车路协同，道路感知那些事——道路检（监）测技术

智能时代的道路如何为智能汽车和出行大众提供更加便捷、安全和舒适的服务。在这样的环境下，以智能道路为主的“第五代道路”理念应运而生。智能道路的核心是：利用路侧、路中、路内传感器实现车辆探测、道路质量检测、能量收集、信息交互等一系列功能。

简言之，就是道路外部感知（感知外部信息，如车、人）和内部感知（感知道路的现实服务状态、服务性能）的双感知互动，实现人-车-路协同。那么相应的感知技术有哪些？以下就为大家进行简单梳理。

外部感知技术

外部感知技术是以检测车辆信息为主的系列技术，此类技术主要是通过设置固定的检测装置（各类检测设备和检测仪器），对车辆信息进行采集，包括：线圈检测、视频检测、红外检测、微波检测和超声波检测。

1、线圈检测技术

线圈检测是采用埋设于路面浅表的环形或长方形线圈，对行驶过的车辆进行检测。当车辆处于感应线圈的检测范围之内时，线圈内的磁通量会发生变化，通过检测磁通量的变化来判断是否有车辆经过。

图1 测速线圈的埋设

图2 线圈检测应用示意图

2、视频检测技术

该技术是采用摄像头对检测区进行拍摄，通过图像提取技术将图片中的动态物体（车辆）提取。其核心技术是图像提取技术，目前主流技术为背景差法和帧差法等。背景差法是通过拍摄图像减去背景图像分离出图像中的运动物体。而帧差法是将连续多帧的图像进行相减，减除相同固定不动的像素而得到提出运动物体的效果。当外部环境对图像有干扰时，此方法有较大的误差，如大雨、大雪、雾霾天气。

图3 高速公路视频监测

图4 视频违章识别

3、红外检测技术

红外检测技术主要是通过检测红外波的方式来感知车辆，有主动检测和被动检测两种形式。主动检测以接收设备检测红外辐射源的辐射变化，通过对接收信号的处理与分析对是否有车辆经过进行判别。被动检测主要是通过检测车辆本身发出的热辐射来判别。

图5 红外摄像抓拍效果

图6 红外摄像效果

4、微波检测技术

微波检测通过对接收到的单频连续回波进行多普勒频率分析，以获得通过车辆的速度。

图7 微波交通检测器工作示意图

5、超声波检测技术

超声波检测技术与微波检测技术类似，发射出的超声波经由车辆反射后，通过对接收到的反射回波进行分析判断。根据检测方式的不同可分为多普勒法和传播时间差法。多普勒法是通过向驶近的车辆发射超声波，通过判断接收信号的多普勒效应检测是否有车辆通过。传播时间差法则是由车道上方向下发射信号，通过反射信号经地面和车辆反射回的时间差，判断车辆是否经过。

图8 利用超声波的雷达测速

6、压力传感器检测技术

压力传感器主要是利用材料的压电效应感知车辆。压电效应分为正压电效应和逆压电效应，对压电材料施加某一方向的荷载时，沿该方向的正负电荷会在材料两端聚集形成正负极的极化效应，并会对通过的电信号产生影响，通过检测电流的变化可解析得到荷载的大小。压电材料最早应用于军用声呐，影响设备中也有大量应用。目前主流的压电材料有压电石英、锆钛酸铅等，由于压电材料在使用时需要进行特殊封装，如水泥砂浆封装，封装后的大小接近普通的粗骨料，因此也被称为智能骨料。

内部感知技术

内部感知技术主要是针对道路结构设施运行状态和损坏情况进行检测和监测的一系列技术。目前国内外主要的检测技术按技术原理进行分类，包括：超声波检测技术、弹性波检测技术、各类射线检测技术、光纤传感检测技术、图像识别技术和压电传感技术。

1、超声波检测技术

超声波检测技术主要针对结构内部的裂缝损伤进行检测，主要有超声波检测、超声导波检测和相控阵技术等。其原理为，超声波在混凝土中传播时遇到裂缝损伤会发生折射和散射等现象，通过传感器接收到这些信号并加以分析，从而掌握混凝土内部的损伤状态。该技术具有设备简单、操作简便、检测速度快、适用范围广等优点，但其解析出的损伤特征不明显，结果容易被干扰。

图9 超声波探伤

2、弹性波检测技术

弹性波即声波，当结构物内部的裂缝损坏正在发展时，材料应变能将以弹性波的形式加以释放，采用相应的传感器对这一类弹性波加以接收和分析，进而对波源的状态做出评估。该技术只能评估正在发展的裂缝损坏，无法探知静态损坏。

图10 弹性波检测示意图

3、射线检测技术

土木工程中常用的射线技术主要是X射线技术，其原理是当X射线穿透物体时，如遇到缺陷，其对X射线的吸收程度将发生改变，借助投影图像的颜色深浅和形状大小可以对这些缺陷加以分析，与医学上X光照射相同。同时利用CT系统可以得到断层图像，可以更加形象直观的判别检测对象的内部损伤状态。该技术对检测对象的尺寸要求高，无法应用于建成的路面结构，目前多用于科研实验中。

4、光纤传感技术

光纤传感技术是一种以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。其原理是，利用外部条件（如温度、应变）对光纤内传播光波的散射、相位、折射的影响，通过测量光波的变化来了解光纤外部条件（如温度、应变）的变化。利用光纤的这种特性，可用于对路面开裂、应变、应力、温度及振动的测量及监测。由于测量过程中温度和应变相互干扰，导致测量结果不精准，需要温度补偿。另外其埋入深度和底面的非粘结要求，导致其耐久性以及对路面耐久性的影响较大。造价昂贵也是现阶段难以克服的应用难点。

图11 光纤传感技术应用

5、图像识别技术

图像识别法主要是针对路面表面已形成的裂缝加以识别。其原理是利用图像处理及算法从图像中获得损伤信息，图像处理技术是将图像进行灰度直方图化，利用阈值分割法或边缘检测法，将裂缝与被检物分离。阈值分割法是一种归类方法，是将图像中灰度接近的像素归为一类物体。而边缘检测法，是利用裂缝与物体间较强的边缘特性，裂缝和物体间一般具有灰度跳跃现象，可以利用该现象进行裂缝判别。由于该方法容易受到外部物体的干扰，如树枝、树叶等，一般在图像拍摄时会引入稳定的照明系统加以辅助。该技术主要应用于车载式路面快速检测系统，其识别准确率在90%~95%，尚不能实现完全的自动识别。

图12 路面裂缝

图13 图像识别效果