高速公路监控系统方案设计.docx
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高速公路监控系统方案设计
教学单位计算机学院
学生学号 071714216
本科毕业论文（设计）
题 目高速公路监控系统方案设计
学生姓名 卢勇
专业名称 计算机科学与技术
指导教师 卢军
2010年5月20日
高速公路监控系统方案设计
摘要：
建立完善的高速公路视频监控系统，将多种高新技术运用于高速公路交通管理体系，使道路智能化，可以达到缓解道路拥堵、减少交通事故、节约能源等目的。
本文介绍了目前高速公路监控系统的构成、功能、所运用的主要技术和目前的发展现状。
研究了实现视频和语音远程传输的各种方法，分析了具有自动判别、告警和录像功能的交通事件检测系统的工作原理和关键技术，分析了如何利用各种技术实现将路段图像和语音远程传至监控中心，使监控中心既能够远程调看和控制外场视频监控设备，同时又可以实现中心和路段内部免长途通讯的方法。
最后指出实时化、网络化、智能化和数字化将成为高速公路视频监控系统的主要发展方向。
关键词：
高速公路；高速公路视频监控；交通事件检
TheDesignofExpresswaySurveillanceSystem
Abstract：
Theconsummatesursuvreillancesystemofexpressway,whichadoptsadvancedandmodemhightechnologiestotrafficmanagementsystem,intellectualizestheroad,achievesthegoalsofmoderatingroadjamsituation,reducingtrafficaccidents,andsavingenergyetc.
Thispaperintroducestheconstitution,functions,usedkeytechnologiesandcurrentdevelopmentsituationofexpresswayvideosurveillancesystematpresent.Itstudiesvariousofremotetransmissionforvideopicturesandvoice,analysestheworkingprincipleandkeytechnologiesoftrafficeventsdetectingsystemwithfunctionsofselfidentifying,warningandvideorecord,andanalyseshowtotransmitsitevideoandvoicetoremotecompanyheadquarter,therebycompanyheadquarteroperatornotonlycanviewandcontrolremotesitevideosurveillanceequipment,butalsocancallexpresswaysub-companywithinternaltelephonefreelyetc.Finally,thispaperindicatesthatthetrendofrealtime,network,intellectualizinganddigitizingwillbecomethemaindevelopmentdirectionofexpresswayvideosurveillancesystem.
Keywords:
Expressway;ExpresswaySurveillance;TrafficIncidentsDetectingSystem
1绪论
1.1选题的意义
高速公路与一般公路相比，具有线型好、设计标准高、交通流量大、行车速度快等特点，因此需要采用先进的管理措施。
在交通量大、气候恶劣的情况下，极易发生交通事故，所以在这些车流量大的高速公路上部署监控系统是非常重要的安全保证。
监控系统可以对交通流量和交通的运行进行监视；对容易发生交通以外的路段进行气象检测；对关键路段进行交通控制；及时掌握各种异常情况，以便采取相应的应急措施，保证高速公路安全、经济地运行。
同时监控系统对于收费站的监控可以对收费人员的收费情况进行监督，对收费过程中收费员的操作过程中的突发事件和特殊事件进行观察和记录，实施有效的监督，保障公正收费。
该课题的选择可以增加对我国高速公路监控事业的了解，同时也能宣传高速公路监控的重要性。
1.2高速公路监控系统概述
高速公路是全封闭、全立交的道路，在高速公路上运行的车辆行驶速度快，车流量大。
它的理想特征是“安全、快速、高效、舒适、方便”。
然而，随着交通需求的不断增长和拥挤事故与污染的发生使得高速公路监控系统成为交通设施建设和管理部门关注的焦点。
高速公路监控系统将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术以及计算机处理技术等综合运用于地面运输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的公路运输综合管理系统闭。
高速公路应用监控系统对高速公路进行全面的监视和控制，对高速公路的正常运行和发挥其效益起着极为重要的作用。
高速公路监控系统从安全和效应角度讲，可为人类节约时间和金钱，减少交通伤亡，提高人们的生活质量。
智能运输系统是世界各国极其关注、下大力气进行研究开发的重要科技领域，是21世纪交通运输体系的发展趋势。
2高速公路监控系统需求分析
高速公路监控系统是大型监控系统，它使管理部门能全面掌握和了解路段、隧道的交通、环境和设备运行状态，提高路段和隧道营运的科学管理水平;保证高速公路设备的安全运行，确保行车舒适、安全、高效、流畅;合理组织交通，防止交通阻塞，减少由于交通阻塞、偶发事故、道路维护、施工及隧道环境对交通的影响，提高流量，增加经济效益;能够预防隧道发生火灾和高速公路上的交通事故;及时发现火灾、交通事故，迅速调度，增强管理部门对交通异常事件的处理能力，把事故造成的损失减至最低;降低事故严重程度，尽可能避免二次事故的发生;保证营运高效、节能、低成本，综合提高整个营运的总体经济效益和社会效益。
监控中心实时采集管理区段内的各种数据，对它们进行实时运算、分析与处理:
并具有事故检测功能;交通控制方案自动选择功能;显示功能;统计、查询功能;图像监视功能;系统设备检测功能;协调处理系统内部交通管理业务功能等，以确保本路段交通通畅。
实施对全线的宏观管理和调度汇总、处理数据，并实时上传监控总中心。
2.1监控系统的具体任务
（1）信息采集。
采集路段上和隧道内的设备的各种数据（交通量、速度、占有率、车间距、CO八工检测值、光强检测值、火灾报警、事故等）。
（2）信息处理。
对采集到的数据进行实时运算、分析处理及存储在数据库服务器。
（3）查询统计。
对数据库服务器上的数据进行处理生成历史数据，供用户进行统计、查询等。
（4）模拟屏的显示控制。
根据采集来的外场设备数据，实时刷新模拟屏上的显示信息，让监控中心的工作人员及时了解整个高速公路设备的运行情况。
（5）大屏幕投影仪控制及报警录象。
根据需要将指定的监视器画面切换到大屏幕投影仪，进行观察和跟踪，一旦发生报警还可以对报警点进行录象。
（6）实时下发控制命令。
根据对外场设备及高速公路的监视，通过监控管理机下发实时控制命令控制外场设备的运行等。
（7）报警器报警及广播。
检测到有报警时，打开报警器报警，还可根据情况进行全路广播。
（8）降档模式的切换。
一旦网络发生故障，在监控中心无法对外场设备进行控制时，系统应该自动进入降档模式工作。
（9）视频监控。
对公路全程视频监控，可以切换特定的摄像机和监视器。
（10）其它系统的融合。
其它系统如收费系统、紧急电话系统和CCTV闭路电视监视系统等数据接收。
2.2高速公路监控系统功能划分
对系统进行功能划分后，各个模块的具体功能如下:
（1）数据库服务器
是监控系统的核心部分，负责数据存储、数据库管理，提供网络共享信息服务、并对数据进行综合处理和打印服务管理。
服务器主要负责:
处理并响应客户机的数据请求;
定义各种现场数据的内容、格式及存放位置;
建立现场监控信息数据库;
存放监控现场图形数据库;
设计并存放各种操作提示;
存放各种监控命令及响应;
存放操作日志;
系统时钟管理;
（2）路段通信模块
主要管理路段各种数据通信，采集数据信息，进行类型识别，将数据信息进行分类处理、格式转化后存入数据库服务器;向下发送协调控制指令并进行时钟校对。
（3）路段监控模块
主要功能是负责根据服务器所提供的系统数据，进行综合分析处理后生成相应的控制策略，选择合理的控制方案，自动形成对可变情报板、可变限速标志等外场设备的控制命令，操作员也可通过手动录入指令向外场数据终端发出控制命令。
可选择自动控制或手动控制，可重新编辑新的文字、图形等。
路段外场监控模块主要完成下列功能:
①路段外场设备状态信息的动态显示（故障报警闪烁图标）
②路段交通控制:
路段监控系统周期采集并显示交通状态。
通过对交通数
据的分析处理，自动判断当前的交通状态（交通正常、拥挤、阻塞），当交通异常时，系统自动（通过视频计算机）提供离事发点最近的摄像机编号，自动报警并切换到大屏幕。
交通异常确认后，操作员通过确认处理预案或手动进行交通控制，并将操作日志归档备查。
③自动对钟:
以服务器的时钟为基准，保持监控计算机与服务器的时钟同步。
可以由系统定时自动对钟或由用户不定时手动对钟。
④监控参数设置:
对CMS、CSLS的控制模式、当前亮度进行参数设置
⑤路段线路及外场设备图形的显示及相应控制
⑥可变情报板和可变限速标志显示内容的编辑及发布
⑦UPS状态监控
（4）信息管理模块
主要负责对原始数据分析产生的历史数据及人工输入的事件数据以报表或图形方式显示并进行打印及查询。
包括数据处理、查询打印、统计打印和维护。
主要功能为:
①事件输入
重大灾害性事件、火灾、塌方、人员伤亡。
交通事故、交通阻塞。
日常事件，道路维护，设备维护，气象维护（大风、雨雪）。
事件输入包括时间、地点、人员状况、持续时间、采取的措施、处理方法。
②数据处理:
将交通数据（交通量、平均速度、占有率等）以分或小时为单位统计并存入数据库中;将环境信息以小时为单位统计并存入数据库中;将设备故障信息、交通异常信息、气象异常信息、环境异常信息、火灾报警信息以及可变情报板、可变限速标志、交通信号灯、车道指示器发布的命令记录等归类存档。
③事件处理:
包括灾害性事件、交通事件、日常事件（路政养护工作记录），支持用户系统提供的各类事件管理记录格式。
输入数据内容包括:
事件发生时间、地点、结束时间、操作员代码、事件原因、事件类型、当时道路情况、系统采取的措施等。
④数据查询:
用户可根据需求进行条件查询，可按日期、时间查询;按数据类型查询（如故障查询）:
按外场及隧道设备查询等。
原则上凡是数据库中存储的数据都可通过条件查询得到，查询结果分为报表和图形两类，可通过打印输出。
⑤数据统计:
按管理需要定期统计打印日、周、月、年统计报表，内容包括:
交通数据、环境数据、设备故障数据、自动报警和自动控制命令和记录，可变情报板、可变限速标志、交通信号灯、车道指示器以及命令发布情况，人工录入数据等。
⑥数据维护:
每日定时将重要的数据备份到光盘或其它存储设备上。
⑦用户管理:
包括用户定义、登录、授权;只有事先在系统中注册的工作人员方可操作软件，系统通过识别码，口令来确定操作者的访问权限，以保证系统使用的安全性。
（5）图形处理模块
主要功能是将采集和分析得到的各种数据以及路线走向、沿线设施位置、外场和隧道内设备布设、检测参数、工作状态等道路交通状况以图形和数字相结合的方式直观的显示出来，并动态刷新模拟屏。
①大屏幕显示屏
用于显示高速公路的统计信息和动态图形信息（如实时交通状态、实时设备状态、环境信息、火灾信息等），以及监控外场、隧道摄像机图像和以及费站上传图像。
其中有以下信息:
静态信息:
上界高速公路外轮廓，中央分隔带及桩号;管理区段图示;管理中心图示;互通立交;与本路相联的公路名称及走向;重要河流及大桥;沿线重要城市:
外场及隧道设备布设示意图。
动态信息CCTV摄像机或录像机录制的动态画面;计算机系统输出的路段与隧道状况动态信息;设备状态显示，如外场设备的正常工作显示和异常状态告警等;其它信息显示，如收费系统的有关信息。
②地图板
地图板显示分成固定显示和动态显示两部分:
固定显示:
收费站、服务区等图示/互通式立交（以立交形式标出）与本路相联的公路的走向及名称/重要河流及大桥/沿线重要城市/外场设备图例等图形、文字显示，版面比例显示，隧道地图板主画面为模拟隧道、监控站、变电所外形和全隧道设备布置。
固定显示部分由马赛克拼装而成。
动态显示:
路段和隧道的设备工作状态。
动态显示部分由镶嵌在马赛克中的LED、数码显示器等构成。
③图形的编制与存储:
包括高速公路总体线路图，路段的路线图，立交区域路线图，隧道平面图，各类外场及隧道设备的图标数据库、收费站、隧道监控站、服务区、养护工区等
④图形的显示:
能局部放大某一区域的详细信息，动、静态显示该区域的交通状况、监控状况、设备状况。
⑤时间、日期显示:
在投影屏的右上方。
日期、时间由图形计算机提供并与服务器保持同步。
（6）视频监控模块
主要功能对视频切换矩阵主机、大屏幕投影仪的各项功能进行操作和管理，控制收费站视频矩阵控制器对图像进行调度录象。
在计算机上提供图形控制方式对相应摄像机进行操作。
监控中心CCTV系统具有对报警信号的联动功能，通过对可控摄像机设置的预置位，当报警时，自动控制，切换关键路段及隧道直观连续的现场图像监视，并对摄像机的云台、可变镜头的聚焦、变倍、左右旋转、仰俯等进行控制，为监控中心提供所需图像功能。
该模块负责对视频图像进行切换，对外场及隧道摄像机的镜头、云台进行实时控制;对收费站的视频矩阵进行控制，调度相关图像;根据报警信息启动录像设备对报警图像进行录像，捕获报警图像，值班员发现异常情况时，可将当时的图像捕捉并保存下来。
（7）隧道监控模块
主要用于隧道数据管理，采集隧道设备的数据并对各种隧道数据进行运算:
实时显示隧道火灾检测器的变化曲线，对隧道交通、通风、照明、变电所等设备进行控制;在操作员确认或修改后向外场数据终端发出控制命令，操作员也可通过手动录入指令向外场数据终端发出控制命令;还对各类数据进行分析，查询隧道信息以及形成并输出各种报表。
具体功能如下:
①控制界面的设计与生成
②监控参数设定:
交通、通风、照明等参数设定。
③隧道状态信息的动态显示
④信息采集:
采集的信息主要包括
1）交通流信息:
每车道交通量、行车速度、占有率;
2）隧道内环境信息:
CO/VI检测值;
3）隧道口光强信息:
光强检测数据;
4）火灾事故信息:
火灾报警信息;
5）事件报警信息:
6）设备信息:
各种现场设备工作状态的反馈信息，通信故障等;
7）操作员输入的人工信息。
⑤隧道交通控制:
隧道监控系统周期采集并显示交通状态。
交通异常报警后，系统自动（通过视频计算机）提供离事发点最近的摄像机编号，自动报警并切换到大屏幕。
交通异常确认后，操作员通过确认处理预案或手动进行交通控制，并将操作日志归档备查。
⑥隧道通风控制:
隧道监控系统周期采集并显示风机状态，故障报警信息，现场人工操作记录。
得到通风报警并确认后，操作员通过确认处理预案或手动进行通风控制，并将操作日志归档备查。
⑦火灾事故处理:
隧道监控系统周期采集并显示火灾检测数据和曲线，火灾报警时，可在控制台和地图板上实时显示并进行声光报警，自动通过视频计算机提供离事发点最近的摄像机编号，并将视频图象切换到大屏幕。
火灾报警被确认后，操作员通过火灾报警处理预案或手动，联动通风控制系统、广播系统、交通控制系统等进行火灾事故处理。
并将火灾地点、时刻、操作员识别码等有关信息记入数据库中。
⑧隧道照明控制:
隧道监控系统周期采集并显示各照明回路状态，现场人工操作记录。
得到照明报警并确认后，操作员通过确认处理预案或手动进行照明控制，并将操作日志归档备查。
⑨隧道消防检测:
可实时显示消防水池水位状态、水源水位状态、消防水泵工作和故障状态。
（8）紧急电话模块
在公路沿线每隔一公里，设置一对紧急电话，为道路使用者提供紧急呼叫服务。
紧急电话工作站主要负责监控中心辖区内（含隧道紧急电话）紧急电话机的控制、话务处理、状态检测、故障报警、录音自动控制、事件和操作员操作实时记录。
3高速公路监控系统设计
3.1系统结构设计
高速公路监控系统分为两级:
监控中心计算机系统局域网、路段计算机系统。
监控中心计算机系统设置相应的路由器，使监控中心计算机局域网与收费系统、监控总中心局域网之间通过网络连接器件及通信系统构成广域网。
见图1:
图1监控系统总体设计图
高速公路监控中心计算机系统采用C/S（即客户机/服务器）工作模式，服务器负责运算与信息存储，客户机负责处理用户界面。
服务器和工作站通过计算机网络设备连成一个局域网。
监控中心局域网除了挂接上述的服务器和客户机外，还外接打印机、光盘刻录机、扫描仪等外围设备。
同时通过相关的计算机对大屏幕投影仪、视频切换矩阵、电视墙、地图板等设备进行控制。
路段设备的采集信息通过专线调制解调器及金属缆送至通信工作站，再将数据传至监控中心计算机局域网。
外场信息发布由计算机系统经通信工作站，并通过调制解调器将信息在外场设备上显示。
隧道一个隧道现场控制室，现场控制室位于隧道出口外两线间。
在控制室内设置了一套现场计算机系统，在现场计算机控制系统和中心控制系统之间敷设有一条以太网光缆数据通道。
另外，还有闭路电视监控系统、紧急电话系统和收费计算机系统。
闭路电视监控系统由路段外场摄像机、隧道摄像机、图像处理终端、图像传输设备及附属设施构成。
图像处理终端设在监控中心内，通过视频监控工作站进入监控中心计算机系统。
紧急电话系统通过专门的紧急电话工作站对高速公路上的紧急电话进行管理，并及时将紧急电话的信息通过局域网传给图形处理工作站进行地图板显示。
收费计算机系统，数据传给服务器数据库。
下面
分别对各主要模块的结构组成进行介绍。
3.2路段通信模块
通信模块在整个监控系统中起着至关重要的作用。
路交通流的分析以及对各种交通状况采取相应控制预案的决策均依赖于通信模块的数据采集和命令下发功能的实现，该模块的结构见图1，采用集中监控方式。
与通信模块相连的路段监控系统的设备分属于信息采集系统和信息发布系统，包括:
（l）交通信息采集系统高速公路监控系统的信息采集的方式，有人工的，也有自动的。
主要有下而几种:
①车俩检测装置。
在高速公路主线上以及入口匝道和出口匝道等处设置车辆检测装置，用来收集监控所需的数据，作为监控中心分析判断、做出控制方案的主要依据。
②能见度检测装置。
能见度定义为:
视力正常的人，在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认出目标物的最大水平距离:
夜间则是能够看到和确定出一定强度灯光的最大水平距离。
能见度对高速公路上的安全行驶是一个非常重要的影响因素。
因大雾使能见度降低而造成的交通事故屡有发生，因此高速公路上常设有仪器测定能见度。
测定能见度的仪器在国内外出现的类型很多，主要有透射型和散射型两大类，前者根据光的透射系数来确定能见度距离，后者根据光的散射特性来确定能见度距离。
高速公路的高速、安全、舒适等功能与气候条件密切相关，由于高速公路有的地区属多雾区，有许多易起雾的地段，对高速公路上的行车极为不利，设置能见度检测器，可以及时检测出雾的生成情况及能见度，控制相应的信息发布设备的显示内容，限制、诱导车辆的通行，减少或避免事故的发生。
③闭路电视（CCTV）。
在车流量比较大，车辆密度比较高的区域，重点监控地点和事故易发区等地区安装CCTV摄像机，通过视觉的方式掌握有关区段的交通情况。
一旦出现故障或发生交通事故，控制中心可以及时地掌握事故发生地点、时间和严重程度，以便迅速地做出反应，采取相应措施，排除故障或妥善地处理事故。
④紧急电话。
在高速公路上下行线上每隔一定距离安装一部紧急电话，当车辆发生故障或出现交通事故时，驾驶员可及时向监控中心通报，同时在监控中心的紧急电话监控计算机上可以显示发信电话所在的地点和编号，以便采取相应的应急措施。
（2）信息发布系统是高速公路上设置的用来向道路使用者提供路交通信息和诱导控制指令的设备，以及向管理、救助部门和社会提供求助指令或道路交通信息的设施，其主要设备包括可变情报和可变限速标志等。
①可变情报板。
在可变情报板上显示文字，图形向驾驶员发出道路信息及行车指示，可向路使用者提供信息，如前方道路的交通堵塞情况、事故告苦、气象情况、道路施工情况等。
②可变限速标志。
向道路的使用者提供动态显示当前指定的或建议的最高车速，调节路段的车流密度和平均速度等信息。
随着多串口卡出现，一种基于多串口卡的通信方式被广泛采用。
该方式中，沿路各监控设备分别通过Modem经独立的低速信道，与监控中心的枷dem对应，各个Modem引出的串行电缆再与监控中心的多串口卡的扩展模板的串行端口对应连接，然后通过扩展模板的主引出电缆与通信机主板上的多串口卡连接。
这种方式可以保证多个低速通道能够同时与通信机通信，每个设备占用不同的串行端口，大大提高了实时通信能力。
本课题采取了多串扩展卡加多线程技术的策略。
每个串口对应一路外场设备，通过多线程调度减少任务排队的时间以满足实时性要求。
3.3视频监控模块
在高速公路监控系统中，对需要随时了解全面情况的重要地点，利用车辆检测器等设备往往难以获得完整的信息，使用视频监控的手段能够将现场数据传送到监控室，使监控人员看到检测地点的全面情况，对交通事件进行确认。
因此，视频监控系统在交通监控系统中有广泛的应用门。
摄像系统将现场的视频信号采集拾取到监视系统中，由传输系统完成视频信号的传递，视频信号在监控室连接到监视器、录像机等输出设备，系统用户通过控制键盘、解码器等控制子系统的设备完成变焦、旋转等功能。
高速公路沿线监控外场摄像机的图像采用模拟传输方式，经过光端机、光缆传至就近收费站，进入收费站CCTV系统，通过专用输出通道，
汇同收费图像通过光多路复用器上传监控中心监控系统的视频切换矩阵。
附近外场监控图像直接传到监控中心。
隧道摄像机的图像通过光纤和光端机一对一直接传至监控中心视频切换矩阵。
隧道视频传输光缆采用恺装单模光缆，具有防鼠、防潮、阻燃等特性。
隧道视频传输光缆采用18芯与2芯各两根;两隧道内的18芯光缆间隔150米左右分歧至该处摄像机的视频设备箱，每芯光纤供一台摄像机传输视频信号，在分歧连接端预留1芯2~3米，并根据现场情况考虑备份适当数量的尾纤。
两隧道外的摄像机分两种情况:
在隧道外上和隧道外界洞外摄像机单独用2芯光缆;其余洞外摄像机由18芯干线光缆分歧到其视频设备箱，与2芯以太网光缆一起上光配线架，给一根40芯光缆连接到中控室。
结构如图2所示。
视频监控机采用一台工业控制计算机，内含一块视频采集卡，采集卡连接主视频矩阵的一路视频输出，实现视频采集.主视频切换矩阵还与图形管理工作站中的大屏幕投影仪连接，负责把图像输出到大屏幕投影仪.它们之间采用串口通信。
视频监控机和视频矩阵的控制接口相连，视频矩阵内含专用的解码器，解码器连接到云台，来控制云台和镜头的各种动作、报苦信号的处理等操作。
图2视频模块总体结构图
路段有一个收费站，含若干个收费亭，每个收费亭安装
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