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■陈冬青
（福建省福泉高速公路有限公司，福州 350000）
道路标线是公路向其使用者传递信息的窗口，是表达道路规范化信息、服务疏导交通方式的重要基础设施之一[1]，对提高道路通行能力，改善交通流状态都具有非常重要的作用，广泛应用在公路交通领域。
在组成道路标线的所有技术指标中，逆反射亮度系数（标线光度性能）是最重要的一项指标[2]，能直接反应标线可视性能的优劣。
RP-MR11 车载式标线逆反射测量仪可在不封闭道路交通的情况下，实现以正常车辆行驶速度对道路标线逆反射系数的检测，具有检测效率高、检测样本覆盖全、检测环境安全等优点。
其测量值可与手持式标线逆反射测量仪相当， 并能提供道路标线状况的全景影像，检测数据能绘制标线养护地图、标线资产管理地图等，解决了传统标线逆反射测试仪占用人力、效率低、且抽样检测样本覆盖不足、检测环境不安全等问题，是标线施工单位、检测单位、养护单位掌握标线质量数据的设备。
但由于RP-MR11 车载式标线逆反射测量仪采用的是GPS 定位，而低频GPS 导航精度为20 m[3]，不能反映车辆运行实际轨迹，且易导致车载式标线自动化测试数据定位精度不足， 无法准确反映标线逆反射亮度系数沿道路的变化， 从而影响标线养护决策。
因此本研究将高精度定位系统应用在车载逆反射测量仪上，以精确估计标线逆反射亮度系数在地图上的对应位置，从而使路线桩号与车载式标线自动化测试数据准确匹配对应。
1.1 仪器简介
RP-MR11 车载式标线逆反射测量仪（图1）安装于车辆一侧，包括：主机（主机包括红外激光光学测量系统、测量仪控制系统、行车影像记录系统、测量仪高度/侧倾补偿系统、GPS 定位天线）、计算机辅助算法处理系统、纵向轮距仪测量等。
其工作原理是通过模拟驾驶员观测道路标线，收集经道路标线反射的激光调制解调器调制发射的激光，从而计算标线的逆反射亮度系数，即RL值。
图1 RP-MR11 车载式标线逆反射测量仪
1.2 系统特点
该系统的主要特点包括：（1）测量仪安装初始化时可实现自动角度校准；
（2）测试全程可自动识别标线宽度；
（3）测量仪可根据检测数据系统能绘制标线养护信息地图，结合全程道路标线的全景影像信息可视化不同道路环境下的标线逆反射亮度系数，最重要的是除冰雪、积水等恶劣天气外，测量仪可以全天候不间断工作；
（4）测量仪软件系统地图数据实时更新；
（5）采用12 位灰度线阵相机进行高精度脉冲激光测距；
（6）可使用便携式笔记本电脑进行数据采集；
（7）测量仪外观小巧，安装拆卸轻便快速；
（8）支持超大容量数据存储、拓展和导出；
（9）支持超大容量充电，可满足测量仪连续工作，并完成300 km 测试，也可以接入汽车电源系统，满足续航要求。
2.1 提高定位精度的方式
目前，提高车辆导航系统的定位精度可从2 种方式入手[4]（图2）。（1）提升导航系统的硬件设备，如选择合适的导航卫星，提高定位的实时性和定位精度，优化卫星接收机等方式；
（2）利用地图匹配技术[5]，尤其是与高精地图的匹配，以修正卫星定位误差。
前者技术要求高、成本大，实施起来需要一定的技术和资金支持， 但其却是解决问题的根本所在；
后者主要通过软件进行修正，把通过卫星导航获取的车辆轨迹数据进行纠错处理，使其与电子地图或高精地图的公路线位匹配一致。
图2 定位修正技术
市场上低、高精度定位系统的主要区别在于传感器（IMU、GNSS）的精度等级不同[6]。
因此，本研究将采用第一种方式提升导航系统的硬件设备，将高精度定位仪器集成在RP-MR11 车载标线逆反射测量仪上，从根本上优化车载式标线自动化测试数据的定位修正技术。
2.2 高精度定位修正技术的确定
整个高精度定位修正技术框架如图3 所示，系统由硬件及其相关配套的软件和算法构成，各种组合解算算法在导航领域都已有很多思路和方法[7]，因此本文不在此做过多的介绍。
图3 高精度定位修正技术框架
全球卫星导航系统国际委员会公布的全球4 大卫星导航系统供应商为：美国的GPS、中国的北斗BDS、 俄罗斯的GLONASS 以及欧盟的GALILEO[8]。其中GPS 和BDS 已在我国已取得广泛应用，各有优缺点。
GPS 属于被动定位、安全隐蔽，可同时为所有的接收机提供导航定位信息，但其成本高，定位时需要的卫星数量比较多， 关键各个接收机之间不能互相通信，限制了用户的使用；
BDS 的主要优点是成本低，导航定位时需要卫星数量相对比较少，且各接收机之间还可以通过卫星直接进行通信， 此外还有选择性的服务，可以选择用户并为其提供信息反馈服务，但由于其是主动定位，导航定位时需用户机先发送请求给卫星，只有卫星接收到用户机信息并作出响应后才能定位，这样用户信息容易暴露，且若用户过多，很可能导致信息阻塞。为提高车载逆反射测量仪的定位精度， 故其高精度定位方案采用集成GPS 和BDS 优势的高精度全频点GNSS 双天线。
卫星导航与惯性导航能优势互补。
一方面，惯性导航中的速度姿态角能更好地辅助卫星导航系统[9]。
另一方面，卫星导航会受到林木、隧道、电磁干扰等，会导致车载逆反射测量仪导航模块无法接收卫星信号，造成卫星导航短期失效，此时就需要惯性导航INS 来弥补。
但惯性导航INS 会产生累计误差，这就需要将两者整合起来，取长补短。
卫星导航长时间检测无累计误差，这个特性可以很好地矫正惯性导航INS 长时间测试所产生的累计误差。
当卫星导航信号比较弱的时候，或者被林木、隧道、高程建筑遮挡，或者被电磁干扰的时候，可以利用惯性导航INS 短时间的高精度的定位信息校正卫星导航信号缺失和受干扰的定位信息，使得行车定位信息相关数据更加准确[10]。
3.1 高精度定位系统的设计安装
从应用的角度考虑，RP-MR11 车载标线逆反射测量仪在选择高精度导航系统时需考虑以下2个方面，以实现对车辆位置信息的位置获取。
（1）服务端—选择不同的卫星（相当于选择不同的导航系统，例如：BDS/GPS），并集成惯性导航IMU；
（2）用户端—导航硬件选择，如选择导航不同品牌的导航芯片和模块。
综合考虑后期标线养护工作的开展及相关科研的开展，RP-MR11 车载标线逆反射测量仪定位导航系统（图4）选用高精度全频点GNSS 双天线， 它在整个带宽内性能一致 （增益、 轴比、PCV和PCO），集成在导航定位接收器（蘑菇天线）中并安装在车顶， 除安装座外其他方向均无任何遮挡，其安装使用时安装位置可根据具体车辆再做决定，使整个GNSS 频率范围内提供最低的轴比（地平到地平，所有方位角内）。其中的惯性导航IMU 提供精确、可靠的航向角、俯仰角和横滚角，凭借双天线输入，mosaic-H 可提供精确、 可靠的卫星导航定位坐标， 同时辅以RTK 差分定位和SBAS 星基增强技术。
此接收器不仅封装紧凑，还具备双天线导航定位能力，体积小、功耗低。此外，此接收器采用AIM+技术，内置RF 采样系统、抗干扰机制以及防欺骗系统，AMI+可以抑制来自自动化设备或电子装置辐射的GNSS 干扰信号，缩短设定时间，确保接收机连续稳健的运行。
安装在车载标线逆反射测量仪上的处理器模块采用Intel 奔腾N4200 四核心四线程处理器处理、传输数据，处理速度快，且功耗低，确保定位的实时性。
高精度导航定位系统主要用来采集定位信息，系统安装后车载标线逆反射测量仪水平定位精度可达cm 级， 车辆行驶中能够获得道路车道级的导航定位信息数据。
图4 RP-MR11 车载标线逆反射测量仪高精度定位系统的设计安装
3.2 高精度定位系统工控端数据交互方式
高精度定位系统工控端信息采集有2 个定时器触发，如下：（1）高精度导航定位信息定时器——下位机， 同时触发线阵相机数据采集，4 ms 间隔时间；
（2）传感器采集信息定时器——上位机，由上位机检测温度电量等，并通过人机交互界面向用户展示。
整个车载表现逆反射测量仪系统上电后，在高精度定位模块采集高精度车辆位置信息的参与下，下位机采集表现逆反射亮度系数数据、上位机工控端数据进行合并处理后，最终显示给用户，数据交互方式具体参照图5。
图5 高精度定位系统工控端数据交互方式
3.3 高精度定位系统导航误差
为验证高精度定位系统导航误差，分别测试了高精度定位系统的动态、静态误差。
（1）动态误差：如图6 所示， 圆的半径为25 cm， 延长天线的连接线，将高精度定位系统绕固定圆心，并以延圆弧线低速（步行）移动画圆打点，测试可知高精度定位系统误差小于20 cm。（2）静态误差：如图7 所示，圆的半径为1 cm，将天线静置于一点，查看采集高精度定位系统在系统中的坐标点，结果显示导航定位均在圆内，即定位误差小于2 cm。
图6 高精度定位系统动态误差
图7 高精度定位系统静态误差
RP-MR11 车载标线逆反射测量仪高精度定位导航系统定位误差达到cm 级， 可精确记录地图指定位置的标线逆反射亮度系数，反映实线路线桩号与车载式标线自动化测试数据对应关系。
采用高精度定位导航系统的RP-MR11 车载式标线逆反射亮度系数测量仪对G15 福泉高速福州收费站——镜洋收费站普通标线逆反射亮度系数进行采集。
测试车到达起始标记位置时开始测量并记录数据，到达终点标记位置时停止测量和记录数据，实时存储数据，某一标线测点数值15 m 内采集平均值，采用车载式逆反射连读系数测量仪进行3 次测试，排除异常数据（逆反射亮度系数超过该段测量均值10%）后，取3 次测试数据的算术平均值记为该点的逆反射亮度系数。
得到车载静态与手持设备静态测试数据对比结果如表1 所示（部分数据范围：K0+400～600）。
该路段9 组车载动态与手持设备静态测试数据平均误差－0.7%，最大误差－3.24%，误差均不超过5%，说明在误差允许的特定条件下， 说明使用RP-MR11车载式标线逆反射亮度系数测量仪进行标线逆反射亮度系数数据采集是可行的。
表1 高速普通标线车载动态与手持静态测试数据对比
对采集数据进行可视化处理，若设定逆反射亮度系数小于40 mcd·m-2·lx-1标定为不合格，大于150 mcd·m-2·lx-1标定为良好，40～50 mcd·m-2·lx-1之间标定为合格， 可得到逆反射亮度系数的分布图，具体如图8 所示。真实地反映标线逆反射亮度系数沿道路的变化情况，对标线养护决策有着重要的意义。
图8 逆反射亮度系数的分布图
将高精度导航定位系统应用于车载逆反射测量仪，提高车载式标线自动化测试仪定位精度，充分反映标线逆反射亮度系数与公路标线的对应关系，对标线性能做出相应判断，进一步可深化标线逆反射系数衰变和公路线形指标、交通量、降雨、日照等关系的规律研究，在提高道路标线使用寿命同时，提高道路交通安全。
我国有庞大的公路网络，并且每年仍在以两位数增长，车载标线逆反射亮度系数测量仪具有广阔的应用前景；
新的标线逆反射亮度系数智能检测方法与信息化管养技术融合后，可使公路路面标线管养大为简化， 从而较大幅度地提高标线管养效率，降低标线管养成本，具有较大的市场需求和应用前景，对于推动我国的公路路面标线管养发展具有十分重要的意义。
