高速公路監控系統設計研究

張 宇，張星原

（長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安 710000）

0 引 言

我國開始研究建設高速公路大概是在20世紀70年代。第一條高速公路—瀘嘉高速在1988年建造完成，之后又相繼建成了沈大、濟青、京津塘、成渝、瀘寧等一大批具有重要意義的高速公路。但隨著時代的進步，大眾的出行需求日益增加，這給我國高速公路帶來了巨大的運輸壓力。因此如何在交通需求不斷增加的情況下，最大限度地提高高速公路的道路通行能力和服務水平成為了一個重要的問題。

高速公路監控系統通過多種先進設備對道路數據進行實時采集，然后將采集到的數據傳輸給監控管理中心，并實時對數據進行分析和處理，最后通過交管部門以及道路信息發布設備，給駕駛人員提供道路信息，實現交通流的引導和控制[1]。高速公路監控系統的成本占高速公路總造價的5%～10%左右，它發揮著舉足輕重的作用，是保障高速公路安全運行、提高運營管理效率、實現公路運輸現代化管理和控制的重要手段[2]。

在高速公路監控系統領域，德國、意大利、美國等國家起步早，所以技術相對成熟，而且他們的高速公路網規模所占的比重高，形成了完善的運營和管理模式[3]。相比國外，我國的高速公路監控系統起步比較晚，雖然近些年來在不斷地進步和發展，但還未達到西方發達國家的發展程度。在道路沿線布置的檢測設備太少，控制管理方面比較薄弱[4]。

本文以酒泉至金塔高速公路為對象，在其上合理布設外場設備，采用自愈環網連接，在做到數據遠距離傳輸的同時，既可以節約光纖資源，又能減少相關設備的布設數量，從而大大降低了成本。由于是自愈環網傳輸，即使設備出現意外故障，也不會使傳輸信號中斷，這極大地保證了信息傳遞的安全性。該監控系統采用監控分中心—收費通信中心—外場監控設備三級管理模式，實現了監控數據的遠距離安全傳輸與高清數字全程監控。

1 高速公路監控系統概述

1.1 高速公路的構成

高速公路監控系統一般由信息采集子系統、信息提供子系統、視頻監控子系統、交通控制子系統、計算機網絡子系統構成[5]。

（1）交通信息采集子系統

該系統能采集路段上交通量的參數信息，并將采集到的數據（如氣象檢測器采集的路段溫度、濕度、能見度等氣象數據，車輛檢測器采集的車速、車流量、空間占有率等數據）實時地傳送給監控中心。監控中心通過分析、處理這些數據可以生成各種報表，并為各種交通事件提供解決方案。該子系統包括環形線圈檢測器、微波交通檢測器、紅外檢測器、道路氣象監測器等。

（2）信息提供子系統

該系統向道路使用者提供交通擁堵情況、事故警告、氣象信息、施工路段情況等信息；向道路使用者提供控制和引導信息，如最佳行駛路線、道路限速控制指令、匝道控制指令等，這些信息一般通過可變限速標志、可變情報板、匝道控制設備來實現。

（3）視頻監控子系統

該系統通常在高速公路的收費站、服務區、特殊構造物、特殊線形、事故多發點、地質災害易發點等地進行視頻監控。當監控區域發生交通事故，外場設備就能將事故現場的圖像信息傳送至控制中心，以便對事故作出反應，及時地解決交通問題。由于視頻監控的圖像清晰直觀，對人員的調動和指揮有重要意義，許多重要的高速公路實行全程監控。該系統由攝像機、解碼器、云臺、控制鍵盤等設備組成。

（4）交通控制子系統

該系統對各路段的交通運行狀態和氣象數據進行分析處理，完成對交通資源的調度和配置。交通控制方式可分為匝道控制、主線控制和通道控制，通過輸入控制參數，實現對交通流的引導與控制。在控制算法中有基于模糊理論的算法、基于穩態和動態交通模型的推導方法、基于神經網絡原理的算法等，這些不斷得到完善和發展的算法為交通控制奠定了良好的理論基礎。

（5）計算機網絡子系統

該系統起到一個連接整合的作用，即通過計算機網絡將其他各個子系統連接成一個完整的有機體。計算機網絡系統包括計算機操作系統、網絡連接設備、計算機設備、數據庫系統等。

1.2 高速公路監控系統的監控過程

圖1描述了監控系統的閉環監控過程，其中監控對象是交通流，輸入為控制指標，輸出為車輛運行狀態。采集、處理表征交通狀態特征的信息，遵循反饋控制，并經過決策和執行等環節，完成任務的預定指標，干擾主要來自道路、交通和氣象條件的變化[6]。

1.3 高速公路監控系統的設計原則

先進性和可擴展性：根據相關技術和設備的發展情況，選擇成熟、主流的技術和設備，使系統具有強大的生命力。考慮到系統將來的發展，在前期工程設計時要留有余地，方便系統改造與系統升級，保證系統具有更長的生命周期與先進性。

經濟性和實用性：施工時要考慮成本，減少不必要的浪費，保證最優的性價比，確保系統各項功能符合客戶的要求。

可靠性和安全性：要選擇可靠的設備和技術，提高系統抗干擾的能力，并具有一定的自我修復能力；要保證數據在傳輸、處理和存儲時的安全性，做到不丟失、不泄露、不損毀。

可維護和可管理：系統應具有較強的管理手段，能對系統資源集中配置；當系統出現故障時，維護應該簡單，維護的工作量要少。

協調性和系統性：要全面地設計系統，結合整個路網的情況，使系統合理協調，相互配合，避免重復和矛盾，還要兼顧氣候條件、不同車型的混合度等條件，做到因地制宜，最大限度發揮系統的整體效益[7-8]。

2 酒泉至金塔高速公路監控系統設計

本次設計選取酒泉至金塔高速公路的K0+000—K52+000路段，該路段主線為雙向四車道，以一級公路標準建設，設計速度為80 km/h。道路總體上比較平坦和筆直，途徑地區的氣候干燥、雨量稀少、蒸發量大，太陽輻射強、氣溫日差較大，春季空氣干燥、大風偏多，夏季炎熱短促，秋季降溫迅速，冬季寒冷漫長，屬典型中溫帶大陸性荒漠氣候。

2.1 監控系統管理方案

本系統采用高速公路監控分中心—收費通信中心—外場監控設備的管理模式，如圖2所示。該路段的監控分中心位于酒泉東立交匝道上的收費站，還有一處收費站位于金塔立交的匝道上。該監控中心與金塔匝道收費站分別接收各自所管轄路段外場設備采集到的信息和外場監控設備運行狀況的信息，金塔匝道收費站上的所有接收到的數據通過通信站傳輸到監控分中心。最后由監控分中心對該路段所有信息進行匯總，對該路段上交通運行情況進行分析，生成相應的處理方案，對發生的道路問題給予解決。該監控分中心可以通過通信系統將本段道路數據傳輸給甘肅省省監控中心。

圖2 酒泉至金塔高速公路監控系統組織結構

2.2 外場設備的布設

高速公路監控系統外場設備的布設要考慮路網的整體性要求，要協調好設備與設備之間的關系，使它們能相互配合；監控系統外設的布設要具有可擴充性，為未來新功能的升級做好預留，使系統能跟上時代發展的腳步；此外高速公路監控系統外場布設要考慮駕駛員的駕駛心理和生理特征，并要便于高速公路管理人員的操作和維修。合理地布設外場設備才能發揮高速公路監控系統的最大功能[9-10]。

本次設計針對酒泉至金塔段高速公路進行監控外場設備布設，布設結果如圖3所示。

圖3 酒泉至金塔高速公路外場設備布設情況

（1）氣象檢測器的布設

本路段風沙不是很嚴重，所以只在K26+500設置氣象檢測器，路段的氣象信息提供可通過氣象局和道路的攝像機加以輔助。

對于平原或微丘，氣象檢測器以30～50 km間距布設；對于我國西部地區氣象變化不頻繁，或以大風、沙塵暴為主的干旱地區，氣象檢測器布設距離為50 km以上。

（2）高清網絡槍式攝像機的布設

為了保證道路視頻拍攝的質量，選擇高清網絡槍式攝像機。本設備主要設置于互通立交之前的主線上，并對該路段進行全程監控，大約每隔2 km設置一套高清網絡槍式攝像機，總共設置了29套。

互通立交、避險車道、服務區、收費站和長下坡路段必須設置攝像機，收費站和服務區可采用球型攝像機，道路沿線采用槍式攝像機；對高速公路路段進行全程監控，大約每隔2 km布設一臺攝像機。在易發生交通擁堵、交通事故和環境惡劣的路段應加密安裝攝像機，可以每隔1～1.5 km布設一臺攝像機。攝像機可以安裝在道路中央的隔離帶上，也可以根據實際情況采用立柱安裝，高度一般為8～12 m，同時應安裝有避雷針，并做好防抖措施；道路上的攝像機應避免被跨線橋、廣告牌、可變信息標志等遮擋；重要道路設備旁要安裝攝像機。

（3）可變情報板的布設

門架式可變情報板發布的信息內容十分豐富，但工程造價成本較高，所以本全封閉路段只在入口處設置門架式可變情報板，其余需要設置可變情報標志的地方用懸臂式可變情報板代替。

懸臂式可變情報板一般設置在互通立交之前的主線上、匝道收費站的入口之前，本系統總共設置了8套懸臂式可變情報板。

小型可變信息標志靠路側一面與路肩外邊緣至少相距25 cm，布設時宜避開不利于安裝和維修的挖方區和高填方區；嚴禁可變信號標志和道路上其他設備的遮擋，可考慮性價比是否合理以及是否方便信息發布；省界高速公路入口處和高速公路樞紐立交必須設置可變信息標志；大型收費站的出入口和服務區應設置可變情報板；易發生交通擁堵、交通事故和環境惡劣的路段應設置可變情報板，設置間距在5～10 km之間。

（4）微波車輛檢測器的布設

在眾多車輛檢測器中選擇微波車輛檢測器是因為該檢測器檢測范圍廣，可以多個車道一起檢測；安裝起來也很簡單，并對道路質量和車輛運行不會造成影響；適用于任何天氣，包括雨、霧、雪、大風、冰、沙塵等環境，受外界干擾的影響小，能穩定工作；車輛之間存在一定程度的遮擋也能識別出來，漏檢率低，檢測精度高。

在本設計中，微波車輛檢測器主要布置在互通立交出口之前的主線上，與高清網絡槍式攝像機同柱安裝，總共設置7套車輛微波檢測器。在收費站的出入口處一般也要布設車輛檢測器，可以和其他設備同址（如微波檢測器可以裝在攝像機的立柱上），用來檢測高速公路斷面雙向的交通流；高速公路立交兩側無分流、合流的路段和服務區的出入口兩側應當布設車輛檢測器；易發生交通擁堵、交通事故、車流密集和環境惡劣的路段應以小于2 km的間距布設車輛檢測器。

2.3 監控數據和視頻的傳輸方案

外場設備沿道路進行布設，展現出帶狀分布的特性，所以在外場布設遠程光模塊，采用RRPP技術對前端設備進行組網，并在RRPP終端上配有485、232串口，可采用透明通道的方式將其他終端設備（可變信號板、車檢器等）的數據進行回傳。將前端監控數據根據不同數據類型接入RRPP終端的視頻、數據、以太網接口，傳輸至就近的收費站監控室。收費站通過以太網交換機將數據傳輸給監控分中心，監控分中心通過通信系統將數據傳輸給省監控中心。收費站和分中心都通過視頻解碼設備將圖像實時顯示在電視墻上，并通過IPSAN磁盤陣列進行存儲。

本方案在傳輸過程中，采用自愈環網連接，在做到遠距離傳輸的同時，既可以節約光纖資源又可以減少相關設備的布設數量，從而大大降低成本。由于是自愈環網傳輸，即使設備出現意外故障也不會使傳輸信號中斷，這極大地保證了信息傳遞的安全性。金塔立交匝道收費站監控外場數據傳輸如圖4所示。酒泉分中心監控外場數據傳輸如圖5所示。

圖4 金塔立交匝道收費站監控外場數據傳輸

圖5 酒泉分中心監控外場數據傳輸

2.4 視頻顯示

酒泉分中心所管轄的14路道路監控圖像和4路數據通過光纖環網傳輸到分中心以太網交換機上，金塔匝道收費站通過通信系統向分中心傳輸15路道路圖像和6路數據，共計29路圖像和10路數據在分中心處理、存儲。其中29路道路圖像通過高清解碼器在15塊拼接屏上2對1顯示。具體如圖6所示。

圖6 酒泉監控分中心監控CCTV系統構成

3 結 語

我國社會經濟在不斷地發展，高速公路的規模也將持續擴大，高速公路監控系統作為公路安全運行的保障，會發展得越來越先進。本文以酒泉至金塔段高速公路為對象設計了監控系統，對監控外場設備進行布設，采用遠程光模塊以及通過RRPP技術對前端設備進行組網，實現了現場設備到收費站、管理站、分中心的信息傳輸，保障數據傳輸的安全性和可靠性，實現了高清數字全程監控。