公路交通信息采集及監測系統的設計與實現

段河霞

摘要：為了提高公路車輛運行的安全性，設計一種公路交通信息采集及監測系統。從交通事件監測、人行橫道交匯預警監測、車輛測速監測及反饋、交通量調查、合流交匯預警、氣象環境監測、無人機巡航監測、交通信息顯示等方面，對各項子系統的功能實現進行分析。該系統對于提高交通信息的采集效率和數據分析能力有顯著改善，有利于減少交通事故的出現。

關鍵詞：公路；交通信息；采集；監測；系統

0? ?引言

信息采集是公路建設和管理的基礎，是保證公路安全暢通的關鍵環節，對提高交通管理水平和服務質量具有重要意義。交通信息的獲取主要有兩種途徑，一是直接采集，二是通過通信網絡從其他系統中獲取。由于公路存在著環境復雜、車流量大、通行速度快等特點，如果單純依靠傳統方式進行信息采集，則會造成大量的人力、物力和財力的浪費，對公路管理和運營帶來極大影響。為了保障公路正常運營，提高公路車輛運行的安全性，本文介紹一種公路交通信息采集及監測系統。

1? ?系統功能分析

公路交通信息采集及監測系統，主要是將車輛檢測器采集到的數據信息通過網絡傳輸到指揮中心，實現數據共享和統一管理，對交通運行狀況進行綜合分析，為制定交通規劃、改善路網結構、提高管理水平提供依據[1]。

其主要功能包括：實時采集車輛行駛速度、運行狀態、行駛方向等信息，并通過無線傳輸設備將信息傳送到指揮中心，由指揮中心根據監測結果，分析判斷交通運行狀況，從而制定相應的管理策略。通過視頻檢測設備獲取車輛的運行情況和行駛方向，并將圖像數據通過無線傳輸設備傳送至指揮中心[2]。對監控路段上的交通量數據進行實時監測和存儲。通過數據處理中心對采集的數據進行處理，分析車流量和通行能力等信息。通過相關軟件對數據進行查詢、統計、報表生成等操作。通過無線傳輸設備將監測數據傳輸到指揮中心，并進行存儲。

2? ?系統組成

公路交通信息采集及監測系統的硬件，由公路交通信息采集設備、公路交通信息監測設備組成。系統的軟件由智能交通數據采集子系統、信息發布子系統和智能交通應用系統組成。智能交通數據采集子系統，由多個安裝在道路兩側的視頻監控系統和高精度道路測速系統，以多路視頻監控系統為主，測速系統為輔，為該路段提供實時的路面行車狀況信息[3]。

智能交通數據采集子系統由數據采集單元、數據傳輸單元和數據中心構成。數據采集單元主要負責采集各類車輛、道路、橋梁的狀態和參數，并通過網絡將其傳送到數據中心。傳輸單元主要負責將采集到的各種數據通過通信網絡傳輸到數據中心。數據中心主要負責接收來自各個采集單元的各類數據，并對其進行處理和分析，實現各類業務的需求[4]。

信息發布子系統由車載電視、LED燈箱和網絡信息發布平臺組成，為社會公眾提供實時的交通路況信息。智能交通應用系統是一個集成系統，它將各個子系統集成起來，以滿足用戶不同層次的需要，實現信息的共享和交換。

智能交通應用系統主要由網絡通信子系統、智能交通控制子系統、業務應用子系統及系統管理等部分組成。智能交通應用系統主要包括車輛監控管理、誘導發布和路況信息查詢等功能。

3? ?系統實現的功能

3.1? ?交通事件監測

我國的公路里程較長，運行環境較為復雜，尤其是大霧、大風、強光、霧霾、沙塵、夜間能見度降低等問題，嚴重影響著公路安全運行，因此對交通事件進行監測是所設計系統的主要功能之一。

目前，對公路上車輛運行進行監測的方法主要有雷達監測和圖像視頻監測2種，這2種方法都有各自的特點。雷達監測系統是指使用毫米波雷達，對單個或多個路面上出現的不正常目標進行監測的監控裝置。雷達探針在公路上不斷地對公路上的特定地區進行探測，并將探測到的外來物體的定位信息傳送給后端的用戶監測系統。雷達探測具有探測面積大、受氣象干擾小等優點，但存在成像真實感差、造價高等缺點[5]。

圖像視頻監測系統可對事故事件、拋灑物事件、停車事件等更復雜的道路交通突發狀況進行快速、有效監測，在一定程度上，它可以滿足公路運營管理中對救援指揮、應急處理、防災調控、信息發布、視頻監控等方面的應用要求。

3.2? ?人行橫道交匯預警監測

人行橫道交匯預警監測系統的設置，通常在不影響主線交通前提下，將雷視一體機與誘導屏、高閃設施和地面警示牌相結合，構建一套斑馬線交叉報警監控體系，對主輔支路上的過往車輛和行人進行實時監控，實現對主要交通流的實時報警，從而達到改善路口交通安全的目的[6]。具體設置方式如下：

在相距主路口30m的位置，安裝一塊情報板誘導顯示屏和一塊高閃光燈，提醒主路上的車輛，在紅燈或有行人通過時，需要減速或停車，確保路口的行車安全。根據路面條件確定顯示屏及高閃燈的安裝位置，如果有綠化帶則應選擇中分帶，如果沒有中分帶則選擇懸掛式立柱，并將其布置在懸掛式立柱上。

在主路入口兩側地面設置發光警示地燈，并路側設置地燈控制器，用于控制路口的警示地燈，并進行數據傳送。在夜間或者雨水、積雪、雨水等惡劣環境下，如輔路或支路監測到有車輛或者行人，主路上的警示牌就會與指示牌及其他的閃光燈結合起來，為主道上的車輛提供警示，提高行車的安全性。

在兩條支路的入口端5～10m處，安裝一臺雷達視覺一體化裝置。該裝置面向支路進入安設（裝置一方的支路），監視支路上的車輛、行人的情況，一旦監視到有車輛、行人進入，立即向路口的控制主機發送該消息。

在無信控交叉口，配備一臺路口控制器。該控制器設在路邊的一個機箱內（與其他設備共用一個機箱），以便對前方的雷視一體機、信息板引導屏、地燈控制器、高閃設備等進行控制，并進行相關數據的傳輸和共享。

3.3? ?車輛測速監測及反饋

車輛測速監測及反饋系統主要是針對公路上的超速車輛，通過在公路上設置相應的測速裝置，對超速車輛進行報警提示，并根據不同路段的限速標準對超速車輛進行處罰。其可將超速信息實時上傳，可通過4G/5G網絡將監測到的超速車輛數據實時上傳至公路運營管理單位。另外，該系統可對車流量、車速、交通流量等數據進行統計分析，從而得出車流量和交通流量變化趨勢。

3.4? ?交通量調查

交通量調查系統包括前端子系統、傳輸子系統、后端管理子系統。系統拓撲圖如圖1所示。前端子系統中視頻抓拍單元與激光監測單元協同工作，抓拍單元主要由圖像采集卡、觸發線、圖像采集桿三部分組成。圖像采集卡提供高清圖像，可實時拍攝路面車輛行駛的外輪廓線。觸發線設置在龍門架上，當龍門架觸發觸發線時，抓拍單元通過觸發線對車輛進行監測。

激光監測單元構造包括激光發射器、激光接收器、旋轉機構三部分。激光發射器將激光能量集中射向目標，通過反射光傳感器，把目標反射的光信號轉變成電信號，以電信號形式送入激光接收器。激光接收器將接收到的電信號轉換為激光脈沖信號，然后送至旋轉機構，由旋轉機構的光學系統將脈沖光轉換成二維坐標信息。根據二維坐標信息，確定被測物體的位置。

旋轉機構由精密運動部件、直線導軌、彈性元件、擺桿裝置和齒輪機構組成。其采用高精度、高可靠性的液壓系統和電器系統，具有較高的傳動效率、運轉平穩可靠以及結構簡單等優點。在轉動過程中，通過彈性元件調節擺桿角度，使激光脈沖能按照一定角度間隔發射。

3.5? ?合流交匯預警

合流交匯預警系統主要是在不同的天氣條件下，通過智能道釘的閃爍頻率變化，提醒駕駛人員注意合流危險。它利用雷達傳感器實時監測合流車輛的速度、位置、方向等信息，將監測到的信息，通過網絡傳輸到控制中心進行綜合分析[7]。

控制中心通過智能道釘控制器接收實時監測數據，當監測到合流車輛的速度、位置等信息時，控制中心會通過短信平臺，向所屬區域內的道路交通管理單位發送預警信息。收到預警信息后，相關管理人員會按照事先設置的提示音進行提醒，同時在電子地圖上對該區域進行標記。智能道釘主要由智能道釘控制器、LED閃爍指示燈、雷達傳感器、環境監測設備等組成。

3.6? ?氣象環境監測

公路氣象環境監測系統主要由氣象監測子系統、通信子系統和數據傳輸子系統組成，它通過對氣象要素進行監測，及時掌握和發布公路交通氣象信息，提高交通安全水平。

氣象監測子系統主要由溫度、濕度、風速、風向、氣壓等傳感器以及無線通信模塊組成，通過安裝在各監測點的傳感器，對采集到的氣象要素進行實時監測，并將數據上傳至通信子系統。通過無線通信模塊將數據傳送至數據中心服務器，完成對各監測點的實時數據收集。

通信子系統是由無線通信模塊、太陽能電源模塊和蓄電池組成。無線通信模塊用于與數據中心服務器進行數據傳輸，太陽能電源模塊用于供電。數據傳輸子系統是基于GPRS/CDMA網絡的數據傳輸系統，通過GPRS/CDMA網絡實現數據傳輸，將各監測設備的測量結果通過無線通信模塊傳送至數據中心服務器。

3.7? ?無人機巡航監測

無人機巡航監測系統是一套面向公路監控中心的無人機巡航監測系統，其主要由飛行控制系統、機載攝像機、自動巡檢相機、GPS定位系統、數據傳輸和存儲設備組成。

無人機巡航監測系統通過控制軟件，實現對無人機的飛行規劃和路徑選擇，完成對無人機的航線規劃，并可確定無人機的飛行高度和飛行速度等飛行參數。通過GPS定位系統可實時獲取無人機的三維位置坐標，并通過數據傳輸方式將數據傳送至控制中心。另外，還可以通過自動巡檢相機獲取現場路面圖像信息，為現場交通管理部門提供詳細的現場路況信息。

機載攝像機對路面交通狀況進行實時拍攝，進行后期處理后，并通過無線網絡將圖像傳送至控制中心。數據傳輸和存儲設備主要包括無線網絡、服務器等，用于為無人機巡航監測系統提供可靠的數據傳輸。

在無人機巡航監測系統中，數據存儲設備能夠將視頻流和圖片流實時保存至服務器，保證數據的完整性和安全性。通信傳輸設備能夠對視頻流進行編碼和壓縮處理，并利用無線網絡進行傳輸。控制中心能夠對視頻流和圖片流進行統一管理和控制。

3.8? ?交通信息顯示

根據公路交通信息采集的特點，對現有的信息發布系統進行升級改造，開發以公路監控中心為中心、以車載智能終端為終端、以路側LED顯示屏為媒介、以公路誘導屏為補充的多層次、全方位的信息發布系統。

該系統由車載智能終端、路側LED顯示屏及誘導屏三部分組成。車載智能終端安裝在駕駛員可直接觀察到的地方，利用視頻采集模塊采集視頻流，并將視頻流上傳到車載智能終端。由車載智能終端對視頻流進行解碼處理，生成所需的數據信息。

將數據信息上傳到路側LED顯示屏，利用LED顯示屏對所獲取的數據進行顯示和發布。路側LED顯示屏安裝在公路路肩、收費站、服務區等醒目位置，根據不同路況和不同需求，發布包括收費標準、道路天氣狀況、道路交通誘導等信息，同時提供公路地圖導航功能。誘導屏用于在公路沿線或易擁堵路段發布實時路況信息，以引導駕駛員快速安全地到達目的地的顯示屏。

4? ?結束語

公路交通信息采集及監測系統可廣泛應用于公路交通事故分析、公路路況分析、道路施工評估、隧道安全評估、城市道路監控、公路交通秩序管理等方面，可為交通管理部門提供科學準確的決策支持，提升道路交通安全管理水平。所設計系統對于提高交通信息的采集效率和數據分析能力有顯著改善，有利于減少交通事故的出現。

參考文獻

[1] 李珊.道路交叉口交通監測及信號燈配時研究與設計[D].西安：西安工業大學，2022．

[2] 王旭.城市快速路交織區匝道控制優化研究[D].武漢：武漢理工大學，2012．

[3] 岳文偉.城市交通擁塞控制策略研究[D].西安：西安電子科技大學，2020．

[4] 郭濤.城市快速路匝道分合流區交通運行特性及優化控制方法研究[D].青島：青島理工大學，2014．

[5] 劉茜．基于信息集成的空中交通管制指揮監測系統[J].科學中國人，2016（30）：100．

[6] 楊海波.鄭州市交通信息綜合監測系統設計與實現[D].大連理工大學，2016．

[7] 馮鑫，馬松林，王華．公路交通信息遠程監測系統研究[J].低溫建筑技術，2012，34（10）115-117．