■ 遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司 王嗣策

高速公路監(jiān)控系統(tǒng)是高速公路機電系統(tǒng)的重要組成部分，隨著我國交通運輸行業(yè)的發(fā)展和高速公路現(xiàn)代化信息技術(shù)水平的提升，對高速公路路段、沿線公共設施、環(huán)境、車輛、安防等監(jiān)控數(shù)據(jù)的需求日益增加，相關(guān)技術(shù)規(guī)范不斷擴充完善，對其工程設計工作的覆蓋范圍、設計質(zhì)量、設計產(chǎn)品的時效性要求與日俱增。

高速公路監(jiān)控系統(tǒng)在設計階段通常包括初步設計和施工圖設計兩部分，分別用于設計方案的確定和對設計內(nèi)容全方位的細化，以滿足指導施工的要求。但對于高速公路監(jiān)控系統(tǒng)來說，不論是初步設計還是施工圖設計階段，都是圍繞著外場設備布設、圖像數(shù)據(jù)傳輸及存儲、供配電三者進行展開設計。本文從外場設備布設、圖像數(shù)據(jù)傳輸及存儲、供配電三部分對高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的設計技術(shù)進行總結(jié)。為使設計更加合理、有序，筆者特提出高速公路監(jiān)控系統(tǒng)設計框架（圖1），以期為類似工程提供參考。

圖1 高速公路監(jiān)控系統(tǒng)設計框架

監(jiān)控外場設備

監(jiān)控外場設備處于系統(tǒng)的感知層面，其種類較多，可分別從不同維度監(jiān)測和收集路況信息。其布設原則的確立是設計方案的基礎；設備選型的技術(shù)參數(shù)的編寫是影響項目實施后的品質(zhì)的重要因素。

監(jiān)控外場設備的布設規(guī)模在規(guī)范中有較為明確的要求，需要根據(jù)所屬高速公路級別、車道數(shù)及服務水平進行等級的確定，參照與等級匹配的設備種類、監(jiān)控區(qū)域以及疏密程度要求，制定具體的布設原則，并結(jié)合現(xiàn)場勘察情況、設備的用途及作用覆蓋的范圍，應用高效計算機CAD軟件，在圖紙上形象直觀地呈現(xiàn)出來。

設備被逐項添加到線路圖紙的過程，不是機械化的圖例的復制粘貼，而是書面的原則與線路場景融合的過程。如今的平面繪圖技術(shù)容易使人遺漏細節(jié)，在有限的條件下，清除與本專業(yè)毫無關(guān)聯(lián)的圖型標注或圖層是讓人保持專注的基礎，以便將圖紙中剩余的有限元素在腦海中構(gòu)建起相應的虛擬場景（圖2、圖3）。

圖2 挖方路段示意圖

圖3 橋梁路段示意圖

當路側(cè)是挖方段的情況下，為埋設監(jiān)控設備的基礎及立柱需要對路側(cè)進行開挖。由于路側(cè)高于路面，不僅增加了施工的工作量，而且還需額外對邊坡進行防護，以免受到落石、滑坡的危害，因此布設應盡量避開挖方段。

當前方是橋梁的情況下，設計時需要及時向橋梁設計的主體專業(yè)提交需要預留預埋的相關(guān)信息，以便在后期的機電系統(tǒng)施工時，能夠在主體工程預留好的基礎上安裝相應監(jiān)控設施。

當監(jiān)控設備前后有遮擋物存在的情況下，應根據(jù)視距的需要適當對情報板等監(jiān)控設備的布設位置進行調(diào)整；在山區(qū)等橋隧偏多的線路，合適的布置區(qū)域通常存在設備、標志牌密集的情況，需要識別遮擋物的用途和對視距的要求，以免影響交通安全設施的信息顯示。

外場布置成型后，設備的選型即是點睛之筆。因為溫濕度、各地區(qū)的建設特點、市場行情、用戶的使用習慣等存在差異，如南北方地區(qū)對室外設備的溫度要求必然有所不同，所以，在保證設備性能的同時也要做到節(jié)約成本。隨著各省對交通運輸部開展的全國高速公路視頻聯(lián)網(wǎng)檢測工作的推進落實，大部分高速公路將在今后完成高清攝像機改造，傳統(tǒng)的模擬攝像機和配套的適用于模擬信號傳輸?shù)脑O備也將被淘汰。此外，用戶對監(jiān)控系統(tǒng)性能的要求意見、相關(guān)技術(shù)的成熟程度、監(jiān)控設計者的方案思路，都會對設備的選型產(chǎn)生影響。因此，技術(shù)指標的合理性、實用性，是設計人員始終要堅持的理念。

傳輸與存儲

傳輸

傳輸處于前端與后端設備的銜接層，負責從外場監(jiān)控單元到各級中心的信息傳遞。在實際工程中，常涉及到的是監(jiān)控外場設施到就近的機房或收費站之間的數(shù)據(jù)和圖像的傳輸。工業(yè)以太網(wǎng)交換機和以太網(wǎng)光端機是當下主流傳輸設備，由于隧道的通行環(huán)境較為復雜，隧道監(jiān)控布設點位更為密集且設備種類較多，路段和隧道監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸方式略有差異（圖4）。

圖4 攝像機圖像傳輸示意圖

隧道內(nèi)擁有以太網(wǎng)接口的監(jiān)控設備，如攝像機、緊急電話、現(xiàn)場區(qū)域控制器等分別采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機組成光纖自愈環(huán)網(wǎng)傳輸信息，利用環(huán)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和支持以太網(wǎng)環(huán)路保護技術(shù)的交換機，即使某處發(fā)生斷路仍可確保一條新的路由進行傳輸。通常一個環(huán)網(wǎng)內(nèi)連接的設備數(shù)量不宜過多，當同類設備數(shù)量較多時，可按編號跳接分別連成多個環(huán)網(wǎng)（如編號按奇數(shù)、偶數(shù)分別組成環(huán)網(wǎng)），各類監(jiān)控信息傳輸?shù)剿淼雷冸娝蠼y(tǒng)一進行上傳。

路段監(jiān)控外場設備由于布設點位分散在各個互通立交且彼此間距離較遠，一般采用星型連接的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，即利用以太網(wǎng)光端機進行點對點的數(shù)據(jù)傳輸，再接入就近收費站配置的三層以太網(wǎng)交換機統(tǒng)一上傳。

存儲

存儲處于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層面，其主要內(nèi)容視頻存儲與其他類型文件的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲及讀寫方式有著較大差異，因此，其他類型服務器常用的存儲設備一般不適合視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

存儲特點

一是監(jiān)控設備對圖像的采集與傳輸是不間斷的，并對于實時性、時序性有一定要求，因此，存儲設備對監(jiān)控區(qū)域的現(xiàn)場視頻的讀寫適宜采用流的方式。

二是由于需要面臨連續(xù)長時間的數(shù)據(jù)讀寫工作，以防止圖像采集和重播過程畫面質(zhì)量受損，因此，對于存儲系統(tǒng)的帶寬要求較高。

三是圖像數(shù)量多，視頻圖像存儲時間長，存儲容量大。

存儲方式

目前，監(jiān)控系統(tǒng)主流的存儲主要有磁盤陣列存儲和網(wǎng)絡硬盤錄像機存儲兩種方式。

磁盤陣列存儲的存儲設備作為獨立系統(tǒng)，通過建立專有的局域網(wǎng)與存儲服務器相連，適用于大容量存儲且利于擴展，如在監(jiān)控分中心或橋隧站等監(jiān)控視頻管理范圍較大的項目。

網(wǎng)絡硬盤錄像機存儲的工作原理是經(jīng)過網(wǎng)絡獲取監(jiān)控攝像頭傳輸?shù)母咔逡曨l碼流，能夠同時對數(shù)路攝像機視頻的存儲、瀏覽、回放、管理，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡化帶來的分布式存儲。目前主要用于中小型監(jiān)控系統(tǒng)的方案中，如對服務區(qū)及收費站室內(nèi)及廣場的視頻監(jiān)控[1]。

存儲容量計算

在確定了各類監(jiān)控信息存儲的位置節(jié)點、存儲的時間之后即可進行存儲容量的計算，公式如下：

碼流是在單位時間里視頻文件占用的數(shù)據(jù)流量，表示每秒比特率。

由公式（1）可知，視頻傳輸?shù)拇a流是影響存儲容量的一個重要因素，碼流主要取決于分辨率、幀率、壓縮率。隨著監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展對于圖像清晰度與碼流的要求逐步提高，超過百萬像素的高清攝像機正被廣泛采用。由于碼流值這種數(shù)字信號的傳輸速率具有一定的浮動性，估算存儲容量時，可參考高清攝像機圖像的清晰度及項目要求，并為后續(xù)設備更新及存儲空間做一定的預留。

供配電

供配電為整個系統(tǒng)提供源源不斷的電力，以保證系統(tǒng)的正常運行。

供電方式

收費站的電源機房是其所接入主線兩側(cè)路段監(jiān)控設備取電的主要來源，且監(jiān)控設備的供電均屬于1kV以內(nèi)的低壓電力配電系統(tǒng)。由于相鄰互通式立交、服務區(qū)的間距一般分別在4km～30km之間、50km左右，故最遠端的外場設備供電距離較長，而相鄰設備間距相對較近。比如，立交兩側(cè)需要布設情報板、攝像機、車輛檢測器等，且為對其分合流點及中央全局進行監(jiān)控，此處攝像機間距可能僅有500m左右，因此，與放射式、樹干式、環(huán)式的供電結(jié)構(gòu)相比，鏈式供電結(jié)構(gòu)更加適合高速公路[2]。這種鏈式供電通過提供統(tǒng)一、足額的輸出電壓，為多個前端負載提供一對多的電力輸送，在每個前端負載處經(jīng)過調(diào)節(jié)處理以得到適用于此處前端設備的工作電壓，無需針對各前端設備的遠近、功率的不同分別計算傳輸損耗并調(diào)整線徑。同時，當前端設備到電源機房位置距離達到數(shù)千米時，可利用遠距離供電方式，其設備一般由上位機和下位機組成[3]（圖5）。

圖5 遠距離供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

上位機設置于電源機房內(nèi)，通過大幅度提高供電端壓降的方式，彌補較長的供電線路帶來的壓降損耗；按照上位機輸出的標稱電壓大小可分為多個不同等級，需要對處于遠距離供電范圍內(nèi)設備的數(shù)量、距離、用電量進行計算，并對所需上位機的規(guī)格進行確定。

下位機設置在現(xiàn)場前端負載處，將歷經(jīng)遠距離送達的電力調(diào)節(jié)成滿足負載正常工作要求的壓降供其運轉(zhuǎn)。

電纜的選型

系統(tǒng)供電需要使用大量線材，其選型亦是重要一環(huán)，需綜合考慮多方面內(nèi)容。

電纜材質(zhì)的選取根據(jù)線纜敷設的環(huán)境、供電的遠近及經(jīng)濟因素對銅或鋁合金芯、是否鎧裝等進行確定。

電纜芯數(shù)的選取通常由單相/三相電源供電確定。由于監(jiān)控系統(tǒng)攝像機、車輛檢測器、亮度計、交通信號燈等設備負載較小，通常采用單相供電，單相回路通常選用2芯電纜，其中，1芯為保護導體和中性導體合用；情報板、服務區(qū)顯示屏等設備功率較大，通常采用三相供電，三相回路通常選用4芯電纜（三相四線制），即三芯為220V單相，保護導體和中性導體合為1芯。

電纜截面積的選取可以根據(jù)公式（2）計算，根據(jù)供電線路抵達距離電源最遠的負載時對壓降損耗的要求，得出線路電壓損失相對值，代入公式后可反推出允許的電纜截面S的最小值，并以此作為參考，在配電手冊查到電纜的截面積[4]。

Δμ%：線路電壓損失相對值；

L：負載的供電距離，km；

P：負載的功率，kW；

S：導線截面積，mm2；

C：計算系數(shù)，與導體材質(zhì)、溫度、電壓有關(guān)可通過查表獲得。

結(jié)論

作為一名設計人員，既需要總結(jié)傳統(tǒng)的設計經(jīng)驗，又要與時俱進廣泛接收新技術(shù)，實現(xiàn)設計產(chǎn)品的規(guī)范化和安全性、實用性的提升。外場設備布設、傳輸與存儲、供配電是高速公路監(jiān)控系統(tǒng)設計的主要脈絡，三者之間相互配合，使得高速公路沿線的路網(wǎng)信息采集、信息發(fā)布、信息管理成為了現(xiàn)實。本文從上述三方面入手，在內(nèi)容繁雜的工程設計中，明確了高速公路監(jiān)控系統(tǒng)設計的思路與總體框架，將設計工作中存儲、壓降損失等計算的過程進行了推導說明，有利于提升設計的標準性、合理性和科學性。