高速公路車道智慧監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用

韋堅

摘要：傳統(tǒng)的車道設(shè)備大多數(shù)由單一的電路或IO信號進(jìn)行控制，是獨(dú)立的信息孤島，往往由于維護(hù)報修不及時引起收費(fèi)站擁堵，嚴(yán)重影響了通行效率。文章結(jié)合高速公路保通保暢、提升效率和服務(wù)出行等方面管理的要求，設(shè)計研發(fā)了一套車道智慧監(jiān)測系統(tǒng)，對ETC/MTC收費(fèi)車道的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行有效監(jiān)控，完成快速報修和預(yù)警研判，保障高效通行，并為管理層決策提供有力數(shù)據(jù)支撐。通過該系統(tǒng)在廣西南寧東、南寧南等收費(fèi)站進(jìn)行安裝測試運(yùn)用表明，車道設(shè)備由原先的被動化管理，逐步演進(jìn)成為全面感知、數(shù)據(jù)融合和智能應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)階段，可全面提升收費(fèi)運(yùn)營的信息化和智慧化管理水平。

關(guān)鍵詞：智慧監(jiān)測;云平臺;信息采集

中國分類號：U491.1+16文章標(biāo)識碼：A431643

0 引言

隨著當(dāng)前汽車保有量的逐年增長，高速公路經(jīng)過“取消省界收費(fèi)站”項目改造后，擴(kuò)大ETC車道數(shù)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(fèi)車道設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)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(shù)手段與管理措施，收費(fèi)車道一直存在終端設(shè)備種類繁多、智能化水平低、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、通信規(guī)約不規(guī)范等問題，造成運(yùn)維、設(shè)備調(diào)控與資產(chǎn)管理等方面較為落后[1]。針對此情況，本文提出設(shè)計一種車道智慧監(jiān)測系統(tǒng)，以便更好地保障設(shè)備運(yùn)行，全面提升收費(fèi)運(yùn)營管理信息化、智能化水平。本系統(tǒng)是一個基于高速公路車道智能檢測與監(jiān)控技術(shù)的系統(tǒng)，該技術(shù)在現(xiàn)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(tǒng)道路設(shè)施進(jìn)行改造，結(jié)合數(shù)字信號顯示和高速公路易測設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對道路交通流信息的實(shí)時監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)的大腦，是整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精益化管理需求的核心，負(fù)責(zé)接收、管理各個收費(fèi)站所屬車道的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行智能化數(shù)據(jù)分析，具備報修通知、設(shè)備資產(chǎn)管理、智慧運(yùn)維數(shù)據(jù)分析等功能。傳輸終端云盒是數(shù)據(jù)的集中處理網(wǎng)關(guān)，通過WiFi、以太網(wǎng)或者RS485多種通信方式，負(fù)責(zé)對各個智能終端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和加密，并通過5G發(fā)送到阿里云后臺。智能終端是安裝于各個設(shè)備的檢測單元，實(shí)時采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并通過私有協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)打包上傳。

本文將詳細(xì)闡述車道智慧監(jiān)測系統(tǒng)的軟件架構(gòu)、硬件設(shè)計和應(yīng)用，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例與傳統(tǒng)設(shè)備管理模式進(jìn)行對比分析。

1 軟件設(shè)計

1.1 設(shè)計模式與技術(shù)框架

本系統(tǒng)的設(shè)計使用Java語言進(jìn)行開發(fā)，采用B/S架構(gòu)、基于MVC設(shè)計模式。采用MVC模式的目的是增加代碼的重用率，減少數(shù)據(jù)表達(dá)、數(shù)據(jù)描述和應(yīng)用操作的耦合度，同時也使得軟件可維護(hù)性、可修復(fù)性、可擴(kuò)展性、靈活性以及封裝性大大提高，以滿足系統(tǒng)設(shè)計原則。

通過監(jiān)控機(jī)電設(shè)備工作環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，服務(wù)器通過業(yè)務(wù)邏輯處理，判斷設(shè)備是否正常工作，系統(tǒng)設(shè)計框架如圖1所示。

本系統(tǒng)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(fā)框架。從職責(zé)上分為四層：WEB層、Controller層、Service層和Dao層（Data Access Object，數(shù)據(jù)訪問對象）。其中Spring是用來協(xié)調(diào)上下層的容器，管理員依賴并提供事務(wù)機(jī)制，使用SpringMVC作為系統(tǒng)的整體基礎(chǔ)架構(gòu)，負(fù)責(zé)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(yè)務(wù)層用Spring支持。

基于上述技術(shù)框架的高速公路車道智慧監(jiān)測系統(tǒng)，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(shè)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(jìn)行預(yù)熱，之后傳輸數(shù)據(jù)給中心控制器;經(jīng)PC端發(fā)送和接收來自預(yù)熱器或中央處理器的數(shù)據(jù);經(jīng)由單片機(jī)對與交流傳感器轉(zhuǎn)換過來的信號經(jīng)過一系列運(yùn)算計算，最終得到高速公路車道狀態(tài)參數(shù)，如速度、加速度等。

1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

所用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：Mysql 5.7.21;設(shè)計/管理工具：Navicat Premium。設(shè)備信息表結(jié)構(gòu)主要有設(shè)備名稱、設(shè)備類型（類型id值）、品牌、設(shè)備型號、用戶ID、安裝地址、設(shè)備狀態(tài)、云盒ID、云盒連接狀態(tài)、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(zāi)消防警告、安全防護(hù)警告等信息。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用無線組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的檢測。系統(tǒng)由智慧監(jiān)測控制器基站、終端界面、設(shè)備檢測節(jié)點(diǎn)組成。如圖2所示。

2.1 智慧監(jiān)測控制器基站云盒

主控基站完成對感應(yīng)區(qū)域內(nèi)檢測節(jié)點(diǎn)的掃描檢測和數(shù)據(jù)傳遞，通過不停地連續(xù)快速掃描，感應(yīng)檢測節(jié)點(diǎn)的信息，收到信息后按照預(yù)先定義好的協(xié)議打包信息，轉(zhuǎn)發(fā)給臨近的服務(wù)商無線通信基站或者直接通過有線以太網(wǎng)完成與監(jiān)測管理中心服務(wù)器系統(tǒng)的通信。安裝時要考慮探測節(jié)點(diǎn)與基站之間的距離，設(shè)備監(jiān)測主控基站對檢測節(jié)點(diǎn)的感應(yīng)范圍在5～10 m。

智慧監(jiān)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(wǎng)通）、溫濕度模塊（檢查范圍0 ℃～85 ℃，濕度0%～100%RH）、數(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)位/看門狗模塊、以太網(wǎng)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(tài)，用于監(jiān)控感應(yīng)區(qū)內(nèi)的檢測節(jié)點(diǎn)，快速掃描可保證多個傳感器信息同時感應(yīng)處理。處理器完成數(shù)據(jù)的處理緩存，掃描數(shù)據(jù)包括本感應(yīng)器所在區(qū)域內(nèi)的檢測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和監(jiān)控中心發(fā)來的檢測命令及其他數(shù)據(jù)。

智慧監(jiān)測控制器上電后，先進(jìn)行設(shè)備自檢，掃描可用網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)以太網(wǎng)與4G網(wǎng)絡(luò)同時可用時優(yōu)先使用有線以太網(wǎng)連接中心控制主機(jī)?？刂破鞫〞r掃描設(shè)備節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，解析設(shè)備節(jié)點(diǎn)回復(fù)信息，并通過與預(yù)置設(shè)備參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍進(jìn)行比對，判斷設(shè)備節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)是否正常，并通過網(wǎng)絡(luò)按特定通信協(xié)議回傳打包車道設(shè)備狀態(tài)信息。如果判斷設(shè)備狀態(tài)異常，則優(yōu)先通過中心軟件進(jìn)行報警并通過短信息方式發(fā)送給維護(hù)員，由維護(hù)員進(jìn)行確認(rèn)處理。

2.2 終端界面設(shè)計

開機(jī)后顯示主界面，即主要設(shè)備狀態(tài)界面，如圖4所示。主界面中有“設(shè)備狀態(tài)”“電能監(jiān)測”和“環(huán)境狀態(tài)”三個主菜單圖標(biāo)，還有“維護(hù)開門”“系統(tǒng)信息”圖標(biāo)，可以通過手指點(diǎn)擊圖標(biāo)進(jìn)入相應(yīng)的界面。屏幕的最下面一行顯示收費(fèi)站代碼、車道號、設(shè)備版本號，并實(shí)時顯示系統(tǒng)日期及時間。

2.3 設(shè)備檢測節(jié)點(diǎn)

設(shè)備檢測節(jié)點(diǎn)安裝在每個設(shè)備內(nèi)部，不同節(jié)點(diǎn)具有不同的接口，用于監(jiān)測特定設(shè)備的工作狀態(tài)。每個節(jié)點(diǎn)可以存儲設(shè)備身份等信息，其身份在系統(tǒng)內(nèi)唯一識別，最大可以識別6萬多個設(shè)備。檢測節(jié)點(diǎn)采用了低功耗技術(shù)，一個電池就可以工作1年之久。檢測節(jié)點(diǎn)采集每個設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)并由節(jié)點(diǎn)感應(yīng)器展開，通過節(jié)點(diǎn)向外擴(kuò)展，無限接力傳送到收費(fèi)站智慧監(jiān)測控制器，再通過遠(yuǎn)程通信模塊將信息傳送到監(jiān)測管理中心。

3 智慧監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

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(jìn)行分析，并在車輛行駛過程中，通過采集交通流信息，結(jié)合實(shí)際情況建立一套完整有效的路面圖像特征參數(shù)。根據(jù)車輛運(yùn)行速度、方向等因素確定相應(yīng)車道線位置。傳統(tǒng)路網(wǎng)的行車路況復(fù)雜多變或人工操作不當(dāng)，會造成交通事故發(fā)生率較高，人民生命安全及財產(chǎn)損失嚴(yán)重，而引入數(shù)字化測量技術(shù)來對道路上各種路段進(jìn)行檢測不僅方便快捷，而且準(zhǔn)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(shè)置一個車道位置信息采集設(shè)備，利用該裝置可以實(shí)時獲取道路沿線車輛及行駛環(huán)境中車輛運(yùn)行情況，如交通流、速度等。通過收集道路線形數(shù)據(jù)和實(shí)際路況信息來實(shí)現(xiàn)對其進(jìn)行分析。本系統(tǒng)基于GPS定位技術(shù)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(jù)當(dāng)前車道邊緣位置變化而發(fā)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(shù)運(yùn)用

本系統(tǒng)已經(jīng)在廣西南寧東、安吉、南寧南等多個收費(fèi)站進(jìn)行測試使用，運(yùn)行效果良好。能夠進(jìn)行實(shí)時的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)督，及時反饋設(shè)備故障并及時維護(hù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營管理信息化和平臺化的升級。對車流密集的收費(fèi)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(shí)現(xiàn)對多種設(shè)備的遠(yuǎn)程操作。對于大型收費(fèi)站而言，其車道照明燈、封道欄桿機(jī)的開關(guān)操作，傳統(tǒng)的方法是需要人工逐個車道進(jìn)行開關(guān)，工作量巨大，現(xiàn)在只要點(diǎn)擊界面即可遠(yuǎn)程完成。

4 結(jié)語

高速公路機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行要求是24 h不間斷地工作，經(jīng)長期運(yùn)行，外場機(jī)柜機(jī)箱會逐漸達(dá)不到原定的IP標(biāo)準(zhǔn)，而且在鹽霧較重、夏季炎熱高溫和常年多霧的地區(qū)，經(jīng)日曬雨淋，設(shè)備外殼極易腐蝕生銹，防護(hù)等級下降;涉及電子元器件較多的機(jī)電設(shè)備受溫濕度影響較大，長時間運(yùn)行后，就會出現(xiàn)各種各樣的故障。

但是高速公路機(jī)電設(shè)備的維護(hù)人員數(shù)量有限，難以完成設(shè)備巡檢、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測帶來的巨大工作量，基本無法做到對外場設(shè)備、高空設(shè)備、大型機(jī)電設(shè)備常態(tài)化現(xiàn)場開箱檢測。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智慧云平臺技術(shù)、5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速公路車道智慧監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用具有重要意義[3]。

參考文獻(xiàn)：

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