基于GIS的高速公路監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用研究

張 強(qiáng)，楊澤平

(1.重慶高速公路有限公司;2.西南交通大學(xué))

1 引言

高速公路的建設(shè)情況可以反映一個(gè)國(guó)家和地區(qū)的交通發(fā)達(dá)程度乃至經(jīng)濟(jì)發(fā)展的整體水平，車速、交通量、通行能力是高速公路設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，三者之間又是互為因果，我國(guó)高速公路建設(shè)在起步階段時(shí)其交通流量一般遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)容量，同時(shí)對(duì)高速公路的監(jiān)控也存在明顯的不足。然而隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，我國(guó)許多高速公路已經(jīng)開始出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象，與此同時(shí)隨著通車?yán)锍痰牟粩嘣黾樱咚俟钒l(fā)生災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)也隨之加大，表明對(duì)高速公路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的研究和應(yīng)用有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

現(xiàn)階段，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在高速監(jiān)控方面已經(jīng)奠定了堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)，并在實(shí)踐中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但是，其發(fā)展模式并不適合我國(guó)國(guó)情，而我國(guó)高速公路監(jiān)控技術(shù)處于蓬勃發(fā)展階段，伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)和地理信息技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于融合了圖形編輯、資料管理、地理查詢、輔助決策等全方位管理功能的監(jiān)控系統(tǒng)的研究和應(yīng)用有著重要的現(xiàn)實(shí)和理論意義，地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡(jiǎn)稱 GIS)為解決這一問題提供了一條有效途徑。

地理信息系統(tǒng)是人類生存、發(fā)展、進(jìn)步密切相關(guān)的一門信息科學(xué)技術(shù)，其主要特征是儲(chǔ)存、管理、分析、與位置有關(guān)的信息，是空間信息科學(xué)的重要組成部分，其被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)管理、規(guī)劃建設(shè)等領(lǐng)域，交通信息與地理信息的同源關(guān)系使得GIS在交通領(lǐng)域得到開發(fā)應(yīng)用?；诖耍疚挠懻摳咚俟繁O(jiān)控系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)，然后探討基于Super-Map Objects組件式開發(fā)的可視化監(jiān)控平臺(tái)，最后對(duì)全文作了簡(jiǎn)要總結(jié)。2 高速公路綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 高速公路綜合監(jiān)控開發(fā)方式

將GIS系統(tǒng)應(yīng)用于交通監(jiān)控系統(tǒng)中符合綜合自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)，GIS與監(jiān)控系統(tǒng)一體化的根本目的是實(shí)現(xiàn)二者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，而實(shí)現(xiàn)GIS與監(jiān)控系統(tǒng)集成一體化的方法主要有:(1)在監(jiān)控系統(tǒng)中集成GIS的功能，但開發(fā)功能有限，且與信息管理系統(tǒng)的銜接很不方便;(2)在GIS中集成監(jiān)控系統(tǒng)的功能;(3)通過數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)集成;(4)組件化方式;采用組件化模式，較好的實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)和GIS系統(tǒng)圖形、數(shù)據(jù)顯示的一體化問題，可以方便地嵌入到通用的開發(fā)環(huán)境和很好地滿足要求實(shí)現(xiàn)的功能，本文所探討的高速公路監(jiān)控系統(tǒng)就是基于組件式設(shè)計(jì)模式進(jìn)行開發(fā)。

2.2 高速公路管理與信息化系統(tǒng)模式

高速公路監(jiān)控系統(tǒng)由地面數(shù)據(jù)采集控制服務(wù)，通信接口裝置，區(qū)域管理監(jiān)控站點(diǎn)，路用機(jī)電控制設(shè)備及高速公路綜合監(jiān)控軟件組成，高速公路監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)地理范圍分布很廣的系統(tǒng)，從監(jiān)控中心的硬件設(shè)備到高速公路沿線布設(shè)的一系列外場(chǎng)設(shè)備，都必須進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)的管理。文中探討的高速公路監(jiān)控系統(tǒng)是基于C/S架構(gòu)的分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，由區(qū)域總中心和路段分中心的多級(jí)分層的分布式構(gòu)架。相應(yīng)地，其軟件也包括總中心和分中心兩類監(jiān)控系統(tǒng)?；诮y(tǒng)一管理、降低成本、提高效率的要求，一般高速公路監(jiān)控管理系統(tǒng)由:區(qū)域監(jiān)控管理中心、區(qū)域監(jiān)控管理分中心的模式構(gòu)建，區(qū)域中心為監(jiān)控調(diào)度總中心，其權(quán)限在于可以監(jiān)控整個(gè)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備和對(duì)分中心進(jìn)行管理，其管理模式如圖1所示。

圖1 高速公路管理模式

監(jiān)控系統(tǒng)分中心負(fù)責(zé)所轄路段的日常交通管理，實(shí)施道路設(shè)備的監(jiān)視與控制職能，另外還需要向上一級(jí)區(qū)域監(jiān)控中心上傳監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，為區(qū)域管理決策提供信息和數(shù)據(jù)。并與相關(guān)路段、隧道監(jiān)控系統(tǒng)交換信息，對(duì)實(shí)時(shí)信息進(jìn)行有效的發(fā)布，高速公路區(qū)域分中心是交通信息化建設(shè)的基礎(chǔ)站，其管理區(qū)域構(gòu)成如圖2所示。

圖2 高速公路分中心管理結(jié)構(gòu)

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

基于SuperMap Objects組件式的可視化監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)，組件式GIS是由一系列可拆分、可協(xié)作、可裁減的GIS組件構(gòu)成的具有高度伸縮性的GIS軟件平臺(tái)。對(duì)于同一規(guī)范的各種組件可以實(shí)現(xiàn)其無縫集成，可以使用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)組件與GIS組件協(xié)同實(shí)現(xiàn)監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)的功能從而形成緊湊的、一體化的可執(zhí)行程序。

系統(tǒng)在管理分中心的應(yīng)用軟件主要由數(shù)據(jù)采集與通信、電子地圖檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析、設(shè)備用戶管理、數(shù)據(jù)庫服務(wù)五個(gè)部分組成，整個(gè)分中心軟件實(shí)現(xiàn)功能構(gòu)成如圖3所示。

圖3 分中心監(jiān)控軟件功能框圖

數(shù)據(jù)采集與通信實(shí)時(shí)采集監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)收集的外場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)，電子地圖檢測(cè)匯集交通數(shù)據(jù)、緊急工作狀態(tài)和監(jiān)控設(shè)備的工作狀態(tài)以及交通流量將其存入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫;數(shù)據(jù)分析根據(jù)采集的相關(guān)控制數(shù)據(jù)，進(jìn)行交通監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)、視頻圖像查詢工作，以及向可變情報(bào)板發(fā)布信息與控制命令。設(shè)備與用戶管理的主要功能是對(duì)用戶進(jìn)行統(tǒng)一管理、系統(tǒng)維護(hù)信息和系統(tǒng)日志顯示等。GIS系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)相互聯(lián)系，兩個(gè)系統(tǒng)有數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)通過公用數(shù)據(jù)庫完成交互和共享，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫與其共用，實(shí)現(xiàn)了GIS系統(tǒng)獨(dú)立開發(fā)而又與監(jiān)控系統(tǒng)交互的目標(biāo)，其功能劃分如圖4所示。

3 基于SuperMap的高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 SuperMap簡(jiǎn)介

SuperMap是超圖地理信息技術(shù)有限公司基于ActiveX/COM技術(shù)開發(fā)的組件式GIS軟件開發(fā)平臺(tái)，其中SuperMap Objects由一系列的AciveX組件構(gòu)成，包括核心組件、空間分析組件、布局組件、三維組件、拓?fù)浣M件、圖例組件、數(shù)據(jù)表格組件、工作空間管理組件等多個(gè)可分拆的組件庫。編程人員在開發(fā)過程中可以選用自己最熟悉的開發(fā)語言，輕松地將電子地圖的常用功能組件嵌入到信息管理系統(tǒng)中，并且可以脫離SuperMap的軟件平臺(tái)運(yùn)行。

圖4 監(jiān)控軟件功能結(jié)構(gòu)劃分

3.2 基于SuperMap的電子地圖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(1)地圖數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

一般性條件約束:①操作反應(yīng)時(shí)間不超過1秒，需要大量統(tǒng)計(jì)和計(jì)算的功能，反應(yīng)時(shí)間不超過5 s;②數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用SQL Server 2008;③開發(fā)語言選擇為C#語言，C#主要是從C和C++繼承而來，是第一個(gè)組件導(dǎo)向(Componentoriented)的程序語言;④局域網(wǎng)協(xié)議:TCP/IP;使系統(tǒng)具有可維護(hù)性、可擴(kuò)展性和安全性。

我校充分利用課堂四十分鐘時(shí)間，在閱讀教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生練習(xí)寫話。在進(jìn)行讀寫結(jié)合訓(xùn)練的初期，我們聚焦于如何尋找讀寫結(jié)合切入點(diǎn)，在閱讀教學(xué)中滲透寫法，尋找讀寫切入點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生寫話，讓閱讀與寫作緊密結(jié)合。在文本教學(xué)時(shí)我們尋找語言訓(xùn)練點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生深化對(duì)文本的解讀，巧妙設(shè)計(jì)，內(nèi)化語言運(yùn)用，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行語言表達(dá)訓(xùn)練，提高寫話能力。

需要完整的地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，既要包括城填、國(guó)道、省道、河流等一些基本的地理信息，也要包括專題的信息，如:隧道、情報(bào)板、攝像機(jī)等?？臻g要素分為區(qū)域空間要素、重點(diǎn)監(jiān)控設(shè)備、救援相關(guān)三類;點(diǎn)狀要素可只采集一個(gè)點(diǎn)，注明其靜態(tài)屬性;線狀要素的采集應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來采集，采集線狀要素的邊界點(diǎn)，理論上應(yīng)采集所有曲率發(fā)生變化的點(diǎn)，盡量反應(yīng)出線狀要素的基本的實(shí)際形狀和特征，并且要采集線狀要素的左右兩個(gè)邊界的點(diǎn)，注明其靜態(tài)屬性;面狀要素的采集類似于線狀要素，應(yīng)采集所有的特征點(diǎn)、曲率發(fā)生變化的點(diǎn)，并且保證首尾閉合，本項(xiàng)目涉及的面狀要素較少。從要素的類別上可分為:區(qū)域?qū)ο笤?、重點(diǎn)監(jiān)控設(shè)備元素和救援資源對(duì)象。

GIS系統(tǒng)中涉及的數(shù)據(jù)包括圖形矢量數(shù)據(jù)、空間屬性數(shù)據(jù)和工程管理數(shù)據(jù)?？臻g屬性數(shù)據(jù)與工程管理數(shù)據(jù)均采用SQL Server數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)，各地物屬性記錄的關(guān)鍵字為圖形文件中該地的設(shè)備ID號(hào)，由此便實(shí)現(xiàn)了地圖圖形文件與數(shù)據(jù)庫表的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖5所示。

圖5 圖形文件與SQL對(duì)應(yīng)

對(duì)于高速公路上的設(shè)備來說，其信息是較為復(fù)雜，分為實(shí)時(shí)和靜態(tài)信息，實(shí)時(shí)信息為軟件需要監(jiān)控，而靜態(tài)信息則是判斷設(shè)備信息的重要標(biāo)志，其靜態(tài)信息存儲(chǔ)到空間數(shù)據(jù)庫中，而動(dòng)態(tài)信息存放到SQL數(shù)據(jù)庫中。

(2)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Office 2007的ribbon按鈕模式，而非典型的菜單點(diǎn)選模式，在進(jìn)行不同的工作時(shí)，Microsoft Office 2007的“面板”和“模塊”會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，用戶在軟件中菜單欄進(jìn)行操作時(shí)，在面板選項(xiàng)中會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)相應(yīng)模塊，用戶點(diǎn)擊此選項(xiàng)就會(huì)實(shí)現(xiàn)其操作，其優(yōu)點(diǎn)是功能區(qū)收放自如。

(3)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境配置

引用標(biāo)準(zhǔn):

GB8567計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品開發(fā)文件編制指南;

GB/T 11457軟件工程術(shù)語;

GIS平臺(tái)選用SuperMap;

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用SQL Server 2008;

開發(fā)平臺(tái)及語言選擇:VS2008(C#語言);

局域網(wǎng)協(xié)議:TCP/IP。

4 系統(tǒng)模塊功能的實(shí)現(xiàn)

4.1 GIS基礎(chǔ)功能

系統(tǒng)監(jiān)控功能是以GIS功能為基礎(chǔ)來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。GIS功能是否完善直接關(guān)系著系統(tǒng)的功能的成敗。所以必須給予足夠的重視;總體而言，分為以下功能模塊:

(1)地圖導(dǎo)航、圖層管理;

(2)地圖設(shè)計(jì)、屬性查詢;

(3)空間查詢、SQL查詢、地圖量算;

(4)對(duì)象定位、浮動(dòng)顯示信息。

4.2 設(shè)備的監(jiān)控功能

設(shè)備可分為:情報(bào)板、攝像機(jī)、車檢器、氣象儀等，系統(tǒng)對(duì)情報(bào)板的功能可以分為:監(jiān)聽和控制。監(jiān)聽即獲取情報(bào)板當(dāng)前顯示的內(nèi)容，控制是改變情報(bào)板的顯示內(nèi)容。

對(duì)攝像機(jī)的操作功能為監(jiān)控其實(shí)時(shí)視頻，在GIS系統(tǒng)中展現(xiàn)出來，通過點(diǎn)擊地圖上的攝像機(jī)對(duì)象，在彈出菜單中選擇播放視頻即可以在系統(tǒng)右下方的視頻窗口中播放該攝像機(jī)對(duì)象的監(jiān)控畫面，而對(duì)于系統(tǒng)中其他設(shè)備，可以讀取實(shí)時(shí)的信息，如獲取車檢器車流量、氣象儀(溫度、濕度等)等設(shè)備的信息。

5 總結(jié)

高速公路的信息化，主要是針對(duì)諸如電力設(shè)備、通信線路、火災(zāi)險(xiǎn)情、實(shí)時(shí)視頻等各種設(shè)備狀態(tài)的數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度、管理和控制，隨著高速公路的建設(shè)公里數(shù)增加，信息點(diǎn)增多，若有機(jī)地結(jié)合的地理信息系統(tǒng)(GIS)，借助于GIS靈活、方便、強(qiáng)大的功能，最大程度上的避免信息點(diǎn)過多造成的誤讀、誤判和誤操作，會(huì)使集中管理更加方便、合理、快捷，也會(huì)使得高速公路的集中管理帶上一個(gè)新的高度，這是高速公路管理領(lǐng)域的必然趨勢(shì)，結(jié)果表明:實(shí)現(xiàn)了設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及其狀態(tài)的監(jiān)視，完成GIS地理環(huán)境的圖形管理與分析，為用戶提供了直觀、友好、功能完善的可視化操作界面。

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