本发明属于智能交通技术领域，具体涉及一种车辆超限检测系统及其检测方法。
背景技术：
传统的治超离不开执法人员的现场参与。譬如，当执法人员认为某车辆可能存在超限时，引导该车辆进入特定的治超站，进行总装称重、长宽高测量。由于人工执法的低效率和高成本，治超效果差，公路交通车辆超载现象依然时常发生，由此而引发的道路交通事故屡见不鲜。
围绕智能化、信息化治超，国内外逐步提出了一些智能超限检测的解决方案。中国专利申请cn206248039u公开了一种车辆超限检测系统，通过在两个龙门架上分别安装扫描式激光传感器，以及在两个龙门架之间安装动态称重装置，获得行驶车辆的长宽高和重量等信息。该发明的技术方案相对于传统的人工治超取得了很大的进步。但是，由于该系统缺少现场取证的功能，如无法获得超载车辆相关视频信息，导致执法人员难以基于有限的取证材料进行执法，进一步影响了系统在智能交通领域的推广和工程应用。
技术实现要素：
本发明针对现有的技术问题作出改进，即发明所要解决的技术问题是提供一种车辆超限检测系统及其检测方法，可针对检测的车辆进行图像信息采集，提供必备的执法依据。
本发明提供的车辆超限检测系统的技术方案如下：
一种公路车辆超限检测系统，包括沿车道行车方向间隔一端距离依次设置的后龙门架、中龙门架、前龙门架，还包括控制柜、影像采集装置、设置在中龙门架上的激光扫描装置，所述影像采集装置包括设置在后龙门架上的尾拍相机、设置在前龙门架上的前拍相机，所述控制柜可通信地分别连接所述尾拍相机、激光扫描装置和前拍相机，并根据激光扫描装置传输的检测信息控制所述尾拍相机、前拍相机对车辆执行信息采集动作。
进一步，所述前、中、后龙门架横跨至少两条车道，每条车道对应一部前拍相机和一部后拍相机，所述影像采集装置还包括位于前龙门架一侧的、对应所有车道的侧拍相机和球机，该侧拍相机和球机可通信地连接所述控制柜。
进一步，所述激光扫描装置包括：第一激光雷达，其扫描平面垂直于车道行车方向；以及第二激光雷达，其扫描平面相对于第一激光雷达的扫描平面向后倾斜30～60度。按行车方向，车辆依次经过第二激光雷达、第一激光雷达扫描。
进一步，公路车辆超限检测系统还包括交叉嵌入式部署在车道上、可通信地与所述控制柜连接的两排压电式称重设备，其第一排称重设备部署于第一激光雷达的正下方，其第二排称重设备部署于第一排称重设备的前方。
基于上述公路车辆超限检测系统，本发明提供的公路车辆超限检测方法包括包括如下步骤：步骤一：采用激光扫描装置测量车辆信息，所述车辆信息包括车辆的速度、长宽高属性；步骤二：根据车辆驶入或驶离所述激光雷达扫描平面，所述控制柜向所述影像采集装置发送信息采集指令，对被检测车辆进行现场取证。
进一步，在激光扫描装置测量车辆速度时，
a)当第二激光雷达的倾斜扫描平面扫描对该车首次扫描获得的高度信息由低于阈值hc变化为高于阈值hc时，认为扫描到了该车辆的车头，该车的速度v＝(s2-s1)/(t2-t1)，其中，s1和t1分别为倾斜平面过扫描并计算获得车头的纵向位置和时刻，s2和t2分别为垂直平面过扫描并计算获得车头的纵向位置和时刻；
b)当第二激光雷达的倾斜扫描平面扫描对该车首次扫描获得的高度信息高于阈值hc，同时对该车最后一次扫描的下一帧扫描获得的高度低于阈值hc时，认为该车头部被遮挡同时并未遮挡后车，该车的速度v＝(s4-s3)/(t4-t3)，其中，s3和t3分别为倾斜平面过扫描并计算获得车尾的纵向位置和时刻，s4和t4分别为垂直平面过扫描并计算获得车尾的纵向位置和时刻；
c)当第二激光雷达的倾斜扫描平面扫描对该车首次扫描获得的高度信息高于阈值hc，同时对该车最后一次扫描的下一帧扫描获得的高度高于阈值hc时，认为该车头部被遮挡同时遮挡后车，该车的速度v采用其前车的测量速度或采用其前车和后车的测量速度的平均值。
进一步，如车辆跨道或变道行驶，优选所述第一激光雷达在不同车道上测量的宽度更宽的车道所对应的尾拍相机和前拍相机进行拍照取证。
进一步，所述车辆现场取证信息包括车辆的尾拍图像、前拍图像、侧拍图像和视频录像。
本发明提供的检测系统和方法可针对检测的车辆进行图像及视频信息采集，提供必备的取证信息，具体具有如下技术效果：
1)利用激光雷达扫描车辆的触发取证方式，具有简单、直观、精确、稳定(干扰小)、适应恶劣自然环境的特点；
2)作为顶装方式的激光雷达，可以精确的扫描过往车辆，结合本发明测量车辆速度的方法，可严格区分每辆车的驶入和驶离信息，提高了数据精度，降低了后期处理的难度；
3)利用激光雷达与称重设备匹配，便于从大量称重数据中查找匹配对应的车辆称重数据，避免数据处理时跟车距离过小引起的称重错误。
附图说明
图1是本发明提供的车辆超限系统硬件立体示意图，双向共4车道。
图2是本发明提供的车辆超限系统硬件俯视图，单向2车道。
图3是本发明实施例二中两车跟随且前车对后车无遮挡的示意图，其中图(a)激光雷达倾斜扫描平面能够扫到后车头部的示意，图(b)为后车头部经过激光雷达垂直扫描平面时刻示意。
图4是本发明实施例二中三车跟随且前车对中间车遮挡、中间车对后车无遮挡的示意图。
图5是本发明实施例二中三车跟随且前车对中间车遮挡、中间车对后车遮挡的示意图。
图6是本发明激光雷达扫描的车头车尾数据按照时间轴排列示意图。
图7是本发明压电式称重设备布置示意图。
图8是本发明中车辆跨道行驶经过激光雷达扫描平面的示意图。
图9是本发明中车辆变道行驶经过激光雷达扫描平面的示意图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
为了叙述方便，这里将车辆沿车道正常前进的方向定为纵向,在车辆运动平面内垂直于纵向的方向称为横向,垂直于运动平面的方向称为垂向。车辆沿车道正常前进方向(非逆向行驶)为前，与其相反的反向为后。
实施例一：
首先介绍本实施例的公路车辆超限检测系统，如图1所示，其包括沿车道行车方向间隔一端距离依次设置的后龙门架、中龙门架、前龙门架。这三个龙门架，每个高度约为6米，两两之间相距约20～30米。三个龙门架同时横跨n条车道，n的取值由公路所需测量的车道数目决定。该公路车辆超限检测系统还包括控制柜、影像采集装置、设置在中龙门架上的激光扫描装置以及在车道内预装的压电式称重设备。控制柜分别与影像采集装置、激光扫描装置和压电式称重设备通过lan或者rs485方式通信连接，接收影像采集装置、激光扫描装置和压电式称重设备通信连接的数据信息并控制其动作。
影像采集装置包括相机和视频球机。其中，后龙门架上安装尾拍相机，中龙门架安装激光扫描装置，前龙门架安装前拍相机、侧拍相机以及视频球机。尾拍相机、前拍相机均为与车道数目相对应的n部，每条车道对应一部前拍相机和一部后拍相机。同时，前拍相机和后拍相机优选位于所拍摄车道的中心的由纵向和垂向所组成的同一平面内。
每条车道的前拍相机面对中龙门架方向，向下倾斜15°～25°左右。尾拍相机面对中龙门架方向，向下倾斜15°～25°左右。侧拍相机和球机处于前龙门架的横向的一侧，面对中龙门架中心，向下倾斜15°～25°左右。前拍相机、尾拍相机、侧拍相机和球机的拍摄角度应能够抓拍完整的车辆信息为佳，具体角度可以根据安装具体情况进行调整。
本实施例中，激光扫描装置包括垂直扫描的第一激光雷达和倾斜扫描的第二激光雷达。垂直扫描的第一激光雷达设备顶装在每个车道的中央位置，扫描平面最大可能的垂直于车道方向。倾斜扫描的第二激光雷达顶装在同一方向的所有车道的中央位置，向车道行车方向后倾一定角度。测试试验结果表明，垂直方向的激光雷达扫描平面与地面垂直，偏差应控制在±5°；倾斜方向的激光雷达扫描平面与地面成一定倾斜角度，优选30°至60°。
上述系统工作过程和原理如下：当车辆行驶到达中龙门架附近，通过两个激光扫描平面时，激光雷达确认车辆到达时刻，记录车辆所在车道的相对位置，通过计算获得车辆行车速度和长宽高属性。同时，行车过程中，根据车辆驶入或驶离激光扫描平面，向相关车道相机发送信号，触发前拍相机和尾拍相机进行图像采集，在超限检测的同时，完成现场取证。同时，侧拍相机和球机可对车辆进行图像和视频信息采集，辅助完成对车辆的现场取证工作。
车辆照片抓拍的各设备连接方式：当车辆行驶到中间龙门架正下方时，垂直方向的激光雷达将扫描发现新车辆进入。激光雷达将扫描结果上报中央处理模块(控制柜内)，由中央处理模块分析后，选择向指定车道的前拍和侧拍相机发送抓拍信号(rs485方式通信)。当车辆驶离中间龙门架正下方时，激光雷达将扫描发现车辆离开扫描区域。激光雷达将扫描结果上报中央处理模块分析后，选择向指定车道的尾拍相机发送抓拍信号(rs485方式通信)。具体的通信协议，根据卡口相机的类型不同而有所差异，这里不再赘述。同理，当激光雷达发现车辆进入扫描区时，也触发过车视频的录像处理。当车辆离开扫描区时，下载并存储过车录像视频，作为后续超限执法的现场证据。
本实施例采用下述方式对车辆属性数据进行关联：
本发明在激光雷达精确扫描过往车辆的基础上，可以获得车辆通过垂直扫描区域的精确时间段，记为[t5，t6]。根据前述内容可知，利用此时间段能够精确关联匹配该车辆的所有属性数据：
a)车长、车宽、车高、车速、方向：均来自于激光雷达，可直接关联；
b)车重：由于车头一定在第一条车轴的前方，车尾一定在最后一条车轴的后方，故车辆的称重时间范围一定在激光扫描时间范围之内。因此，查找时间在[t5，t6]范围之内的称重数据即可与相应的车辆匹配；
c)前拍照片：前拍由t5触发，且每条车道使用独享的卡口相机，故查找时间在[t5，t5+△t]范围之内的照片即可，△t可根据相机处理抓拍的时间进行相应的配置；
d)侧拍照片：前拍由t5触发，考虑到相机是共享的，可能在时间段[t5，t6]范围之内触发多次抓拍，故不能直接通过查找时间在[t5，t6]范围之内的照片来车辆侧拍照片。由于侧拍相机是共享，多条车道在同一时间段可能会多次触发抓拍，但其抓拍的顺序一定与触发信号的顺序是一致的、固定不变的。因此，我们可以将触发侧拍的信号(包括车道编号、产生时间等)按产生时间有序保存在某一队列之中。当收到侧拍相机的抓拍照片后，按照其抓拍时间戳排序后与每个触发信号一一匹配即可实现车辆侧拍照片的关联。
d)尾拍照片：与前拍照片类似，查找时间在[t6，t6+△t]范围之内的照片即可，△t可根据相机处理抓拍的时间进行相应的配置；
e)视频录像：与前拍照片类似，查找时间在[t5-△t1，t6+△t2]范围之内的视频录像即可，△t1和△t2根据具体业务进行相应配置。
根据以上描述可知，所有设备的数据均以时间戳为唯一处理条件，故必须保证所有设备的本地时间相同，误差范围不应超过50ms。为达到这个目标，在控制柜中部署ntp时间同步服务，所有设备统一连接到该服务，实现时间同步的功能。现场取证获得以上数据后，即完全可以实现对非现场执法中出现的超限车辆进行相应的执法处理。
本实施例利用激光雷达扫描车辆的触发方式，其优势在于：简单、直观、精确、稳定(干扰小)。目前，很多方式是使用埋在车道内的地感线圈作为触发信号。地感线圈在没有调整到最佳位置的情况下，其错误触发的概率很大。由于各类型车辆的地盘高低又各不相同，同一个参数无法同时满足各类型车辆的精确检测。另一方面，线圈的调整又非常复杂，一旦出现故障，需要封闭车道、开挖道路，才能进行修复维护。因此，使用激光触发方式最大的优势即维护修复的方便性。其次，作为顶装方式的激光雷达，可以精确的扫描过往车辆，严格区分每辆车的驶入和驶离时刻，提高了数据精度，降低了后期处理的难度。最后，红外扫描激光雷达作为高科技智能传感设备，其抗干扰性非常好，极少受到外界因素影响，在恶劣自然环境下，同样可以精准测量，具备长期稳定工作的特征。
实施例二：
对于通过激光雷达测量车辆速度和长宽高属性这一技术主题，实施例二在实施例一的基础上优选采用如下方式进行车道行驶车辆的速度计算。
如图2所示，由于垂直激光平面和倾斜激光平面在近地的距离较为接近，可近似认为车辆通过这两个激光面是匀速的。这里不要求前后辆车的速度相同，即两辆不同车之间的距离可以逐渐靠近或者逐渐远离。对于前后车依次通过激光平面过程，如存在前车遮挡后车的情况，往往对后车速度的测量提出了较大难度和挑战。显而易见，对于倾斜扫描平面而言，如前车高度很高，后车距离前车距离较近的情况下，仅通过倾斜扫描平面扫描信息是难以辨别所扫描的对象是一辆车或是两辆车的。而通过垂直扫描平面对扫描对象的高度的显著变化，较为容易辨别是一辆车还是两辆车。在本技术领域，通过垂直扫描平面辨别此类特征属于公知技术，这里不进一步详细叙述。
本实施例中，设定一个有效性检测的高度阈值hc。倾斜雷达的倾斜角度设置、以及后车长度的条件满足，倾斜雷达至少能扫描到后车的尾部。考虑极限车辆前后尾随无限接近的情况，车辆长度也不能过于短小，被前车完全覆盖遮挡。当然，为了避免后车车头被遮挡的问题，可适当的调整调小倾斜扫描平面的角度。本实施例中，考虑到一般情况下，车辆长度至少为4米，设定车辆检测阈值hc为0.3米，当扫描偏移角为45°。对一般的前车车高极限往往在4至5米左右，因此本设定大部分情况下是合理的，适合于公路上的实际跟车情况。
基于上述车辆检测阈值hc、倾斜扫描平面的设定，有如下的车速测量计算方法：
第一种情况，如图3所示，倾斜扫描平面扫描的物体高度低于阈值hc时，即认为车辆前面无车辆或前车对后车的遮挡不影响倾斜扫描平面对后车长度方向的整体进行扫描。此时，车辆经过倾斜扫描平面，可以通过扫描并计算获得车头的纵向位置s1和时刻t1。车辆经过垂直扫描平面时，可以通过扫描并计算获得车头的纵向位置s2和时刻t2。根据两次车头的位移变化量和时间变化量，即可计算该车辆这段时间内的平均行驶速度：v＝(s2-s1)/(t2-t1)。
第二种情况，如图4所示，倾斜扫描平面扫描的物体高度不低于阈值hc时，认为前车对中间车造成遮挡，致使倾斜扫描平面无法对后车长度方向上进行整体扫描，而仅能扫描部分车身。也就是说，无法通过倾斜扫描获得中间车车头的位置和时刻来计算车速。但是，由于中间车的车尾并未遮挡后车，车辆经过时，倾斜扫描平面可以扫描获得中间车车尾纵向位置s3和时刻t3。从而，当中间车车尾经过垂直扫描平面时，扫描并计算获得车尾的纵向位置s4和时刻t4。根据两次中间车车尾的位移变化量和时间变化量，即可计算中间车这段时间内的平均行驶速度：v＝(s4-s3)/(t4-t3)。
第三种情况，如图5所示，车头被前车遮挡，车尾遮挡后车。当车辆与前后车之间的距离都非常近时，会出现车头被前车遮挡，车尾遮挡后车。此时，车辆经过倾斜扫描平面时，三辆车将会被认为是一辆车。这种情况下，当第一辆车通过激光扫描区域后，使用其速度作为第二辆车辆的近似车速值。当第三辆车也通过雷达扫描区域后，即第三辆车的车尾已通过扫描区域，且已计算出车速。此时，可以使用第一辆车和第三辆车的速度加权平均值作为第二辆车的近似估算。当然，对第三种情况进行引申，如果出现连续三辆以上车之间，头尾相互遮挡的情况，可以简化为上述三辆车的处理流程。
至于行车方向检测方面，由于车辆行驶通过检测路段时，需要经过两个激光扫描平面。因此，根据车辆通过的两个激光面的先后顺序，可以检测出车辆的行车方向，是属于逆行还是正常行驶。
现根据上述三种跟车情况的车速计算方法，结合两个激光扫描平面，给出以下的车速计算流程：
由于倾斜扫描在垂直扫描之前，故每辆车的车头或车尾数据，一定在垂直扫描平面对应的车头或车尾数据之前。两个队列中的车头、车尾数据按照时间轴排列如图6所示。准备两个队列q1和q2，分别用于存放倾斜扫描和垂直扫描所发现的车头和车尾数据。初始化清空两个队列；当倾斜扫描发现车头或车尾时，将该车头或车尾的扫描帧对应的时间戳tq和位置sq压入q1。由于车头和车尾之间的遮挡，倾斜扫描可能会丢失部分车头车尾的扫描数据；当垂直扫描发现车头或车尾时，将该车头或车尾的扫描帧对应的时间戳tc和位置sc压入q2。由于车头和车尾之间在垂直扫描时，不会出现遮挡，所以在垂直扫描队列q2中，车头和车尾的数据是完整的、交替的；由于倾斜扫描在垂直扫描之前，故每辆车的车头或车尾数据，一定在垂直扫描平面对应的车头或车尾数据之前。两个队列中的车头、车尾数据按照时间轴排列如下：
遍历队列q1和q2，按先入先出的顺序处理每个数据：
1)如果q2为车头，q1也是车头，则表明倾斜扫描和垂直扫描都发现了车头，使用这两个数据计算车速即可。
2)如果q2为车头，q1是车尾或者无数据，则表明倾斜扫描存在车头遮挡。此时，不再使用车头进行计算，而是等待q2中的车尾数据。
3)如果q2为车尾，q1也是车尾，则各自检查两个队列中相邻的车尾-车头时间段d1和d2的大小。若两个时间段大小接近，则表明q2和q1中的车尾是相互匹配的。根据这两个车尾数据计算车速即可。d1和d2的误差范围可以配置，建议设置为±5～10％。
4)若两个时间段大小差距较大，则可以认为是存在车头车尾的连续遮挡，导致倾斜扫描无法区分多辆车之间的车头和车尾。此时，使用前车车速估算当前车速值。直到：从q2中发现的车尾时间戳，能够与q1中的车尾相匹配为止。
5)当队列q1和q2中两个车尾数据相互匹配后，使用公式(sq-sc)/(tc-tq)计算车速值，并使其逐个与之前估算的车速值进行加权平均，调整中间遮挡车辆的车速估算值。
6)当队列q1和q2的车尾数据相互匹配后，将q1和q2中对应的车尾数据及其之前的数据全部弹出，表示这部分车辆数据已处理完毕。
在上述的计算车辆运行速度的基础上，可进一步对车辆长宽高三维尺寸进行测量。车辆长宽高的测量，其中车辆长度可有车辆速度与垂直方向上车辆的经过时间的乘积来计算获得，而车辆宽度和高度可由垂直方向的扫描帧进行计算即可获得。其计算属于本领域技术人员公知技术，这里不再详述。
实施例三：
实施例三在实施例一的基础上对压电式称重设备的布置进行了优化。将两排交叉配置的压电式称重设备嵌入式部署在车道上、位于中龙门架下方且位于第一激光雷达扫描平面前部。当车轮压过称重设备表面时，将会生成对应的压力信号，通过对压力信号的处理即可计算车辆的总体重量。
将后排的称重设备部署于激光平面和车道平面交线之前的原因如下：记车头触发激光扫描的时刻为t1，车前轮压上称重设备的时刻为t2，车后轮压上称重设备的时刻为t3，激光扫描结束的时刻为t4。由于车轮在车头之后，故激光雷达扫描车头时，车前轮还没有到达称重设备。同理，当车后轮压过称重设备时，车尾还没有离开激光扫描平面。故可知：t1<t2<t3<t4。
以此部署的优势在于：当车辆从称重设备通过后，称重设备生成一系列称重数据。在进行数据的集中处理时，中央处理模块可以很方便的根据激光雷达的起止时间确定一个车辆的范围。从而可以很方便的从大量称重数据中查找匹配对应的车辆称重数据。避免了在数据处理时因跟车距离过小而引起的错误。
在避免了车辆称重的时间差基础上，可以根据车辆的起止时间(激光雷达的扫描起止时间)，统计称重设备上报的过秤次数，从而得出车辆的轴数。
当然，在允许的条件下，如图7所示，还可以将两排称重设备拉开一定的距离d，通过检测每个车轮通过两排称重设备的时间差，计算车辆的瞬时速度，作为激光测速的补充。
实施例四：
在多车道的环境下，车辆通过超限检测路段时，可能不会按照既已划定的车道行驶。可能是跨线行驶，或者在经过激光扫描平面时变道。实施例提出了基于本发明硬件的处理方法。
如图8所示。当车辆跨线行驶时，通过两道激光扫描平面，都可以准确的定位车辆的位置和时间，故速度和长宽高的测量是有效的。由于感应式称重设备是交叉排布在整个道路，故跨线行驶车辆可以精准称重。过车视频录像是多车道共享的，故跨线与否没有影响。唯一有区别的是卡口相机，不同车道使用不同的卡口相机，目的是为了拍摄最佳角度，获得最佳视角的抓拍照片。考虑到每条车道的宽度在3.5米，卡口相机拍照时距离车辆的距离约为龙门架之间的距离(20～30米)，故选择车辆车身偏移更多的那条车道对应的卡口相机，是完全可以保证抓拍车辆的完整性的。
所以，当车辆经过垂直的激光扫描平面时，根据两条车道的激光雷达扫描的车辆宽度值，可以对比车辆更偏向于哪条车道。以此，即可判定那个卡口相机对车辆进行正面抓拍，完成取证。
同理，对于变道行驶车辆，也可以如此处理。如图9所示。当车头进入垂直扫描平面时，根据车头所在车道的位置，判断使用哪条车道的前拍相机进行抓拍；当车辆变道后，车位离开垂直扫描平面时，根据车尾所在车道的位置，判断使用哪条车道的尾拍相机进行抓拍。以此完成对车辆最佳照片的抓拍。由于抓拍过程中需要区分车头和车尾，因此中央处理单元在控制卡口相机的抓拍时，应保留对应车道和相机的关联映射关系，以方便照片和车辆之间的关联。具体的实现方法与正常情况下侧拍相机的处理逻辑类似，不再赘述。
本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，如除了实施例一和实施例二中描述的低温板组件的结构外，在公知范围内也可以选择其他形式的低温板结构形式。这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。