南京隼眼电子科技有限公司
中共中央国务院发行《交通强国建设纲要》中，强调以先进信息技术深度赋能交通基础设施，全面提升精准感知、精确分析、精细管理和精心服务能力，打造一流设施、一流技术、一流管理、一流服务，建成人民满意、保障有力、世界前列的交通强国。我国地域辽阔，道路系统繁多、里程长，一直以来，安全、安心始终是道路的建设和运营的核心目标，行驶环境光线差、易受雨雪及大雾天气影响，所以道路感知设备要满足探测距离远和全天候全天时的需求。全方位动态感知系统是基于高性能毫米波雷达的远距离探测能力和全天候全天时的特点，实时感知道路路网，在重点路段开展恶劣天气行车诱导、缓解交通拥堵、提升运行效率。
一、系统介绍
全方位动态感知系统以毫米波交通雷达为核心，对交通路网数据采集，获取路段内的车流量、车辆轨迹、车流速度、车辆位置及速度信息、拥堵状况、违法事件等信息，结合不同场景的雷达布设方案和ETC、摄像头的车辆识别实现道路路网的感知，提升全路网监控的效率和能力。
（一）基于高性能毫米波雷达智慧感知系统旨在实现：
1. 全天候路网全域运行状况监测
2. 路网异常事件实时上报预警
3. 为公众出行服务提供实时、精细化数据
4. 数据统计归类汇总，辅助决策能力
5. 车辆全轨迹跟踪和还原，支撑路网收费
（二）全方位动态感知系统的主要功能如下：
交通数据采集功能：雷达具备全天候全天时，对路段上行驶的车辆位置、速度、车流量、平均车流速度、车头时距、车身间距、车辆类型等交通流数据的采集检测功能。
异常事件检测功能：系统具备对路段、路口发生的超速、逆行、非法闯入、异常停车、违法变道、道路拥堵等事件的检测功能，并输出相应的事件信息。
目标ID唯一功能：系统具备对检测区域全路段车辆ID保持唯一不变的功能，能够实现车辆跨多雷达区域连续检测跟踪的能力。
车辆特征识别功能：系统具备雷达与摄像头的联动功能，能够实现雷达引导摄像头对目标进行抓拍识别，并输出车牌信息，确认车辆信息功能。
多源数据融合功能：能够实现将雷达、ETC、视频、气象等多源信息进行融合功能，直观、精确的输出目标的多维信息，提高判定效率。
特定车辆以及车队异常行为纠正与管控：系统可以利用雷达设备可与沿线布设的监控摄像机设备联动，可实现对异常事件事故车辆、特殊车辆、以及车队进行实时全程跟踪监视，此外系统也可以按照时间节点提供道路上行驶的每一辆车的运动轨迹，因此可实现对特殊车辆和特殊车队的全程追踪以及行驶轨迹回溯功能。
集成管理功能：系统具备对全路段多中设备的集成展示管理功能，能够通过平台软件显示设备位置信息、状态信息、监控画面信息，并对设备进行功能配置、状态管理、故障查询等功能。
实时上报：通过对各类交通流数据、事件信息的实时采集，提供交通、事件等分布规律，判定路网状态，并实时将路网信息上传至发布平台，可直接发布拥堵信息、事件信息、排队长度等数据，优化传统交通信息感知系统模型，数据采集更具实时性和准确性。
路网预测：通过历史数据的积累，经过模型算法，可挖掘预测未来交通状况，为预防交通拥堵、制定交通诱导方案提供数据支撑，同时通过采集回馈的数据，对制定的诱导方案进行评估，反馈和评价交通优化结果，形成一套闭环的交通预测与评估系统。
路网全域交通数字孪生：通过多雷达融合方式实现对道路全域交通运行状态的实时数字化展现，通过在路段500米或1000米间距连续布设雷达，经过融合跟踪算法实现多台雷达间的深度融合，将车辆目标的轨迹无缝传递，能够对整条路段进行全程监测及车辆连续追踪。“雷达+ETC”或“雷达+视频”的融合感知，可做到雷达交通运行状态监测与视频可视化监控相融合，以达到全天候、精细化的交通态势监测。
二、系统架构
（一）硬件架构
全方位动态感知系统系统采用“端—边—云”架构，硬件结构图如图1所示，前端由雷达、摄像机或ETC组成，分级处理、各司其职，有效实现数据的精细化检测、多元数据数据融合和深度挖掘及数据的展示和应用。
端： 单台雷达采集区域内所有目标车辆的位置、速度等即时信息和车牌触发信号， 视频监测视野内的交通环境，同时提供经过的车辆外形特征和车牌信息。
边：通过网络交换机把前端设备接入边缘服务器，实现以下功能：
分析每个端设备范围的流量、平均速度、车辆数、空间占有率等断面及区域交通流数据；
接收网络摄像机或ETC的车辆特征数据并与雷达检测的目标进行信息关联；
实现相邻端设备检测目标的轨迹传递和数据融合，将接入边缘服务器的端设备数据连接成线；
对线内所有的异常驾驶行为和交通事件进行识别分析并上传至云控平台。
云：云端接收边端数据进行存储和深度挖掘，通过智能算法和深度学习，实现高速的智慧管控和服务，保障道路的安全与畅通。
图1 硬件结构图
（二）应用架构
全方位动态感知系统总体架构如图2所示，主要由信息采集层、信息传输层、存储处理层、应用服务层组成。
第一层为信息采集层：负责采集各类数据并上传大数据中心，采集的数据包括雷达、摄像机路侧信息场各类检测设施的数据、交通组织的数据、社会其他行业共享的数据。
第二层为信息传输层：主要包括光纤通信传输网络和无线通信传输网络。用于将交通场景感知设备处理的单雷达的数据、设备的状态数据发送至服务器供服务器处理，并接收来自后台管理部分的雷达、视频等其它设备的控制信息，控制设备的工作状态。
第三层为存储处理层：主要实现数据的汇集存储和数据中心的软、硬件支撑平台，平台在数据的整合、清洗、交换、计算、存储，包括对交通态势数据的统计和分析上提供上层支撑。
第四层为应用服务层，主要为应用软件，将雷达探测到的目标、摄像机的视频信息、交通态势信息、分析报表信息、统计参数信息、交通事件感知处置、交通安全预警防控、交通出行信息服务。
图2 全方位动态感知系统总体架构
（三）雷达与摄像头的数据融合及联动实现
1. 雷达与视频融合方案
首先摄像头与雷达通过边缘计算节点进行校时，保证时间同步；其次将雷达对区域内的车辆进行探测并输出车辆的ID、经纬度、距离、速度、大小、检测时间等信息，将数据发送给边缘计算节点，通过摄像头同步抓取视场内的目标的车牌号、目标在视频上的像素位置、目标颜色等信息，并将信息发送给边缘计算节点；最后边缘计算节点接收到雷达和视频信息数据后，根据时间戳将数据进行对齐，根据目标的距离、速度、大小等信息进行融合，实现雷达数据与视频图像的目标融合。
各个边缘计算节点的融合数据信息通过无线、光纤、5G通信等形式将数据发送至数据中心的服务器进行存储、融合、展示等处理应用，实现全路段的目标融合。道路全路段数据融合传输示意图如图3所示。
图3 道路全路段数据融合传输示意图
2. 雷达与摄像机联动实现
系统在引导摄像机对违法目标进行抓拍取证时，通过毫米波雷达发现车辆违规行为后触发事件功能并输出，将目标的坐标转换到基于摄像头视角的坐标，摄像头根据目标距离自动调整焦距，并根据角度信息控制云台旋转，实现对目标的跟踪、拍照、识别。雷达与摄像机联动流程图见图4所示。
图4雷达与摄像机联动流程图
（一）雷达布设原则
雷达通过电磁波对目标进行探测，电磁波在传输过程中会受障碍物遮挡，同时由于天线的赋型作用，电磁波会以一定的方位和俯仰宽度传播，覆盖范围有限。高速公路需要对全路段实现无盲区覆盖，雷达布设遵循以下准则：
1）通视距离好、视场方向无遮挡；
2）因地制宜，实现优先，用最少的雷达覆盖最广的范围；
3）交叉部署，消灭盲区。
（二）部署方案设计
高速公路里程长、路段场景不一，根据高速公路不同的路段，如平直路段、弯道路段、匝道路段、隧道路段、桥梁路段，雷达布设的方案会有所不同。
在平直路段上，将雷达交叉安装在路中间隔离带的龙门架上，为了保证两个雷达的交叉区域无覆盖盲区，两个雷达部署时应有重叠区域。雷达安装及波束覆盖如图5所示。
图5 雷达安装及波束覆盖
此布置方式在多种路段都适用，为避免路中绿化带等物体引起的雷达波束遮挡，需要成对放置，相对会增加雷达个数。每一个雷达主要负责双侧八车道的目标探测。雷达安装及波束覆盖如图6所示。
图6 雷达安装及波束覆盖
3. 弯道布设
在弯道布设参照波束确定雷达覆盖范围，超出波束范围，需要增设雷达，确保实现全覆盖。在弯道隔离带龙门架上安装单雷达对弯道进行覆盖，雷达的朝向与弯道弧度切线方向一致，雷达俯仰角通过工装调整为沿水平向下3度，雷达架设高度6～13m，通过三角关系计算雷达近距盲区约10m，对目标最远的探测距离为视距。弯道外向沿道路方向部署雷达，与弯道内的雷达探测距离重叠50m实现目标无盲区覆盖。弯道安装及波束覆盖如图7所示。
图7 弯道雷达安装及波束覆盖
4. 隧道布设
隧道内架设覆盖单向行车方向，如图8所示。最多探测的距离小于300m，雷达探测距离重叠50m保证目标无盲区覆盖，两雷达部署间距隧道内视弯道长度而定。
图8 隧道内架设覆盖单向行车方向
当桥梁在道路上方时，可在遮挡道路两侧安装雷达，照射天桥下方的雷达必须低于天桥高度。桥梁上雷达安装及波束覆盖如图9所示。
图9 桥梁上雷达安装及波束覆盖
隼眼科技的“5H”高性能毫米波交通雷达产品，具有超距、超精、超分、超智、全息等特点, 针对杆下盲区、盲区车牌遮挡等智慧高速场景建设中的痛点，逐一给出了行之有效的解决方案。最新的国产化雷达上实现了对乘用车定向探测距离超过1200米、双向探测距离超过2400米、探测精度优于0.07°、分辨率优于0.5°的业界领先性能。实际项目中安装应用案例如图10所示。
图10 实际项目中安装应用案例
结语
依托“交通强国”建设项目，隼眼科技已在多条高速公路部署了毫米波雷达和高精度全天候感知方案，深度参与了智慧高速建设。采用国产MMIC芯片的高精度毫米波雷达产品也率先推向市场，未来，隼眼科技将致力于成为智慧交通产业的共建者，与合作伙伴一起，共同推进中国交通产业的智慧化升级。
