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高速公路感知技術(shù)探討,雷視融合能否成為新主流?

2022-06-23 16:43:24 責(zé)任編輯:
摘要:2020年8月,交通運(yùn)輸部印發(fā)《關(guān)于推動(dòng)交通運(yùn)輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》,提出到2035年,精準(zhǔn)感知、精確分析、精細(xì)管理和精心服務(wù)...
2020年8月,交通運(yùn)輸部印發(fā)《關(guān)于推動(dòng)交通運(yùn)輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》,提出到2035年,精準(zhǔn)感知、精確分析、精細(xì)管理和精心服務(wù)能力全面提升,成為加快建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)的有力支撐。隨著主動(dòng)交通管控技術(shù)的不斷成熟,經(jīng)過去年一年的積累和發(fā)酵,智慧交管、智慧路口、全息路網(wǎng)、數(shù)字孿生等概念迅速升溫,加之智慧高速、車路協(xié)同等建設(shè)需求的快速增長(zhǎng),引發(fā)了新一輪感知設(shè)備的迭代升級(jí),激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、雷視一體機(jī)等新型感知設(shè)備進(jìn)入市場(chǎng),成為交通感知應(yīng)用的新寵兒。
就目前高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)情況而言,交通雷達(dá)設(shè)備的布設(shè)和應(yīng)用,正逐漸成為交通管控部門最為關(guān)心的焦點(diǎn)之一。雖然雷達(dá)設(shè)備在交通檢測(cè)中,尤其是在高速隧道等場(chǎng)景的應(yīng)用中取得了一定成效,但交通雷達(dá)是否能夠完全替代或彌補(bǔ)視頻檢測(cè)的缺陷,尚有爭(zhēng)論,且根據(jù)目前的一些測(cè)試效果來看,雷視融合在交通檢測(cè)中的效果并沒有我們想象中那么理想,一些交通感知基礎(chǔ)問題,如全天候大范圍交通事件檢測(cè)等,并沒有得到完美解決,“雷視融合無所不能”的印象被打破。對(duì)于目前市場(chǎng)上的一些主流感知設(shè)備,如定向毫米波雷達(dá)、全向毫米波雷達(dá)、全向激光雷達(dá)、視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備、雷視一體機(jī)等,其檢測(cè)效果究竟如何?面臨哪些問題?應(yīng)該如何進(jìn)行合理的選擇?未來發(fā)展趨勢(shì)又將如何?為一探究竟,《中國(guó)交通信息化》記者采訪了參與高速公路車路協(xié)同“端-邊-云”融合應(yīng)用測(cè)試(第一階段:感知設(shè)備支撐能力驗(yàn)證)[1]的評(píng)審專家——原山西省高速公路管理局副總工程師彭剛。文中相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)、結(jié)果及部分觀點(diǎn)等來自本次采訪內(nèi)容。

 

一、主流感知設(shè)備的檢測(cè)效果及特點(diǎn)

根據(jù)相關(guān)測(cè)試及應(yīng)用情況,彭剛主要從高速公路交通事件檢測(cè)(包括:停車、逆行、擁堵、行人、拋灑物)、交通參數(shù)檢測(cè)(包括:車速、交通量、占有率)以及車輛軌跡跟蹤(車輛位置)等幾個(gè)方面對(duì)當(dāng)前一些主流感知設(shè)備的檢測(cè)效果和特點(diǎn)做了介紹和探討。

定向毫米波雷達(dá)

定向毫米波雷達(dá)在車輛軌跡跟蹤、交通參數(shù)檢測(cè)方面有很好的效果,在交通事件檢測(cè)方面可以比較準(zhǔn)確地檢測(cè)出高速公路上的停車、逆行以及擁堵事件,且受天氣環(huán)境因素影響小,對(duì)順行車方向檢測(cè)范圍會(huì)更大些。但是對(duì)于行人和拋灑物的檢測(cè)效果很差。可通過結(jié)合視頻檢測(cè)或增加雷達(dá)芯片數(shù)量以及天線數(shù)量的方式來彌補(bǔ)上述缺陷,但與此同時(shí)建設(shè)成本也會(huì)相應(yīng)增加。

全向毫米波雷達(dá)

全向毫米波雷達(dá)在公路交通事件檢測(cè)、交通參數(shù)檢測(cè)以及車輛軌跡跟蹤和車輛位置檢測(cè)等各方面都有出色表現(xiàn),且受天氣環(huán)境因素影響小(除特大暴雨等極端惡劣天氣)。但是,全向毫米波雷達(dá)的成本非常昂貴,其價(jià)格遠(yuǎn)高于其他各種雷達(dá)檢測(cè)設(shè)備,國(guó)內(nèi)交通領(lǐng)域尚缺乏大規(guī)模應(yīng)用;此外,其使用壽命還沒有經(jīng)歷實(shí)際應(yīng)用考驗(yàn)。

全向激光雷達(dá)

全向激光雷達(dá)在高速公路交通事件檢測(cè)、交通參數(shù)檢測(cè)以及車輛軌跡跟蹤和車輛位置檢測(cè)方面的表現(xiàn)都非常出色,但是激光雷達(dá)的檢測(cè)距離短,成本高,且受天氣環(huán)境因素的影響大,遇雨、雪、霧、沙塵等極端天氣時(shí),檢測(cè)效果受到嚴(yán)重影響甚至失靈。

高清攝像機(jī)識(shí)別(視頻檢測(cè))

高清攝像機(jī)識(shí)別的優(yōu)勢(shì)在交通事件檢測(cè)方面,隨著AI、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)應(yīng)用和算法的不斷提高,當(dāng)前智能視頻檢測(cè)的誤報(bào)率有了大幅降低,對(duì)于停車、逆行、擁堵、行人、拋灑物等事件都能實(shí)現(xiàn)較好的檢測(cè)。但是,在軌跡跟蹤、檢測(cè)車輛位置和車速的精度方面,明顯弱于激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá),且易受天氣環(huán)境因素影響,檢測(cè)范圍也相對(duì)較小。視頻檢測(cè)往往受限于攝像頭的分辨率、視角、有效識(shí)別距離等性能指標(biāo)制約。

雷視一體機(jī)(雷視融合)

目前,市場(chǎng)上絕大多數(shù)的雷視一體機(jī)等雷視融合產(chǎn)品在擁堵、交通量、占有率、車輛位置等方面的檢測(cè)效果比較好,但在交通事件等其他方面的檢測(cè)效果并沒有想象中那么理想。與相關(guān)參測(cè)廠家技術(shù)人員溝通獲知,目前多數(shù)廠家沒有做到雷視目標(biāo)級(jí)融合,而僅僅是利用雷達(dá)和視頻各自特點(diǎn)去做各自擅長(zhǎng)的檢測(cè)項(xiàng)目。總體而言,參測(cè)雷視產(chǎn)品其各項(xiàng)檢測(cè)效果不如純雷達(dá)和純視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備。這可能是由于當(dāng)前雷視一體設(shè)備的成熟度不夠,雷達(dá)和視頻的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)還沒有充分發(fā)揮出來。

二、路側(cè)雷達(dá)使用頻段的選擇范圍已越來越窄

對(duì)于路側(cè)感知而言,毫米波雷達(dá)的主要使用頻段有兩個(gè),即24GHz(24.0-24.25GHz)和77GHz(76-81GHz),也是業(yè)內(nèi)公認(rèn)應(yīng)用效果比較好的兩個(gè)頻段。但是,自2021年12月6日工業(yè)和信息化部發(fā)布《汽車?yán)走_(dá)無線電管理暫行規(guī)定》(工信部無〔2021〕181號(hào))將77GHz(76-79GHz)頻段劃撥給汽車?yán)走_(dá)(車端)使用,路側(cè)雷達(dá)的使用頻段開始面臨選擇的新窘境。此前,中國(guó)智能交通協(xié)會(huì)發(fā)布團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)(參見《交通事件檢測(cè) 微波交通事件檢測(cè)器技術(shù)規(guī)范》),將24GHz頻段用于交通事件和交通參數(shù)檢測(cè)的設(shè)備的輸出功率限定在13dBm以內(nèi)(小于13dBm),而對(duì)于毫米波雷達(dá)而言,由于行業(yè)內(nèi)對(duì)檢測(cè)器發(fā)射功率的限制,導(dǎo)致雷達(dá)設(shè)備在24GHz頻段上的檢測(cè)能力(如檢測(cè)范圍等)受到很大制約。

根據(jù)上述文件的規(guī)定和約束,結(jié)合目前的趨勢(shì)來看,路側(cè)毫米波雷達(dá)的使用頻率不得不聚焦在80GHz這一段位上,不少雷達(dá)設(shè)備廠商開始聚焦研發(fā)80GHz頻段的雷達(dá)產(chǎn)品。眾所周知,雷達(dá)的頻率越高,分辨率越高。除了上述頻段外,其實(shí)雷達(dá)設(shè)備還可以選擇更高的頻段,例如可以進(jìn)一步研究90GHz這一頻段上雷達(dá)設(shè)備的檢測(cè)能力,但是目前國(guó)內(nèi)尚無法提供90GHz以上頻率的雷達(dá)芯片,而國(guó)外多數(shù)國(guó)家將90GHz以上的頻率用于軍事。彭剛認(rèn)為,未來90GHz頻段雷達(dá)芯片的研制或?qū)⒊蔀槲覈?guó)未來交通雷達(dá)研究的重點(diǎn)方向之一。

三、以需求為導(dǎo)向合理選擇雷視設(shè)備

當(dāng)前,在全國(guó)高速公路“一張網(wǎng)”運(yùn)營(yíng)的背景下和智慧高速建設(shè)的浪潮之下,ETC龍門架在承擔(dān)傳統(tǒng)的計(jì)費(fèi)、車輛檢測(cè)等功能的基礎(chǔ)上,其建設(shè)也開始逐步考慮并涉及與車路協(xié)同有關(guān)的技術(shù)融合。由此,交通感知設(shè)備迎來了市場(chǎng)爆發(fā)期,尤其是涌現(xiàn)出的各種新型雷達(dá)產(chǎn)品,已成為高速公路管理部門爭(zhēng)相選擇的熱門設(shè)備。記者認(rèn)為,無論是雷達(dá)還是視頻監(jiān)控設(shè)備,高速公路相關(guān)業(yè)主單位在進(jìn)行選擇時(shí),切忌盲目,要以路段的實(shí)際需求和使用環(huán)境為導(dǎo)向,合理選擇感知設(shè)備,避免建設(shè)過度和投資上的浪費(fèi)。結(jié)合采訪內(nèi)容對(duì)有關(guān)雷視感知設(shè)備逐一分析如下。

全向毫米波雷達(dá)

前文已經(jīng)分析過,全向毫米波雷達(dá)對(duì)于各項(xiàng)交通檢測(cè)的效果都很好,但造價(jià)高和使用壽命短是其最大的弊端,目前一套進(jìn)口的全向毫米波雷達(dá)設(shè)備的價(jià)格在20~30萬元人民幣左右,使用壽命約五年。現(xiàn)階段,全向毫米波雷達(dá)主要用于試點(diǎn)路段的相關(guān)研究,雖然檢測(cè)效果好,但雷達(dá)檢測(cè)功能與其他監(jiān)控聯(lián)動(dòng)并沒有被充分利用起來,考慮到建設(shè)成本和利用率,對(duì)于普通高速公路路段,建議謹(jǐn)慎使用。未來,待技術(shù)成熟和成本降低后,可考慮逐步擴(kuò)大使用。

定向毫米波雷達(dá)

定向毫米波雷達(dá)的成本較低,但在行人和拋灑物的檢測(cè)上有天然缺陷。為了解決定向毫米波雷達(dá)角分辨率差的問題,通過多芯片多天線布設(shè)方案,可一定程度上改善單芯片雷達(dá)的缺陷,又可避免全向毫米波雷達(dá)造價(jià)高的問題。此外,結(jié)合高清攝像設(shè)備也可以在一定范圍內(nèi)達(dá)到較好的檢測(cè)效果,但在成本上會(huì)有一定增加。路段管理部門可根據(jù)管轄路段的實(shí)際情況和檢測(cè)需求,選擇合理的方案進(jìn)行布設(shè)。推薦使用。

全向激光雷達(dá)

全向激光雷達(dá)的檢測(cè)效果好,但容易受天氣環(huán)境影響,成本相對(duì)較高,目前在車端感知上的應(yīng)用較多。因此,利用激光雷達(dá)進(jìn)行交通檢測(cè),應(yīng)避開天氣因素的影響,例如可以應(yīng)用于隧道交通檢測(cè),不適合惡劣天氣頻發(fā)路段。因此,全向激光雷達(dá)在路側(cè)端的使用,應(yīng)統(tǒng)籌考慮使用環(huán)境、使用目的及成本等因素,選擇性布設(shè)。

高清攝像機(jī)識(shí)別(視頻檢測(cè))

軌跡跟蹤、車輛位置和車速檢測(cè)一直是視頻檢測(cè)的弱勢(shì),視頻交通事件檢測(cè)的準(zhǔn)確性不高、可靠性不強(qiáng)一直是視頻檢測(cè)應(yīng)用中廣受詬病的問題。但隨著AI等新興技術(shù)的引入,視頻檢測(cè)的算法不斷完善、深入,視頻檢測(cè)設(shè)備的可靠性和檢測(cè)精度也在不斷提高,再結(jié)合雷達(dá)檢測(cè)、北斗定位等技術(shù),視頻檢測(cè)也成為高速公路交通事件檢測(cè)必不可少的裝備之一。在相關(guān)設(shè)備的選擇上,有一個(gè)問題需要引起注意:一些業(yè)主單位在選購相關(guān)產(chǎn)品時(shí)發(fā)現(xiàn),不同品牌的相機(jī)雖然像素相同,但圖像的清晰度卻有所差異,這往往是由于相機(jī)鏡頭以及感光元件(CMOS)等的差異造成的,在設(shè)備的選擇上應(yīng)引起注意。

雷視一體機(jī)(雷視融合)

目前,雷視一體機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間不長(zhǎng),成熟度有待提高,從測(cè)試效果上看,整體性能一般,部分企業(yè)在宣傳上對(duì)雷視融合產(chǎn)品有夸大其詞的成分,且從高速隧道的應(yīng)用效果來看,毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)與雷視一體機(jī)的檢測(cè)效果相差不大。純雷達(dá)設(shè)備在高速公路隧道中的檢測(cè)效果穩(wěn)定,受雜波的影響并不大,雷視一體機(jī)并不具有突出優(yōu)勢(shì)。但是,從未來的發(fā)展趨勢(shì)看,雷視一體機(jī)的發(fā)展?jié)摿Υ螅瑧?yīng)用前景廣闊,隨著產(chǎn)品的迭代升級(jí),其性能必將全面提高,目前建議做進(jìn)一步觀望。

四、雷視融合感知的未來

對(duì)于雷視融合感知的看法,業(yè)內(nèi)一直存在兩種聲音:一種聲音認(rèn)為雷視融合感知將成為未來感知技術(shù)的主流,但在技術(shù)突破以及設(shè)備本身質(zhì)量和性能的提升上還需做大量的研究工作;另一種聲音認(rèn)為交通感知不一定要融合,應(yīng)將研究的重點(diǎn)和精力放在提升單個(gè)感知設(shè)備的性能上。

對(duì)此,記者本人更傾向于雷視融合發(fā)展的觀點(diǎn)。一方面,技術(shù)融合本身就是智能交通未來發(fā)展的大勢(shì)所趨;另一方面,上述這兩種聲音本身也并不是對(duì)立關(guān)系,當(dāng)前雷視一體設(shè)備之所以表現(xiàn)得不那么出色,一個(gè)重要原因就是兩種技術(shù)都沒有達(dá)到極致,設(shè)想如果在提升雷達(dá)和視頻感知兩種設(shè)備性能的基礎(chǔ)上做融合,這樣的雷視一體自然能夠發(fā)揮出“1+1>2”的效果。彭剛表示,未來雷視融合設(shè)備廠商也可考慮與雷達(dá)和視頻檢測(cè)設(shè)備廠商合作,共同發(fā)力,研發(fā)性能更優(yōu)的雷視一體產(chǎn)品。
記者認(rèn)為,在雷視融合的發(fā)展上,要解決好“基礎(chǔ)”與“融合”這兩大關(guān)鍵性問題。所謂“基礎(chǔ)”,就是要將科研精力放在雷視底層技術(shù)和基礎(chǔ)算法的研發(fā)上;所謂“融合”,就是要逐步實(shí)現(xiàn)雷視技術(shù)的目標(biāo)級(jí)融合、特征級(jí)融合乃至數(shù)據(jù)級(jí)融合,解決兩種信息采集的匹配問題以及兩種系統(tǒng)對(duì)于出錯(cuò)容忍度的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一等問題。
具體來說,對(duì)于毫米波雷達(dá),要將發(fā)力點(diǎn)聚焦在雷達(dá)芯片性能的提升上,進(jìn)一步提升多芯片聯(lián)合和高頻率芯片的自主研發(fā)能力,更加注重產(chǎn)品在實(shí)戰(zhàn)中的應(yīng)用效果。對(duì)于激光雷達(dá),2022年被業(yè)內(nèi)稱為“激光雷達(dá)應(yīng)用元年”,不過其主要戰(zhàn)場(chǎng)依舊是在車端,在路側(cè)的應(yīng)用和拓展仍需做更多探索和嘗試。對(duì)于視頻檢測(cè)設(shè)備,從過去的“看得見”“看得清”到如今的“看得準(zhǔn)”,重點(diǎn)依然是運(yùn)用AI、深度學(xué)習(xí)等新興技術(shù)的加持,不斷演進(jìn)、改善基礎(chǔ)算法,提高視頻檢測(cè)精度。
總而言之,雷達(dá)與視頻的融合,并不是簡(jiǎn)單的技術(shù)相加,而是需要兼顧算法、設(shè)計(jì)與落地的復(fù)雜命題。將人工智能技術(shù)融入到雷達(dá)設(shè)備中,在底層技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新,并讓雷達(dá)實(shí)現(xiàn)部署后的自適應(yīng)學(xué)習(xí),逐步實(shí)現(xiàn)與視覺感知的信號(hào)級(jí)融合,才能大幅度提升探測(cè)的距離和精度,提升復(fù)雜環(huán)境的抗干擾能力,形成對(duì)目標(biāo)特性、位置、速度、軌跡、行為等信息的全息感知,而不僅僅停留在有限環(huán)境條件下的目標(biāo)基礎(chǔ)信息層面。
雷視一體融合趨勢(shì),為交通路側(cè)感知系統(tǒng)的升級(jí)變革帶來了創(chuàng)造性的突破,其所具備的全天候、多場(chǎng)景、多目標(biāo)、高精度等的交通安全預(yù)警功能應(yīng)用,能夠真正將交通安全管理從事后取證轉(zhuǎn)到事前預(yù)警,這不僅可以有效驅(qū)動(dòng)智能交通安全管理模式的轉(zhuǎn)變,而且為目前及未來車路協(xié)同、自動(dòng)駕駛的發(fā)展奠定了智能路側(cè)感知系統(tǒng)的基礎(chǔ),具有非常重要的意義和實(shí)用價(jià)值。
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