城市片區智能交通系統方案設計

楊 坤，張大為

（天津市市政工程設計研究院，天津300051）

0 引言

目前，國內開發建設的城市片區項目大多是以“智慧城市”的標準進行規劃建設，打造智慧化城市管理模式。智能交通是目前智慧城市建設投入中投資最大、覆蓋范圍最廣的細分領域，是智慧城市的重要組成部分。智能交通系統將傳感技術、信息技術、通信技術、控制技術及計算機技術等有效地集成運用于交通管理系統，可以有效地緩解交通擁堵和減少環境污染、提高交通安全保障和交通管理服務質量，從而獲得巨大的社會經濟效益。本文將對國內某經濟實驗區智能交通系統的方案設計展開探討。該經濟實驗區的面積約為100 多平方公里，將被打造為“引領社會的創新發展”的智慧城市，建立“以互聯網、物聯網等網絡組合為基礎”，“具有信息聯通、實時監控、管理協同、人物合一”特征的智能交通系統。

1 系統構成

本經濟實驗區智能交通系統的設計采用了以物聯網技術為基礎的智能交通系統架構（見圖1），分為感知層、傳輸層、應用層。其中感知層是以視頻監控技術、無線磁映像技術、電子標簽技術、傳感器技術為代表的信號采集感知層面；傳輸層是以千兆以太網技術、WIMAX 無線網技術、光纖傳輸技術為代表的信息傳輸層面；應用層涵蓋了本區域智能交通系統的6個子系統的應用層面，分別為：交通視頻監控系統，電子警察系統，交通數據采集系統、交通信號控制系統、交通誘導及服務系統、智能公共交通系統。本系統設置區域交通控制中心，將智能交通系統中各個層面及子系統有效整合，實現集中控制和信息共享。

圖1 物聯網智能交通系統架構圖

2 交通控制中心設計方案

實驗區交通控制中心設在本區域的交管局，是本區域智能交通管理系統的核心。控制中心下設三個監控站，負責各自轄區內智能交通信息采集及控制，并與控制中心通過千兆以太網通訊。本系統的管理模式為：實驗區交通控制中心→交通監控站→外場設備。

控制中心搭建由硬件和軟件所組成的信息平臺（見圖2），主要用于承載交通視頻監控系統、電子警察系統、交通信息采集系統、交通信號控制系統、交通誘導及服務系統、智能公交系統等子系統所用的數據。控制中心使各個子系統實現信息的高度共享，完成對大量交通信息的整理與集成，由交通信息數據處理及決策系統處理交通數據，并建立以GIS地理信息為綜合集成的可視化支持平臺，進而實現智能決策和交通調度。

圖2 實驗區交通控制中心信息平臺構成圖

3 交通視頻監控系統設計方案

交通視頻監控系統可實現對本區域內路段上車輛信息的實時監控，在重要路段、路口、互通立交、流量密集處、事故多發地段等重點地段實行重點監控。系統可與交通事件檢測設備實現數據共享，在發生交通異常時，能及時確定事故或受阻區域，并實時發布相應的誘導和救援信息，通過協調指揮調度，及時處理現場的交通突發事件。系統可通過統一的GIS平臺調用任意點位圖像信息，實現集成化的管控操作。

視頻監控系統在交通控制中心的設備由大屏幕顯示系統、光傳輸管理平臺、存儲服務器、磁盤陣列、視頻發布服務器、管理終端、視頻事件檢測儀、視頻事件管理終端、事件檢測軟件和視頻播放軟件等組成。前端監控設備包括高清數字攝像機、鏡頭、解碼箱、云臺、防護罩、傳輸設備以及攝像機桿、支架、基礎、電源等配套設備（見圖3）。

圖3 交通視頻監控系統構成示意圖

4 電子警察系統設計方案

電子警察包括不同的應用系統，一種是專用于偵測超速行駛車輛的超速抓拍電子警察系統，一種是安裝于紅綠燈路口的闖紅燈電子警察系統以及在重要卡口對車輛進行記錄的高清卡口系統。

4.1 超速電子警察系統

通過建立超速抓拍系統，能夠實現對區域內通行的車輛實時檢測車速，抓拍超速信息、識別、報警、保存記錄信息。系統集合了車輛違章監測、車輛號牌識別、車輛速度檢測和路面監控等功能，可對車輛超速等交通違法行為進行取證，同時能監控路面車輛通行信息并在地理信息系統上反映出來，定時將路況安全信息發布在路旁違法信息提示屏上為駕乘人員服務。

系統由高清攝像機、雷達（微波）測速單元、用于參數設置和觀察圖像的控制主機組成一個高度集成的單元。

4.2 闖紅燈電子警察系統

系統采用無線磁映像技術[1]檢測闖紅燈違法車輛，結合先進的視頻跟蹤技術，對視頻中車輛進行跟蹤，能夠準確判定其行為方向，有效地克服了感應線圈檢測無法判定車輛左右拐的弊端，并結合紅燈檢測器的信號，對車輛違法闖紅燈過程進行全天候自動記錄。本系統進行闖紅燈、壓線、違法變道、不按道行駛、逆行等違法行為的檢測。

闖紅燈電子警察系統主要由高清攝像機、紅燈檢測器、視頻檢測器、LED補光燈、室外電子警察機柜、桿體、網絡傳輸設備及無線磁映像系統等組成。采用一臺200～500 萬像素級高清攝像機和相應的高清鏡頭，可以同時檢測抓拍2～3條車道的違法行為。

4.3 高清卡口系統

高清卡口系統是采用先進的高清視頻檢測和識別技術[2]對經過的每一輛汽車均拍下車輛的圖像，并自動識別出車輛的牌照，所采集到的車輛的信息數據均保存在服務器數據庫中。系統實時抓拍車輛圖像為保證較高的車輛捕獲率，方案采用磁映像技術[1]來檢測車輛，當車輛經過地磁感應檢測器時，系統自動實時捕獲一幅車輛高清圖像。系統由高清攝像機、抓拍主機、無線磁映像系統等設備組成。

5 交通信號控制系統設計方案

5.1 系統構成原則

交通信號控制系統主要由主車道交通信號控制、平面交叉口交通信號燈控制、特殊路段出入口匝道交通信號控制組成。交通信號采集系統對本區域路網行駛的機動車流量等參數采集后，由交通控制中心或監控站做出控制決策，交通信號控制系統進行控制，與誘導系統聯動，均衡路網的交通流量，達到交通安全、暢通、有序、快速的目的。交通信號燈的控制同時作為闖紅燈電子警察系統的信號來源。

5.2 系統功能

交通信號控制系統的功能主要包括以下方面。

（1）定時時制控制：執行交通實時配時方案，實現車道的全程控制，有效控制每一條車道關閉或開啟，處理緊急事件。

（2）臨界出入口控制：通過設定某個出入口的臨界閥值，自動完成信號開閉控制功能。

（3）手動控制：系統提供由交通警察手動控制信號變換功能。

（4）策略控制：系統提供對所有信號機的控制方案及控制方式的改變，包括配時方案、交通控制預案及控制算法等控制策略，實現信號機的自適應控制功能。

（5）特殊控制功能[3]：系統可根據實際交通需求，由中心發出命令進行特殊控制，主要有：綠波控制，在特殊情況下，如運動會、警衛、消防、救護、搶險等，信號燈按預定的路線進行綠波推進，以保證車輛暢通無阻。單點控制，各路口的信號燈由各路口交通信號控制機獨立控制。閃光控制，信號燈黃燈按一定的頻率閃爍，向車輛和行人發出警告或提示。指定相位控制，根據路口交通需求，由中心發出命令控制信號相位的執行時間，進行交通疏導。

6 交通信息采集系統設計方案

6.1 系統概述

交通信息采集系統通過分布于路網上的交通流檢測設備、交通事件檢測設備及氣象檢測設備，以一定的時間間隔將檢測數據回傳至控制中心或監控站的信息處理/分析系統，并將處理后的交通狀態數據實時提供給交通管理者，滿足交通管理者對交通進行管理和控制的需求，同時為道路交通規劃、交通經濟分析等宏觀決策分析提供準確、翔實的交通數據。系統還可通過數據交換平臺與其他系統如交通誘導系統、視頻監控系統、交通信號控制系統實現信息共享，為其他系統的控制運行提供決策依據和觸發條件。

6.2 系統組成

本工程采用無線磁映像技術[1]進行交通流量檢測。無線磁映像車輛檢測器是利用無線地磁感應檢測器檢測車輛對地磁的影響來誘發信號，通過無線傳輸技術實現信號的采集。

無線地磁感應檢測器主要是檢測路口相關路段的車流量、車速、占有率等交通信息，并將這些信息通過無線傳輸技術傳送到路口控制器，路口控制器通過光纖網絡將數據傳送給交通監控站進行分析處理（見圖4）。交通流量檢測裝置設置于本區域內重要的交通節點，如快速路/主干路出入口、立交橋出入口等。本套裝置可為電子警察系統、交通誘導系統、交通信號控制系統提供觸發條件。

圖4 無線磁映像檢測技術原理示意圖

（2）氣象檢測設備

氣象檢測器可檢測能見度參數及路面狀況、風速風向、溫濕度等，其中路面檢測器采用遙感式，無需切割路面，不影響交通運行。為最大程度地避免惡劣天氣對交通的影響，本工程在交通監控站、互通立交、行政區劃邊界處等區域設置全數據氣象檢測站和能見度檢測器。通過對檢測數據的分析，可實現對本路沿線的氣象信息的日常預告一級異常天氣情況的預告服務。

（3）事件檢測設備

事件檢測系統采用視頻交通事件檢測系統，由事件檢測處理器、事件檢測服務器、事件檢測工作站、以太網交換機以及全套檢測軟件和管理軟件組成。

事件檢測處理器設置在設有圖像傳輸節點的站點處。事件檢測服務器和工作站設置在交通監控站。視頻事件檢測系統對重要路段、橋梁等等地段的攝像機傳回的圖像信號進行事件檢測。

徑向力波特征參數如表1所示。表1中,fe=ω/2π=np/60;k為磁導諧波次數,k=1,2,3,…。

7 交通誘導及服務系統設計方案

交通信息采集系統將信息發送到控制中心或交通監控站，經過信息處理后，交由交通誘導及服務系統進行信息生成和發布，實現交通誘導和服務功能。本系統包含交通公共信息服務子系統及交通誘導屏信息發布子系統。

交通公共信息服務子系統不僅可以通過基于電臺、電視臺、互聯網、交通熱線電話等的公眾服務信息平臺向出行前的駕駛員發布實時的交通信息，還可以通過數字移動通信和車載誘導終端向正在行駛的駕駛員發布動態的交通誘導信息。

交通誘導屏信息發布子系統主要是利用道路側的戶外大屏，采用區域誘導策略對駕駛員提供誘導。系統將交通實時信息通過通信網絡發布到交通誘導屏，向廣大公眾提供包括路況信息、停車信息、交通預告等全方位、動態的交通信息服務[4]，從而實現疏導交通、緩解擁堵的功能。

8 智能公交系統設計方案

本工程智能公交系統可以具體描述為：利用本區域規劃中要求建設的WIMAX 無線通訊基站，通過無線傳輸進行車輛位置數據采集，以地理信息系統（GIS）為操作平臺，在對公交線網布局、線路公交方式配置、站點布置、發車間隔確定等進行優化和設計的基礎上，實現公交車輛的智能化調度和排班，保證車輛的穩定運行，并使乘客能夠通過電子站牌了解車輛的到達時刻，從而節約乘客的出行時間。采用RFID 技術實現公交信號優先的車站控制策略，以提高公交服務水平。此外建設公交智能調度、公交信息發布、公交客流信息采集系統，公交乘客可以通過媒體如電子站牌、電話、互聯網等方便地獲得公交信息（如：出行線路換乘點、票價、車型等），使更多居民采用公交方式出行。

9 信息通訊傳輸設計方案

9.1 構成原則

由于本工程采用高清攝像機作為視頻采集的前端設備，視頻數據量大，需要的光纖傳輸網絡帶寬較大，如將系統中所有信號同網傳輸，會造成網絡擁擠。本工程將數字視頻信號和其他外場設備的數據信號分網傳輸，以提高視頻信號和數據信號傳輸穩定性和可靠性。信息通信傳輸平臺以大容量光傳輸設備為基礎，以數字視頻傳輸網絡、數據傳輸網絡分網傳輸為手段，以交通控制中心為核心，實現監控圖像信息實時、無損的傳輸及交通指揮信息、交通流信息、事件信息和前端設備控制信號的傳輸。

9.2 數字視頻傳輸網絡組成

數字視頻傳輸網絡可實現交通控制中心與交通監控站、視頻節點、前端監控點之間的視頻圖像信息傳輸。

本次設計采用數字化光傳輸平臺設備，將交通控制中心與其下轄的三個交通監控站組成環狀光纖通訊網絡，實現全區域內視頻監控數據的雙向傳輸。在路段攝像機端設置視頻傳輸節點，每個視頻節點可以接1～6 路圖像，每個視頻信號在攝像機端壓縮，多個視頻節點（不大于16 個）與交通監控站視頻傳輸平臺構成環狀結構，組成多個雙向自愈環，每個環網傳輸通道最大能傳輸16路圖像（千兆網），每個視頻傳輸平臺最多可以接入16 個環網傳輸通道。本工程視頻傳輸采用自建1 000M 光傳輸網絡方案。此方案多個視頻節點共用2芯光纖，將極大地節約光纖資源；同時，光纖或單個視頻節點的故障也不會影響到其他視頻節點的傳輸，其系統構成安全可靠。控制中心與監控站視頻傳輸網絡如圖5所示。交通監控站視頻傳輸網絡如圖6所示。

圖5 控制中心與監控站視頻傳輸網絡示意圖

圖6 交通監控站視頻傳輸網絡示意圖

9.3 數據傳輸網絡組成

數據傳輸網絡（見圖7）可實現交通控制中心與交通監控站、數據節點、前端設備之間的信息實時、無損的傳輸。本設計采用千兆以太網傳輸設備，將交通控制中心與其下轄的三個交通監控站之間組成星型以太網通訊網絡；在交通監控站管轄范圍內設置多個數據節點，每個數據節點可接受多個智能交通外場設備（視頻監控設備除外），數據節點域監控站以太網交換機組成星型結構。

圖7 數據傳輸網絡示意圖

10 智能交通系統供電方案

本次供電設計分為兩個部分：機房供電和外場設備供電。

10.1 機房供電

交通總控中心設置一組配電屏供電系統分別為智能交通系統引兩路低壓電源。

10.2 外場設備供電

智能交通的外場設備負荷較小，且分散，如就近引電則存在電源不穩定因素，會影響到交通安全；供電距離較遠，為滿足壓降要求電纜截面設計較粗，不經濟。

本次設計采用了電流源浮動電壓供電系統[8]，很好地解決了以上問題。電流源浮動電壓供電系統是采用電源發生器及隔離變換器等元件，達到電流源浮動電壓供電的目的，使供電回路中任何一點的電流均等。在用電點再通過隔離變換器將電流源轉變為需要的電壓。由于浮動電壓抵消線路壓降，將智能交通系統的供電電纜工程造價大大縮減，并提高了供電的可靠性。電流源浮動電壓供電系統主要包括電源發生器、隔離變換器和專用供電電纜。

本工程在外場設備較多的路口等區域設置專用箱變，在外場設備附近設置隔離變換器，組成可靠的供電網絡（見圖8）。

圖8 智能交通外場設備供電方案示意圖

11 防雷與接地

11.1 系統構成原則

智能交通系統是一個功能強大、強弱電設備種類繁多的電子系統，極易遭受雷電攻擊，因此系統防雷必須受到重視，這直接關系到人身和設備的安全。防雷是一項系統工程，應重視全方位、立體化綜合防治，以達到防雷減災的目的。

11.2 系統功能

（1）防雷系統應能夠防直擊雷和感應雷。

（2）機房電源采用聯合接地，接地電阻＜1Ω。

（3）機房電源防雷，要求建立兩級電源防雷防護：第一級防護在機房總配電柜進線端，第二級防護在機房供電的UPS進線端。

（4）道路外場設備電源防雷，包括攝像機、信號燈、通信及計算機等設備的電源防雷應分三級保護：第一級保護為直擊雷保護；第二級保護為過電壓保護；第三級保護為浪涌吸收保護，各級應配合使用，在保護方式上應多相進行保護。

（5）道路外場設備接地采用多級保護共用接地，接地電阻＜4Ω。

（6）信號防雷。應提供外場設備的視頻信號、數據信號、控制信號防雷。

12 結語

城市片區智能交通系統建設是發展智能、低碳的智慧城市的關鍵支撐點，有著重要的試驗意義和示范意義。該系統可為其他同類區域或整個城市智能交通系統的建設、改造提供經驗和參考。

[1] 司宏毅，金鋒，樹峰，等.無線磁映像技術車輛檢測器在智能交通系統中的應用[J]. 道路交通管理，2010（2）：48-49.

[2] 黃濺華，劉海峰.高清視頻檢測和識別技術研究及其在城市交通中的應用[J].交通標準化，2013（3）：59-65.

[3] 高雨. 多相位智能交通控制器研究[D]. 杭州：浙江大學，2006.

[4] 顏志國. 物聯網技術在智能交通中的應用[J]. 警察技術，2010（2）：4-7.

[5] 李野，王晶波，董利波，等.物聯網在智能交通中的應用研究[J].移動通信，2010（10）：30-34.

[6] 王國鋒，宋鵬飛，張蘊靈.智能交通系統發展與展望[J].公路，2012（5）：217-222.

[7] 田弼臣，胡正平，賀秀良，等.城市智能交通誘導系統研究[J].交通標準化，2011（16）：151-154.

[8] 張大為，王巖，梁玉其.浮動電壓供電系統在海南高速公路的應用[J].中國交通信息化，2014（S1）：140-142.