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1、沪杭甬高速毫米波雷达事件检测能力分析摘要：本文依托沪杭甬高速智慧化提升改造项目，基于 感知能力提升建设中毫米波雷达的应用案例，对雷达在高速 公路场景下的实际表现进行了测试和分析。根据本项目的实 测数据，毫米波雷达相对于传统的视频结构化在事件检测能 力上有约62.1%的提升，特别是夜间无照明路段，能极大提 高事件的主动发现能力；毫米波雷达的安装方式对其检测范 围有较大影响，雷达探测方向顺行车方向安装相对逆行车方 向安装在有效检测距离上有约12%的提升。毫米波雷达技术源自军用探测雷达，之前由于技术门槛、 造价和应用场景等限制，民用的起步较晚，目前主要应用于 安防探测、交通流检测和新兴的智能汽车等领
2、域。交通运 输部2016年发布了交通运输信息化“十三五”发展规划， 2018年发布了关于加快推进新一代国家交通控制网和智慧 公路试点的通知，智慧高速进入了发展的快车道。根据文 件要求和实际工程需要，智慧高速需要加强对高速公路上各 类事件的检测能力。传统的视频事件检测，由于其光学成像 的技术限制，在光线不足（特别是夜晚）时，难以准确地检 测到路上的各类事件，从而导致管理人员无法及时发现并采 取相应的管控措施，最终诱发二次事故，造成不必要的人员 伤亡和财产损失。因此，在沪杭甬高速实施的智慧化改造 项目，采用了基于毫米波雷达检测事件的方式，强化了路段 全天候的事件检测能力。本文主要依托沪杭甬高速公路
3、安 装的毫米波雷达的实测数据，对其事件检测能力进行分析。背景沪杭甬高速公路是浙江省内开建的第一条高速公路，全 长约247.9公里，设计速度120公里/小时，于1998年底建 成通车，连接了上海、嘉兴、杭州、绍兴、宁波等地，沿线 地区经济发达，货运往来频繁。随着沿线地区经济的高速发 展，高速公路上的车辆逐年增多(日均流量10万)，特别是 节假日，极易产生事故或形成拥堵，因此沪杭甬高速围绕“智 能、快速、绿色、安全”的智慧化改造总体目标，选取柯桥至 绍兴段约10公里左右重点路段，通过“设天眼、布天网、构 智云、享先知、优服务”等智慧化提升改造行动，提高管理部 门对道路交通流的主动管理水平，进而提升
4、道路行车安全性。 本次改造内容中，“设天眼”指的即为以加装毫米波雷达为代 表的外场交通流感知系统建设。需求分析(-)本项目路段事故情况根据浙江省公安厅交通管理 局交通事故统计数据和沪杭甬公司ETC门架交通量统计数据分析，在交通事故次数方面，近3年沪杭甬高速总计发生事 故约5千起，主要集中在非标八车道路段（无硬路肩）和互 通、枢纽区域。在交通事故发生的时间分布上，夜间（19-7 时）发生的事件约占全天总事件数的25%,且发生在夜间的 交通事故中，由货车引发的次数占比较高，事故造成的危害 更大，导致高速公路管理部门的安全监管压力大。（二）高速 管理部门需求针对本项目路段事故多发，特别是夜间安全监
5、管压力大的现状，为减轻管理部门工作人员的工作强度，提 高异常事件发现速度，管理部门对本项目智慧化改造提出了 道路交通状态全天候监控的需求，特别是要提升夜间的事件 主动发现能力。针对管理部门对道路交通状态的监控需求, 本项目建设之初即要求新建外场智慧感知系统能够全天候 具备以下功能：精确采集断面平均车速和流量；快速发现并 自动上报低速车占道驾驶现象；快速发现并自动上报车辆实 线变道、车辆超速、违停、倒车等危险驾驶行为；快速发现 并自动上报车辆交通事故。（三）基于摄像机视频分析的局限 性在没有设置道路照明系统的高速路段，仅采用摄像机无法 实现全天候的事件检测。因为摄像机仅在白天且天气较理想 的情况
6、下才能实现较高准确率的视频事件检测，在大雨（雨 水会附着在镜头上）、夜晚（能见度低且色彩差异小）等情况 下的视频分析效果不佳。对此，笔者收集了浙江省内3条比 较有代表性的高速路段的摄像机视频事件检测效果数据，如 表1所示。从表1内数据可见，在无照明的沪杭甬高速试验 段，全天的视频事件识别准确率仅为52%；即使在日间，因 为有雨天的影响，其视频事件识别准确率也仅为82%o在设 置了道路照明系统的舟山跨海大桥和杭州湾跨海大桥，视频 事件识别准确率有明显提升，且随着摄像机安装间距的加密 有所提升。表1摄像机视频事件检测效果序号路段名称有无 照明 系统摄像机安 装间距视频事件设日间口问（除雨二1沪杭甬
7、高速试验段无250米82%96%2舟山跨海大桥有200米88% （照明路段仝3杭州湾跨海大桥有125米98% （照明路段W由此可见，沪杭甬智慧化提升改造需要部署其他具备全天候 感知能力的设备，才能在很大程度上解决无照明情况下，摄 像机在低能见度和夜间等情况下监控精度下降的问题，从而 满足管理部门提出的全天候监测需求。特性分析（一）毫米波雷达的工作原理毫米波雷达是指工作在1 到10毫米波段的探测雷达，因其波长介于微波和光波之间， 故兼具微波和光波的特点。其工作原理与测速雷达基本一致, 均是先把雷达波发出去，然后通过接收回波，最后根据收发 雷达波之间的时间差计算得出目标的位置信息。（二）毫米波 雷
8、达的优点相对于微波雷达，毫米波雷达具有更窄的波束， 因此其测角精度更高，具有更强的抗电子干扰、杂波干扰和 多径反射干扰等优点。相对于激光雷达，毫米波雷达因其波 长更长，具备了更强的透雾、透烟尘能力。相对于视频摄像 机，毫米波雷达因其回波反射成像的工作原理，不受光线强 弱的影响，具备全天候感知的优势。四部署方案（一）雷达安装路段根据交通流量统计，本项目红垦至绍兴段交通流量为全线流 量最大的路段，尤其是免费节假日和特定假日的车流量激增 造成拥堵，主要集中在绍兴段与杭州绕城连接的沈士、红垦、 乔司等处。该路段互通枢纽较多，间距较小，部分路段无硬 路肩，极易发生各种交通事故。一旦发生事故，应急救援较
9、为困难。为提高本项目交通事件响应速度，提高管理效率和 道路通行能力，在杭甬高速柯桥至绍兴段约10公里（K205- K215）进行交通事件实时监测能力的增强建设。（二）雷达部 署方式为了测试毫米波雷达的实际效果，并考虑已运营通车 项目路侧立杆安装设备的难度，本项目采用了两种部署方式 进行测试。1、方式一：选取K213-K215 （甬向）以250米左 右间距部署毫米波雷达（探测方向均为行车方向），雷达安装 高度为8米。测试毫米波雷达的对车辆识别和事件检测效果。行车方向O 雎、 O500m500m图1方式一雷达部署图2、方式二：在10公里区间的其他范 围，路段每侧以500米左右间距部署一对毫米波雷达
10、，即按 500米间距布设1处立柱杆件，每处杆件上背靠背安装2台 毫米波雷达（1台顺着行车方向，1台逆着行车方向），雷达 安装高度为8米。测试这种相对经济的部署方式下，毫米波 雷达的对车辆识别和事件检测效果。如图2所示。行车方向、图2方式二雷达部署图（三）雷达的性能指标本项目采用的 毫米波雷达（广域雷达微波检测器）采用MIMO体制天线和主 动扫描式阵列雷达技术，通过多个天线发射电扫描信号，将 雷达波以毫秒级周期投射，实现对道路大区域、多目标的测 速、测距以及测角，并且结合算法，实现交通目标轨迹跟踪 及运行状态检测，能够输出目标即时状态（位置、速度、类 型）、交通流统计信息（交通流量、平均速度、占
11、有率、排队 信息等）、交通事件信息（停车、超速、变道、逆行、拥堵等）。 主要性能指标如下。（1）检测器采用二维主动扫描式阵列雷 达微波检测技术；（2）微波信号沿发射方向以每秒20次的扫 描频率；（3）检测器可对交通异常事件进行检测，包括异常 停车、逆行、变道、超高速、超低速、未保持安全车距、排 队超限、缓行、拥堵、行人闯入、占用车道等；（4）检测精 度：车流量精度N95%,事件监测精度N95%； （5）理论可同时 跟踪检测256个目标；（6）检测器跟踪检测每个目标的位置 坐标（x,y）、速度（Vx, Vy）,目标类型，实时显示每个目标 在检测区域内被跟踪情况以及目标即时位置、速度、车辆长 度等
12、实时信息；（7）检测器采用前向检测方式，支持正装和 侧装，安装高度68米；（8）可在全气候环境下稳定工作， 包括雨、雪、雾、霾、大风、冰冻、冰雹、沙尘等恶劣天气， 并具有自校准以及故障自诊断功能。五检测能力分析（一）日间和夜间的事件检测能力对比笔者选取了一段 时间内且在本路段相同区间内，分别基于毫米波雷达和摄像 机视频结构化的事件检测数据，如表2所示。表2毫米波雷达和摄像机视频结构化事件检测对比序号传感器类型安装间距事件类型检测时间 段报警数 量$毫米波雷达250米违法停车、事故 等事件日间135夜间461摄像机250米日间103夜间16由表中数据可见，按全天统计，毫米波雷达检测到的真 实事件
13、数比摄像机高62. 1%,其中日间（7-18时）高37. 3%, 夜间（19-7时）高250%。由此可见，相对于摄像机，毫米波 雷达在夜间的事件检测能力有明显提高。而根据本路段对过 去三年来的事件数统计，大约有25%的事件发生在夜间，因 此毫米波雷达因为其全天候的事件检测能力，在高速公路场 景下将大有作为。如图3和图4所示的雷达与摄像机视频结构化报警准确性饼 图可见，雷达的报警准确率为92%,比摄像机视频结构化的误报次数 谓真实事件数87%有约5个点的提升。图 3 雷 达 报 警 准 确误报次数性真实事件数图4摄像机视频结构化报警准确性综合而言，雷达相对于摄像机视频结构化 能够在保证真实报警事
14、件较多的情况下，维持较高的报警准 确率，其事件检测综合能力相对较强。(-)雷达照射方向对其事件检测能力的影响笔者选取了一 段时间内安装在本路段无遮挡直线段的12台毫米波雷达， 其中6台顺行车方向安装(雷达照车尾)、6台逆行车方向安装（雷达照车头）的事件检测数据，如图5所示。检测距离照车头 照车展图5雷达照射方向的事件检测能力对比由图5可见，雷达顺 行车方向安装（雷达照车尾），其检测距离在260-270米左 右；雷达逆行车方向安装（雷达照车头），其检测距离在230- 240米左右。相对而言，照车尾比照车头能增加约12%的检测 距离。因此，在高速或其他公路交通领域，毫米波雷达按顺 行车方向的安装方
15、式为宜。（三）两种安装方式的经济效益分 析在经济性上，假设需在某高速公路安装单向约15公里长 度的毫米波雷达，以强化该路段的事件发现能力，则图1和图2两种安装方式的外场设备造价估算如表3、表4所示。表3方式一（一杆双机，背靠背安装）造价估算序号设备单位数量单价（万元）合价（万元）1空米波雷达601.2722立杆基础处301.2363接入交换机台300.4124设备机箱H300. 135防雷接地设施项300.266光电缆公里费1207安装附件项1228合计251 （万）9每公里造价16. 7 （万表4方式二（一杆单机，同向安装）造价估算序号设备单位数量单价（万元）合价（万/1毫米波雷达台601.2722立杆基础处601.2723接入交换机台600.4244设备机箱只600. 165防雷接地设施项600.2126光电缆公里15I1207安装附件项1228合计3
