道路隱形指示標志的需求與創新

張曉春 陸昕彤 胡鍵涵

摘? 要：為進一步推進車輛自動駕駛與道路基礎設施的智能化聯系，高性能可靠的智能頻段識別道路標志已成為交通基礎設施研究者和建設者關注的重點。針對現行道路標志對自動駕駛影響的氣象環境和交通環境的敏感性缺陷及標線材料污損性，該文定義并設計一種隱含于路面結構中的新型道路隱形指示標志，提出路面結構中道路隱形指示標志的布設方式，能夠整體提高交通標志的使用壽命，對智慧交通領域的研究具有重要意義。

關鍵詞：隱形指示標志；自動駕駛；智慧交通；創新應用；電壓

中圖分類號：U417.9? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）08-0005-07

Abstract： In order to further promote the intelligent relationship between vehicle autopilot and road infrastructure， high-performance and reliable intelligent band recognition of road signs has become the focus of traffic infrastructure researchers and builders. In view of the sensitivity defects of the current road signs on the meteorological environment and traffic environment and the contamination of marking materials， this paper defines and designs a new type of road invisible indicator sign hidden in the pavement structure. It is proposed that the layout of invisible road signs in the pavement structure can improve the service life of traffic signs as a whole， which is of great significance to the research in the field of intelligent transportation.

Keywords： invisible sign; autopilot; intelligent transportation; innovative application; voltage

自動駕駛技術是未來道路交通的重要關鍵技術，車輛所在車道的識別是自動駕駛技術的一大基石。對于道路隱形指示標志的合理使用，可有效彌補現有道路顯形標志標線存在的問題，提高交通標志的使用壽命，完善了智慧交通領域的基本組成。

1? 交通標志的發展歷程

交通標志起源于德國，距今已有80多年的歷史。在早期西方工業社會，道路邊線的設計和涂劃相對簡單，交通管理部門僅在道路上施劃中心線及人行橫道線。自西方工業社會經濟危機結束至第二次世界大戰全面爆發前，道路交通快速發展，這一時期的道路已有同向多車道，交通管理部門通過涂劃道路交通標志起到分隔車道的作用，從而保障同方向行駛車輛安全。隨后，標志由最初的單實線逐漸補充了虛線和雙實線，標志的顏色也從單純白色到現在的白、黃、紅和藍等顏色。

2? 現有交通標志的缺陷

近年來，隨著交通事業的蓬勃發展和對出行體驗、道路運輸效率的重視，人們對道路標志的要求逐漸提高，而伴隨著自動駕駛及相關智能化產業的飛速發展，能否準確、快速地識別道路標志，并基于識別結果引導駕駛行為，日趨成為交通安全的重要前提?，F有交通標志是基于可見光頻譜內的人眼（攝像系統）識別的標志，即顯形交通標志。當前道路車道識別技術依賴于路面標志線的識別，包括車道標志線、交通標志線等。目前，現行道路交通標志線，其性能是得到了充分驗證的，也成為了道路交通的一大基本要素。但現有道路標志線難以克服以下幾個問題。

2.1? 氣象環境影響

標志標線受霧氣、雨水、冰雪、霧霾和沙塵等氣象影響服役性能大幅下降。交通標志正常服役的基礎是可識別性，在可見光視覺感知條件下，無論是駕駛員可識別還是人工智能可識別，都需要標志標線的完整、清晰和連續可視。而受惡劣氣象環境影響，駕駛員和圖像識別系統無法視覺觀測到道路前方連續清晰的道路表面顯形交通標志標線及視覺區域范圍內的交通標志標線，這對于交通安全是一巨大隱患[1-3]。

2.2? 復雜交通環境影響

主要受一定范圍其他車輛遮蔽和阻擋的視覺感知，如城市道路中前方公交車對隨后小型車的視覺遮擋，跨線車輛對后方攝像頭和其他傳感器的影響。在復雜車流環境下，高精度和低延遲就成為了首要的自動駕駛需求[4-6]。

2.3? 標志線工作狀態的影響

標志線的污損及材料老化導致交通標志線服役壽命不足。交通標志正常服役的另一大基礎是連續性和服役期與有效壽命匹配?，F有交通標志線在實際工作環境中，其壽命往往低于道路面層，需要反復涂劃，既影響交通通行，又增加了道路養護費用，同時降低交通安全[7-8]。

因此，亟需一種不受交通載荷和路面環境影響且長壽命的新型道路標志。同時，隨著基于各類傳感器的計算機識別技術的高速發展，使得滿足自動駕駛需求的新型標志及識別系統已成為可能。

3? 道路隱形指示標志的創新設計

3.1? 道路隱形指示標志的基本定義

道路隱形標志是一種埋設于道路上面層之下，可以被車輛感知的交通標志。相比于現有的涂劃于道路表面的道路標志（顯形道路標志），埋設在道路面層之下的交通標志不可被人眼感知或圖像識別，因而命名為道路隱形標志。道路隱形標志的識別方式為傳感器識別，傳感器在完成識別后，可直接將電信號轉化為數字信號并引導自動駕駛?，F有道路標志采用的識別技術路線為：首先通過視覺或視覺仿生傳感器獲得路面標志的圖像，通過駕駛員或圖像處理手段獲得圖像信號，再將獲得的圖像信號轉化為數字信號或電信號，進而對駕駛行為進行決策，最終表現為一般的駕駛行為；道路隱形標志則直接獲得路面以下的信號，將其轉化為電信號或數字信號，并傳遞給駕駛員或直接接入自動駕駛的數據庫進行決策，最終也表現為一般的駕駛行為。道路隱形標志與顯形標志的明顯區別在于無須進行圖像識別，從底層邏輯優化了道路標志的信號轉化，提高了響應速度。

3.2? 道路隱形指示標志的幾何設計

為了確保道路隱形指示標志的基本定位能力，其幾何特性是最重要的設計指標。圖1展示了道路隱形指示標志設計過程中最基本的5個幾何特征：標志的數量（N）、標志的長度（L）、標志的寬度（W）和同一組道路隱形標志塊內部各標志的間距（D）和相鄰組道路隱形標志塊外部的標志間距（M）。通過與行駛速度和步進頻率測試方法的耦合，可以完美匹配獲取上述幾何特性，這為后續精確定位提供了基礎。在這種設計方案中，所有標志都設置在行車道的中間，其目的是確保所有類型的汽車都能識別這些信息。同時，幾何設計的總寬度不宜過大，以便提高傳感器與車輛耦合過程中的適配性。上述5個基本的幾何特征可以滿足對車道寬度、車輛位置和行駛速度的要求。同時，道路隱形標志檢測系統對編碼的基本要求是確保信息密度。如圖1所示的道路隱形指示標志幾何設計方法，其編碼具體方式為存在性編碼，即所在位置是否具有可識別的標志，具有可識別性則輸出1，不具有可識別性則輸出0，則在標志數量設計為8時即可形成一個八位二進制編碼。利用八位二進制編碼的不同組合形式可以有效進行車道導向和地理位置導向（表1）。

（a）? 道路隱形指示標志設計的立面圖

（b）? 道路隱形指示標志設計的平面圖

目前使用的道路交通標志的總數還比較少，這使得八位編碼可以有效地表示現有的交通標志。通過道路隱形指示標志的設計和使用，將有效提高自動駕駛的駕駛行為決策的效率，從而提高復雜環境下的道路行車安全。

對比現有顯形道路標線所存在的老化開裂、易磨損、雨夜反光性不足和振蕩標線失能等安全隱患，道路隱形標志的一個顯著特點是具有長壽命性。其布設原則是將道路隱形標志置于上層路面之下，該設計目標是保證道路隱形標志能夠被檢測到，同時又得益于上層路面的保護，有效地延長了道路隱形標志的使用壽命。從理論上講，道路隱形標志的使用壽命和上面層的使用壽命基本相同。進而，道路隱形標志可以延長交通標志的使用壽命，避免現有顯形道路存在的因標志性能下降而導致交通安全隱患的問題，進而提高道路交通安全和通行能力。

3.3? 道路隱形指示標志的材料設計

道路隱形指示標志的具體涂劃材料應當經過反復多次的材料試驗決定。本文提出基于瞬變電磁法（TEM）測試時的材料關鍵屬性。TEM測試感應電壓V算法如下

V（t）=， （1）

式中：k1為常數；I為發射電流；q為線圈面積；σ 為介質電導率；t 為時間。

而TEM測試過程中一次場的傳播τ速度為

？子=2？仔， （2）

式中：ρ為均質介質的電阻率；μ0為介質的磁導率，在空氣中等于 4 π×107 h/m；t為瞬時場的擴散時間。

上述公式表明，檢測的具體內容與被穿透層的電導率、電阻率和磁導率密切相關?，F有的研究表明，瀝青材料的介電常數[9]約為 2.8～3，而瀝青混凝土材料的介電常數[10-12]為4.5～8。金屬材料的介電常數與瀝青混凝土的介電常數明顯不同，因此可以產生一個明顯的感應電場（二次場）?；驹韴D如圖2所示。

3.4? 道路隱形指示標志的檢測與識別

道路隱形標志的識別精度和速度是整體設計的關鍵點?，F有技術表明，三維探地雷達（3D Ground-Penetrating Rader， 即3D GPR）在識別異介質層的形狀和深度的能力是卓越的[13]，這為道路隱形指示標志的探測提供了高可行性；同時，經過一系列的初步技術驗證，電磁探測設備也具有探測金屬介質或其他可以激發二次場介質材料幾何特性的性能，電磁探測設備主要采用的探測方法包括瞬變電磁法（TEM）、平衡線圈法（Balanced Coil， BC）等。相比于探地雷達，電磁檢測的方法更具有經濟性，但其精度受地下介質的復雜程度、設備的靈敏度等因素的影響，因此，需要通過不斷實驗來優化提高電磁檢測的精度以滿足不同場景下的特定需求。兩者的設計檢測方法如圖3所示。

三維探地雷達（3D GPR）的基本組成包括發射天線、接收天線和圖像處理設備，其工作原理是：利用發射天線發射電磁波，由于不同層間的介電常數不同，其層與層之間會發生反射和折射，再通過接收天線接收這些返回的回波（A-掃描信號），并對回波進行數據處理后形成B-掃描圖像，即完成了對不同目標的探測、識別和定位工作。其工作原理如圖4所示。

（a）? 三維步進探測方案

（b）? 探測器具體排布方案

相比于普通的探地雷達（GPR）技術，三維探地雷達（3D GPR）具有下述更突出的優勢。

1）雷達信號源輸出的頻率分量可以精確控制，而且每個頻率分量的能量相等。

2）通過控制雷達主機的信號帶寬，可以有效抑制噪聲，從而提高靈敏度。

3）探地雷達信號是一種頻域信號，可以方便地應用頻域的信號處理方法進行數據分析，100 MHz～3 GHz，可由用戶根據需求設定，同時兼顧探測深度和高分辨率的需要。

同時，在三維GPR方法中采用了階梯式頻率脈沖測試方法。階梯式頻率脈沖是指GPR的工作頻率以階梯式方式進行，GPR發出的信號從起始頻率（f. start）到終止頻率（f. stop），在一個掃描周期內的頻率間隔Δf，而其工作帶寬B和頻率間隔Δf為

， （3）

式中：B為工作帶寬；f. start為起始頻率；f. stop為終止頻率；Δf為頻率間隔；N為步進頻率次數。

同時，使用數字頻率信號源代替傳統的鎖相循環，步進頻率的三維探地雷達可以產生0.5～10 ms的掃描周期，包含1 500個從100 MHz～3 GHz不同頻率的信號。由于步進頻率的三維探地雷達是一個同相位接收器，保證了整個掃描周期的信號在毫秒內可以被完全利用。同時，步進頻率掃描技術可以通過編程以控制測試性能，針對不同的測試目的，使用不同的頻率范圍來控制整個頻譜。步進頻率信號模型如圖5所示，初始頻率f0，步進頻率為Δf，第n個時間段的頻率為f0+（n-1）Δf。

與三維探地雷達技術相比，電磁探測技術采用不同磁通量對應于不同的電磁場的基本原理，其突出優勢在于其成本低。瞬變電磁法（TEM）和平衡線圈法（BC）是電磁探測技術采用的2種主要探測方法，2種探測方法應用于道路隱形標志方面各有優劣勢。

瞬變電磁法（TEM）也稱時域電磁法（Time Domain Electromagnetic Method）。瞬變電磁法共使用2個線圈進行接收，一個為不接地的返回線圈，另一個為恢復線圈。不接地的回流線圈發射一個脈沖電場（主場）來激發被測物并產生一個二次場?；謴途€圈接收二次場在發射脈沖之間的時間變化。通過分析接收到的二次場數據，可以確定異常電場的位置，從而發現該物體。瞬變電磁法工作示意圖如圖6所示。

平衡線圈法的工作原理如圖 7 所示。發射線圈和接收線圈在自下而上的方向上相互平行排列。一對雙胞胎接收線圈使用平衡差分連接到一個差分放大器電路。當沒有金屬時，發射線圈的磁場在雙子接收線圈中感應出大小相等但方向相反的電動勢。這導致感應電動勢相互抵消，接收線圈的磁場處于平衡狀態。當金屬物體進入磁場范圍時，電磁感應在金屬內部產生感應電勢，產生渦流，從而激發變化磁場。由于金屬物體相對于2個接收線圈的位置不同，接收到的信號信息也有所不同。差分電路輸出的電平信號反映了金屬的大小和特性。2個接收線圈接收到的信號的振幅和相位根據金屬物體的位置、大小、導電性和滲透性而變化。這種振幅和相位信息被用來探測和區分金屬異物。與瞬變電磁法相比，平衡線圈法的探測深度較淺，但可用于大面積區域的快速探測。

4道路隱形指示標志的應用與前景

4.1檢測預期結果

三維探地雷達技術通過對不同探測方法的原理和技術發展狀況進行預估，將具有更高的預期結果或期望值。通過讀取編碼信息并將電信號轉換為數字信號，這一結果可以直接寫入自動駕駛的駕駛行為決策數據庫中。同時，三維探地雷達技術的檢測結果也將通過中央處理器傳輸到用戶界面，以引導駕駛員的行為。

瞬變電磁法、平衡線圈法等方法通過探測上面層下部的異質材料，進而獲得信號振幅以得到相對應的道路隱形標志。探測過程中將多個探測器以固定排列方式耦合，可以檢測整個行車道范圍內的信號振幅變化。通過將圖8（a）所示的頻率信號轉換為圖8（b）所示的電平信號，可以有效地獲得關于標記存在的信息。車輛前進速度和探測周期的組合可以測試長度，結果如圖8（c）和8（d）所示。瞬變電磁法和平衡線圈法可以有效地降低設備成本，同時為整個系統的簡便化提供更為可靠的技術路線。

4.2? 布設位置預期成果

道路隱形標志的結構設計采用了保護層設計的概念，如圖9所示。上層路面設計為保護層，以保證現有道路標線和道路隱形標志同時存在。瀝青混凝土路面上層的設計壽命不低于5 a，維護周期為2～3 a。道路隱形標志的設計是與上層路面同時更換。根據彈性層體系理論和基本假設，鋪設在上層下面的道路隱形標志材料幾乎不會被損壞，為其長壽命提供了理論依據。道路隱形標志系統整體設計模型示意圖如圖10所示。利用道路隱形標志幾何布設對應的八位二進制編碼進行車道和相關經緯度等地理位置的布設，通過現有GPS定位作為對應位置的確認以確保道路隱形標志布設位置的準確性。

圖9? 多傳感器耦合定位示意圖

圖10? 道路隱形標志系統整體設計示意圖

4.3? 綜合應用前景

關于自動駕駛中的車輛定位的研究，各課題組都在快速展開并有效進行。既往研究表明，車輛的精確空間定位需要多個傳感器之間的協作。本文描述的道路隱形標志為車輛定位提供了一種新形式的基礎設施支持，其提供了超越現有標線系統的車道間的精確定位和交通規劃潛力。道路隱形標志體現了一種新形式的預感設計，通過提前編寫道路交通指令來規劃前方路線，并通過連續檢測為自動駕駛提供連續的交通信息?，F有的標線系統受其視野的限制，不能有效地預測前方的情況，因此道路隱形標志更適合未來的發展。

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