂运行场景下,由于恶劣气象、夜间光线、车辆互相遮挡等因素导致的交通事件、车辆状态等信息的误检以及车辆轨迹跟踪中断、跳变等问题,考虑了实际工程应用和充分利用路侧视频非结构数据的丰富性、雷达结构性数据的高精度和稳定性两方面因素,攻克了路侧系统多元数据融合及感知技术。首先通过雷达坐标系与图像像素坐标系之间的转换关系,研究并建立了雷达与摄像机传感器数据空间融合模型和时间融合模型,实现了雷达与视频数据帧时间起点的对齐和空间参照系的统一;其次提出了多目标质心匹配融合算法,实现了雷达感知目标和视频感知目标的定位精准无偏移的快速匹配融合;再次对于多元数据感知中出现的目标虚假观测、目标数未知等不确定因素,采用DeepSORT算法中的宽度残差网络提取了融合感知目标感兴趣区域的深度表征信息,通过对深度表征信息与车辆真实表征信息相似度的判别,实现了虚假观测目标的剔除。路侧系统多元数据融合及感知技术充分利用了雷达和视频数据的各自优势,成功应对高速公路复杂运行场景,解决了感知信息误检、定位偏差以及远距离低分辨率等问题,提升了路侧系统感知精度。
  2、路侧系统布设优化方法
  为解决智慧高速公路路侧系统覆盖率不广,连通性不畅,准确度不高,且由于缺乏理论与技术支撑无法确保布设方案为系统最优等问题,充分结合高速公路
  线性、交通流特性以及沿线环境,并综合考虑路侧系统感知、通信、控制多功能联系和协作关系,以及相关土建工程中基础、管道、供电、通信等预留预埋等因素,提出了路侧系统布设优化方法。首先,以视频和雷达两类检测器组合布设为研究对象,将研究路段分为未布设检测器路段和己布设检测器路段:对于未布设路段研究了3种布设优化方法,一是以多检测器数据融合行程时间计算误差为优化目标,以布设成本、检测范围为约束的目标优化模型,利用改进的基因算法求解了该模型,确定了多检测器集成组合布设的布设位置和布设距离,提出了基于整数规划-基因算法(IP-GA方法)的远距离、高精度、低成本的路侧设施布设优化方法;二是以寻找和划分高速公路均匀路段为目标,提出了基于高速公路速度和流量数据的空间分布特性和数值的K均值聚类算法;三是结合聚类算法中交通参数的空间分布特性和IP-GA方法的优化过程,提出了两阶段的组合检测器布设方法。对于已布设路段,以提高路段行程时间计算精度为目标,构建了单目标优化模型,改进了基因算法,确定了加密布设的路侧感知设备的布设位置。其次,为解决高速公路沿线通信覆盖范围和控制区域有限问题,以路侧节点通信控制设备物理特性为抽象依据,构建了用来描述路侧节点通信控制范围和能力的通信控制模型,并以获得通信控制覆盖率最大、覆盖节点最少且节点间相互连通的无漏洞覆盖为目标,提出了保障覆盖连通的成本最低节点布设方案,实现了通信控制网络资源的优化,达到路侧系统的最大利用率。
  3、多功能路侧系统集成智能杆
  为解决现有高速公路路侧交通设施功能单一,各项功能存在壁垒,无法形成一个完整的感知、通信、决策控制系统的问题,按照空间共杆、信息共享、综合集成、运维集约的原则,设计研发了多功能路侧系统集成智能杆。提出了自下而上的配套设施层、挂装设备层、5G挂装预留层的三层构建架构(见图1),其中设施配套层高4米用于辅助各类设备,包括智能机箱、防雷与接地、供配电系统、智能网关,其中边缘计算设备部署在智能机箱中;挂装设备层高10-12米,在杆件两翼2米长悬臂上实现感知、通信及控制设施集成部署,单侧悬臂挂装设备包括:2个枪式摄像机、1个毫米波雷达,并根据功能和场景需求在两翼悬臂上选择合理位置布设1个无线通信设备、1个高清摄像球机、1个鱼眼摄像机;
  挂装预留层高15米,预留挂装5G基站。以路侧系统布设优化方法研究和多功能路侧系统集成智能杆研发为基础,在单项感知、通信、控制路侧设备成本一致的条件下,提出了布设在高速公路中央隔离带、800米平均布设间距,单杆由4个高清摄像机枪机、1个鱼眼摄像机、2个毫米波雷达和1个高清摄像球机感知设备;2个路侧无线通信设备;1个边缘计算设备集成组合的远距离、高精度、低成本工程解决方案。
  二、推广应用前景
  成果已在四川省蓉城二绕平安智慧高速车路协同试点项目和成宜智慧高速车路协同项目中得到了实际应用,同时成果已在相关标准的编制中得到采用。新建智慧高速公路和现有高速公路智慧化改造工程都对本成果有应用需求,推广应用前景广阔。