張 宇，張星原

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

0 引 言

我國開始研究建設(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。但隨著時代的進步，大眾的出行需求日益增加，這給我國高速公路帶來了巨大的運輸壓力。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)水平成為了一個重要的問題。

高速公路監(jiān)控系統(tǒng)通過多種先進設(shè)備對道路數(shù)據(jù)進行實時采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控管理中心，并實時對數(shù)據(jù)進行分析和處理，最后通過交管部門以及道路信息發(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行、提高運營管理效率、實現(xiàn)公路運輸現(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、意大利、美國等國家起步早，所以技術(shù)相對成熟，而且他們的高速公路網(wǎng)規(guī)模所占的比重高，形成了完善的運營和管理模式[3]。相比國外，我國的高速公路監(jiān)控系統(tǒng)起步比較晚，雖然近些年來在不斷地進步和發(fā)展，但還未達到西方發(fā)達國家的發(fā)展程度。在道路沿線布置的檢測設(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象，在其上合理布設(shè)外場設(shè)備，采用自愈環(huán)網(wǎng)連接，在做到數(shù)據(jù)遠距離傳輸?shù)耐瑫r，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，也不會使傳輸信號中斷，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—收費通信中心—外場監(jiān)控設(shè)備三級管理模式，實現(xiàn)了監(jiān)控數(shù)據(jù)的遠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)、計算機網(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)（如氣象檢測器采集的路段溫度、濕度、能見度等氣象數(shù)據(jù)，車輛檢測器采集的車速、車流量、空間占有率等數(shù)據(jù)）實時地傳送給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心通過分析、處理這些數(shù)據(jù)可以生成各種報表，并為各種交通事件提供解決方案。該子系統(tǒng)包括環(huán)形線圈檢測器、微波交通檢測器、紅外檢測器、道路氣象監(jiān)測器等。

（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，這些信息一般通過可變限速標(biāo)志、可變情報板、匝道控制設(shè)備來實現(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站、服務(wù)區(qū)、特殊構(gòu)造物、特殊線形、事故多發(fā)點、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)點等地進行視頻監(jiān)控。當(dāng)監(jiān)控區(qū)域發(fā)生交通事故，外場設(shè)備就能將事故現(xiàn)場的圖像信息傳送至控制中心，以便對事故作出反應(yīng)，及時地解決交通問題。由于視頻監(jiān)控的圖像清晰直觀，對人員的調(diào)動和指揮有重要意義，許多重要的高速公路實行全程監(jiān)控。該系統(tǒng)由攝像機、解碼器、云臺、控制鍵盤等設(shè)備組成。

（4）交通控制子系統(tǒng)

該系統(tǒng)對各路段的交通運行狀態(tài)和氣象數(shù)據(jù)進行分析處理，完成對交通資源的調(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，通過輸入控制參數(shù)，實現(xiàn)對交通流的引導(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）計算機網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)

該系統(tǒng)起到一個連接整合的作用，即通過計算機網(wǎng)絡(luò)將其他各個子系統(tǒng)連接成一個完整的有機體。計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括計算機操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備、計算機設(shè)備、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等。

1.2 高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控過程

圖1描述了監(jiān)控系統(tǒng)的閉環(huán)監(jiān)控過程，其中監(jiān)控對象是交通流，輸入為控制指標(biāo)，輸出為車輛運行狀態(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)計原則

先進性和可擴展性：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)具有強大的生命力?？紤]到系統(tǒng)將來的發(fā)展，在前期工程設(shè)計時要留有余地，方便系統(tǒng)改造與系統(tǒng)升級，保證系統(tǒng)具有更長的生命周期與先進性。

經(jīng)濟性和實用性：施工時要考慮成本，減少不必要的浪費，保證最優(yōu)的性價比，確保系統(tǒng)各項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、處理和存儲時的安全性，做到不丟失、不泄露、不損毀。

可維護和可管理：系統(tǒng)應(yīng)具有較強的管理手段，能對系統(tǒng)資源集中配置；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，維護應(yīng)該簡單，維護的工作量要少。

協(xié)調(diào)性和系統(tǒng)性：要全面地設(shè)計系統(tǒng)，結(jié)合整個路網(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

本次設(shè)計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道，以一級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計速度為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，太陽輻射強、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，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—收費通信中心—外場監(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站，還有一處收費站位于金塔立交的匝道上。該監(jiān)控中心與金塔匝道收費站分別接收各自所管轄路段外場設(shè)備采集到的信息和外場監(jiān)控設(shè)備運行狀況的信息，金塔匝道收費站上的所有接收到的數(shù)據(jù)通過通信站傳輸?shù)奖O(jiān)控分中心。最后由監(jiān)控分中心對該路段所有信息進行匯總，對該路段上交通運行情況進行分析，生成相應(yīng)的處理方案，對發(fā)生的道路問題給予解決。該監(jiān)控分中心可以通過通信系統(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 外場設(shè)備的布設(shè)

高速公路監(jiān)控系統(tǒng)外場設(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)要具有可擴充性，為未來新功能的升級做好預(yù)留，使系統(tǒng)能跟上時代發(fā)展的腳步；此外高速公路監(jiān)控系統(tǒng)外場布設(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)計針對酒泉至金塔段高速公路進行監(jiān)控外場設(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設(shè)備布設(shè)情況

（1）氣象檢測器的布設(shè)

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

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

（2）高清網(wǎng)絡(luò)槍式攝像機的布設(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。本設(shè)備主要設(shè)置于互通立交之前的主線上，并對該路段進行全程監(jiān)控，大約每隔2 km設(shè)置一套高清網(wǎng)絡(luò)槍式攝像機，總共設(shè)置了29套。

互通立交、避險車道、服務(wù)區(qū)、收費站和長下坡路段必須設(shè)置攝像機，收費站和服務(wù)區(qū)可采用球型攝像機，道路沿線采用槍式攝像機；對高速公路路段進行全程監(jiān)控，大約每隔2 km布設(shè)一臺攝像機。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，可以每隔1～1.5 km布設(shè)一臺攝像機。攝像機可以安裝在道路中央的隔離帶上，也可以根據(jù)實際情況采用立柱安裝，高度一般為8～12 m，同時應(yīng)安裝有避雷針，并做好防抖措施；道路上的攝像機應(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。

（3）可變情報板的布設(shè)

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

懸臂式可變情報板一般設(shè)置在互通立交之前的主線上、匝道收費站的入口之前，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)時宜避開不利于安裝和維修的挖方區(qū)和高填方區(qū)；嚴(yán)禁可變信號標(biāo)志和道路上其他設(shè)備的遮擋，可考慮性價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；大型收費站的出入口和服務(wù)區(qū)應(yīng)設(shè)置可變情報板；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)置可變情報板，設(shè)置間距在5～10 km之間。

（4）微波車輛檢測器的布設(shè)

在眾多車輛檢測器中選擇微波車輛檢測器是因為該檢測器檢測范圍廣，可以多個車道一起檢測；安裝起來也很簡單，并對道路質(zhì)量和車輛運行不會造成影響；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；車輛之間存在一定程度的遮擋也能識別出來，漏檢率低，檢測精度高。

在本設(shè)計中，微波車輛檢測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)槍式攝像機同柱安裝，總共設(shè)置7套車輛微波檢測器。在收費站的出入口處一般也要布設(shè)車輛檢測器，可以和其他設(shè)備同址（如微波檢測器可以裝在攝像機的立柱上），用來檢測高速公路斷面雙向的交通流；高速公路立交兩側(cè)無分流、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)車輛檢測器；易發(fā)生交通擁堵、交通事故、車流密集和環(huán)境惡劣的路段應(yīng)以小于2 km的間距布設(shè)車輛檢測器。

2.3 監(jiān)控數(shù)據(jù)和視頻的傳輸方案

外場設(shè)備沿道路進行布設(shè)，展現(xiàn)出帶狀分布的特性，所以在外場布設(shè)遠程光模塊，采用RRPP技術(shù)對前端設(shè)備進行組網(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（可變信號板、車檢器等）的數(shù)據(jù)進行回傳。將前端監(jiān)控數(shù)據(jù)根據(jù)不同數(shù)據(jù)類型接入RRPP終端的視頻、數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)接口，傳輸至就近的收費站監(jiān)控室。收費站通過以太網(wǎng)交換機將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控分中心，監(jiān)控分中心通過通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸給省監(jiān)控中心。收費站和分中心都通過視頻解碼設(shè)備將圖像實時顯示在電視墻上，并通過IPSAN磁盤陣列進行存儲。

本方案在傳輸過程中，采用自愈環(huán)網(wǎng)連接，在做到遠距離傳輸?shù)耐瑫r，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)意外故障也不會使傳輸信號中斷，這極大地保證了信息傳遞的安全性。金塔立交匝道收費站監(jiān)控外場數(shù)據(jù)傳輸如圖4所示。酒泉分中心監(jiān)控外場數(shù)據(jù)傳輸如圖5所示。

圖4 金塔立交匝道收費站監(jiān)控外場數(shù)據(jù)傳輸

圖5 酒泉分中心監(jiān)控外場數(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)通過光纖環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)椒种行囊蕴W(wǎng)交換機上，金塔匝道收費站通過通信系統(tǒng)向分中心傳輸15路道路圖像和6路數(shù)據(jù)，共計29路圖像和10路數(shù)據(jù)在分中心處理、存儲。其中29路道路圖像通過高清解碼器在15塊拼接屏上2對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

我國社會經(jīng)濟在不斷地發(fā)展，高速公路的規(guī)模也將持續(xù)擴大，高速公路監(jiān)控系統(tǒng)作為公路安全運行的保障，會發(fā)展得越來越先進。本文以酒泉至金塔段高速公路為對象設(shè)計了監(jiān)控系統(tǒng)，對監(jiān)控外場設(shè)備進行布設(shè)，采用遠程光模塊以及通過RRPP技術(shù)對前端設(shè)備進行組網(wǎng)，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備到收費站、管理站、分中心的信息傳輸，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃裕瑢崿F(xiàn)了高清數(shù)字全程監(jiān)控。