高速公路車道智慧監測系統研究與應用

韋堅

摘要：傳統的車道設備大多數由單一的電路或IO信號進行控制，是獨立的信息孤島，往往由于維護報修不及時引起收費站擁堵，嚴重影響了通行效率。文章結合高速公路保通保暢、提升效率和服務出行等方面管理的要求，設計研發了一套車道智慧監測系統，對ETC/MTC收費車道的相關設備進行有效監控，完成快速報修和預警研判，保障高效通行，并為管理層決策提供有力數據支撐。通過該系統在廣西南寧東、南寧南等收費站進行安裝測試運用表明，車道設備由原先的被動化管理，逐步演進成為全面感知、數據融合和智能應用的物聯網階段，可全面提升收費運營的信息化和智慧化管理水平。

關鍵詞：智慧監測;云平臺;信息采集

中國分類號：U491.1+16文章標識碼：A431643

0 引言

隨著當前汽車保有量的逐年增長，高速公路經過“取消省界收費站”項目改造后，擴大ETC車道數量，的確極大提高了通行效率，方便了大眾的出行。但與此同時，也對收費車道設備的運行穩定、故障的及時排除提出了更高的要求。

長期以來，由于缺乏技術手段與管理措施，收費車道一直存在終端設備種類繁多、智能化水平低、標準不統一、通信規約不規范等問題，造成運維、設備調控與資產管理等方面較為落后[1]。針對此情況，本文提出設計一種車道智慧監測系統，以便更好地保障設備運行，全面提升收費運營管理信息化、智能化水平。本系統是一個基于高速公路車道智能檢測與監控技術的系統，該技術在現有交通安全管理和路政管理工作中具有重要作用。通過對傳統道路設施進行改造，結合數字信號顯示和高速公路易測設備來實現對道路交通流信息的實時監測[2]，在提高通行效率及降低交通事故率等方面提出了解決方法。

本系統由云平臺管理軟件、傳輸終端云盒和終端檢測模塊三大部分組成。云平臺軟件是系統的大腦，是整個系統實現精益化管理需求的核心，負責接收、管理各個收費站所屬車道的設備運行狀態，并進行智能化數據分析，具備報修通知、設備資產管理、智慧運維數據分析等功能。傳輸終端云盒是數據的集中處理網關，通過WiFi、以太網或者RS485多種通信方式，負責對各個智能終端進行數據采集和加密，并通過5G發送到阿里云后臺。智能終端是安裝于各個設備的檢測單元，實時采集設備的運行狀態并通過私有協議進行數據打包上傳。

本文將詳細闡述車道智慧監測系統的軟件架構、硬件設計和應用，結合實際應用案例與傳統設備管理模式進行對比分析。

1 軟件設計

1.1 設計模式與技術框架

本系統的設計使用Java語言進行開發，采用B/S架構、基于MVC設計模式。采用MVC模式的目的是增加代碼的重用率，減少數據表達、數據描述和應用操作的耦合度，同時也使得軟件可維護性、可修復性、可擴展性、靈活性以及封裝性大大提高，以滿足系統設計原則。

通過監控機電設備工作環境的相關數據，將數據上傳到服務器，服務器通過業務邏輯處理，判斷設備是否正常工作，系統設計框架如圖1所示。

本系統采用的是基于Maven整合Spring、SpringMVC和MyBatis的開源框架，其為后臺框架，Bootstrap為前臺開發框架。從職責上分為四層：WEB層、Controller層、Service層和Dao層（Data Access Object，數據訪問對象）。其中Spring是用來協調上下層的容器，管理員依賴并提供事務機制，使用SpringMVC作為系統的整體基礎架構，負責MVC的分離，在SpringMVC框架的模型部分，利用MyBatis框架對持久層提供支持，業務層用Spring支持。

基于上述技術框架的高速公路車道智慧監測系統，由微處理芯片、高清攝像頭以及GPS定位終端組成。其中，微處理芯片是主要使用的核心器件。該設備通過高速公路上車輛檢測傳感器采集到車主信息后，傳送到微處理器進行預熱，之后傳輸數據給中心控制器;經PC端發送和接收來自預熱器或中央處理器的數據;經由單片機對與交流傳感器轉換過來的信號經過一系列運算計算，最終得到高速公路車道狀態參數，如速度、加速度等。

1.2 數據庫設計

所用數據庫系統：Mysql 5.7.21;設計/管理工具：Navicat Premium。設備信息表結構主要有設備名稱、設備類型（類型id值）、品牌、設備型號、用戶ID、安裝地址、設備狀態、云盒ID、云盒連接狀態、溫度閾值、高溫警告、濕度閾值、最大電壓閾值、最小電壓閾值、最大電流閾值、最小電流閾值、供電警告、煙霧閾值、火災消防警告、安全防護警告等信息。

2 硬件設計

系統以物聯網技術為基礎，采用無線組網技術，實現多節點設備狀態參數的檢測。系統由智慧監測控制器基站、終端界面、設備檢測節點組成。如圖2所示。

2.1 智慧監測控制器基站云盒

主控基站完成對感應區域內檢測節點的掃描檢測和數據傳遞，通過不停地連續快速掃描，感應檢測節點的信息，收到信息后按照預先定義好的協議打包信息，轉發給臨近的服務商無線通信基站或者直接通過有線以太網完成與監測管理中心服務器系統的通信。安裝時要考慮探測節點與基站之間的距離，設備監測主控基站對檢測節點的感應范圍在5～10 m。

智慧監測控制器主要包括微控制器STM32F407ZGT6（168 MHz）、Zigbee無線模塊（2.4 GHz）、4G無線通信模塊（全網通）、溫濕度模塊（檢查范圍0 ℃～85 ℃，濕度0%～100%RH）、數字DIO模塊（12DI/12DO）、電能采集模塊（最大檢測AC220 V/20 A）、RS232/RS485模塊（標準DB9針）、電源模塊（AC220輸入適配變壓直流DC12 V輸出，板載DC5 V/DC3.3V）、RTC時鐘模塊、復位/看門狗模塊、以太網控制模塊、FLASH儲存模塊、SDRAM模塊等，如圖3所示。Zigbee無線模塊通常處于快速掃描狀態，用于監控感應區內的檢測節點，快速掃描可保證多個傳感器信息同時感應處理。處理器完成數據的處理緩存，掃描數據包括本感應器所在區域內的檢測節點數據和監控中心發來的檢測命令及其他數據。

智慧監測控制器上電后，先進行設備自檢，掃描可用網絡，當以太網與4G網絡同時可用時優先使用有線以太網連接中心控制主機。控制器定時掃描設備節點狀態，解析設備節點回復信息，并通過與預置設備參數標準范圍進行比對，判斷設備節點工作狀態是否正常，并通過網絡按特定通信協議回傳打包車道設備狀態信息。如果判斷設備狀態異常，則優先通過中心軟件進行報警并通過短信息方式發送給維護員，由維護員進行確認處理。

2.2 終端界面設計

開機后顯示主界面，即主要設備狀態界面，如圖4所示。主界面中有“設備狀態”“電能監測”和“環境狀態”三個主菜單圖標，還有“維護開門”“系統信息”圖標，可以通過手指點擊圖標進入相應的界面。屏幕的最下面一行顯示收費站代碼、車道號、設備版本號，并實時顯示系統日期及時間。

2.3 設備檢測節點

設備檢測節點安裝在每個設備內部，不同節點具有不同的接口，用于監測特定設備的工作狀態。每個節點可以存儲設備身份等信息，其身份在系統內唯一識別，最大可以識別6萬多個設備。檢測節點采用了低功耗技術，一個電池就可以工作1年之久。檢測節點采集每個設備的狀態數據并由節點感應器展開，通過節點向外擴展，無限接力傳送到收費站智慧監測控制器，再通過遠程通信模塊將信息傳送到監測管理中心。

3 智慧監測系統的關鍵技術

3.1 高速公路車道線定位

車道邊緣檢測可對高速公路路段上不同的道路進行分析，并在車輛行駛過程中，通過采集交通流信息，結合實際情況建立一套完整有效的路面圖像特征參數。根據車輛運行速度、方向等因素確定相應車道線位置。傳統路網的行車路況復雜多變或人工操作不當，會造成交通事故發生率較高，人民生命安全及財產損失嚴重，而引入數字化測量技術來對道路上各種路段進行檢測不僅方便快捷，而且準確率更高，同時也能夠減少道路管理成本，提高交通安全保障水平。對高速公路車道邊緣的檢測主要是在高速公路上設置一個車道位置信息采集設備，利用該裝置可以實時獲取道路沿線車輛及行駛環境中車輛運行情況，如交通流、速度等。通過收集道路線形數據和實際路況信息來實現對其進行分析。本系統基于GPS定位技術與可變閾值展開研究并提出將之完善的方法：確定固定閾值（即根據當前車道邊緣位置變化而發生變化），然后利用道路中心線距離計算公式得到車道邊緣長度。

3.2 技術運用

本系統已經在廣西南寧東、安吉、南寧南等多個收費站進行測試使用，運行效果良好。能夠進行實時的設備狀態監督，及時反饋設備故障并及時維護，實現運營管理信息化和平臺化的升級。對車流密集的收費站的保通保暢有積極的意義。

另外，通過信息化升級，只需一個平板電腦就能實現對多種設備的遠程操作。對于大型收費站而言，其車道照明燈、封道欄桿機的開關操作，傳統的方法是需要人工逐個車道進行開關，工作量巨大，現在只要點擊界面即可遠程完成。

4 結語

高速公路機電設備的運行要求是24 h不間斷地工作，經長期運行，外場機柜機箱會逐漸達不到原定的IP標準，而且在鹽霧較重、夏季炎熱高溫和常年多霧的地區，經日曬雨淋，設備外殼極易腐蝕生銹，防護等級下降;涉及電子元器件較多的機電設備受溫濕度影響較大，長時間運行后，就會出現各種各樣的故障。

但是高速公路機電設備的維護人員數量有限，難以完成設備巡檢、設備狀態監測帶來的巨大工作量，基本無法做到對外場設備、高空設備、大型機電設備常態化現場開箱檢測。因此，基于物聯網技術、智慧云平臺技術、5G網絡技術的高速公路車道智慧監測系統開發及應用具有重要意義[3]。

參考文獻：

[1]段海澎，韓紀紅，凌 浩，等.智慧高速公路隧道誘導知識庫系統建設與研究[J].價值工程，2019，38（33）：195-197.

[2]呂 疊.高速公路一體化車道控制終端系統的研究[J].廣東交通職業技術學院學報，2019（2）：54-58.

[3]黃 覺，秦 鴻，關小杰.高速公路監控中心智慧交通平臺應用研究[J].公路交通科技（應用技術版），2020（6）：300-303.

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