高速公路監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張 宇，張星原

（長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710000）

0 引 言

我國(guó)開(kāi)始研究建設(shè)高速公路大概是在20世紀(jì)70年代。第一條高速公路—瀘嘉高速在1988年建造完成，之后又相繼建成了沈大、濟(jì)青、京津塘、成渝、瀘寧等一大批具有重要意義的高速公路。但隨著時(shí)代的進(jìn)步，大眾的出行需求日益增加，這給我國(guó)高速公路帶來(lái)了巨大的運(yùn)輸壓力。因此如何在交通需求不斷增加的情況下，最大限度地提高高速公路的道路通行能力和服務(wù)水平成為了一個(gè)重要的問(wèn)題。

高速公路監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)多種先進(jìn)設(shè)備對(duì)道路數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控管理中心，并實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，最后通過(guò)交管部門(mén)以及道路信息發(fā)布設(shè)備，給駕駛?cè)藛T提供道路信息，實(shí)現(xiàn)交通流的引導(dǎo)和控制[1]。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的成本占高速公路總造價(jià)的5%～10%左右，它發(fā)揮著舉足輕重的作用，是保障高速公路安全運(yùn)行、提高運(yùn)營(yíng)管理效率、實(shí)現(xiàn)公路運(yùn)輸現(xiàn)代化管理和控制的重要手段[2]。

在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域，德國(guó)、意大利、美國(guó)等國(guó)家起步早，所以技術(shù)相對(duì)成熟，而且他們的高速公路網(wǎng)規(guī)模所占的比重高，形成了完善的運(yùn)營(yíng)和管理模式[3]。相比國(guó)外，我國(guó)的高速公路監(jiān)控系統(tǒng)起步比較晚，雖然近些年來(lái)在不斷地進(jìn)步和發(fā)展，但還未達(dá)到西方發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展程度。在道路沿線布置的檢測(cè)設(shè)備太少，控制管理方面比較薄弱[4]。

本文以酒泉至金塔高速公路為對(duì)象，在其上合理布設(shè)外場(chǎng)設(shè)備，采用自愈環(huán)網(wǎng)連接，在做到數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)耐瑫r(shí)，既可以節(jié)約光纖資源，又能減少相關(guān)設(shè)備的布設(shè)數(shù)量，從而大大降低了成本。由于是自愈環(huán)網(wǎng)傳輸，即使設(shè)備出現(xiàn)意外故障，也不會(huì)使傳輸信號(hào)中斷，這極大地保證了信息傳遞的安全性。該監(jiān)控系統(tǒng)采用監(jiān)控分中心—收費(fèi)通信中心—外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備三級(jí)管理模式，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離安全傳輸與高清數(shù)字全程監(jiān)控。

1 高速公路監(jiān)控系統(tǒng)概述

1.1 高速公路的構(gòu)成

高速公路監(jiān)控系統(tǒng)一般由信息采集子系統(tǒng)、信息提供子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、交通控制子系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)構(gòu)成[5]。

（1）交通信息采集子系統(tǒng)

該系統(tǒng)能采集路段上交通量的參數(shù)信息，并將采集到的數(shù)據(jù)（如氣象檢測(cè)器采集的路段溫度、濕度、能見(jiàn)度等氣象數(shù)據(jù)，車(chē)輛檢測(cè)器采集的車(chē)速、車(chē)流量、空間占有率等數(shù)據(jù)）實(shí)時(shí)地傳送給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心通過(guò)分析、處理這些數(shù)據(jù)可以生成各種報(bào)表，并為各種交通事件提供解決方案。該子系統(tǒng)包括環(huán)形線圈檢測(cè)器、微波交通檢測(cè)器、紅外檢測(cè)器、道路氣象監(jiān)測(cè)器等。

（2）信息提供子系統(tǒng)

該系統(tǒng)向道路使用者提供交通擁堵情況、事故警告、氣象信息、施工路段情況等信息；向道路使用者提供控制和引導(dǎo)信息，如最佳行駛路線、道路限速控制指令、匝道控制指令等，這些信息一般通過(guò)可變限速標(biāo)志、可變情報(bào)板、匝道控制設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（3）視頻監(jiān)控子系統(tǒng)

該系統(tǒng)通常在高速公路的收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)、特殊構(gòu)造物、特殊線形、事故多發(fā)點(diǎn)、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)點(diǎn)等地進(jìn)行視頻監(jiān)控。當(dāng)監(jiān)控區(qū)域發(fā)生交通事故，外場(chǎng)設(shè)備就能將事故現(xiàn)場(chǎng)的圖像信息傳送至控制中心，以便對(duì)事故作出反應(yīng)，及時(shí)地解決交通問(wèn)題。由于視頻監(jiān)控的圖像清晰直觀，對(duì)人員的調(diào)動(dòng)和指揮有重要意義，許多重要的高速公路實(shí)行全程監(jiān)控。該系統(tǒng)由攝像機(jī)、解碼器、云臺(tái)、控制鍵盤(pán)等設(shè)備組成。

（4）交通控制子系統(tǒng)

該系統(tǒng)對(duì)各路段的交通運(yùn)行狀態(tài)和氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，完成對(duì)交通資源的調(diào)度和配置。交通控制方式可分為匝道控制、主線控制和通道控制，通過(guò)輸入控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通流的引導(dǎo)與控制。在控制算法中有基于模糊理論的算法、基于穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)交通模型的推導(dǎo)方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理的算法等，這些不斷得到完善和發(fā)展的算法為交通控制奠定了良好的理論基礎(chǔ)。

（5）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)

該系統(tǒng)起到一個(gè)連接整合的作用，即通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將其他各個(gè)子系統(tǒng)連接成一個(gè)完整的有機(jī)體。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等。

1.2 高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控過(guò)程

圖1描述了監(jiān)控系統(tǒng)的閉環(huán)監(jiān)控過(guò)程，其中監(jiān)控對(duì)象是交通流，輸入為控制指標(biāo)，輸出為車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)。采集、處理表征交通狀態(tài)特征的信息，遵循反饋控制，并經(jīng)過(guò)決策和執(zhí)行等環(huán)節(jié)，完成任務(wù)的預(yù)定指標(biāo)，干擾主要來(lái)自道路、交通和氣象條件的變化[6]。

1.3 高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

先進(jìn)性和可擴(kuò)展性：根據(jù)相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展情況，選擇成熟、主流的技術(shù)和設(shè)備，使系統(tǒng)具有強(qiáng)大的生命力?？紤]到系統(tǒng)將來(lái)的發(fā)展，在前期工程設(shè)計(jì)時(shí)要留有余地，方便系統(tǒng)改造與系統(tǒng)升級(jí)，保證系統(tǒng)具有更長(zhǎng)的生命周期與先進(jìn)性。

經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性：施工時(shí)要考慮成本，減少不必要的浪費(fèi)，保證最優(yōu)的性價(jià)比，確保系統(tǒng)各項(xiàng)功能符合客戶的要求。

可靠性和安全性：要選擇可靠的設(shè)備和技術(shù)，提高系統(tǒng)抗干擾的能力，并具有一定的自我修復(fù)能力；要保證數(shù)據(jù)在傳輸、處理和存儲(chǔ)時(shí)的安全性，做到不丟失、不泄露、不損毀。

可維護(hù)和可管理：系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的管理手段，能對(duì)系統(tǒng)資源集中配置；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，維護(hù)應(yīng)該簡(jiǎn)單，維護(hù)的工作量要少。

協(xié)調(diào)性和系統(tǒng)性：要全面地設(shè)計(jì)系統(tǒng)，結(jié)合整個(gè)路網(wǎng)的情況，使系統(tǒng)合理協(xié)調(diào)，相互配合，避免重復(fù)和矛盾，還要兼顧氣候條件、不同車(chē)型的混合度等條件，做到因地制宜，最大限度發(fā)揮系統(tǒng)的整體效益[7-8]。

2 酒泉至金塔高速公路監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)選取酒泉至金塔高速公路的K0+000—K52+000路段，該路段主線為雙向四車(chē)道，以一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度為80 km/h。道路總體上比較平坦和筆直，途徑地區(qū)的氣候干燥、雨量稀少、蒸發(fā)量大，太陽(yáng)輻射強(qiáng)、氣溫日差較大，春季空氣干燥、大風(fēng)偏多，夏季炎熱短促，秋季降溫迅速，冬季寒冷漫長(zhǎng)，屬典型中溫帶大陸性荒漠氣候。

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)管理方案

本系統(tǒng)采用高速公路監(jiān)控分中心—收費(fèi)通信中心—外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備的管理模式，如圖2所示。該路段的監(jiān)控分中心位于酒泉東立交匝道上的收費(fèi)站，還有一處收費(fèi)站位于金塔立交的匝道上。該監(jiān)控中心與金塔匝道收費(fèi)站分別接收各自所管轄路段外場(chǎng)設(shè)備采集到的信息和外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況的信息，金塔匝道收費(fèi)站上的所有接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)通信站傳輸?shù)奖O(jiān)控分中心。最后由監(jiān)控分中心對(duì)該路段所有信息進(jìn)行匯總，對(duì)該路段上交通運(yùn)行情況進(jìn)行分析，生成相應(yīng)的處理方案，對(duì)發(fā)生的道路問(wèn)題給予解決。該監(jiān)控分中心可以通過(guò)通信系統(tǒng)將本段道路數(shù)據(jù)傳輸給甘肅省省監(jiān)控中心。

圖2 酒泉至金塔高速公路監(jiān)控系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)

2.2 外場(chǎng)設(shè)備的布設(shè)

高速公路監(jiān)控系統(tǒng)外場(chǎng)設(shè)備的布設(shè)要考慮路網(wǎng)的整體性要求，要協(xié)調(diào)好設(shè)備與設(shè)備之間的關(guān)系，使它們能相互配合；監(jiān)控系統(tǒng)外設(shè)的布設(shè)要具有可擴(kuò)充性，為未來(lái)新功能的升級(jí)做好預(yù)留，使系統(tǒng)能跟上時(shí)代發(fā)展的腳步；此外高速公路監(jiān)控系統(tǒng)外場(chǎng)布設(shè)要考慮駕駛員的駕駛心理和生理特征，并要便于高速公路管理人員的操作和維修。合理地布設(shè)外場(chǎng)設(shè)備才能發(fā)揮高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的最大功能[9-10]。

本次設(shè)計(jì)針對(duì)酒泉至金塔段高速公路進(jìn)行監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備布設(shè)，布設(shè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 酒泉至金塔高速公路外場(chǎng)設(shè)備布設(shè)情況

（1）氣象檢測(cè)器的布設(shè)

本路段風(fēng)沙不是很?chē)?yán)重，所以只在K26+500設(shè)置氣象檢測(cè)器，路段的氣象信息提供可通過(guò)氣象局和道路的攝像機(jī)加以輔助。

對(duì)于平原或微丘，氣象檢測(cè)器以30～50 km間距布設(shè)；對(duì)于我國(guó)西部地區(qū)氣象變化不頻繁，或以大風(fēng)、沙塵暴為主的干旱地區(qū)，氣象檢測(cè)器布設(shè)距離為50 km以上。

（2）高清網(wǎng)絡(luò)槍式攝像機(jī)的布設(shè)

為了保證道路視頻拍攝的質(zhì)量，選擇高清網(wǎng)絡(luò)槍式攝像機(jī)。本設(shè)備主要設(shè)置于互通立交之前的主線上，并對(duì)該路段進(jìn)行全程監(jiān)控，大約每隔2 km設(shè)置一套高清網(wǎng)絡(luò)槍式攝像機(jī)，總共設(shè)置了29套。

互通立交、避險(xiǎn)車(chē)道、服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站和長(zhǎng)下坡路段必須設(shè)置攝像機(jī)，收費(fèi)站和服務(wù)區(qū)可采用球型攝像機(jī)，道路沿線采用槍式攝像機(jī)；對(duì)高速公路路段進(jìn)行全程監(jiān)控，大約每隔2 km布設(shè)一臺(tái)攝像機(jī)。在易發(fā)生交通擁堵、交通事故和環(huán)境惡劣的路段應(yīng)加密安裝攝像機(jī)，可以每隔1～1.5 km布設(shè)一臺(tái)攝像機(jī)。攝像機(jī)可以安裝在道路中央的隔離帶上，也可以根據(jù)實(shí)際情況采用立柱安裝，高度一般為8～12 m，同時(shí)應(yīng)安裝有避雷針，并做好防抖措施；道路上的攝像機(jī)應(yīng)避免被跨線橋、廣告牌、可變信息標(biāo)志等遮擋；重要道路設(shè)備旁要安裝攝像機(jī)。

（3）可變情報(bào)板的布設(shè)

門(mén)架式可變情報(bào)板發(fā)布的信息內(nèi)容十分豐富，但工程造價(jià)成本較高，所以本全封閉路段只在入口處設(shè)置門(mén)架式可變情報(bào)板，其余需要設(shè)置可變情報(bào)標(biāo)志的地方用懸臂式可變情報(bào)板代替。

懸臂式可變情報(bào)板一般設(shè)置在互通立交之前的主線上、匝道收費(fèi)站的入口之前，本系統(tǒng)總共設(shè)置了8套懸臂式可變情報(bào)板。

小型可變信息標(biāo)志靠路側(cè)一面與路肩外邊緣至少相距25 cm，布設(shè)時(shí)宜避開(kāi)不利于安裝和維修的挖方區(qū)和高填方區(qū)；嚴(yán)禁可變信號(hào)標(biāo)志和道路上其他設(shè)備的遮擋，可考慮性價(jià)比是否合理以及是否方便信息發(fā)布；省界高速公路入口處和高速公路樞紐立交必須設(shè)置可變信息標(biāo)志；大型收費(fèi)站的出入口和服務(wù)區(qū)應(yīng)設(shè)置可變情報(bào)板；易發(fā)生交通擁堵、交通事故和環(huán)境惡劣的路段應(yīng)設(shè)置可變情報(bào)板，設(shè)置間距在5～10 km之間。

（4）微波車(chē)輛檢測(cè)器的布設(shè)

在眾多車(chē)輛檢測(cè)器中選擇微波車(chē)輛檢測(cè)器是因?yàn)樵摍z測(cè)器檢測(cè)范圍廣，可以多個(gè)車(chē)道一起檢測(cè)；安裝起來(lái)也很簡(jiǎn)單，并對(duì)道路質(zhì)量和車(chē)輛運(yùn)行不會(huì)造成影響；適用于任何天氣，包括雨、霧、雪、大風(fēng)、冰、沙塵等環(huán)境，受外界干擾的影響小，能穩(wěn)定工作；車(chē)輛之間存在一定程度的遮擋也能識(shí)別出來(lái)，漏檢率低，檢測(cè)精度高。

在本設(shè)計(jì)中，微波車(chē)輛檢測(cè)器主要布置在互通立交出口之前的主線上，與高清網(wǎng)絡(luò)槍式攝像機(jī)同柱安裝，總共設(shè)置7套車(chē)輛微波檢測(cè)器。在收費(fèi)站的出入口處一般也要布設(shè)車(chē)輛檢測(cè)器，可以和其他設(shè)備同址（如微波檢測(cè)器可以裝在攝像機(jī)的立柱上），用來(lái)檢測(cè)高速公路斷面雙向的交通流；高速公路立交兩側(cè)無(wú)分流、合流的路段和服務(wù)區(qū)的出入口兩側(cè)應(yīng)當(dāng)布設(shè)車(chē)輛檢測(cè)器；易發(fā)生交通擁堵、交通事故、車(chē)流密集和環(huán)境惡劣的路段應(yīng)以小于2 km的間距布設(shè)車(chē)輛檢測(cè)器。

2.3 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和視頻的傳輸方案

外場(chǎng)設(shè)備沿道路進(jìn)行布設(shè)，展現(xiàn)出帶狀分布的特性，所以在外場(chǎng)布設(shè)遠(yuǎn)程光模塊，采用RRPP技術(shù)對(duì)前端設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，并在RRPP終端上配有485、232串口，可采用透明通道的方式將其他終端設(shè)備（可變信號(hào)板、車(chē)檢器等）的數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳。將前端監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)根據(jù)不同數(shù)據(jù)類(lèi)型接入RRPP終端的視頻、數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)接口，傳輸至就近的收費(fèi)站監(jiān)控室。收費(fèi)站通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控分中心，監(jiān)控分中心通過(guò)通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸給省監(jiān)控中心。收費(fèi)站和分中心都通過(guò)視頻解碼設(shè)備將圖像實(shí)時(shí)顯示在電視墻上，并通過(guò)IPSAN磁盤(pán)陣列進(jìn)行存儲(chǔ)。

本方案在傳輸過(guò)程中，采用自愈環(huán)網(wǎng)連接，在做到遠(yuǎn)距離傳輸?shù)耐瑫r(shí)，既可以節(jié)約光纖資源又可以減少相關(guān)設(shè)備的布設(shè)數(shù)量，從而大大降低成本。由于是自愈環(huán)網(wǎng)傳輸，即使設(shè)備出現(xiàn)意外故障也不會(huì)使傳輸信號(hào)中斷，這極大地保證了信息傳遞的安全性。金塔立交匝道收費(fèi)站監(jiān)控外場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸如圖4所示。酒泉分中心監(jiān)控外場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸如圖5所示。

圖4 金塔立交匝道收費(fèi)站監(jiān)控外場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸

圖5 酒泉分中心監(jiān)控外場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸

2.4 視頻顯示

酒泉分中心所管轄的14路道路監(jiān)控圖像和4路數(shù)據(jù)通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)椒种行囊蕴W(wǎng)交換機(jī)上，金塔匝道收費(fèi)站通過(guò)通信系統(tǒng)向分中心傳輸15路道路圖像和6路數(shù)據(jù)，共計(jì)29路圖像和10路數(shù)據(jù)在分中心處理、存儲(chǔ)。其中29路道路圖像通過(guò)高清解碼器在15塊拼接屏上2對(duì)1顯示。具體如圖6所示。

圖6 酒泉監(jiān)控分中心監(jiān)控CCTV系統(tǒng)構(gòu)成

3 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)在不斷地發(fā)展，高速公路的規(guī)模也將持續(xù)擴(kuò)大，高速公路監(jiān)控系統(tǒng)作為公路安全運(yùn)行的保障，會(huì)發(fā)展得越來(lái)越先進(jìn)。本文以酒泉至金塔段高速公路為對(duì)象設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行布設(shè)，采用遠(yuǎn)程光模塊以及通過(guò)RRPP技術(shù)對(duì)前端設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到收費(fèi)站、管理站、分中心的信息傳輸，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?，?shí)現(xiàn)了高清數(shù)字全程監(jiān)控。