高速公路路段監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：高速公路監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，主要涉及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、組件技術(shù)、通信技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)等，以“某高速公路監(jiān)控系統(tǒng)”為背景，結(jié)合項(xiàng)目需求，簡(jiǎn)要分析了硬件模塊劃分、軟件設(shè)計(jì)、設(shè)備控制和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，分析、研究與概括了高速公路路段監(jiān)控系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)，為類似系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了思路和借鑒。



關(guān)鍵詞：高速公路； 監(jiān)控系統(tǒng)； 組件技術(shù)； 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)； 數(shù)據(jù)復(fù)制

中圖分類號(hào)：TN911-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2012)01-0167-05

Design of highway road monitoring system



ZHOU Ying

(Sichuan Institute of Information Technology， Gangyuan 628017， China)



Abstract：

The highway monitoring system is a complex system engineering， including computer network technology， computer control technology， distributed database technology， component technology， communication technology and image processing technology. Taking some highway monitoring system as background， combining the project requirement， the hardware and software modules， the device control and the database design are analyzed. The main key technology for the highway monitoring system is studied to provide design thinking and practice for similar system.



Keywords： expressway； monitoring system； component technique； database technique； data reproduction





收稿日期：2011-09-20

高速公路監(jiān)控系統(tǒng)是將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、電子控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等綜合運(yùn)用于地面運(yùn)輸管理體系[1]。建立高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的目的是通過(guò)信息技術(shù)，采集各種交通數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件對(duì)信息進(jìn)行處理分析，形成控制策略，及時(shí)發(fā)布各種控制命令、交通信息，處理各種交通事故，疏導(dǎo)交通流，及時(shí)向有關(guān)部門提供各種服務(wù)（包括搶救受傷人員、拖走拋錨車輛損壞車輛、修理?yè)p壞路面損壞設(shè)備等），保證高速公路的安全暢通。

1 路段監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)路段監(jiān)控系統(tǒng)需要完成的實(shí)際任務(wù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，從設(shè)計(jì)者角度，高速公路路段監(jiān)控中心硬件方案如圖1所示[2]。

1.2 模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)全路信息的采集處理以及命令的發(fā)布，主要由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、交通監(jiān)控、通信系統(tǒng)、地圖板、圖形處理、緊急電話等主要模塊組成，如圖2所示。



圖1 監(jiān)控中心硬件方案

圖2 路段監(jiān)控系統(tǒng)模塊組成

路段監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用C/S（即客戶機(jī)／服務(wù)器）工作模式，服務(wù)器負(fù)責(zé)運(yùn)算與信息存儲(chǔ)，客戶機(jī)負(fù)責(zé)處理用戶界面。服務(wù)器和工作站通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連成一個(gè)局域網(wǎng)。通過(guò)相關(guān)的計(jì)算機(jī)對(duì)大屏幕投影儀、視頻切換矩陣、電視墻、地圖板等設(shè)備進(jìn)行控制。

通信模塊是外場(chǎng)信息進(jìn)入系統(tǒng)的入口，同時(shí)也是系統(tǒng)向外場(chǎng)設(shè)備發(fā)送指令的出口，在軟件系統(tǒng)中起著信息上傳下達(dá)的重要作用。它的功能主要是負(fù)責(zé)與外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備收發(fā)控制及反饋信息以及系統(tǒng)的時(shí)鐘校對(duì)等。

通信系統(tǒng)接入網(wǎng)為本路段外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備（除攝像機(jī)外）和監(jiān)控分中心之間的數(shù)據(jù)交互提供通信通道，外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備采集的信息通過(guò)專線調(diào)制解調(diào)器送至就近的通信站，匯總后將數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控分中心，主要功能有：通信協(xié)議的制訂，信息采集，信息顯示，指令下發(fā)，時(shí)鐘校對(duì)等[1，4]，之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 信息處理系統(tǒng)關(guān)系

視頻監(jiān)控模塊在路段監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)需要隨時(shí)了解全面情況的重要地點(diǎn)利用車輛檢測(cè)器等設(shè)備往往難以獲得完整的信息，使用視頻監(jiān)控的手段能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控室，使監(jiān)控人員看到檢測(cè)地點(diǎn)的全面情況，對(duì)交通事件進(jìn)行確認(rèn)。

系統(tǒng)模塊主要負(fù)責(zé)進(jìn)行系統(tǒng)初始化參數(shù)設(shè)置，同時(shí)把原始數(shù)據(jù)分析出來(lái)的數(shù)據(jù)及人工輸入的事件數(shù)據(jù)以報(bào)表和圖形的方式顯示和打印出來(lái)，便于查詢整理。主要功能有：管理參數(shù)、外場(chǎng)設(shè)備的管理、用戶管理、數(shù)據(jù)處理、事件輸入、數(shù)據(jù)查詢打印、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)打印、數(shù)據(jù)維護(hù)等。

交通控制模塊按監(jiān)控軟件的約定從數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中讀取高速公路路段設(shè)備（能見度檢測(cè)器、車量檢測(cè)器、可變情報(bào)扳、可變限速標(biāo)志）的狀態(tài)信息，及對(duì)高速公路上車流量、車速等的檢測(cè)信息。并對(duì)其進(jìn)行分析處理產(chǎn)生當(dāng)前的大陸交通狀況及其氣象狀況，下達(dá)到外場(chǎng)控制設(shè)備，顯示如限速值、告警等相關(guān)的信息，提示駕駛員注意行車安全。該模塊的主要功能是對(duì)交通和氣象等異常事件進(jìn)行快速反應(yīng)，為決策者提供處理方案，實(shí)現(xiàn)的主要功能有：交通及氣象檢測(cè)數(shù)據(jù)門限值的設(shè)置、交通異常檢測(cè)及處理、氣象異常檢測(cè)及處理等。

1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

外場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)不是存儲(chǔ)在廣元監(jiān)控中心一個(gè)點(diǎn)上，而是根據(jù)就近原則分散存儲(chǔ)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，各分中心負(fù)責(zé)各自管轄范圍各工作站上傳數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、交換和維護(hù)，這樣分散存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式不但減少了網(wǎng)絡(luò)流量和單個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器上的負(fù)擔(dān)，同時(shí)，如果某一個(gè)服務(wù)器失效，用戶可以及時(shí)轉(zhuǎn)向另外的服務(wù)器繼續(xù)工作。這些分散的數(shù)據(jù)邏輯上卻是一個(gè)整體，它們被本監(jiān)控系統(tǒng)的所有用戶（全局用戶）共享，整個(gè)系統(tǒng)采用客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，使用數(shù)據(jù)復(fù)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的同步、實(shí)時(shí)更新，以保持各分中心及監(jiān)控中心在數(shù)據(jù)上的高度一致，監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

1.4 軟件設(shè)計(jì)

路段監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)具體的數(shù)據(jù)采集、處理和控制功能，支持系統(tǒng)以自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種模式運(yùn)行，并能實(shí)現(xiàn)必要的聯(lián)動(dòng)控制。主要是通過(guò)程序處理的方式來(lái)完成信息采集、傳輸、處理和發(fā)布等主要任務(wù)。根據(jù)108線廣元段工程建設(shè)指揮部的實(shí)際要求，結(jié)合高速公路監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出來(lái)的信息處理方案如圖5所示。

圖5 信息處理方案

監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)通信模塊按系統(tǒng)設(shè)定的周期以輪詢的方式，收集各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的車輛和能見度等信息，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，判斷是否要報(bào)警和顯示，如果要報(bào)警，則按預(yù)定的方案進(jìn)行報(bào)警；如要顯示，則按預(yù)定的方案進(jìn)行顯示。并同時(shí)把這次采集信息處理的結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中。寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息主要包括車輛檢測(cè)器、能見度監(jiān)測(cè)器、可變情報(bào)板和可變限速標(biāo)志的狀態(tài)等檢測(cè)。

路段監(jiān)控信息處理是按監(jiān)控軟件的約定從數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中讀取通信模塊送入的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行分析處理產(chǎn)生當(dāng)前的大陸交通狀況及其氣象狀況，當(dāng)交通狀況臨界飽和狀態(tài)和發(fā)生交通阻塞或氣象狀況達(dá)到設(shè)定的門限值時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生報(bào)警并自動(dòng)提出相應(yīng)的控制策略（經(jīng)操作員確認(rèn)）產(chǎn)生相應(yīng)的指令代碼送入中心數(shù)據(jù)庫(kù)，經(jīng)通信模塊取出后，下達(dá)到外場(chǎng)控制設(shè)備，顯示如限速值、告警等相關(guān)的信息，提示駕駛員注意行車安全。該模塊的主要功能是對(duì)交通和氣象等異常事件進(jìn)行快速反應(yīng)，為決策者提供處理方案，信息處理軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 信息處理軟件流程

2 組件技術(shù)在路段監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

組件技術(shù)就是利用某種編程手段，將不便于讓最終用戶去直接操作的細(xì)節(jié)進(jìn)行封裝，用于處理用戶的內(nèi)部操作細(xì)節(jié)，封裝體就稱作組件。組件可以用任何支持組件編寫的工具來(lái)完成，而最終完成的組件是與語(yǔ)言本身已經(jīng)沒(méi)有了任何的關(guān)系，甚至可以實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)。

2.1 Delphi組件的層次結(jié)構(gòu)

一般情況下，VCL的組件可以從TComponent開始。其最明顯的特征就是它的屬性可以在設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)對(duì)象查看器來(lái)操縱，另外，它還能擁有其他組件。

從TComponent下，分出非可視組件和可視組件。

非可視組件如TOPenDialog，TTimer，TTable等，這些組件因?yàn)槔^承自TComponent，所以也就繼承了在設(shè)計(jì)時(shí)可以被操縱的特性。可視化組件始自TControl，是它引入了可視化屬性和方法，使繼承自它的類都有了這些可視化特性。

TControl又分出兩類組件類型：從TWinControl（窗口控件）自下的控件和從TGraphicControl（圖形控件）自下的控件。繼承自TWinControl的控件將Windows控件進(jìn)行封裝，所以擁有Windows控件的很多特性。繼承自TGraphicControl的控件，也是可見的，但沒(méi)有句柄，可以稱之為圖形控件。

組件是Delphi的核心，DelPhi提供了大量的標(biāo)準(zhǔn)組件。Delphi的組件實(shí)際上是某個(gè)類的對(duì)象，TComponent是每一個(gè)組件的共同祖先，它提供了Delphi組件正常工作的最基本的屬性、方法和事件。Delphi主要組件示意圖如圖7所示[5]。

圖7 Delphi組件示意圖

2.2 外場(chǎng)設(shè)備組件的設(shè)計(jì)

組件技術(shù)能夠方便地實(shí)現(xiàn)代碼復(fù)用，同時(shí)便于程序員很輕松地進(jìn)行可視化編程。因此，將組件引入到道路監(jiān)控系統(tǒng)軟件的開發(fā)中，是非常必要的。在系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的組件中，主要是一些設(shè)備類組件，另外還包括一些諸如用戶管理、數(shù)據(jù)庫(kù)操作等通用的功能的組件。主要包括：車輛檢測(cè)器組件(VD)；可變情報(bào)板組件(CMS)；可變限速標(biāo)志組件(CSLS)；能見度檢測(cè)器組件(WD)。

2.2.1 利用Frame創(chuàng)建外場(chǎng)設(shè)備組件

利用Frame創(chuàng)建組件，把框架放入組件包中，將該框架注冊(cè)成一個(gè)組件。采用Frame創(chuàng)建組件的優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)組件進(jìn)行可視化開發(fā)。由于設(shè)備組件中包含有較多的子組件，采用可視化的開發(fā)要比傳統(tǒng)的方法更直觀和方便。要?jiǎng)?chuàng)建子組件，只需要將組件放入窗體中，再調(diào)用SetSubComponent方法就可以將窗體擁有的子組件變成實(shí)際的子組件。部分程序代碼如下：



TDevice=class(TFrame)

Image1:TImage；//聲明圖形變量

Image2:TImage；//聲明圖形變量

……

Procedure Register；

Begin

registerComponents(′Road′；［TDevice］）；

end

……

Constructor TDevice Create(AOwner:TComponent)；

Begin

Inherited；

……

Image1 SetSubComponent(true)；

Image2 SetSubComponent(true)；

WndHandle:=AllocateHWnd(SetFlash)；

End



2.2.2 設(shè)備組件的屬性和方法

(1) 屬性

路段監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的屬性一般包括以下幾種：

模式：自動(dòng)/手動(dòng)。當(dāng)自動(dòng)時(shí)，該設(shè)備不能進(jìn)行操作，當(dāng)為手動(dòng)時(shí)該設(shè)備才能進(jìn)行手動(dòng)控制。

開啟：開啟/關(guān)閉。反映該設(shè)備現(xiàn)在是否工作。

工作狀態(tài)：反映該設(shè)備的工作狀態(tài)。如可變限速標(biāo)志，工作狀態(tài)是顯示內(nèi)容。

故障：反映該設(shè)備是否故障。

其他屬性，如：名稱、編號(hào)等，可以加上用于顯示。

上述設(shè)備屬性的定義如下：



Property Modal:Boolean read Fmodal write SetModal；

Property Fault:Boolean read Ffault write SetFault；

Property Work:Boolean read F Work write SetWork；

Property Status:TStatus read FStatus write Set Status；



(2) 方法

根據(jù)設(shè)備的屬性，設(shè)備組件的方法主要有：



SetModal；

SetFault；

SetWork；

SetStatust；

SetFlash。



由于設(shè)備故障時(shí)，設(shè)備組件將不停閃爍，用于提醒用戶。在這里利用SetFlash方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，在SetFault（）中調(diào)用SetTimer()方法打開一個(gè)定時(shí)器，同時(shí)在構(gòu)造器中將定時(shí)器的處理方法指定為SetFlash，這樣就能在SetFlash中調(diào)用ChangePicture方法來(lái)轉(zhuǎn)換圖片，以達(dá)到動(dòng)畫的效果。具體實(shí)現(xiàn)程序如下：



Procedure TDevice SetFault(value: Boolean)；

Begin

FFault=value；// value參數(shù)為狀態(tài)變量，確定定時(shí)器的開/關(guān)狀態(tài)

If FFault then

Begin

Kill Timer(WndHandle，1)；

SetTimer(WndHandle，1500，nil)；//打開定時(shí)器

End

Else

Kill Timer(WndHandle，1)；//關(guān)閉定時(shí)器

Invalidate

End

End



Procedure TDevice SetFlash(var Msg:Tmessage)；

Begin

With Msg do //由msg參數(shù)決定是否產(chǎn)生動(dòng)畫效果

Begin

If Msg=WM_TIMER then

try

ChangePicture；//用于轉(zhuǎn)換圖片以達(dá)到動(dòng)畫效果

except

Application HandleException(self)；

End

Else

DefWindowProc(WndHandle，Msg，waparam，Iparam)；

End

End



2.2.3 組件的裝配

根據(jù)路段所監(jiān)控的設(shè)備，應(yīng)將每類設(shè)備都做成組件。其中包括：車輛檢測(cè)器組件、可變情報(bào)板組件、可變限速標(biāo)志組件、能見度檢測(cè)儀組件。安裝這些組件的步驟是：在Delphi環(huán)境下新建一個(gè)包，將所有組件的單元文件(*.pas）加入到這個(gè)包中，然后安裝該包，這樣所有的組件均被加到IDE的組件板上了。在路段監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中，程序員就可以直接使用這些設(shè)備組件了。

2.3 組件優(yōu)化

在實(shí)際調(diào)試工作中，發(fā)現(xiàn)安裝外場(chǎng)設(shè)備組件包以后，組件顯示在Delphi組件頁(yè)中的圖標(biāo)并不能清楚地說(shuō)明組件的功能。這里需要一個(gè)有自己特色的目標(biāo)，在實(shí)際中采用如下方法完成：

打開Delphi自帶的Image Editor（ToolsaImage Editor），新建一個(gè)組件資源(.dcr)，在彈出的窗口中右鍵單擊new新建一個(gè)bitmap位圖資源調(diào)整好位圖的大小（這里用24×24）和色深后確定，雙擊建立好的位圖名字，完成后需要為位圖文件另取一個(gè)名字（右鍵點(diǎn)擊bitmap），因?yàn)镈elphi強(qiáng)制要求這個(gè)位圖的名字要和組件的名字一樣，并且要全部大寫，這里就取為：TC108LOCK。最后保存這個(gè)資源文件到組件包（.dpk文件）目錄，命名為ClockDcr.dcr。最后在Clock的代碼中的interface部分加入一個(gè)編譯器開關(guān)：{MYMR ClockDcr.dcr}，然后重新編譯更新組件，這時(shí)的組件圖標(biāo)已經(jīng)變成剛才做的位圖了。

為了讓組件的一些和時(shí)鐘有關(guān)的屬性注冊(cè)成一個(gè)新的類別把它們和label的屬性分開開來(lái)，讓組件用戶能夠更容易的發(fā)現(xiàn)組件的新特性，繼承了屬性類別的基類TpropertyCategory并覆蓋它的兩個(gè)類的方法，在Register過(guò)程中用RegisterPropertyInCategory方法注冊(cè)屬性類別。把以下的部分代碼補(bǔ)充到開發(fā)的組件的原代碼中：



Uses

DesignIntf;

procedure Register;

begin

RegisterComponents(′ClockAndTime′，［TC108LOCK］);

RegisterPropertyInCategory(′ClockPro′，TC108LOCK，′State′);

RegisterPropertyInCategory(′ClockPro′，TC108LOCK，′Active′);

RegisterPropertyInCategory(′ClockPro′，TC108LOCK，′BeginTime′);

RegisterPropertyInCategory(′ClockPro′，TC108LOCK，′WakeTime′);

RegisterPropertyInCategory(′ClockPro′，TC108LOCK，′AllowWake′);

RegisterPropertyInCategory(′ClockPro′，TC108LOCK，′OnWakeUp′);

RegisterPropertyInCategory(′ClockPro′，TC108LOCK，′OnTimeUp′);

end;



重新編譯后，做一個(gè)測(cè)試程序，這時(shí)只要組件使用者右鍵單擊Object Inspector選擇ArrangeaBy Category就可以看到屬性已經(jīng)被清楚地分類了。

3 結(jié) 語(yǔ)

高速公路監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它涉及到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、組件技術(shù)、通信技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)等多個(gè)方面。

本文從大力發(fā)展高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)要求出發(fā)，以“某高速公路監(jiān)控系統(tǒng)”為背景，結(jié)合項(xiàng)目需求，簡(jiǎn)要分析了硬件模塊劃分、軟件設(shè)計(jì)、設(shè)備控制和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)等，對(duì)類似的監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)提出一點(diǎn)方法和實(shí)際應(yīng)用中的借鑒和幫助。本文所做的工作對(duì)今后開發(fā)類似的高速公路路段監(jiān)控系統(tǒng)有一定幫助，對(duì)于開發(fā)面向其他領(lǐng)域應(yīng)用的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)也有一定的借鑒。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］趙祥模.高速公路道路監(jiān)控系統(tǒng)理論與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003.



［2］母中旭.高速公路路段監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安交通大學(xué)，2006.



［3］王小華，劉美林.高速公路監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2002，5(10):6-8.



［4］袁亮.高速公路監(jiān)控系統(tǒng)通信管理模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都:西南交通大學(xué)，2003.



［5］王玨.組件技術(shù)在軟件開發(fā)中的應(yīng)用研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2005.



［6］鄒建.SQL Server 2000開發(fā)與管理應(yīng)用實(shí)例(中文版)[M].北京:人民郵電出版社，2005.



作者簡(jiǎn)介：

周 英 女，1973年出生，工程碩士，講師，工程師。主要從事電子技術(shù)和通信技術(shù)專業(yè)教學(xué)與研究工作。

母中旭 男，1970年出生，碩士研究生，副教授，工程師。主要從事電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)專業(yè)教學(xué)與研究工作。