基于高分可視化技術的高速公路監控系統

申文超 申鐵軍

摘要 高速公路運營期間面對監控海量信息數據，業務系統繁多，無法綜合分析，彼此交互困難。為解決大屏顯示信號放大、圖像拉伸、顯示虛化、操作煩瑣等問題，基于“一圖式”高分辨率可視化平臺，實現現場可視，資源可視，人、物可視，以滿足扁平化指揮調度、數據分析、服務實戰的工作需要。研究表明，基于高分可視化技術的高速公路收費監控系統以指揮技術和信息技術為主導，根據用戶實際需要去整合行業的重點數據信息。

關鍵詞 高速公路；高分可視化；視頻監控；收費監控網絡

中圖分類號 U415.12文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）02-0013-03

0 引言

從充分運用現代通信技術、網絡技術，統籌、指揮、管理的角度出發，高分可視化技術在高速公路監控系統的應用近年來逐漸深入，劉偉[1]認為各子系統應具有較高的開放性，遵循規范的接口標準，支持不同平臺、多種應用環境。趙文華等[2]認為可打通相互割裂的業務系統，對海量業務信息的可視化進行綜合，真正實現輔助決策、業務智能。張璇[3]研究認為可開放性支持超高清信號接入、大數據運算、多系統的集成。

1 高分可視化技術

高分可視化技術是通過良好的高速圖像處理技術利用大屏幕整個超高物理分辨率的技術，其技術要素如下：

（1）快速、平滑地顯示更加廣闊的地理區域。

（2）分布式拼接系統采用最新一代解碼芯片可支持高清以及4K超高清信號的解碼顯示，從而最大限度保證了圖像清晰度。

（3）從統籌、指揮、管理的角度整合海量的行業重點信息，以高分可視化的方式進行組織與分析運算，從而全面掌握行業關鍵信息動態及趨勢，提高總體指揮決策和管理能力。

2 高速公路收費監控系統構成

主要由車道收費系統、收費站收費系統、片區收費系統構成，三者聯系見圖1。

2.1 車道收費系統

車道系統是收費數據的源頭，收費系統的一切原始操作都出自車道系統，是收費硬件維護的重點[4]。收費系統的一般硬件設備包括工控機、車控器、工控機柜、收費鍵盤、票據打印機、IC卡讀寫器、對講機、自動欄桿機、車道通行燈等[5]，它們的硬件連接見圖2。

2.1.1 工控機

工控機是車道系統的核心，安裝有收費軟件。工控機其實與微機沒有差別，也是由主板、內存、硬盤等構成，不同的是它增加了具有特殊用途的卡，有視頻采集卡、多串口卡[6]。視頻采集卡通過視頻線與車控器內的字符疊加器相連，用于采集車道攝像機傳來的圖像，顯示在收費軟件上[7]。通過網絡傳輸至收費站監控室服務器上，在工作站的監視監控軟件上顯示。通過多串口卡用來增加工控機的串口數量，連接票據打印機、費顯、字符疊加器等設備[8]。

（1）所有的指令都由它發送給相關設備進行工作，從設備角度介紹整個系統的工作流程，以入口車道為例：在每個車道地面下埋設兩個檢測線圈，一個位置在收費崗亭旁邊（前線圈），用于檢測車輛進入車道，抓拍圖像，并允許IC卡讀寫器把車輛信息寫入IC卡；另一個在自動欄桿機旁邊（后線圈），當線圈檢測到車輛通過時，自動欄桿落下。這兩個線圈都與自動欄桿機中的雙通道車輛檢測器連接。當車輛進入車道時，前線圈檢測到有車，這時車輛檢測器上前線圈指示燈亮，顯示有車，并把該信號反饋給車道控制器，車道控制器上前線圈指示燈變亮，同時把該信號再反饋到工控機的收費軟件上，在收費軟件上顯示前線圈有車，收費員判斷車型、車號等信息后，利用鍵盤輸入電腦，并通過讀寫器把車輛信息寫入IC卡，發給司機，讀寫器刷卡后，車控器控制欄桿機抬起，通行燈變綠。車輛壓上后線圈，車輛檢測器上后線圈指示燈亮，顯示有車，并把該信號反饋給車道控制器，車道控制器上后線圈指示燈變亮，同時把該信號再反饋到工控機的收費軟件上，在收費軟件上顯示后線圈有車，車輛通過后線圈后，車控器控制欄桿落下，通行燈變紅。出口車道工作流程類似，區別是收費員收卡收費并打印票據后，才控制欄桿抬起。當收費員完成數據操作后，把收費數據通過車道交換機上傳到收費站監控室服務器數據庫，包括抓拍圖像、車輛信息、收費金額等。

（2）機電設備的連接運轉離不開工作線路，按照電壓的高低可分為強電線路和弱電線路。每條車道系統的電源都由車道配電柜引220 V電至車道控制機柜，再由車道控制機柜為該車道的所有設備提供強弱電[9]。

（3）這里所指的強電為220 V電壓，在車道設備中絕大多數都需要220 V電壓，都由位于車道控制柜（MTT柜）內的空氣開關供電[10]。

2.1.2 車道控制器

車道控制器是連接工控機與車道設備的橋梁，由工控機下達控制命令，由車控器負責執行，車控器內部有兩塊電路板，一塊是字符疊加板，另一塊為控制板，字符疊加板上集成有兩個1分2的視頻分配器，使用一個即可，由攝像機傳來的原始圖像經字符疊加板分出兩路視頻，一路給視頻采集卡，一路傳輸至收費站監控室視頻矩陣。控制板通過車道機柜內的接線電路板以及繼電器來控制車道設備工作，原理見圖3。

2.1.3 控制柜接線板

控制柜接線板提供車道設備需要的電源、控制線路、機柜溫度控制等，所有需要車控器控制的設備，其控制線路進入機柜后都接在接線板上，包括自動欄桿機的抬桿、降桿控制線，前后線圈的反饋信號，欄桿機的狀態信號，頂棚燈的控制以及狀態信號，費顯以及語音報價的控制信號（也可接在多串口卡上）。車道設備的電源都從接線板上輸出。

2.1.4 欄桿機

欄桿機由電機、桿臂、控制模塊、車檢模塊組成。前后線圈線分別接在車檢模塊的線圈信號輸入端，當某個線圈有車時，車檢模塊上對應的某個線圈的指示燈變亮，同時對應的線圈反饋端口的電壓變為0 V（無車時為+24 V）為收費軟件提供有車信號。后線圈具有自動控制落桿功能，因此在后線圈的反饋端口還需要與控制模塊的防砸桿端口連接，意思為“后線圈有車不落桿”。

2.1.5 頂棚燈

每個車道有1對頂棚燈，背向車道的為禁行燈，迎車道方向的為通行燈。禁行燈一直為紅燈，所有車道的禁行燈由收費島配電箱統一供220 V電，通行燈由綠燈和紅燈組成，由各自車道的控制機柜供電，利用控制接線板的繼電器控制紅綠燈的變化。

2.1.6 費額顯示器

費額顯示器一般供電為+12 V，通過控制機柜內的變壓器為費顯供電，控制信號通過控制接線板來控制費額顯示。

2.1.7 電子屏

收費島電子屏一般由顯示板、控制板、電源組成，電源使用輸出為+5 V的變壓器供電，控制板負責通信并存儲顯示內容，顯示板負責點亮電子屏并控制屏哪部分變亮。

2.1.8 IC卡讀寫器

IC卡讀寫器由天線和讀寫器兩部分組成，讀寫器安裝在控制機柜內，與天線連接并與工控機串口連接。

2.2 收費站收費系統、片區收費系統

收費站收費系統以及片區收費系統主要由報表計算機、監視監控計算機、稽查計算機、服務器、交換機、路由器構成，完成收費業務、數據存儲、報表統計等功能，見圖4。

由圖4可知，收費站、片區中心收費系統主要由計算機、傳輸網絡構成，因此更多的是軟件方面的問題，在此不再贅述。

3 項目應用情況

某項目遵循我國能源革命可持續發展戰略要求，貫徹落實全面提高能源、能耗資產科技含量和管理水平的重大部署安排，積極響應“降本增效、提質升級”理念，用實際行動打造綠色、生態、智慧機電，助力交通強國建設。

3.1 加強車道機電管理

所轄路段各類機電設備由于運營時間長、設備品牌繁雜、性能參數良莠不齊，導致ETC門架、通信、網絡安全及治超系統等各項指標一度不佳。后因在掌握各種系統和設備工作原理、組成架構、傳輸鏈路、維護規范、故障排查思路和及時修復方法上下真功、用足力，實現了追趕超越、穩步提升。

（1）ETC門架系統軟件維護工程師進行現場授課，有效提升機電管理人員對ETC門架軟件系統的系統認知和運維技能；與相關院校合作，舉辦Linux操作系統運維培訓，有效提升機電維護人員運維技能，為下一步聯網收費軟件更新做好技術儲備。

（2）堅持“科技創新與強化日常管理”同頻共振，自主研發“雙鏈路聚合解決收費站數據傳輸瓶頸”“收費車道工控機操作系統及硬件升級提升車道系統運行速度”“搭建收費網絡智能管理平臺提升網絡監測效率”三個創新成果，促進車道系統的運行速度及收費網絡穩定性顯著提升。

（3）堅持“理論創新與實踐運用”融會貫通，編制下發了《聯網收費系統巡檢實施細則》，開發應用了“收費站聯網收費數據實時監測與巡檢輔助系統”，通過綜合施策，有效提升聯網系統各項運行指標。

3.2 構建綜合智慧大數據平臺

加快推動綜合能源服務發展，針對高速公路閑置資源及供配電資產低效運行等問題，引入“多能互補，源網荷儲”一體化智能微網建設理念，提前布局高速公路綜合能源服務。以用能資產“自我平衡、降低能耗、提升效率”為目標，以技術節能、結構節能、管理節能為途徑，構建綜合能源智慧平臺大數據。項目特長隧道照明節能改造項目將原有高能耗的鈉燈更換為機電公司研發的新型智能LED隧道節能燈。經過40 d緊張有序地施工，完成了7 000余盞燈具換裝和智能控制系統的安裝、調試，圓滿達成了設計要求。立足解決現場“痛點”問題，長期跟蹤行業前沿科技成果，經持續技術攻關和反復驗證，成功研發出了一款新型智能LED隧道燈具。該款燈具使用了機電公司石墨烯散熱技術與電源模組快拆裝置兩項技術專利。設計選用140 lm/W、3 000 K色溫的暖光源高光效芯片，節能及照明效果俱佳、體感更加舒適，確保了行車安全。整燈防護等級提升至IP67，同時采用航空快捷插頭，提升了燈具品質可靠性、維護便捷性，大幅降低了后期運維的成本。該次改造還新增了智能無級調光系統，可以在監控中心遠程設定或控制燈具的亮度，在鈉燈更換為綠色高光效LED燈具節能的基礎上，再疊加智控節能的功能。根據現場采集數據測算，改造后每年可節約電費200余萬元，總節能比例54%，真正達到了智慧節能、平安節能的目的。另外，在高速交通基礎設施基礎上優化配建分布式光伏發電、儲能蓄熱“冷、熱、電三聯供”、隧道LED燈改造節能、電動汽車充電樁、電力交易等項目，實現了“六新”轉型發展新突破。

4 結束語

綜上所述，基于高分可視化技術的高速公路收費監控系統以指揮技術和信息技術為主導，充分運用現代通信技術、網絡技術等，從統籌、指揮、管理的角度出發，根據用戶實際需要，整合行業的重點數據信息，快速、精準地在控制中心大屏幕上調用、顯示。做到“一網知風險，一屏觀天下，一鍵令全員”，真正實現輔助決策與業務智能。

參考文獻

[1]劉偉. ETC門架系統中高清車牌識別與視頻監控的應用[J]. 交通世界， 2020（31）： 9-10.

[2]趙文華， 申鐵軍. 基于數智化的山西交通機電工程操作系統升級與管理研究[J]. 交通科技與管理， 2023（7）： 166-168.

[3]趙東昊. 自動化技術在機電工程中的應用[J]. 集成電路應用， 2022（10）： 156-157.

[4]韓彥棟， 申鐵軍. 淺析高速公路機電監控系統故障現象與處理方法[J]. 交通科技與管理， 2023（1）： 189-191.

[5]張璇. 智慧監控在高速公路信息化中的應用[J]. 交通世界， 2021（36）： 145-146.

[6]趙佳， 申鐵軍. 高速公路機電工程光纖數字傳輸系統故障現象與原因分析——以山西省中心視頻監控系統為例[J]. 交通科技與管理， 2022（24）： 1-3.

[7]程建行. 高速公路監控系統智能化建設研究[J]. 交通世界， 2021（33）： 15-16.

[8]魏巍， 申鐵軍. 基于錢學森系統工程理論的山西省公路安全系統微觀分析[J]. 交通科技與管理， 2023（5）： 165-167.

[9]王東平. 通信系統在高速公路收費及監控中的應用[J]. 交通世界， 2020（19）： 98-99.

[10]王曉慧，申鐵軍. 山西朔神高速公路科技創新體系建設實踐分析[J]. 交通科技與管理， 2022（23）： 22-24.

收稿日期：2023-10-24

作者簡介：申文超（1992—），男，本科，工程師，從事公路機電工作。

通信作者：申鐵軍（1980—），男，本科，正高級工程師，研究方向：機電工程。