高速公路智慧監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)路徑研究

付毅恒

（廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司路達(dá)分公司，廣東梅州 514779）

0 引言

高速公路的線路范圍較廣，日常管理、設(shè)備設(shè)施養(yǎng)護(hù)難度較大，智慧化監(jiān)控系統(tǒng)能夠擴(kuò)大高速公路監(jiān)控范圍，創(chuàng)新監(jiān)控方式，減少人工監(jiān)控、傳統(tǒng)監(jiān)控造成的監(jiān)控誤差，使高速公路運(yùn)維管理人員實(shí)時(shí)監(jiān)控公路機(jī)電設(shè)備、公路設(shè)施，快速整理相關(guān)的數(shù)據(jù)資源，制訂高速公路運(yùn)維管理方案，促進(jìn)公路交通智慧化發(fā)展。

1 高速公路智慧監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)

首先，全面感知高速公路運(yùn)營的全過程，分析影響高速公路安全運(yùn)行的各類因素，高效率處理高速公路運(yùn)行期間的各類問題，提升高速公路運(yùn)營效益，降低高速公路運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)問題，豐富高速公路管理與風(fēng)險(xiǎn)控制的技術(shù)內(nèi)涵，突出智慧監(jiān)控系統(tǒng)的價(jià)值，提供更優(yōu)質(zhì)的智慧監(jiān)控服務(wù)，確保高速公路運(yùn)營目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，滿足高速公路建設(shè)發(fā)展的基本要求[1]。

其次，按照高速公路安全運(yùn)營要求、高速公路交通的形勢變化等，建立監(jiān)控范圍更廣的智慧監(jiān)控平臺(tái)，嚴(yán)格地根據(jù)公路運(yùn)行要求進(jìn)行安全監(jiān)控。比如，基于自學(xué)習(xí)功能的異常事件聯(lián)動(dòng)、二維碼一鍵救援、車輛運(yùn)行軌跡智慧監(jiān)測等系統(tǒng)，綜合利用監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，整合高速公路運(yùn)營期間的數(shù)據(jù)信息。

最后，智慧監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)方案、功能具有較強(qiáng)的適用性，符合高速公路運(yùn)維管理的實(shí)際需求，具有自動(dòng)升級系統(tǒng)、高速公路運(yùn)維一體化管理、高速公路沿線自動(dòng)化監(jiān)控的作用。

2 高速公路智慧監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)

高速公路智慧監(jiān)控系統(tǒng)是以WSN、大數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、人工智能等技術(shù)為核心，結(jié)合高速公路監(jiān)控需求，建設(shè)多層級的智慧監(jiān)控平臺(tái)。智慧監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)由監(jiān)控層、通信層、數(shù)據(jù)層、技術(shù)層、服務(wù)層、顯示層組成。

一是監(jiān)控層。實(shí)時(shí)監(jiān)控高速公路的交通情況、交通設(shè)備、交通環(huán)境，監(jiān)控設(shè)備為遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備，裝有傳感器，具有數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)通信功能，可將感知到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)较到y(tǒng)控制中心。

二是通信層。通信層是以網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備為基礎(chǔ)，建立起網(wǎng)絡(luò)通信渠道，具有數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)安全管理、通信權(quán)限認(rèn)證功能。為確保數(shù)據(jù)安全，數(shù)據(jù)傳輸過程中自動(dòng)進(jìn)行加密處理，核心技術(shù)包括安全密鑰技術(shù)、防火墻技術(shù)等[2]。

三是數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層能夠統(tǒng)一智慧監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行期間的數(shù)據(jù)編碼，使其格式統(tǒng)一，管理人員可通過數(shù)據(jù)對接應(yīng)用高速公路交通活動(dòng)中的各類數(shù)據(jù)資源。

四是技術(shù)層。包括軟件設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)兩大模塊，是智慧監(jiān)控系統(tǒng)的核心層，支持著智慧監(jiān)控功能、智慧監(jiān)控管理服務(wù)的實(shí)現(xiàn)。

五是服務(wù)層。根據(jù)高速公路運(yùn)行監(jiān)控的實(shí)際需求，為管理者提供2D、3D的監(jiān)控影像信息、監(jiān)控曲線報(bào)表、設(shè)備信息管理、交通運(yùn)維管理、緊急事件響應(yīng)及處理等服務(wù)。

六是顯示層。用LED大屏、手機(jī)移動(dòng)終端、電腦顯示智慧監(jiān)控系統(tǒng)的功能模塊，提供用戶登錄、數(shù)據(jù)展示、影像信息查閱等服務(wù)。

3 高速公路智慧監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

3.1 智慧監(jiān)控服務(wù)

智慧監(jiān)控服務(wù)功能是高速公路智慧監(jiān)控系統(tǒng)的核心功能，具有智能采集高速公路設(shè)備信息、監(jiān)控高速公路交通狀況、智慧監(jiān)控診斷等作用。首先，基于2D、3D技術(shù)，建立BIM模型，自動(dòng)生成可視化的高速公路影像數(shù)據(jù)模型，使管理者實(shí)時(shí)監(jiān)控高速公路沿線設(shè)備、交通活動(dòng)，集中管理高速公路設(shè)備設(shè)施，快速處理各類突發(fā)事件。其次，應(yīng)用人工智能技術(shù)，監(jiān)控高速公路機(jī)電系統(tǒng)、其他設(shè)施設(shè)備，將設(shè)備資料、位置信息、保養(yǎng)記錄錄入監(jiān)控系統(tǒng)，提供調(diào)取、查閱、更新服務(wù)，實(shí)現(xiàn)高速公路設(shè)備設(shè)施的智能化管理。同時(shí)，具有動(dòng)態(tài)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，多維度呈現(xiàn)設(shè)備信息的功能[3]。為高速公路交通事故、火災(zāi)等異常事故的處理提供基礎(chǔ)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)服務(wù)，使其快速發(fā)現(xiàn)、掌握事故情況，高效地處理各類異常事故。

3.2 智能數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用人工智能技術(shù)、AI分析技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、影像圖像智能識(shí)別技術(shù)、信息處理技術(shù)為高速公路運(yùn)維管理提供智能化數(shù)據(jù)分析服務(wù)。首先，能夠基于人工智能技術(shù)，提取高速公路遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息，或是應(yīng)用深度機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)自動(dòng)預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)事故，識(shí)別路況異常事件，提升監(jiān)控后的響應(yīng)速度和處理效率。其次，具有數(shù)據(jù)融合、多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析功能，可預(yù)測高速公路交通流。服務(wù)原理是依據(jù)收費(fèi)站、高速公路門架處的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，建立高速公路交通流預(yù)測模型，獲取路況運(yùn)行指數(shù)、運(yùn)行規(guī)律，感知各區(qū)域的擁堵路段，預(yù)測交通流變化趨勢。最后，通過識(shí)別、分析高速公路圖像數(shù)據(jù)，感知高危車輛，自動(dòng)向監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警，使其重點(diǎn)關(guān)注高危車輛。預(yù)警信息為語音播報(bào)，能夠在信息融合后合成智能語音，聯(lián)動(dòng)音頻設(shè)備后播報(bào)監(jiān)控預(yù)警信息。

3.3 智慧監(jiān)測預(yù)警

智慧監(jiān)測預(yù)警能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：一是具有統(tǒng)一接入、管理交通視頻、監(jiān)測交通事件、設(shè)備故障報(bào)警、服務(wù)報(bào)警的功能。監(jiān)控人員可全流程地監(jiān)控報(bào)警中心的預(yù)測信息、報(bào)警信息，提升工作效率[4]。二是根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)需求、業(yè)務(wù)分布情況訂閱報(bào)警信息，精準(zhǔn)地向不同管理層級、不同崗位的監(jiān)控人員或管理人員推送報(bào)警信息，智能幫助用戶規(guī)避無效信息，確保其對專項(xiàng)報(bào)警信息的關(guān)注度。三是支持智能語音提醒、彈屏提示、短信提醒、聲光報(bào)警功能，可按照用戶需求定制化預(yù)警。四是無縫銜接業(yè)務(wù)系統(tǒng)、報(bào)警中心機(jī)器人，監(jiān)控人員獲取報(bào)警信息后可快速查閱相關(guān)數(shù)據(jù)，處置高速公路運(yùn)維期間的各類問題，高效控制業(yè)務(wù)系統(tǒng)處理異常問題，提高異常業(yè)務(wù)的處理效率。

3.4 救援快速響應(yīng)服務(wù)

智慧監(jiān)控系統(tǒng)具有救援快速響應(yīng)服務(wù)功能，不僅能夠傳遞系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)、預(yù)警或報(bào)警信息，還能夠快速定位接警救援點(diǎn)，縮短報(bào)警時(shí)間。比如，高速公路發(fā)生車輛故障時(shí)，報(bào)警司機(jī)可掃描高速公路上設(shè)備設(shè)施上的二維碼、上傳GPS定位數(shù)據(jù)，智慧監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)快速鎖定報(bào)警人位置，啟動(dòng)救援程序，響應(yīng)服務(wù)流程如下：

一是發(fā)起救援。上傳定位后智慧監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)起“救援請求”，自動(dòng)定位故障，上傳事故位置信息、現(xiàn)場圖片、救援請求信息等。二是快速整合監(jiān)控信息，語音播報(bào)救援消息提醒，消息內(nèi)容包括報(bào)警人手機(jī)號(hào)碼、報(bào)警時(shí)間、報(bào)警位置、現(xiàn)場監(jiān)控圖像信息等。三是確認(rèn)現(xiàn)場視頻、圖片等監(jiān)控信息，下達(dá)救援服務(wù)命令，然后回復(fù)報(bào)警人，相互配合下快速處理交通事件。四是救援服務(wù)歷史查詢，智能監(jiān)控救援活動(dòng)，記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。

4 高速公路智慧監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高速公路智慧監(jiān)控系統(tǒng)由信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、監(jiān)控管理中心組成，結(jié)構(gòu)采取分層設(shè)計(jì)理念，技術(shù)原理是實(shí)時(shí)采集高速公路的路況信息，處理相關(guān)數(shù)據(jù)后，由監(jiān)控管理中心整合數(shù)據(jù)，下發(fā)指令。其中，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是以WSN技術(shù)為核心，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，是智慧監(jiān)控系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，具體包括Sork網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備、路邊節(jié)點(diǎn)設(shè)備、車載移動(dòng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備等內(nèi)容[5]。

一是Sork網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。設(shè)備電源為有源供電，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元大，且具有數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)計(jì)算能力，可自動(dòng)采集車載節(jié)點(diǎn)、路邊節(jié)點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行期間的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)整合后向監(jiān)控管理中心傳送數(shù)據(jù)資源。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備需要負(fù)責(zé)高速公路局域網(wǎng)范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，接收監(jiān)控管理中心信息指令。

二是路邊節(jié)點(diǎn)設(shè)備。該設(shè)備是以電池組為供電方式，工作強(qiáng)度較大，處理能力稍弱，但能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控高速公路的路面情況，包括車流量、溫濕度、能見度，采集公路運(yùn)營所需的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。同時(shí)，測量車距、車速等，集中處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)后，將信息傳輸給Sork網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，執(zhí)行Sork網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備所接收的監(jiān)控管理中心指令。

三是車載節(jié)點(diǎn)設(shè)備。車載節(jié)點(diǎn)設(shè)備是直接安裝在車輛上的監(jiān)控設(shè)備，設(shè)備存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包括車主身份信息、車輛類型、車牌號(hào)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，車輛駛?cè)敫咚俟泛?，該設(shè)備會(huì)周期性地更新車輛位置信息，配合其他節(jié)點(diǎn)設(shè)備，傳送、共享高速公路風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、運(yùn)維管理所需的信息數(shù)據(jù)。

4.2 運(yùn)行流程

高速公路智慧監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行期間，路邊節(jié)點(diǎn)設(shè)備會(huì)按照系統(tǒng)內(nèi)的監(jiān)控程序、監(jiān)測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值采集固定時(shí)間、固定區(qū)域、固定時(shí)間段的高速公路路況信息，初步處理相關(guān)數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)跳送到Sork節(jié)點(diǎn)設(shè)備。Sork節(jié)點(diǎn)設(shè)備綜合分析相關(guān)數(shù)據(jù)后，計(jì)算各路段道路車流量，傳送路面車距、其他路面信息，由監(jiān)控中心接收信息后，智慧監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)更新高速公路監(jiān)控信息，包括監(jiān)控管理中心的顯示屏、高速公路路旁LCD顯示屏、收費(fèi)站顯示屏等。行車人員、管理人員、監(jiān)控人員可根據(jù)大屏顯示的路況信息，調(diào)整行車、公路運(yùn)維管理方案，預(yù)測公路交通事件，從而減少交通事故率。當(dāng)車輛進(jìn)入高速公路后，智能監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)定時(shí)更新車輛位置信息，測量車輛車距，啟動(dòng)相鄰數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，使其能夠完整地記錄車輛在高速公路行駛中的數(shù)據(jù)信息，融合處理相關(guān)數(shù)據(jù)后管理車輛，發(fā)現(xiàn)車輛故障、其他異常情況后快速處理、準(zhǔn)確定位。

5 建設(shè)高速公路智慧監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

5.1 WSN技術(shù)

WSN技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，高速公路智慧監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，WSN技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的全程全時(shí)段監(jiān)控。智慧監(jiān)控系統(tǒng)可采用分布式傳感互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，終端安裝各類傳感器，采集高速公路全路段的數(shù)據(jù)信息，并利用無線通信網(wǎng)絡(luò)傳送相關(guān)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)信息完整地傳輸給接收終端。在此過程中，智慧監(jiān)控管理中心可與傳感器設(shè)備相互對接，自動(dòng)設(shè)置傳感器數(shù)據(jù)服務(wù)功能，確保數(shù)據(jù)采集、傳輸符合高速公路智慧監(jiān)控需求。

基于WSN技術(shù)的智慧監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)包含多跳變的自組織模式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的適用性、實(shí)用性。相較于傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)，基于WSN技術(shù)的智慧監(jiān)控系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：一是實(shí)現(xiàn)高速公路運(yùn)維數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確互通，有助于監(jiān)控人員快速掌握全范圍的路況信息，及時(shí)處理各類緊急安全事故、意外事故。二是無線通信網(wǎng)絡(luò)安裝的傳感器、其他節(jié)點(diǎn)設(shè)備成本低、造型簡單，可大量在高速公路上鋪設(shè)。三是不間斷地監(jiān)控整條高速公路的交通路況，實(shí)時(shí)反饋路況信息，為高速公路運(yùn)維管理人員提供決策依據(jù)。四是多傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可改善路況監(jiān)測環(huán)境，確保監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、監(jiān)控信息的準(zhǔn)確性和完整性。五是數(shù)據(jù)傳送、路面監(jiān)控不受天氣、時(shí)間、空間的限制。

5.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)是高速公路智慧監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，可有效處理監(jiān)控系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行所需的關(guān)鍵信息。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行期間，大數(shù)據(jù)技術(shù)可為管理者提供數(shù)據(jù)相關(guān)的所有服務(wù)，包括高速公路車流量數(shù)據(jù)分析、車輛故障數(shù)據(jù)處理、高速公路路況數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等服務(wù)?；诖髷?shù)據(jù)技術(shù)，智慧監(jiān)控系統(tǒng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，自動(dòng)整理為數(shù)據(jù)集，同時(shí)分類存儲(chǔ)在監(jiān)控系統(tǒng)中，以供監(jiān)控人員、管理人員查閱。

比如，高速公路智慧監(jiān)控系統(tǒng)可應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)采集路段噪聲、空氣質(zhì)量、溫濕度等數(shù)據(jù)信息，為公眾出行提供依據(jù)，或配合交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)處理擁堵路段的數(shù)據(jù)信息，實(shí)時(shí)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對接到導(dǎo)航軟件上，使車輛駕駛員了解高速公路擁堵路段的實(shí)時(shí)狀況，合理選擇出行路線。

5.3 圖像識(shí)別技術(shù)

圖像識(shí)別技術(shù)是智慧監(jiān)控系統(tǒng)的主要監(jiān)控技術(shù)，可基于WSN技術(shù)，識(shí)別傳感器采集的圖像信息，配合嵌入式芯片識(shí)別數(shù)據(jù)后，模仿人類的視覺功能，為智慧監(jiān)控管理中心提供有價(jià)值的監(jiān)控信息。智慧監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)中，圖像識(shí)別技術(shù)多用于車輛違章檢測，具有識(shí)別車輛、追蹤車輛、違章報(bào)警、車流量統(tǒng)計(jì)功能。該技術(shù)不僅可采集高速公路監(jiān)控范圍內(nèi)的靜態(tài)圖像信息，還能夠獲取監(jiān)控范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)圖像信息，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤、車輛違章智能判別。

一方面，基于圖像識(shí)別技術(shù)，智慧監(jiān)控系統(tǒng)可跟蹤路段內(nèi)的不同車輛，測量、計(jì)算車距和路面車流量。另一方面，智能分析路段內(nèi)的車輛圖像信息，分析車輛行為，比如判別車輛是否違章。圖像識(shí)別技術(shù)可根據(jù)車牌字符、視頻監(jiān)控影像記錄車輛畫面，將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入監(jiān)控系統(tǒng)后智能分析車輛違章情況。

6 結(jié)語

綜上所述，高速公路上的安全風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)較大，智慧化監(jiān)控系統(tǒng)能夠多維度、綜合性地監(jiān)控高速公路機(jī)電系統(tǒng)、構(gòu)筑物、沿線車輛，滿足高速公路安全運(yùn)營需求，提升高速公路運(yùn)營管理效率。但在建設(shè)高速公路智慧監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)結(jié)合新時(shí)期高速公路交通管理的實(shí)際需求，明確系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)，合理設(shè)計(jì)高速公路智慧監(jiān)控系統(tǒng)的功能模塊，優(yōu)化系統(tǒng)的智慧分析、實(shí)時(shí)監(jiān)控、智慧運(yùn)維服務(wù)功能，促進(jìn)高速公路交通事業(yè)的健康發(fā)展。