高速公路智能管控系統外部數據接入設計與實現

(1. 鄭州市規劃勘測設計研究院，鄭州 450052;2.河南交通投資集團有限公司，鄭州 450016; 3. 交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

0 引言

目前高速公路運營管理中，傳統機電系統中的視頻監控、收費系統等已經穩定運行多年，但功能相對單一，隨著通信信息技術的發展，基于視頻基礎上的智能處理技術以及DSRC技術的迅速發展，已經對全面挖掘現有技術，充分復用現有設施提出了強烈的需求[1]。一方面，全國高速公路聯網不停車收費系統已經建成，絕大部分省份已經實現了全國高速公路聯網不停車收費系統的對接，基于ETC-OBU的交通信息抽樣的平均速度信息技術已經成熟等條件；另一方面，利用技術視頻攝像頭開展了交通事件監測以及能見度交通信息的監測，綜合利用重點區域的氣象站設施，構造路面狀況溫度譜以及能見度監測預警體系[2]。

實現高速公路智能管控系統與外部數據互聯互通，有利于改變當前的信息孤島現象，打通各種數據源之間的關聯，發現潛在事件鏈，為高速公路的安全運行與指揮管理提供決策支持[3]。將有力提升高速公路的運營效率，實現資源的最優化配置。因此，本文將依托全國第一個高速公路智能管控項目——京港澳高速公路(G4)河南境內駐馬店市境至信陽市境段改擴建工程進行研究，期望其成功實施后對京港澳全段乃至全國高速公路的數據共享機制建設起到示范作用[4]。

1 智能管控系統與外部數據對接設計

智能管控系統通常依托現有機電系統(包括監控系統、通信系統和收費系統)通過統一的、標準的通訊接口進行數據獲取，并通過省級高速公路聯網收費機構與區域內其他路段或外單位(包括公安、交管、氣象等)的系統進行數據共享交換[5]，同時對接本地監控中心的已有系統，實現交通流、氣象等系統的相關數據遷移。

1.1 外部系統數據對接設計

1)與省級高速公路聯網收費機構等上級管理部門的數據對接：主要包括兩類數據的對接：道路事件的上報、應急事件的處理指令等。以數據交換中間庫或Web服務的形式，提供滿足上級管理部門的數據標準接口，完成數據對接。

2)與公安交警部門的數據對接：主要完成四類數據的對接：道路運行狀態、道路發生的各類事件、事件的處理指、事件處理結果等。可建立以數據交換中間庫或Web服務，也可由系統自動生成文本文件的形式，完成數據對接。

3)與氣象部門的數據對接，主要包括三類數據的對接：向氣象局發送道路氣象環境信息，接收氣象局經過相應計算或繁衍后的氣象結果信息；或接收氣象局發布的城市等天氣信息。可建立以數據交換中間庫或Web服務，也可通過GIS地圖圖層的形式，完成數據對接[6]。

4)與電信、移動、聯通等運營商的數據對接：主要包括手持終端相關的業務數據對接，例如手機定位、事故報警等信息；系統可提供滿足運營商需求的各類標準數據接口。

1.2 智能管控系統接口模塊延伸設計

此外，如果涉及到與外系統的相關視頻對接，智能管控軟件系統應提供視頻播放、視頻控制、視頻切換等一整套標準的視頻API接口及相應的開發SDK包，滿足外系統對于視頻的需求[7]。

為更好地實現智能管控系統與現有機電系統無縫對接，智能管控系統最好具有以下功能模塊：

1)基于收費系統數據進行交通運行態勢分析模塊。該模塊應實現利用收費數據對整個高速公路的交通運行態勢進行綜合分析，不僅可以量化評估道路整體運行情況，還可對某一條路段進行專題分析，并且實現道路交通運行態勢的預測功能、出行誘導方案評估等多種功能。

2)與傳統高速公路監控系統的數據接口模塊：主要包括現有系統的視頻數據、外場設備控制信息、外場設備采集信息等。

3)與傳統高速公路通信系統的數據接口模塊：主要為了實現和現有應用系統、外場設備的正常通訊。

1.3 智能管控系統與外部系統對接總體設計

高速公路智能管控的系統軟件與各系統的對接主要通過以下幾種方式：數據交換中間庫接口、Web服務接口、視頻API接口、系統自動生成標準格式文檔接口等得以實現[8](見圖1)。

圖1 智能管控系統與外部系統對接圖

2 道路交通流數據接入設計

通過智能管控系統布設的基于DSRC的ETC車輛電子標簽(OBU)檢測設備(以下簡稱DSRC設備)，以高速公路運行狀態監測、旅行時間準確估計為目標，研發基于專用短程通信(DSRC)的道路交通流獲取模塊[9]。

2.1 DSRC設備信息采集過程

通過DSRC檢測器采集的ETC車輛的OBU_ID數據(簡稱為DSRC數據)，及其與ETC收費數據的融合處理，獲得交通運行指數和點到點之間的行程時間估計結果(見圖2)。

圖2 DSRC設備信息采集過程示意圖(以京港澳高速駐信段為例)

在獲取車輛通行時間及OBD-ID的基礎上，通過分析算法實現路徑的行程時間估計，主要有如下過程：

1)在以收費站、互通為節點劃分的路段基礎上，分析計算歷史數據，形成節點間的數據匹配集；

2)根據節點間的數據匹配集計算獲取車輛的行程時間；

3)按一定的時間周期對節點間的平均行程時間進行計算；

4)基于時空相關算法，計算選定起點、終點的路徑行程時間。

2.2 DSRC設備信息功能設計

通常情況下，智能管控系統以高速公路沿線布設的DSRC設備為依托，應實現以下功能：

1)實時接入DSRC設備瞬間讀取的ETC車輛電子標簽(OBU)ID 和時間信息，實現當車輛以不低于每小時100公里以上的行駛速度通過時，可以讀取完整且穩定的數據；

2)為高速公路收費數據預留接口，在條件具備的情況下采集高速公路收費數據，作為本模塊的有效補充；

3)DSRC檢測器采集的數據為安裝有ETC電子標簽車輛的行駛數據，同一輛車在經過不同DSRC檢測器時將采集到相應的OBU-ID。通過計算車輛通過相鄰兩個DSRC檢測器(或檢測斷面)的時間，得到車輛的運行速度參數，并融合高速公路收費數據，從而計算出車輛在不同區間的平均旅行時間和平均速度[8]。

4)將獲取的數據及其他子系統采集到的交通流量數據進行融合，最終在GIS地圖中進行直觀的展示。

3 斷面交通流數據接入

全程斷面交通流數據來自于布設于道路沿線的微波檢測器，微波檢測器能夠實時準確監測車流量、車道占有率、車輛類型、平均速度等重要交通信息，具有高可靠性，低誤差，檢測精度依環境調整的特點。其中流量、占有率和車速三大指標的檢測準確率均>95%，可檢測最多8種車型，橫跨12車道。

3.1 微波檢測器數據采集內容

根據高速公路所在路段地形和環境情況、交通流運行情況，以及具體點段(經常事故的路段、服務區的出入口、沿線橋梁等)供電通信設施等，構建全程斷面交通流檢測系統，實現低成本、高可靠的交通流信息實時采集(見表1)。

表1 微博檢測器數據采集內容

3.2 斷面交通流數據采集功能設計

高速公路智能管控系統的斷面交通流數據接入功能包括但不限于以下功能：

1)實時接入微波交通流檢測器采集的數據，主要包括車道流量、車道占有率、車輛類型、平均速度等；

2)微波交通流檢測器采集數據的閾值設定與報警；

3)通過接入交通流量檢測、視頻檢測等交通流數據，實現對全線交通狀況的實時監測、查詢，包括不限于交通的實時流量、通過的平均車速、路網的飽和度、路網的擁堵情況等，所有結果均可以列表形式展現或者通過GIS地圖進行實時展示。

4 基于視頻的交通事件檢測數據接入

4.1 交通事件數據采集內容

高速公路智能管控系統利用視頻事件檢測系統對高速公路突發事件進行監測和識別，并對交通事件進行報警，通過該系統提供的接口，將視頻事件信息接入高速公路運行狀態監測與預警系統中(見表2)。

表2 交通事件數據采集內容

4.2 交通事件數據采集功能設計

基于視頻的交通事件監測系統的功能主要包括：

1)可以在高速公路路段環境下根據用戶的要求按車道、方向檢測交通事件，并且在多種事件并發情況下，能夠根據優先級的設置分級處理和報警，防止對同一事件重復報警。

2)交通事件圖像自動錄像功能

當系統檢測到交通事件時，可以根據預先設置自動記錄在交通事件發生那一時刻之前和之后各一段時間的連續圖像，并把圖像存儲在硬盤設備中。

所記錄的圖像時間是交通事件發生那一時刻之前和之后各一段時間的總和。前后時間段的長度可以由用戶在客戶端管理軟件中設置。事件錄像可以按攝像機、按事件類型、按時間歸檔、存儲、由中心管理系統進行統籌調用。

3)系統具有變焦實時檢測功能。當遠程遙控對攝像機進行畫面遠/近切換時，系統可以迅速適應新背景，清晰展示畫面，2 min左右即可進行交通時間的自動檢測。

4)系統具有故障自動診斷等功能。當出現信號丟失、設備故障、通訊中斷等故障，系統可以以多種方式實現自動提醒、報警[10]。

5 氣象狀態監測數據接入

5.1 氣象檢測設備數據采集內容

通過設置在高速公路線路上的兩要素檢測(能見度和路面狀況)和全要素檢測氣象裝置，以及路面狀況遙感式檢測設備等，接入氣象檢測數據[11]。提供氣象狀況檢測、預警等數據支撐，從而綜合提升高速公路沿線易發生霧、危險路面狀況的不良氣象條件路段安全監管水平(見表3)。

表3 氣象監測設備數據采集內容

5.2 氣象檢測設備數據采集功能設計

氣象狀態監測數據采集后可以實現以下主要功能：

1)實時接入各類氣象檢測設備采集的氣象數據，主要包括能見度、路面狀況、路面溫度等，并基于GIS地圖將氣象設備進行展示，同時實現操作人員通過鼠標懸停查看實時監測數據的功能。

2)為所在省份、市、縣氣象部門提供的氣象監測與預警數據預留接口，在數據完備后可以接入本系統，并基于GIS地圖進行展示。

3)通過氣象數據接入，可以判別高速公路關鍵點段的異常交通環境因素變化和氣象狀況，實現中宏觀層面的公路沿線動態氣象環境狀態的監測、報警與預警，實現高速公路路面結冰狀態的0～3小時預警。

4)氣象數據可以向就近向霧天行車誘導系統推送本地能見度檢測數據，為觸發霧天行車誘導系統工作提供數據支持。

5)可以基于搭載紅外溫度探測器等檢測設備的路況檢測車，采集路面溫度等數據，運用氣象預測預報模型或算法，完成“熱譜地圖”繪制，并進行展示，實現全線路面狀況預測(見圖3)。

圖3 路面熱譜地圖

通過移動監測車和車載式的路面狀態監測設備對低溫、濕滑危險路面狀況進行數據采集和分析，然后根據路面溫度的變化規律，綜合考慮道路周邊的環境，得出整個路線的溫度差異曲線，從而根據某一點的溫度值推算出其他路線的預估溫度值。

路面狀態移動監測預報方法是基于在相似的外部條件下，路面溫度有相似模式的原理(路面溫度低的地方的經歷相對較低的溫度，路面溫度高的地方也有保持相對較高的溫度的趨勢)。除當前天氣條件外，影響路面溫度的主要因素有：海拔高度、與水域臨近程度、遮擋因素(樹木、建筑物、橋梁等造成的對路面的遮擋)、城市熱島效應、地表狀況(地表植被覆蓋、起伏等狀況)等。由于這些影響因素都是相對固定的，在近似的天氣條件下，路面吸收和輻射能量的大小遵循同樣的模式，則可以建立起路面溫度與天氣條件，以及上述影響因素間的量化模型，實現對路面溫度的預測。

6)通過綜合分析系統的多項預測結果，可以向管理者提供惡劣氣象條件關鍵點段信息發布策略，以及融雪劑投撒量、投撒時間等管理與養護輔助決策等信息。

6 工程實例

京港澳高速公路駐馬店至信陽段高速公路改擴建工程通過基于專用短程通信(DSRC)的道路交通流數據、全程斷面交通流監測數據、氣象狀態監測數據、視頻事件檢測數據等多方位的數據獲取技術，研發基于GIS平臺的運行狀態監測、運行態勢分析展示、預警信息展示等功能，實現該路段高速公路運行狀況及沿線氣象狀況的實時監測功能，同時針對交通突發事件、惡劣氣象狀況等警情，實現的快速發現、快速響應、及時預警、及時發布等功能(見圖4)。

圖4 京港澳高速駐信段智能管控系統外部數據接入模塊

解決高速公路智能管控系統與外部數據無縫接入問題，構建的數據交換與共享平臺，立足路段范圍內的主動化管理和精細化服務，同時，兼顧路網層面的信息服務，逐步實現與上級管理單位、周邊道路運營單位、氣象部門等之間的數據共享與交換。在日常管理方面，能夠為途前、途中出行者提供銜接路網的交通運行信息；在應急救援方面，能夠面向銜接路網提供統一的救援服務。

7 結論

高速公路智能管控系統與外部數據接入模塊的設計實施，從宏觀上來指導高速公路數據共享系統規劃和建設，使高速公路智能管控系統建立在數據共享機制的基礎之上，充分利用各種數據資源，探索與挖掘數據之間的關聯信息，使其能夠更好地為智能高速的指揮控制和建設服務。

并通過京港澳高速駐信段的實施應用，使外部數據接入設計不是簡單地停留在概念設計階段，而是以京港澳高速公路駐信段智能管理科技示范工程為依托，在其之上充分驗證數據共享建設的可行性，使其未來能夠推廣到京港澳高速全段，乃至全國高速公路，形成國家高速公路數據共享機制建設標準。它的建設對于未來中國高速公路智慧化發展有著非常重要的示范作用。