（计算机应用技术专业论文）高速公路监控系统的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 高速公路在国民经济中起着重要作用，然而它要正常营运、充分发挥其 作用却越来越依赖于监控系统。因此高速公路监控系统已经成为世界各国极 其关注并下大力气进行研究开发的重要科学研究领域，同时它也是2 l 世纪智 能交通运输体系的发展趋势。本文反跌了作者在这个领域进行的研究和取得 的一些成果。 本文以作者参与设计实施并已投入正式营运的某高速公路监控系统项目 为背景，在对所完成的某高速公路监控系统的归纳总结和少量完善的基础上， 提出了一套较全面完整的高速公路监控系统方案。文章首先对高速公路监控 系统进行需求分析，接着从硬件设计、软件功能模块设计、交通监控方案设 计和数据库设计等四个方面对这个高速公路监控系统进行总体设计，力图让 读者了解该系统的全貌。在系统的实现方面，论文论述了系统的开发环境， 系统计算机之间的直接点到点通信，主要的监控设备的实现原理。最后，论 文介绍了系统的工作模式，结合软件的部分运行界面，介绍了系统实现的主 要功能。 由于高速公路监控系统是一个复杂的系统，包括路段监控、隧道监控、 收费站监控等子系统，本文重点对其中的路段监控子系统进行了较为详细的 分析设计。本课题的研究与设计综合了网络技术、计算机控制技术、面向对 象设计方法、数据库设计、组件技术、多线程编程、提高可靠性的冗余技术 等技术和方法，论文的最后一章对其中的关键技术进行了概括总结。 本论文所介绍的高速公路监控系统方案较之同类系统具有功能强，采用 的技术先进、可靠的特点，可为今后高速公路监控系统的研究和应用提供借 鉴和参照。 关键词：高速公路：监控系统l 组件技术；多线程技术 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 l 页 a b s t r a c t e x p r e s s w a y h a sb e e np l a y i n ga t l i m p o r t a n tr o l ei nt h en a t i o n a le c o n o m y t ow o r k n o r m a l l ya n d t a k ef u l la d v a n t a g eo ft h ee x p r e s s w a y ，i t d e p e n d so n t h em o n i t o r i n g s y s t e m e x p r e s s w a ym o n i t o r i n gs y s t e m ( e m s ) h a sb e c o m ea ni m p o r t a n tf i e l do f s c i e n c er e s e a r c h ，a n da l lc o n t r i e sa l lo v g rt h ew o r l dh a v eb e e nm a k i n gg r e a te f f o r t st o s t i l d ya n dd e v e l o pi t i ti sa l s ot h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e mi n 2 l t hc e n t u r y n em a i nc o n t e n to f t h i st h e s i si st h es u m m a r i z a t i o no f a u t h o r sr e s e a r c h r e s u l ti nt h i sf i e l d t i l i st h e s i st a k e sa ne m si nw h i c ht h ea u t h o rp a r t i c i p a t e da si t sb a c k g r o u n d ar e l a t i v e c o m p l e t e e m ss c h e m e ，w h i c hi st h es u m m a r i z a t i o na n ds o m e i m p r o v e m e n t o fn p r a c t i c a l e m sr e a l i z e d b yu s ，i sp r o p o s e d f i r s t l y , t h e r e q u i r e m e n t so f t h ee m s a r ca n a l y z e d ，a n dt h eo v e r a l ld e s i g no ft h ee m s ，w h i c h i n c l u d e sh a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ef u n c t i o nm o d u l e sd e s i g n , t r a f f i cm i n i t o r i n ga n d c o n t r o l i n g s c h e m e d e s i g n ，a n d d a t a b a s e d e s i g n ，i s c a r r i e do u t t h e s ed e t a i l e d a n a l y z a t i o n a n d d e s i g n w i l l g i v e t h er e a d e ra l li n t a c t u n d e r s t a n d i n g o ft h e e m s t h e n , t h es y s t e m sd e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t ，t h ep o i n t - t o - p o i n t c o m m u n i c a t i o n a m o n gc o m p u t e r s i n l a n ，m a i nm o n i t o r i n g d e v i c e s i m p l e m e n t a t i o np r i n c i p l ea r ed i s c u s s e d f i n a l l y , w i t ht h eh e l po ft h eo p e r a t i n g i n t e r f a c eo ft h ee m s , t h ew o r k i n gm o d ea n dm a i nf u n c t i o n so ft h es y s t e ma r e i n t r o d u c e d t h ee m si sa c o m p l e xs y s t e m a n d i t i n c l u d e st h r e e s u b s y s t e m s ：r o a d m o n i t o r i n g , t u n n e lm o n i t o r i n g , a n d t o l ls t a t i o nm o n i t o r i n g t h i st h e s i sf o c u so nt h e a n a l y z a t i o n a n d d e s i g n o ft h em a dm o n i t o r i n g s u b s y s t e m t h ed e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no f t h ee m s s y n t h e s i z e sm u l t i f o l dt e c h n o l o g i e s ，s u c ha sn e t w o r k ， c o m p u t e rc o n t r o l ，o o p , d a t a b a s ed e s i g n ，c o m p o n e n t ，m u l t i t h r e a d i n g ， r e d u n d a n c y ，a n ds oo n t h es u m m a r i z a t i o no f t h ek e yt e c h n o l o g i e si sg i v e ni nt h e l a s tp a r to f t h e p a p e f 西南交通大学硕士研究生学位论文第l | i 页 c o m p a r i n g w i t ho t h e rs i m i l a r m o n i t o r i n gs y s t e m s ，o t l r e m sh a ss o m e a d v a n t a g e s ：m o r ef u n c t i o n s ，m o r ea d v a n c e da n d m o r er e l i a b l e s oi tc a no f f e rh e l p a n dr e f e r e n c e st ot h er e s e a r c h e ri n t h e i rr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no f t h e e m s k e y w o r d s ：e 】【p 掏翻辅尚请和嘲蛐s y n 5 m ；c o m p o n e n tt e c h n o l o g y ； m l i l l 懒翩嘲黼国幽枷。影 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第一章绪论 1 1 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”【l j 。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【2 1 。 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。 所谓监视，就是指利用路面、路旁的数据采集、检测设备和人工观察，对道 路交通状况、路面、天气状况和设备工作状况等参数进行实时观察和测量， 并通过通信系统送至监控中心。 所谓控制就是依据监视所得到的各种数据，按照一定的模式进行分析、判 断和决策，并将最终的决策结果和下达的控制命令通过通信系统传送到信息 发布设备( 可变情报板和可变限速情报板) 、收费口控制设备或在匝道控制设 备，以促进行车安全，提高行车效率；对于引起延误的事件，迅速响应，提供紧急 服务，快速排除事件，把事件引起的延误控制到最小值，从而达到调节和控制道 路交通状况的目的。 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。所以，在美国有人把“智能运输系统”看作像 水泥、沥青和钢轨等原材料一样，将成为未来现代化交通运输业的基础，并预言 “在今后2 0 年内，全国性智能运输系统将产生比现有州际公路系统更大 的社会效益”。因而，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2 l 世纪交通运输体系的发展趋势。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国外发展现状 对高速公路监控系统的研究国外起步较早，发展到现在也已经比较完善。 美国、加拿大、欧洲、日本在监控系统的研究方面走在世界的前列。美国自 5 0 年代开始大规模修建高速公路，1 9 6 0 年以后把注意力集中在高速公路的运 行和管理上，芝加哥、体斯敦、洛杉矾、纽约等些主要城市的高速公路都 设置了不同规模的监控控制系统。芝加哥在1 9 6 1 年指定了区域离速公路监视 计划，采用存在型车辆检测器获得的数据来研究高速公路上的一些交通现象。 1 9 6 2 年在阿依赞快速公路的两段设置了监视系统，安装了近7 0 0 只电感环式 车辆检测器，用电话线与中一t b 计算机连接，全线安装了3 0 0 部紧急电话，配 置了2 5 辆巡逻车，并在4 处设置了道路信息板。在中心控制室里有图形显示 器，显示全线交通情况。1 9 6 5 年又通过车辆检测器、遥测装置和电子计算机 自动地控制了入口匝道处的交通量和信息标志，从而达到了线路的最佳运行 状态吼 1 ，2 2 国内发展现状 我国高速发展起步较晚，由最初的争论“要不要修建高速公路? ”，到全 国高速公路一条条的修建起来，不到l o 年时间已建成高速公路通车里程超过 1 万k m ，还有一批正在规划修建之中。由于受到经费的制约和高速公路上交 通量不大等因素的影响，己建成的高速公路上一开通就有完善的监控系统的 几乎没有，但是随着高速公路安全问题的臼益突出，建设主管部门己对高速 公路监控的重要性有了进一步的认识，已在高速公路上建成了定规模的监 控系统1 4 1 。 我国的高速公路监控系统的状况与国外差距较大，车辆检测器、摄像机、 情报板的布设密度偏低。由于我国的情况与发达国家存在差异，车辆性能低 下，交通组成复杂，所以在学习国外先进经验的同时必须结合我国的国情， 研究适合我国国情的系统和软件。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 1 3 课题来源及本人的主要研究工作 本课题来源于“重庆市上界高速公路监控系统”项目，该项目于2 0 0 2 年立项实旄，系统于2 0 0 3 年底投入使用。该项目中的高速公路全线长2 2 7 公里。全线双向六车道，是重庆外环线的一段，路线起于成渝高速公路上桥 互通，止于界石，共有5 座互通式立交、1 座特大桥为马桑溪大桥；2 座隧道 ( 小泉隧道、吉庆隧道) 。全线设1 个监控中心、若干外场监控点、一个隧道 监控站、六个收费站。监控中心设置在马桑溪大桥处，统一对全线交通运行 实施宏观管理和调控，协调各监控点的运行，必要时下达控制命令。隧道监 控站完成对隧道子系统的信息采集以及在线路出现故障时实现降裆控制例。 本文主要基于“重庆市上界高速公路监控系统”项目，在该项目中，本 人参加了整个系统的总体规划和设计，独立完成了路段监控子系统的软件设 计开发和调试。并对其中的一些有意义的问题进行了研究与探讨，主要包括 u d p 通信、组件技术、多线程技术等的应用。 1 4 论文结构 第l 章为绪论，第2 章到第6 章为本文的主体部分。最后是结束语。 第l 章是绪论部分，概述了课题的背景和研究的意义，介绍了国内外高 速公路监控系统的发展现状，以及课题来源、论文的研究内容等。 第2 章，对上界高速公路监控系统进行需求分析。 第3 章，介绍上界高速公路监控系统硬件部分的概要设计，主要包括整 个监控系统和各个子系统的硬件组成与结构。 第4 章，对路段监控软件模块进行较为详细的分析、设计。包括需求分 析、流程设计、数据库等设计 第5 章，介绍了系统开发平台、对有关设备控制的实现及命令报文格式、 系统的实现结果，。 第6 章，对实现中涉及到的有关技术进行讨论、应用与研究，主要有组 件技术、多线程技术。 结束语部分对全文进行归纳总结，说明论文写作的目的和意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 第二章高速公路监控系统需求分析 2 1 高速公路监控系统的系统需求 上界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；保证上界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1 6 j 。本监控系统的具体任务如下： ( 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、c o v i 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，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。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 ( 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挡模式工作。 ( 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。 ( 1 0 ) 其它系统的融合。其它系统如收费系统、紧急电话系统和c c t v 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 根据系统需要完成的实际任务，高速公路监控系统功能结构划分如图 2 - i 所示。 图2 - i 系统功能结构划分示意图 对系统进行功能划分后，各个模块的具体功能如下： 一数据库服务器 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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 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； 二路段通信模块 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。具体功能如下： ( 1 ) 通信协议的制订 为每- - # f 场设备设置一个端口，确定通信协议：( a ) 定义系统通信使用 的通信协议( 报文的格式、含义、设备地址的分配等) ：( b ) 设置端口通信参 数，如：通信速率、数据位、奇偶校验位、停止位等。 ( 2 ) 多串口数据通信 ( 3 ) 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、车间距； 2 )收费计算机数据信息； 3 )可交情报板信息； 4 )可变限遽标志信息 5 )设备信息：各种外场设备工作状态的反馈信息，通信故障等； 按系统参数设置设定的采样周期( 可调) ，以轮询的方式读取外场设备的 状态信息，及时准确的了解外场设备的工作情况。将采集的结果存入服务器， 并通过图形计算机实肘显示出来。 ( 4 ) 指令下发 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 按软件系统的约定，从服务器命令缓冲区取出相应的指令，下达给外场 控制设备( 路段监视设备、可变情报板、可变限速标志等) ，完成控制指令的 下发任务。 ( 5 ) 自动对钟 以服务器的时钟为基准，定期以广播方式向下发送对钟报文，统一系统 的时钟。 ( 6 ) 数据缓存功能 当网络出现故障时，通信计算机可暂时将实时采集到的外场设备数据、 收费计算机数据信息存储在本地计算机中。网络正常时，系统自动将暂存于 本地的信息转存到中心数据库中。 ( 7 ) 参数设置、通信测试及故障报警 三路段监控模块 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 端发出控制俞令。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c m s 、c s l s 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 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 ( 7 ) u p s 状态监控 四信息管理模块 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、统计打目】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、持续时问、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想到，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、可变限逮标志、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。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 ( 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。 五图形处理模块 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： 1 ) 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。 2 ) 动态信息c u i v 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l e d 、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 西南交通大学硕士研究生学位论文 第，0 页 ( 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。 六视频监控模块 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c c t v 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。 七隧道监控模块 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 ) 控带4 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：c o v i 检测值； 3 )隧道口光强信息：光强检测数据； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第t1 页 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，并将操作日志归档各查。 ( 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厢，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。 八广播模块 在高速公路的隧道入口等关键地点安装有喇叭，监控中心的广播控制机 器可以控制其广播。监控系统监视有线广播系统的工作状态，系统故障应能 以告警方式通知操作人员，并在地图板上显示。在隧道管理计算机和现场控 制计算机间提供有线广播的备用音频通道。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第t 2 页 九紧急电话模块 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 n q 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。 2 3 本文的研究重点 由于高速公路监控系统是一个复杂的系统，包括路段监控、隧道监控、 收费站监控等予系统，本文主要研究高速公路路段控制，主要包括路段监控 模块和相关的通信、视频监控、图形显示、紧急电话等模块，以路段监控模 块为主，重点对路段监控软件部分进行了较为详细的分析设计。 文章首先对高速公路监控系统进行需求分析，接着从硬件设计、软件功 能模块设计、交通监控方案设计和数据库设计等四个方面对这个高速公路监 控系统进行总体设计，力图让读者了解该系统的全貌。然后，论文论述了系 统的开发环境，主要的监控设备的实现原理。最后，论文介绍了系统的工作 模式，结合软件的运行界面，介绍了系统实现的主要功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 第三章高速公路监控系统硬件设计 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、隧道现场计 算枫系统。监控中心计算机系统设置相应静路由器，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3 1 。 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，客户祝负责处理用户界面。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。 小泉隧道、吉庆隧道共用一个隧道现场控制室，现场控制室位于吉庆隧 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。监控中心对高速公 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 图3 - 1 高速公路监控系统结构图 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3 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： ( 1 ) 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： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 车俩检测装置。在高速公路主线上以及入口匝道和出1 3 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。 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，由于该高速 公路地区属多雾区，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。 闭路电视( c c t v ) 。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c c t v 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，控制中心可以及时她掌握事 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。 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 ) 信息发布系统信息发布系统信息发布系统是高速公路上设置的用来 向道路使用者提供道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。 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。 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。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 高速公路中的集中监控系统具有普通监控系统所不同的实施特点。设备 数量多、位置分散、高速公路上车速快，这对监控系统提出相对较高的要求。 此外，通信要求实时性强，保证监控中心能对沿线发生的事故做出及时有效 的处理。监控中心与外场设备间需要传输的信息种类繁多，且数量巨大，加 之通信线路长，时延和干扰影响明显，所以每个单一的通信任务都耗时较长。 本论文的监控系统中，通信管理模块要与2 个可变情报板、8 个可变限 速标志、1 0 套车辆检测器和1 个监控中心的u p s 及1 个能见度检测器通信， 监控远端与监控中心的距离最小也可达几百米，最大为十几公里。所有设备 采用了基于r s 2 3 2 c 异步半双工的串口通信规范，通信计算机与外场设备采取 严格的主一从方式通信，即若主机不主动发出数据通信要求，外场设备不会 主动试图与主机或其它设备建立通信过程。由各设备的通信规约可知绝大多 数命令需要设备应答，即主枫发出命令报文后还要等待相应的应答报文到达 才算完成一次通信任务，如果出错还要进行重发，重发3 次确定为发送失败， 才结束该任务，可见设备固有的主一从通信方式延长了通信任务完成的时间。 因此，在通信机与外场设备间选用合理的通信方式是节约资源、提高效率的 关键。 一种方式是采用单个串口与通信链路交换数据。该方式中，路段的各 个监控设备分别通过m o d e m 经独立的低速信道，与位于监控中心的多路复 用器连接，再接入通信管理机的一个串口，并进行复杂的软件处理，最终与 监控网络中的服务器相连。 在这种连接方式中，最大的问题就是每次收发过程都占用同一个串口， 在每一次发送过程中，通信模块只能从数据待发送缓冲区取出一条报文来与 一个外场设备通信，其它需要发送的数据只能等待下一个时间段，接收过程 也是一样。以车辆检测器为例，对响应时间作一粗略估算：其命令响应时间 为3 5 秒，如果要发送给l o 套车辆检测器数据采集命令，由于是主从通信 方式，则从第一个命令发出到最后个应答返回至少要经过3 0 秒，如果中间 传输出错，还要进行重发，如果加上其它l o 路设备的命令收发时间和计算机 本身的通信开销，耗费时间会更大。当路段发生异常事件时( 能见度低，发 生交通事故) ，这种缺陷尤为突出，监控中心不能及时采集到交通数据，错过 最佳判断时间，或是监控中心的控制指令由于不能及时发送而延误信息发布， 进一步造成事故扩大等难以想象的后果。这种轮流收发的机制完全不适应智 能交通监控系统实时性、高效性和可靠性的要求。单个串1 3 的硬件资源局限 使收发过程只能采用轮流等待机制，从而造成系统通信阻塞的瓶颈，更危险 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 的情况是如果运行中该串口损坏则完全丧失通信功能，系统将陷于瘫痪。 随着多串口卡出现，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m o d e m 经独立的低速信道，与监控中心的m o d e m 一一对应，各个m o d e m 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。 本课题采取了多串口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。多串口扩 展卡选用的是台湾构) ( a 公司异步通信c 3 2 0t u r b o p c i 智能多串口扩展卡。 虽然只有2 2 路设备，但考虑到串口损坏可能造成的功能影响，我们选用的这 款多串口扩展卡是2 4 口，当有串口损坏时，可迅速进行切换，不影晌系统运 行，这也是系统健壮性的体现。 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川。 视频监控系统通常由这些子系统组成： ( 1 ) 视频摄像子系统，包括：摄像机、摄像机镜头、摄像机支架、防护 罩、云台、摄像机立柱等； ( 2 ) 图象传输子系统，主要指光端机、光多路复用器、视频发射机、中 继器、接收器、线光缆、视频分配器等； ( 3 ) 输出子系统，包括：监视器、硬盘录像机、视频监控计算机、大屏 幕投影仪等； ( 4 ) 控制子系统，包括：视频监控计算机、云台控制器或控制键盘、视 频切换矩阵、画面分割器等。 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、录象机等输出设备，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。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 8 页 重庆上界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c c t v 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。马 桑溪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马桑溪大桥监控中 心视频切换矩阵。 隧道视频传输光缆采用铠装单模光缆，具有防鼠、防潮、阻燃等特性。 隧道视频传输光缆采用1 8 芯与2 芯各两根；两隧道内的1 8 芯光缆阃隔 1 5 0 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：在小泉隧道外上桥端和吉庆隧道外 界石端的洞外摄像机单独用2 芯光缆；其余洞外摄像机由1 8 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4 0 芯光缆连接到 中控室。结构如图3 - 2 所示。 视频监控子系统以视频监控机为核心，包含视频切换矩阵( 含控制键盘) 、 j l 氲视器、投影仪等，如图3 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，负责把图象输出 到大屏幕投影仪。它们之间采用串口通信。 视频j i 蠡控机通过一个r s 2 3 2 串口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、报警 信号的处理等操作。 路段有一个收费站，含若干个收费亭，每个收费亭安装一台收费站主机， 各个收费站主机也通过交换机相连，组成一个以太网。视频监控机安装双网卡， 一块接入监控中心的以太网，另一快接入收费站以太网。收费站主机也连接了 一台视频矩阵( 从视频矩阵) ，并连接车道上的若干摄像机。 在本系统中，视频监控机采用一台c p u 为p i i l l g 以上的工控机，要求内存 5 1 2 m b 以上，显存6 4 m b 以上，采用1 9 寸高分辨率彩色显示器，操作系统采 用w i n d o w s 2 0 0 0 专业版或w i n d o w s 9 8 。网络环境为支持t c p i p 协议的 以太网。 视频矩阵采用v i c o n 公司的v 1 4 6 6 , 支持6 4 路视频输入，8 路视频输出。 视频矩阵系统由一个主视频矩阵和若干个从视频矩阵组成。