CN104269051B - 一种高速公路监控管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速公路监控管理系统，它包括监控中心、信息采集系统和信息发布与控制系统，信息采集系统包括信息采集及监控系统、交通事件自动检测系统和视频监控系统，信息发布与控制系统包括交通控制系统和交通诱导系统；信息采集及监控系统、交通事件自动检测系统、视频监控系统、交通控制系统和交通诱导系统分别与监控中心连接。本发明不仅能改善高峰期间车辆行驶的平均速度，增加高峰期间的交通量，减少交通堵塞程度和车辆延滞时间，同时也能大大减少交通事故和保证交通安全，节约燃料和减少车辆的磨损，缩短运输时间，减少污染，发挥高速公路快速、安全、舒适和高效率的功能，具有显著的经济效益、社会效益和环境效益。

Description

一种高速公路监控管理系统

技术领域

本发明涉及一种高速公路监控管理系统。

背景技术

随着国民经济建设的快速发展，国内高速公路网络已颇具规模，作为配套的机电工程也在不断的发展和完善，而监控系统作为高速公路运行管理的必备现代化手段，通过采用先进的计算机技术、控制技术和通信技术，能够实现公路系统行车“安全”和道路“畅通”，高效、节能及环保运行，因此高速公路监控系统的建设和管理就显得愈发重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高速公路监控管理系统，对高速公路网进行实时监视、控制，即对高速公路的数据进行实时分析、处理，为高速公路的交通控制提供数据依据，并对路面发生的各种事故进行告警，以便可以及时采取有效的控制手段进行排除和缓解，保证路面的畅通。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高速公路监控管理系统，它包括监控中心、信息采集系统和信息发布与控制系统，其特征在于：信息采集系统包括信息采集及监控系统、交通事件自动检测系统和视频监控系统，信息发布与控制系统包括交通控制系统和交通诱导系统；信息采集及监控系统、交通事件自动检测系统、视频监控系统、交通控制系统和交通诱导系统分别与监控中心连接。

一种高速公路监控管理系统还包括交警GPS/GIS调度系统、基于云计算的出行者信息系统、高速公路路径识别系统和交通设施管理系统。

所述的监控中心包括省级监控中心、区域监控中心和路段监控中心。

所述的省级监控中心包括工作站、服务器、视频系统、大屏幕显示系统、存储设备、网络设备、通信设备、打印机和UPS，工作站包括交通管理工作站、视频工作站和维护工作站，服务器包括数据库服务器A、数据库服务器B、视频服务器、Web服务器、通信服务器A和通信服务器B，视频系统包括视频解码器和监视器。

所述的工作站和服务器连接在双以太网上，视频系统和大屏幕系统连接在以太网上，维护工作站与打印机连接，存储设备通过交换机与数据库服务器A、数据库服务器B、视频服务器和Web服务器连接，Web服务器通过防火墙与外部Web终端连接，通信服务器A和通信服务器B与与网关、路由器、多串口服务器、智能接入设备连接。

所述的省级监控中心通过通信网络与区域监控中心和路段监控中心连接。

所述的信息采集及监控系统包括气象检测系统、道路状态检测系统和机电设备监控系统；

所述的气象监测系统包括气象监测器、现场智能监测站和通信适配器，气象监测器与现场智能监控站连接，现场智能监控站与通信适配器连接；气象监测器包括温度检测器、适度检测器、风速/风向检测器、雨量检测器和能见度检测器。

所述的道路状态监测系统包括道路状态/环境检测器、现场智能监测站和通信适配器，道路状态/环境检测器与现场智能监控站连接，现场智能监控站与通信适配器连接。

所述的机电设备监控系统包括高低压变配电智能监控系统、照明系统智能监控系统、给排水监控系统、送排风监控系统、EPS/UPS监控系统、柴油发电机组监控系统和太阳能光伏发电监控系统。

所述的交通事件自动检测系统包括间接检测系统和直接监测系统。

所述的间接监测系统包括交通检测器、现场智能监控站和通信适配器，交通检测器与现场智能监控站连接，现场智能监控站与通信适配器连接；交通检测器包括环形线圈、超声波检测器、红外检测器、微波交通检测器、车辆磁映像检测器和车重检测器。

所述的直接监测系统包括视频车辆检测器、现场智能监控站和通信适配器，视频车辆检测器与现场智能监控站连接，现场智能监控站与通信适配器连接；视频车辆检测器包括一体化交通视频检测器、模块式视频检测器和标准机架式视频检测器。

所述的视频监控系统包括视频监控子系统和智能视频分析系统。

所述的视频监控子系统包括前端设备、传输系统、输出显示设备和控制设备；前端设备包括摄像机、编码器、云台、现场视频工作站，传输系统包括通信适配器、传输设备和传输网络，输出显示设备包括监视器、计算机视频终端、模拟录像机、硬盘录像机、网络录像机和大屏幕，控制设备包括控制台、键盘、视频矩阵和画面分割器；前端设备通过传输系统与控制设备连接，控制设备与输出显示设备连接。

所述的智能视频分析系统统包括摄像机、视频处理器、自动检测系统、警告系统和记录系统，摄像机与视频处理器连接，视频处理器与自动检测系统连接，自动检测系统分别与警告系统和记录系统连接。

所述的交通控制系统包括入口匝道控制、主线控制和通道控制。

所述的交通诱导信息系统包括面向驾驶员系统和面向监控员系统。

所述的面向驾驶员系统包括交通信息发布系统和路侧广播系统；交通信息发布系统包括交通信息发布终端和通信系统，交通信息发布终端包括可变情报板和可变信息标志。

所述的面向监控员系统包括交通信息显示终端和通信系统；交通信息显示终端包括LCD拼接墙、LED大屏、投影系统、CRT/LCD显示器和参数显示设备。

一种高速公路监控管理系统还包括通信系统，所述的通信系统包括SDH/E1、SDH/MSTP以太网接口、ATM网、千兆以太网环网、RPR环网、级联式光端机通信、GSM/GPRS/3G移动通信和无线局域网。

本发明的有益效果是：本发明主要作用是对高速公路网进行实时监视、控制，即对高速公路的数据进行实时分析、处理，为高速公路的交通控制提供数据依据，并对路面发生的各种事故进行告警，以便可以及时采取有效的控制手段进行排除和缓解，保证路面的畅通。不仅能改善高峰期间车辆行驶的平均速度，增加高峰期间的交通量，减少交通堵塞程度和车辆延滞时间，同时也能大大减少交通事故和保证交通安全，节约燃料和减少车辆的磨损，缩短运输时间，减少污染，发挥高速公路快速、安全、舒适和高效率的功能，具有显著的经济效益、社会效益和环境效益。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明结构图；

图3为省级监控中心结构示意图；

图4为气象监测系统结构示意图；

图5为道路状态监测系统结构示意图；

图6为间接监测系统结构示意图；

图7为直接检测法工作原理示意图；

图8为模拟视频系统结构示意图；

图9为数字视频系统结构示意图；

图10为交通诱导信息系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：如图1所示，一种高速公路监控管理系统，它包括监控中心、信息采集系统和信息发布与控制系统，其特征在于：如图2所示，信息采集系统包括信息采集及监控系统、交通事件自动检测系统和视频监控系统，信息发布与控制系统包括交通控制系统和交通诱导系统；信息采集及监控系统、交通事件自动检测系统、视频监控系统、交通控制系统和交通诱导系统分别与监控中心连接。

它还包括交警GPS/GIS调度系统、基于云计算的出行者信息系统、高速公路路径识别系统和交通设施管理系统。

所述的监控中心包括省级监控中心、区域监控中心和路段监控中心。

如图3所示，省级监控中心包括工作站、服务器、视频系统、大屏幕显示系统、存储设备、网络设备、通信设备、打印机和UPS，工作站包括交通管理工作站、视频工作站和维护工作站，服务器包括数据库服务器A、数据库服务器B、视频服务器、Web服务器、通信服务器A和通信服务器B，视频系统包括视频解码器和监视器。

工作站和服务器连接在双以太网上，视频系统和大屏幕系统连接在以太网上，维护工作站与打印机连接，存储设备通过交换机与数据库服务器A、数据库服务器B、视频服务器和Web服务器连接，Web服务器通过防火墙与外部Web终端连接，通信服务器A和通信服务器B与与网关、路由器、多串口服务器、智能接入设备连接。

省级监控中心通过通信网络与区域监控中心和路段监控中心连接。

（1）工作站

监控工作站是监控中心实现远程监视和控制、报警和人机交互的主要平台。可以按照功能划分为：交通管理工作站、视频工作站、维护工作站（也称工程师工作站）等。

交通管理工作站负责整个路网的图形显示，监视外场设备工作状况、气象条件和道路状态，交通事件检测，交通控制、诱导和信息发布的控制，各种报表打印、事故记录、报警及公路路网、沿线设施状况等。交通工作站可以细分为道路监控工作站、交通事件工作站、交通控制工作站、诱导及信息发布工作站等

视频工作完成示沿线摄像机的图像监视、录像，并可对摄像机进行PTZ控制；配合视频服务器完成交通事件检测及智能分析等功能。

交通管理工作站和视频工作站都可以根据实际情况双机冗余或多机配置，以提高系统的冗余能力和监控、管理能力。

（2）数据库服务器

负责监控中心数据的存贮、统计计算、数据分析、数据库管理等，为监控系统的各种应用提供数据平台。数据库服务器可以选择双机集群（cluster）配置。

（3）视频服务器

视频服务器负责基于视频图像的交通参数检测、视频智能分析及交通事件检测功能。

视频服务器可以选择双机集群配置。

目前，视频服务器的视频智能分析功能有向前端设备转移的趋势。

（4）通信服务器

主要用于监控中心与外场检测设备、其他子系统之间进行通信，完成规约转换、数据预处理、数据转发等功能。

为了提高通信可靠性，通信服务器一般应选择双机冗余配置，即值班机故障时系统能够自动迅速切换至热备用机器，保证数据通信不会中断，数据不会丢失。

通常通信服务器与网关、路由器、多串口服务器、智能接入设备等配合使用。

（5）Web服务器

对外提供Web服务功能，将高速公路监控系统的实时数据和历史数据以网页的形式发布出去，用户在远端通过Internet或Intranet，使用浏览器即可完成监视、控制和数据查询任务。

同时，Web服务器还必须提供防火墙功能（硬件或软件），防止病毒软件和恶意软件的入侵，保证系统的安全性。

（6）数据存储系统

GL-2100数据存储可以选择普通的SCSI磁盘阵列、光纤磁盘阵列或IP SAN存储系统，数据库服务器、视频服务器（流媒体服务器）、GIS服务器、Web服务器可以共享大容量磁盘阵列。

IP SAN具有性能优异、成本低、扩展方便、与IP网络兼容的优点，能够提供基于云技术的数据存储和发布服务，即数据可以分散分布存放在省级监控中心、区域监控中心或分中心，以及灾备数据中心等。

所述的信息采集及监控系统包括气象检测系统、道路状态检测系统和机电设备监控系统；

如图4所示，气象监测系统包括气象监测器、现场智能监测站和通信适配器，气象监测器与现场智能监控站连接，现场智能监控站与通信适配器连接；气象监测器包括温度检测器、适度检测器、风速/风向检测器、雨量检测器和能见度检测器；

高速公路交通运输属于对气象高速敏感的领域，其所追求的快速、高效、安全、准时的目标，在很大程度上要受到气象因素的制约。因此，气象资料属于交通管理的基本数据。

常规的气象检测项目有：风速、风向、气温、相对湿度、雨量、能见度等。

常用的检测设备包括：

（1）常规气象监测器

1）温度检测器：通常采用铂电阻；

2）湿度监测器：常用聚合物湿敏电容；

3）风速、风向检测器：风速检测通常用风杯，风向检测用风标；

4）雨量检测器：常采用双反斗式雨量传感器

（2）能见度检测器

常用透射和散射型能见度检测仪。

如图5所示，道路状态监测系统包括道路状态/环境检测器、现场智能监测站和通信适配器，道路状态/环境检测器与现场智能监控站连接，现场智能监控站与通信适配器连接。

浓雾、大雪等气象条件直接影响驾驶员的视野和能见度，这些现象直接由驾驶员的视觉接收，虽然对交通影响大，但它们是可直接可见的，容易引起驾驶员的警惕。当道路的路面出现冰冻、积雪等现象时，往往不能引起驾驶员足够的重视，路面湿润、结冰和积雪都会显著降低路面平均附着系数，使路面抗滑能力突然降低，对车辆正常运行产生相当大的破坏作用，容易导致交通事故的发生。桥面上更是如此，这是因为相对路面桥面更易结出薄冰层，而桥面的视距长，驾驶员往往看不清结冰，导致车辆上桥时刹车失控而造成事故。因此，需要对路面、桥面状态进行实时检测，并将结果传输给监控中心。

路面状态检测参数包括：路面温度、路面相对湿度、路面积雪深度、路面冰冻等。

常用的检测器包括路面干/湿状态检测器、路面冰冻检测器、路面积雪厚度检测器等。

另外，对于隧道这样的特殊路段，还要检测道路的环境参数，如检测一氧化碳、粉尘、烟雾等。

道路状态检测原理：通过现场监控站采集数据，然后传送至监控中心。

为了保证高速公路正常运行和管理，沿线配套有大量的机电设备。常见的有：高低压变配电站（所）、高速公路照明系统、给排水、送排风、EPS/UPS、柴油发电机组、太阳能光伏发电系统等。这些机电设备都可以纳入监控中心实现统一监控和管理。

机电设备监控系统包括高低压变配电智能监控系统、照明系统智能监控系统、给排水监控系统、送排风监控系统、EPS/UPS监控系统、柴油发电机组监控系统和太阳能光伏发电监控系统。

所述的交通事件自动检测系统包括间接检测系统和直接监测系统。

交通事件是指发生时间、位置不可准确预测，造成道路通行能力临时下降的情况，如交通事故、车辆抛锚、违章、货物散落等，也表示气候条件的变化及其他不可预见的因素，如雾、雨、雪、冰、积水、大风等引起通行能力下降的气象条件以及施工、路面失修等道路条件。对于监控系统来说，其首要任务就是能迅速、准确、自动地反映交通事件，即交通事件自动检测（AID，Automatic Incident Detection），及时检测到事件信息，为判断和处理事件做好准备。

（1）间接检测法：原理是采用车辆检测器根据交通流的变化来间接地判断交通事件的存在。实时交通流参数可以用多种手段获得，常用的做法是通过设置在路上的交通检测器动态采集各路段的交通数据，由此推断可能发生的交通事件。

衡量交通流变化的主要参数为：交通量、车辆速度、交通密度/占有率等。

（2）直接检测法：是指利用路段视频监控系统提供的图像信息，采用计算机图像识别和处理技术，来发现车辆行驶异常或道路异常的方法。这类方法实际上是“看到”发生了交通事件，而不像间接检测法那样是通过交通事件的影响（交通流参数的改变）来检测它的存在。

如图6所示，间接监测系统包括交通检测器、现场智能监控站和通信适配器，交通检测器与现场智能监控站连接，现场智能监控站与通信适配器连接；交通检测器包括环形线圈、超声波检测器、红外检测器、微波交通检测器、车辆磁映像检测器和车重检测器。

间接检测法依赖于交通检测设备（又称车辆检测器），通常采用检测线圈、脉冲检测、雷达监测等手段获得道路上交通流的交通参数。交通检测设备也称为车辆检测器，可以用来检测交通量、车速、占有率、车头时距、车辆存在、长车比、车重和排队长度等。

常用的检测器有：

（1）环形线圈：应用最多，可以用来检测交通量、车速、占有率、车头时距、车辆存在、长车比；

（2）超声检测器：可检测车速、时间占有率和车长；

（3）红外检测器：有主动和被动两种形式。

1）主动式：可检测交通量、车速、占有率、车头时距、车辆存在、长车比；

2）被动式：可检测交通量、车速、占有率、车头时距、车辆存在；

（4）微波交通检测器：可以检测交通量、车速、占有率、车头时距、车辆存在、长车比和排队长度等；

（5）车辆磁映像检测器：可以检测交通量、车速、车头时距、长车比和路面状况等；

（6）车重检测器：分为应变型、压电型和电容型，主要用来检测车辆的最大轮载、轴载和总重。

直接监测系统包括视频车辆检测器、现场智能监控站和通信适配器，视频车辆检测器与现场智能监控站连接，现场智能监控站与通信适配器连接；视频车辆检测器包括一体化交通视频检测器、模块式视频检测器和标准机架式视频检测器。

如图7所示，直接检测法的核心是视频车辆检测器，它是基于视频图像处理和计算机视觉技术的交通检测技术，是近年来逐步发展起来的一种新型的车辆检测方法，它具有检测参数多和检测范围大的特点，使用灵活装卸方便，无需破坏路面，不影响交通。

在需要重点监测的路段，安装一台或多台摄像机（数字或模拟），拍摄一定范围的交通图像，实时输入视频检测器；在视频检测器的屏幕交通图像上，设定和叠加检测区，其尺寸、数量可随时调校。操作设定一旦建立，车辆经过检测区，就会产生检测信号，经过软件的分析和处理，可以得到交通量、平均车速、占有率、车头间距、排队长度、停车报警、逆行报警等参数。

所述的视频监控系统包括视频监控子系统和智能视频分析系统。

视频监控子系统包括前端设备、传输系统、输出显示设备和控制设备；前端设备包括摄像机、编码器、云台、现场视频工作站，传输系统包括通信适配器、传输设备和传输网络，输出显示设备包括监视器、计算机视频终端、模拟录像机、硬盘录像机、网络录像机和大屏幕，控制设备包括控制台、键盘、视频矩阵和画面分割器；前端设备通过传输系统与控制设备连接，控制设备与输出显示设备连接；

在高速公路监控中，视频监控系统（Closed-circuit television，闭路电视，简称CCTV）提供了最直观、最重要的监视手段。随着技术的进步，视频监控系统的技术发展日新月异，监控图像由模拟转化为数字，视频压缩技术由MJPEG、MPEG2向MPEG4、H.263/264过渡，分辨率由低到高、直到高清视频，传输方式由简单点对点模拟传输转为数字传输、IP数字传输方式。可以说，视频监控子系统是高速公路监控系统中应用最广泛、发展速度最快的子系统。

其主要功能有：

（1）全天候监视功能

全天候24小时监视道路状况、交通流及气象相关情况，保证7×24小时连续工作。

（2）控制功能

集中监视分级远程控制功能。所有视频监控图像先汇集分中心或区域中心，受其分控与录像及视频处理，并上传至上一级中心，上级中心可以实时调用任一路图像并对其实施控制。

（3）图像管理功能

系统具有图像记录、存储、检索、回放、显示功能。

（4）信息处理决策功能

通过交通事件视频检测系统，分析判断交通流异常、交通事故及其严重程度，经操作人员确认后，根据不同的处理方案选择控制策略，及时通知交警、消防、救护、养护、路政等部门，迅速处理事故，疏通交通。

（5）诱导、控制功能

事故、阻塞、施工等异常情况下采取速度限制、禁止驶入、关闭车道、迂回行驶等控制方法进行交通管理和调度。

（6）信息传输功能

向上级监控中心传输图像和数据，并接受其控制、调度命令。

视频监控系统中的压缩算法决定了视频图像的清晰度、传输带宽、存储量、稳定性以及设备成本，特别是同样清晰度下的传输带宽需求，同样传输带宽下的清晰度，以及视频文件大小（存储量）等技术指标，对于监控点多而且分散、传输距离远、需要分级监控集中上传的高速公路视频监控系统，选择优秀的视频压缩算法和设备显得尤为重要。

目前，常见的视频压缩算法有MJPEG、MPEG1/2、MPEG4、H.263、H.264等，在视频监控系统中MPEG4和H.264尤为常用，而二者相比，H.264则拥有更多领先的优势：

1）高效压缩，与H.263、MPEG4，减小50%比特率；

2）延时约束方面有很好的柔韧性；

3）容错能力更强；

4）高质量应用，提供多参考帧，获得更好的编码效果；

5）更优秀的运动补偿过滤器；

6）良好的网络传输性能。

如图8所示，系统支持模拟视频技术。

模拟视频系统主要由模拟摄像机、解码器、视频矩阵控制切换器以及传输网络、输出显示设备、控制设备等组成。各路摄像机将现场所采集的视频信号由传输系统完成视频信号的传递，当距离较远时可以采用光端机接续，视频信号在监控室连接到视频矩阵、监视器、视频工作站、录像机等输出设备，用户通过键盘、视频工作站完成摄像机的PTZ（Pan/Tilt/Zoom，云台全方位（上下、左右）移动及镜头变倍、变焦控制）功能。

该系统早期应用较广，技术成熟，但接线复杂，占用网络资源多，视频图像的控制和后期处理比较繁琐。

如图9所示，系统支持全数字视频技术。

数字视频监控系统主要由模拟或数字摄像机、数字矩阵（又称数字虚拟矩阵）以及传输网络、输出显示设备、控制设备等组成，其中，数字矩阵包括数据包解析、数字交换以及图像解码模块。

系统中，各路摄像机采集的视频信号经视频编码器进行压缩编码数字化处理后，通过数字网络（如IP网络）进行传输。数字矩阵直接从网络接收视频流并进行相应解码和录像存储。由数字矩阵从N路输入中选择M路送入解码单元（N≥M），并由监视器、大屏幕和计算机显示终端进行显示。系统用户通过计算机和键盘等控制视频前端设备完成PTZ功能。

系统中，录像设备可以采用硬盘录像机（DVR）、网络录像机（NVR），也可以直接利用计算机、服务器来完成录像功能，此时，视频图像信息可以与其他数据一道存放在主站系统的磁盘阵列中。

相比传统模拟视频系统而言，数字视频系统由于采用了数字矩阵连接线缆简单，占用网络资源少，利用网络和软件可方便扩展N路输入与M路输出，可任意设置分控数量及分控权限，不再需要传统的画面分割器、切换器、字幕叠加器等设备，易于存储备份和回放检索，也易于视频数据的二次加工和处理。

智能视频分析系统统包括摄像机、视频处理器、自动检测系统、警告系统和记录系统，摄像机与视频处理器连接，视频处理器与自动检测系统连接，自动检测系统分别与警告系统和记录系统连接。

智能视频分析系统可以在前端或监控中心后台配置交通事件视频分析仪，完成如下功能：

（1）事件检测

1）车辆停驶

2）交通拥堵

3）车辆慢行、超速

4）车辆逆行，违章变线、超车

5）行人上路

6）遗弃物（一定体积以上）

7）烟和火灾监测

8）汽车号牌识别

9）照明变化

（2）交通量检测

1）交通流量

2）速度

3）占有率、交通密度

4）车头间距

5）队列长度

6）车辆分类，一般分为大、中、小3类，可以根据用户需求更改

（3）道路状态检测

还可以对道路状态，如雨雪、积水、浓雾、泥石流、路面塌陷等进行实时监测及报警。

（4）服务水平评价

服务水平是用来衡量道路为驾驶员所提供的服务质量等级。我国公路服务水平现分为四级，一级相当于美国的A、B两级，二、三级相当于美国的C级和D级，四级相当于美国的E、F两级，我国高速公路的适应交通量宜按二级（相当于美国的C级）来考虑。

利用智能视频分析系统，可以直接得到高速公路的交通流密度、速度等参数，根据车型的判别结果可以得到折算成标准车的交通量，从而得到饱和度（V/C），利用这些参数，通过后台软件中的“服务水平评价算法”就可以准确地得到基本路段的服务水平。

（5）调整检测范围的功能

1）可同时检测多个车道

2）可以调整检测区域个数

3）可方便设置和修改检测区域（虚拟线圈）

所述的交通控制系统包括入口匝道控制、主线控制和通道控制。

入口匝道控制的作用是下述的一个、几个或全部：

（1）减少高速公路主线上所有车辆的行程时间；

（2）减少通道内全部行驶车辆的行程时间；

（3）消除或减少车辆汇合中的冲突和事故；

（4）由于改善了交通流的平稳性，因此减少了车辆运行的不舒适感和对环境的干扰。

入口匝道控制包括匝道关闭和匝道调节两种形式。匝道关闭可通过自动栏杆、交通标志、人工设置隔离墩把某些入口匝道关闭。匝道调节是在匝道上使用交通信号灯对进入车辆实行计量控制，也可通过收费站的收费车道开放数来调节进入高速公路的车辆数。单位时间内允许进入的车辆数称为匝道调节率。

入口匝道调节方法很多，如果按照调节率相对时钟是固定的还是变动的，是单匝道调节还是多匝道调节，是用于消除高速公路上的拥挤还是改善汇合运行安全来分类。

（1）入口匝道定时调节

定时调节的特点是根据历史情况的调查掌握交通流的统计情况，把一天划分为若干个时段。假定每个时段内，交通流状况近似不变，以此为依据来确定每个时段内一组不变的入口调节率，使某项性能指标最优。显然，这种控制方式不能适应交通流的随机变化。但是，当交通流在一段时间内波动不大时，这种控制是十分有效的，而且定时调节很容易实现多个匝道口协调控制。此外，这种控制运行安全可靠，使用设备少，是目前应用最广的匝道控制形式。

（2）入口匝道交通感应（动态）调节

当交通流发生突然变化时，以前设定的调节率不再适应交通流的实际情况时，定时调节可能不能产生调节作用甚至起到相反的作用。如果控制系统能够检测交通流的变化，根据交通流的实际情况进行动态调节，必然会优化交通控制的效果。

这就是入口匝道交通感应（动态）调节，即根据速度、密度、流量这三者之间的关系实时测量高速公路的运行状态，通过调节入口匝道的流量，防止或消除高速公路上的拥挤。

（3）入口匝道汇合控制

在定时调节和交通感应调节中，车辆经过匝道进入高速公路时，往往和上游车辆同时到达汇合区，由于上游车辆以较快的速度行驶，从匝道欲进入高速公路的车辆需要减速等待，当上游到达车辆比较密集时，会导致车辆在匝道上排队，并极易在汇合区引发交通事故。

汇合控制是一种微观控制方法，以安全为控制原则。汇合控制的基本目标是通过使入口匝道车辆最佳地利用高速公路间隙来改善高速公路交通流的分布和运行，使大量的入口匝道车辆安全地汇合而不引起高速公路交通的明显间断。其方法是：

1）检测高速公路上的可插车间隙；

2）估计这个间隙到达入口匝道汇合点的时间；

3）引导匝道车辆进入这个可插间隙。

（4）入口匝道整体定时控制

当一条高速干道存在有多个入口匝道时，应注意统筹考虑各个匝道的调节率，实行整体控制。这是因为匝道之间是相关的，前后匝道调节率间相互影响，当改变一条匝道调节率时，就会影响到系统中的其它匝道。

所谓入口匝道定时整体控制是指把单个入口匝道定时调节应用于必须对匝道运行的相互依赖性给予考虑的一系列入口匝道。

入口匝道整体定时控制是基于交通流每日变化大体一致，因而可以把一天划分为若干时段（大约每段为15min或更长），在一个时段内交通流近似于均匀，可以认为是稳态，进而根据实际情况把高速公路分成若干段，每段内交通流近似认为均匀无异。这样可建立一个描述交通流状态只随道路空间变化的稳态模型，然后根据主线和各入口匝道的交通需求和每个匝道下游的容量，按照某种性能指标，即在每时段确定一组最佳调节率（常数），使各路段交通状况总体最优。

显然这种方法提供的系统灵活性较大，能较好预防整条高速公路的常发性拥挤，但不能适应偶发性拥挤。

（5）高速公路入口全局最优控制

高速干道定时段入口控制不能消除由于意外事件引起的偶发性交通拥挤。要解决这一问题，就需要实行动态控制，即实时检测现场交通信息，依此决定入口调节率。前面介绍的单个匝道动态控制根据局部检测数据（占有量、流量或速度）确定单个入匝道的调节率，简单实用，但不能保证整条公路全局性能最优。全局动态控制把一条路的多个入口匝道统筹考虑，确定一组调节率，使某种形式的全局性能指标最优。

主线控制的对象是高速公路本身即路段上的交通流，就是对高速公路主线的交通进行调节、诱导和警告。基本目标是改善高速公路运行的安全和效率，缓解主线上的交通拥挤和交通瓶颈对交通的影响。这种控制对常发性和偶发性交通拥挤都是有效的。

主线控制的基本方法是：从过去的统计资料中或采用交通感应方法获得当前高速公路上交通流参量值；依据交通流模型判断交通流运行状态（在交通流基本特性曲线上的那一部分）；确定高速公路主线交通流控制的目标状态值及相应的控制方法，使交通流趋于目标状态。 主线控制方式可以是定时控制，也可以采用交通感应控制。

主线控制主要包含以下3种控制方法：

（1）可变限速控制法

在高速公路上设置可变限速标志，指示随交通状况变化的限制车速。其作用是向驾驶人预告前方交通拥塞或将要通过瓶颈路段，驾驶人应按指示的限速行驶。可变限速标志指示的车速能使车流平稳，车速均匀，从而提高通过瓶颈路段的通行能力。

欧洲国家认为在快速道路上设置可变限速标志具有良好的效果。在英国所有快速道路上都装备有可变限速标志，速度范围以16km/h的增量从16km/h 变化到96km/h。一般快速道路的限制车速为113km/h，此速度是根据没有车速标志的情况下制定的。标志间隔在城市地区为1km，城际地区为3km。设置可变限速标志后，发现交通事故次数减少了18％～50％。在德国幕尼黑的萨尔兹堡快速道路上32km的路段上安装了遥控可变限速标志后，在车速分布和减少事故等方面都取得了良好的效果。

（2）车道封闭控制法

美国底特律已试用车道封闭标志来提高快速道路的使用效率。这些标志通常在各车道上用垂直绿箭头表示。如果某车道由于养护作业而需要提前封闭时，这时，该车道上面的绿箭头标志就改变为红叉“×”标志。这种标志的效果与交通量有关。当交通量小于快速道路的通行能力时，则车辆会服从红叉“×”标志的指示，并在车道封闭前比平常更早地离开已封闭的车道；当交通量大于快速道路的通行能力时，即使较早地离开了已封闭的车道，在瓶颈路段的通过量也不会有所提高。为在高峰期间封闭某个车道，不能期望它将会带来较大的收效。

（3）可逆车道控制法

高速公路在高峰时间期，交通量将会出现较大的方向不平衡，这种不平衡在将来若干年 内仍会存在，较为合理的解决办法是设计可逆车道。为一条新的快速道路设计可逆车道时，为安全起见，最好将可逆车道与一般车道分开，形成三车道。在匝道与可逆车道连接处，可用水平移动的剪刀式栏栅或垂直吊动的栏栅和可变情报标志加以控制。可变情报标志通告驾驶人该走哪一个车道。可逆车道的主要优点是比较经济，能有效地利用道路空间和通行权，其设计的主要依据是快速道路上的车流有很大的方向不平衡性，并今后将继续存在。 快速道路在维修养护期间，或一条车道因严重交通事故而引起车流阻塞时，利用对向（反向）车道作为应急之用是有利的。高速公路如果没有良好的平行干道或街面道路可利用时，应优先考虑使用可逆车道。若可逆车道能保证安全、方便地行驶，则它就能更有效地被利用为车行道。

通道控制的对象是由高速公路、侧道和其它平行干道所组成的通道系统上的交通流。高速公路通道系统由高速公路、匝道以及与高速公路相关的侧道、干道、城市街道等组成。它是一个以高速公路为核心的、沟通两个或两个以上地区之间交通的道路网络。

高速公路通道控制就是对通道系统交通流进行协调、管理、诱导和警告。基本原理就是监测通道系统中所有道路及交叉口，将超载道路上的交通转移到通行能力尚有剩余的道路上去。通道控制是一个综合控制系统，它集中了高速公路监控系统、驾驶员信息系统、匝道控制、主线控制、侧道控制、交叉口控制、干道控制以及城市道路控制和区域交通控制的原理、策略和方法。

通道控制方式主要有限制和分流两种方式：

（1）限制是控制各道路上的交通需求使其低于通行能力；

（2）分流则是把车辆从超负荷的道路上引到尚有剩余通行能力的道路上去。

在通道系统中，高速公路的运行效率比其它干线通道要高，故应优先利用高速公路，只有当高速公路上的交通需求超过或接近其通过能力时再用通道分流方法，这样可以提高通道系统的总体运行效率。

通道控制常用措施包括：采用临时性分流标志、优化各类道路交通信号配时方案、统筹制定各匝道的调节率、运用驾驶员信息系统、实行公共汽车、合用车优先控制。

从理论上讲，通道控制采用定时的或交通感应式的控制都是可以的。但实际上通道控制目的和范围决定了它须采用交通感应式动态控制。控制模型维数高，系统结构复杂，有多个相互联系的子系统，且空间分布范围大，系统控制是多目标决策，需采用多个指标评价系统控制效果，因而通道控制系统问题是一个典型的大系统控制问题。

按控制对象分，通道控制系统可由下列子系统组成：

（1）高速公路（包括主线和匝道）控制系统；

（2）侧道、干道控制系统；

（3）城市道路控制系统；

（4）驾驶员信息系统；

（5）交通监视系统；

（6）中央控制系统。

如图10所示，所述的交通诱导信息系统包括面向驾驶员系统和面向监控员系统。

面向驾驶员系统包括交通信息发布系统和路侧广播系统；交通信息发布系统包括交通信息发布终端和通信系统，交通信息发布终端包括可变情报板和可变信息标志。

面向监控员系统包括交通信息显示终端和通信系统；交通信息显示终端包括LCD拼接墙、LED大屏、投影系统、CRT/LCD显示器和参数显示设备。

交通诱导信息子系统（也称为信息发布系统）主要为驾驶员和监控决策人员提供信息。

（1）为驾驶员提供信息的系统称之为诱导信息系统，它是主线控制和通道控制的一种形式，通常以可变情报板和可变限速标志显示提供给驾驶员的路况及限速等诱导信息。

主线控制中的诱导信息系统是为了给驾驶员提供有关高速公路路况的建议，以便有可能采取适当的行动，目的是通知驾驶员有关路上紧急情况的最新信息，还可向驾驶员提供强制性命令。

通道控制系统中，诱导信息系统用于促进交通必要的转向，以实现交通容量的最佳利用。

1）可变情报板。在可变情报板上显示文字、图形向驾驶人员发出道路信息及行车指示，可向道路使用者提供信息，如前方道路的交通堵塞情况、事故告警、气象情况、道路施工情况等。

2）可变信息标志。向道路使用者提供显示当前指定的或建议的最高车速，以调节路段的车流密度和平均速度。

3）路侧广播系统。路侧广播系统即公路诱导无线电，是给拥有收音机的驾驶人员提供道路与驾驶有关信息的一种方法，在交通量很大时，或当能见度很差时，瞬间通过路旁或悬空的标志出给驾驶员的信息受到了极大限制，可以通过路侧广播给驾驶员提供信息。

（2）面向决策者的信息显示是把收集到的各种信息直接或间接处理后在各种显示装置中（如地图版、大屏幕等）显示，为交通管理人员制定控制策略、事件管理方法等方面提供直观的信息。显示系统所显示信息的多少，取决于系统数据采集部分所采集的数据种类、数量、频率。

控制与决策者信息终端是监控员道路信息的来源，控制与决策者要随时监视和控制高速公路的交通运行状况，就需要在中心控制室设置一套现代化的信息提供装置。

一种高速公路监控管理系统还包括通信系统，所述的通信系统包括SDH/E1、SDH/MSTP以太网接口、ATM网、千兆以太网环网、RPR环网、级联式光端机通信、GSM/GPRS/3G移动通信和无线局域网

（1）SDH/E1

利用高速公路的SDH通信平台提供的E1电路，加上MPEG2编解码器实现。这种方法通常用来实现分中心和中心之间的视频传输。

优点：简单、经济。

缺点：点对点传输，组网不灵活，分中心之间无法实现相互观看。

（2）SDH/MSTP以太网接口

SDH/MSTP能够提供以太网接口。它们的实现方法各有不同，有的是将Ethernet 包映射到几个E1电路上，有的是直接映射到SDH容器中。这种方法的问题是，高速公路SDH网的带宽本来就不高，EOS技术的效率不高，用来传输少量图像或计算机信息是可行的，当用来传输大量视频信号时带宽可能会受到限制。

当SDH不提供以太网接口时，可使用外接的E1网桥或4×E1网桥。

（3）ATM网

ATM的优点是能够提供的LAN口接入，有QoS保证。国外公司比较推荐ATM网来传输视频信号，如TELINDUS 公司就为英国伦敦地铁开发了基于ATM的视频环网。在我国山东交通部门也建立了ATM网，但是ATM网投资比较大，骨干网速率为600M ，传输视频又显得不够。

（4）千兆以太网（Gigabit Ethernet）环网

随着千兆网的普及，可以直接使用带千兆光口的L2/L3交换机组成一个千兆环网，在这个千兆环网上同时传输监控数据、视频和语音，实现综合业务传输。

在高速公路监控中，可以采用工业级设备组成千兆环形工业以太网。工业以太网具有带宽大、环形自愈、数据传输实时性有保障、可靠性高、能够适应恶劣运行环境等特点，可以作为新建高速公路优先选择的通信方案。

（5）RPR环网

弹性分组环技术（RPR，Resilient Packet Ring），是专门针对LAN开发的传输技术，它有下列特点：

1）快速的二层交换；

2）分组环的统计复用技术；

3）多等级、可靠的QoS服务；

4）环自愈保护。

正是RPR具有上述特点，受到人们的关注，认为是可能替代SDH成为城域网的首选。在高速公路系统，RPR也将成为视频环网的最佳选择。

（6）级联式光端机通信

高速公路监控点分布间隔远，离中心的距离逐渐延长。传统的监控点与控制中心之间采用点对点数字光端机光缆传输方式，需加中介器或转传，这样不仅浪费了光纤数量，且图像质量也会受到损耗。级联式数字光端机传输系统刚好弥补了点对点数字光端机的缺陷，用于传输高速公路监控自动化数据和视频数据非常方便。

级联数字光端机（又称节点式）系统以数字光端机作为级联链路中的基本模块，结合电级联技术和CWDM光级联技术而组成，在一芯单模光纤上实现多达128个传输区间的128路视频、多路数据、音频的级联传输。

该系统是光纤视频、音频、数据传输系统的一种高可靠性、高性价比、极为先进的传输方式，作为一种先进的光纤数字视频、音频、数据传输系统，它能充分利用光纤的带宽资源，简化系统网络结构，提高光纤网络的使用效率。与传统光纤传输网络相比，在网络稳定性，系统性价比等方面，它都具有明显的优势，特别适合高速公路的工程应用。

（7）GSM/GPRS/3G移动通信

移动网络具有技术成熟、覆盖范围广、不用高速公路管理部门自行建设和维护的特点，利用公共移动通信网络来传输高速公路监控系统数据是一个很好的方案，特别是监控系统与通信车辆和驾驶人员之间的互动通信更是非移动通信莫属。

GSM/GPRS传输带宽只有几k～上百k，用来传输监控数据还可以，传输视频流带宽明显不足。不过，随着3G、4G技术的日益成熟和商用化，基于移动网络来建立高速公路监控系统将成为一种较好的选择。

(8）无线局域网（WLAN）

高速公路多数路段远离市区，无法连入到Internet或其他公共网络，而沿公路线建设专用光纤通信网络投资大、周期长。针对这种情况，可以利用业已成熟的WLAN（无线局域网）技术来建设传输网络。WLAN的数据传输速率能够达到11Mbps（802.11b）、54Mbps（802.11a/g）甚至更高，传输距离可远至50km甚至以上。无论是传输速率还是距离都能满足高速公路监控系统综合业务传输的要求，而且使用灵活、便于扩展，不失为一种良好的解决方案。

Claims (8)

1.一种高速公路监控管理系统，它包括监控中心、信息采集系统和信息发布与控制系统，其特征在于：信息采集系统包括信息采集及监控系统、交通事件自动检测系统和视频监控系统，信息发布与控制系统包括交通控制系统和交通诱导系统；信息采集及监控系统、交通事件自动检测系统、视频监控系统、交通控制系统和交通诱导系统分别与监控中心连接；

所述的交通控制系统包括入口匝道控制、主线控制和通道控制；入口匝道控制包括匝道关闭和匝道调节两种形式；匝道调节是在匝道上使用交通信号灯对进入车辆实行计量控制，也可通过收费站的收费车道开放数来调节进入高速公路的车辆数；入口匝道调节方法很多，如果按照调节率相对时钟是固定的还是变动的，是单匝道调节还是多匝道调节，是用于消除高速公路上的拥挤还是改善汇合运行安全来分类；具体地包括：

（1）入口匝道定时调节：定时调节的特点是根据历史情况的调查掌握交通流的统计情况，把一天划分为若干个时段；假定每个时段内，交通流状况近似不变，以此为依据来确定每个时段内一组不变的入口调节率；

（2）入口匝道交通感应调节：即根据速度、密度、流量这三者之间的关系实时测量高速公路的运行状态，通过调节入口匝道的流量，防止或消除高速公路上的拥挤；

（3）入口匝道汇合控制：汇合控制的基本目标是通过使入口匝道车辆最佳地利用高速公路间隙来改善高速公路交通流的分布和运行，使大量的入口匝道车辆安全地汇合而不引起高速公路交通的明显间断；汇合控制的实现方法是：

1）检测高速公路上的可插车间隙；

2）估计这个可插车间隙到达入口匝道汇合点的时间；

3）引导匝道车辆进入这个可插车间隙；

（4）入口匝道整体定时控制：当一条高速干道存在有多个入口匝道时，应注意统筹考虑各个匝道的调节率，实行整体控制；这是因为匝道之间是相关的，前后匝道调节率间相互影响，当改变一条匝道调节率时，就会影响到系统中的其它匝道；所谓入口匝道定时整体控制是指把单个入口匝道定时调节应用于必须对匝道运行的相互依赖性给予考虑的一系列入口匝道；入口匝道整体定时控制是基于交通流每日变化大体一致，因而把一天划分为若干时段，在一个时段内交通流近似于均匀，认为是稳态，进而根据实际情况把高速公路分成若干段，每段内交通流近似认为均匀无异；建立一个描述交通流状态只随道路空间变化的稳态模型，然后根据主线和各入口匝道的交通需求和每个匝道下游的容量，在每时段确定一组最佳调节率，使各路段交通状况总体最优；

（5）高速公路入口全局最优控制：高速干道定时段入口控制不能消除由于意外事件引起的偶发性交通拥挤；要解决这一问题，就需要实行动态控制，即实时检测现场交通信息，依此决定入口调节率；全局动态控制把一条路的多个入口匝道统筹考虑，确定一组调节率。

2.根据权利要求1所述的一种高速公路监控管理系统，其特征在于：它还包括交警GPS/GIS调度系统、基于云计算的出行者信息系统、高速公路路径识别系统和交通设施管理系统。

3.根据权利要求1所述的一种高速公路监控管理系统，其特征在于：所述的监控中心包括省级监控中心、区域监控中心和路段监控中心；

省级监控中心包括工作站、服务器、视频系统、大屏幕显示系统、存储设备、网络设备、通信设备、打印机和UPS，工作站包括交通管理工作站、视频工作站和维护工作站，服务器包括数据库服务器A、数据库服务器B、视频服务器、Web服务器、通信服务器A和通信服务器B，视频系统包括视频解码器和监视器；

工作站和服务器连接在双以太网上，视频系统和大屏幕系统连接在以太网上，维护工作站与打印机连接，存储设备通过交换机与数据库服务器A、数据库服务器B、视频服务器和Web服务器连接，Web服务器通过防火墙与外部Web终端连接，通信服务器A和通信服务器B与网关、路由器、多串口服务器、智能接入设备连接；

省级监控中心通过通信网络与区域监控中心和路段监控中心连接。

4.根据权利要求1所述的一种高速公路监控管理系统，其特征在于：所述的信息采集及监控系统包括气象检测系统、道路状态检测系统和机电设备监控系统；

气象检测系统包括气象监测器、现场智能监测站和通信适配器，气象监测器与现场智能监控站连接，现场智能监控站与通信适配器连接；气象监测器包括温度检测器、湿度检测器、风速/风向检测器、雨量检测器和能见度检测器；

道路状态检测系统包括道路状态/环境检测器、现场智能监测站和通信适配器，道路状态/环境检测器与现场智能监控站连接，现场智能监控站与通信适配器连接；

机电设备监控系统包括高低压变配电智能监控系统、照明系统智能监控系统、给排水监控系统、送排风监控系统、EPS/UPS监控系统、柴油发电机组监控系统和太阳能光伏发电监控系统。

5.根据权利要求1所述的一种高速公路监控管理系统，其特征在于：所述的交通事件自动检测系统包括间接检测系统和直接检测系统；

间接检测系统包括交通检测器、现场智能监控站和通信适配器，交通检测器与现场智能监控站连接，现场智能监控站与通信适配器连接；交通检测器包括环形线圈、超声波检测器、红外检测器、微波交通检测器、车辆磁映像检测器和车重检测器；

直接检测系统包括视频车辆检测器、现场智能监控站和通信适配器，视频车辆检测器与现场智能监控站连接，现场智能监控站与通信适配器连接；视频车辆检测器包括一体化交通视频检测器、模块式视频检测器和标准机架式视频检测器。

6.根据权利要求1所述的一种高速公路监控管理系统，其特征在于：所述的视频监控系统包括视频监控子系统和智能视频分析系统；

视频监控子系统包括前端设备、传输系统、输出显示设备和控制设备；前端设备包括摄像机、编码器、云台、现场视频工作站，传输系统包括通信适配器、传输设备和传输网络，输出显示设备包括监视器、计算机视频终端、模拟录像机、硬盘录像机、网络录像机和大屏幕，控制设备包括控制台、键盘、视频矩阵和画面分割器；前端设备通过传输系统与控制设备连接，控制设备与输出显示设备连接；

智能视频分析系统包括摄像机、视频处理器、自动检测系统、警告系统和记录系统，摄像机与视频处理器连接，视频处理器与自动检测系统连接，自动检测系统分别与警告系统和记录系统连接。

7.根据权利要求1所述的一种高速公路监控管理系统，其特征在于：所述的交通诱导信息系统包括面向驾驶员系统和面向监控员系统；

面向驾驶员系统包括交通信息发布系统和路侧广播系统；交通信息发布系统包括交通信息发布终端和通信系统，交通信息发布终端包括可变情报板和可变信息标志；

面向监控员系统包括交通信息显示终端和通信系统；交通信息显示终端包括LCD拼接墙、LED大屏、投影系统、CRT/LCD显示器和参数显示设备。

8.根据权利要求1所述的一种高速公路监控管理系统，其特征在于：它还包括通信系统，所述的通信系统包括SDH/E1、SDH/MSTP以太网接口、ATM网、千兆以太网环网、RPR环网、级联式光端机通信、GSM/GPRS/3G移动通信和无线局域网。