高速公路統一監控系統設計與研究

陳繼情

（福建高速公路有限責任公司 福州管理分公司，福建 福州 350000）

1 福建省高速公路管理系統運行現狀

截至2021年底，福建省高速公路通車里程超過6 000 km［1］，實現了“縣縣通車”的偉大成就。隨著高速公路里程增加，隧道等關鍵節點也不斷地增加，對于關鍵節點的設備的控制和數據采集的要求也不斷地增高。現有高速公路監控系統已經逐漸無法滿足龐大的高速路管理需求，主要存在以下幾個方面問題：①各個系統數據量大，維護不方便、效率低；②各個系統監控數據無法統一備份保存和查詢、傳輸穩定性差；③可拓展性差，各個系統獨立，無法統一維護；④日常數據操作記錄未能統一備份，存在風險。綜上，新一代的高速公路監控系的開發應用已經迫在眉睫。

2 高速公路管理系統設計需求

針對現有系統的不足，新一代的高速公路管理系統需滿足以下設計要求。

2.1 全高速公路網統一監管，新增節點時方便系統拓展

新系統需從子節點開始逐級上傳，最終匯聚到省公司的總節點。一線節點通常為各類工控機，由 PLC實現，工控機通過以太網網絡連接到機維中。機維站一般由現場監控工作站（控制計算機）、監控系統軟件、主區域控制器及相應的附屬設施構成，用于實現對一線節點的直接監控。機維站數據需支持實時上傳，最終匯總到總結點。整個省份的所有高速公路由一個控制中心集中管理。后續若有新建設高速公路，可直接并入現有監控系統，實現統一監控。

2.2 全面掌握高速公路沿線設備的運行情況

高速公路沿線系統主要包括隧道及沿線道路照明系統、視頻系統、安全報警系統、數據采集系統、電話系統、交通指示系統等子系統。新系統需要對各個子系統的數據進行采集和日常管理，所有數據信息需匯總接入統一監控軟件平臺。通過該軟件平臺對高速公路沿線所有設備進行監控。

2.3 實現數據監管和數據分析

新系統需支持設置報警及操作日志查詢，支持報表生成和數據分析，支持用戶對系統的具體操作實施監管和記錄。用戶可以將系統設備的巡檢操作生成文檔留做內頁資料，可以對設備故障記錄和修復記錄進行過程跟蹤監控。通過數據分析統計可實現對隧道各個設備狀態和使用情況的實時掌握。

3 系統設計

根據系統設計需求，統一監控平臺系統拓撲架構設計如圖 1所示。

圖1 平臺系統拓撲架構示意圖

3.1 系統拓撲架構

平臺架構可分成4個層級，每個層級設備介紹如下。層級1：一線節點，包括各種工控機；層級2：機維站，由電腦、服務器組成；層級3：市級中心，由電腦、服務器組成；層級4：省級中心，由電腦、服務器組成。

各層級功能如下。①工控機：布設服務+客戶端界面（單站），可以進行設備監控、數據處理，同時具備一定的數據存儲功能，在市級與設備通信中斷恢復后，將中斷時的數據同步到市級中心，保證數據的完整性和可靠性。②機維站：客戶端界面，連接到市級中心，利用用戶名區分不同機維站的監控權限。③市級中心：布設“服務+客戶端”界面，進行數據采集、處理和存儲。④省級中心：連通現有的省級平臺的Oracle數據庫，和下層級節點交互、存儲數據。

3.2 軟件設計

軟件目標功能主要包括用戶管理、報警管理、隧道設備監控、照明時序設置、照明模式管理、照明燈組管理、照明時序恢復、PLC校時、情報板控制、日志查詢、報表查詢、網絡系統、設備巡檢、火災聯動預案、數據采集存儲、車檢器系統、火災報警系統、緊急電話播系統、視頻系統等模塊的應用。其中，關鍵功能設計如下。

（1）照明控制。主要功能包括照明燈組管理、照明模式管理、照明時序管理3個部分。每個機電維護站可以編輯屬于這個機維站的燈組，在燈組管理界面，可以進行燈組管理，包括“新增燈組”“修改燈組”“刪除燈組”。在編輯完燈組后，就可以對燈組進行照明模式的管理，可以設置每個燈組的開光燈時序，可以新增、編輯、刪除多個照明時序，建立多個照明模式并命名保存。在時序管理中就能選擇需要下發的照明模式，以達到控制該隧道燈組的亮燈方案［2］。主頁面主要由五大部分構成。①隧道選擇：可自主勾選要下發時序的隧道；②模式選擇：選擇要下發到照明柜的照明模式；③控制方式選擇：選擇要下發到照明柜的照明控制方式；④結果頁面：顯示要下發的照明柜詳情及下發后的結果；⑤圖例說明：對不同的顏色給予解釋 。

（2）情報板控制。情報板顯示在主控制畫面上，主控畫面是一個GIS畫面，通過放大和縮小操作可以看到全部的情報板。如果當前畫面不在主控制畫面內，可以通過點擊主畫面按鈕切換到主控畫面。在主控畫面上顯示了情報板名稱，情報板當前發布的內容及情報板當前通信狀態。點擊需要控制的情報板可以打開編輯該情報板界面，窗口上有獲取情報板當前內容、發送命令、批量發送、編輯情報板內容排序等功能。集中各個品牌型號的情報板，對接協議進行總結。情報板控制主要分成兩個板塊：一是情報板發布。情報板軟件設計時分為內容分類區、內容共享區、發送內容編輯區域、發送內容預覽區。窗口上有獲取情報板當前內容、發送命令、批量發送、編輯情報板內容排序等功能。二是情報板參數設置。情報板參數設置主要是對上位機與情報板通信連接的方式、情報板IP、網絡端口的設置，還可屏蔽情報板在上位機上的顯示；用戶可右鍵列表內容進行編輯、新增、刪除情報板配置。

（3）隧道風機指示燈控制。在軟件隧道界面內，現場每個射流風機、軸流風機、指示燈和每一組照明燈都有對應編碼的圖標，通過點擊圖標就可以彈出對應設備的控制界面。射流風機控制的方式有正轉、反轉、關閉3種方式，窗口上有顯示風機的當前控制方式和當前風機的狀態。軸流風機控制顯示有風閥控制和風機控制，可顯示風機頻率和轉速等［3］?？刂品绞接?種，分別為本地手動、遠程手動、時序自動控制、COVI自動控制、未知控制。①本地手動：在現場進行手動控制的上位機無法控制；②遠程手動：由上位機進行遠程手動控制；③時序自動控制：根據設定的時間進行自動控制；④COVI自動控制：由COVI值進行自動控制；⑤若顯示未知控制，說明已與PLC通信中斷。

（4）緊急電話、火災報警及車檢器等安防設備。新火災報警系統對原有各個品牌型號的火災報警系統進行整合，如雙波長火災報警系統、感溫光纜火災報警系統、光纖光柵火災報警系統、視頻事件火災報警系統等，集中到新一代監控軟件統一進行監控?；馂膱缶到y在隧道控制界面上分為手動報警單元和自動報警單元，正常的狀態下背景色為綠色，故障時背景為黃色，火災報警時背景則為紅色。同樣可以通過點擊圖標編輯設備狀態。

緊急電話圖標，狀態分為5種，即正常、故障、振鈴、通話、摘機。狀態為正常時顯示綠色，故障時為黃色閃爍，通話時為紅色閃爍。

車檢器模塊的主要功能是對外場車檢器的數據進行采集、存儲及分析，并生成報表。車輛檢測器報表有3個主要功能：車檢器數據查詢、車檢器數據對比、保證車檢器數據的完整性。車檢器數據查詢分為實時數據、小時數據、日報表、月報表， 可以全方位地對高速公路上的各個節點車流量、車速和車道占有率進行統計和分析，為其他道路設備的控制使用提供依據。

（5）數據采集、存儲及查詢。數據采集主要包括車輛檢測器數據、COVI數據、隧道照度檢測數據、風速風向溫度等數據；這些數據可以幫助工作人員了解隧道現場的行車情況及對隧道的照明燈、風機和一些指示標志做出正確控制。數據的存儲和分析包括火災報警數據、情報板發布數據、隧道開光燈數據、隧道用電數據、隧道設備運行報警數據等。通過數據分析統計可實時掌握隧道各個設備狀態和使用情況，為機電維護站對設備的維護提供幫助。新的高速公路監控系統采用樹型拓撲，通過高速以太網匯聚各個關鍵節點的信息，實現統一處理和信息顯示，并對日常數據進行歸檔，方便后期回溯。通過該系統，工作人員可以全面掌握高速公路沿線設備的運行情況，提高對高速公路沿線設備的監控效率，實現數據監管和數據分析，也方便后期網絡拓展。此外，該系統在數據采集存儲分析的基礎上新增了全設備巡檢功能。設備巡檢畫面主要分為以下四大部分。①機維站選擇：可自主選擇要巡檢的機維站，可以精確查找各維護站的設備故障情況，提高維護的時效性。②設備類型選擇：選擇要巡檢的設備，對單一設備的實時情況快速查詢，方便對設備專項維護時的統計。③統計信息：巡檢設備分正常和異常統計分類，對設備情況進行統計，為判定設備故障原因提供依據。④詳細列表：巡檢設備的詳細信息，對各設備的具體故障情況進行初步分析，避免維護時“走彎路”，提高設備維護的精確性。

（6）PLC校時功能。隧道照明、隧道風機、隧道指示燈、COVI等設備是通過PLC可編程控制器實現遠程控制的。由于各個PLC時鐘走的速度不一致，所以時間久了會導致每個PLC時間差距較大，影響如照明時序等控制方案的下發和使用。這時候就需要進行時間的校正。PLC校時主界面主要有以下功能。①隧道選擇：可自主選擇要下發的目標隧道；②系統時間：可以編輯當前要下發到PLC的具體時間；③詳細列表：要下發的PLC詳情及下發結果，如當前PLC的通信狀態和下發后的成功與否的狀態。

（7）日志功能。日志查詢分為監控操作日志、用戶登錄日志、情報板操作日志、火災報警日志、緊急電話日志、監控報警日志等。日志查詢包括區域選擇：選擇所要查詢的區域，如隧道、路段、機維站及管理公司等；查詢條件選擇：查詢的條件因不同日志分為很多種，本文不做贅述。通過對各個日志的查詢，可以精確掌握每個子系統、每個操作步驟、每個報警記錄及所對應的每個操作人員的使用情況，使每個系統的每個操作和巡檢情況都責任到人，方便倒查。

4 系統應用

高速公路統一監控軟件目前在高速福州管理分公司試點應用，后續會布設至全省各個路段公司［4］。本系統在信息中心監控人員的道路監控時效提高上有很大的幫助，讓監控數據的上傳下達和統計分析更加可靠且及時。同時，多個設備系統可進行匯總和集中監控管理，大大降低了監控的人工成本。此外，沿線設備的操作實施記錄會有留存，各個設備的運行情況定時匯總生成日志報表，各個設備報表也會進行數據分析統計，為沿線設備的運行控制提供參考依據。該系統可以通過隧道的照度數據調節隧道照明燈具的開關；參考COVI的數據控制隧道風機的開關；通過隧道用電數據的分析，制定隧道照明時序等功能。

5 結束語

通過建設和使用高速公路統一監控系統，利用高速以太網絡串聯實現數據交互，方便集中監控、管理，還可以更全面地掌控高速公路上的運行監控數據，讓道路沿線設備的操控更規范和更具時效性，并能降低監控的人工成本，同時利用數據的多維度比對和分析，發現日常維護中存在的問題，及時做出修正。因此，高速公路統一監控系統建設和應用開發具有重要的意義。21世紀是人工智能的時代，目前高速公路的監控系統智能化水平還處于萌芽階段，后續的發展及研究方向也應朝著這方面努力，加大智能化設備在高速公路的投入應用，讓各個子系統之間相互聯動，最大限度地降低人在道路監控的參與程度是大勢所趨。