高速公路监控系统在陕西公路网中的应用研究

信息时间：2015-11-18 信息来源：

摘  要：高速公路监控系统是ITS中的重要组成部分。在我国高速公路网逐步完善的条件下，对高速公路监控系统的需求越来越迫切。本文系统的介绍了高速公路监控系统，并结合陕西省高速公路网的具体情况，给出了陕西省高速公路网监控系统的具体规划方案。
关键词：高速公路        监控        陕西公路网          规划   
1高速公路监控系统与智能运输系统（ITS）
高速公路监控系统是ITS的重要组成部分，在我国的ITS的框架中属于第五个服务领域（紧急事件和安全系统）。目前我国高速公路网正以较快的速度建立和完善，有效地提高了我国的道路快速运输的能力。与此同时，由于我国的经济持续、快速、健康的发展，产生了大量的质量要求较高的道路运输需求，因此在某些高速公路易产生交通拥堵、交通事故频发、交通混乱的局面。为了提高高速公路的有效利用，高速公路监控系统应运而生。
高速公路监控系统是对高速公路交通流、交通环境（道路设施和气象）两大主要对象进行监测和控制，为实现高速公路“安全”和“畅通”两大基本功能而设置的集计算机网络、信息、通信、检测及自动控制等高新技术为一体的集成机电系统。包括监视和控制两大部分。其基本的的功能包括：确保道路畅通、提高应急反应水平和运输安全性。
2高速公路监控系统的组成、功能及运行原理
2.1系统组成
1）外场设备子系统。外场设备子系统由车辆监测器、气象检测器、交通流监测器、闭路电视系统（或视频监视系统）、摄像机、可变情报板、可变限速标志、交通探测车等组成。其主要功能是采集高速公路外场信息并把此信息传输给中心计算机系统，其次是把经过处理后的信息提供给道路使用者，以便对其行为产生影响而达到优化控制的目的。
2）中心计算机控制系统。该子系统由各部分计算机工作组、摄影系统、电视监视系统、电子地图板、紧急电话系统、指挥调度或紧急事件处理系统组成。是被监控的高速公路网信息管理的指挥机构。中心计算机控制系统是高速公路监控系统广域通信网络的轴心，这个通信网络包括由中心控制系统在内的公路沿线所有的传感器以及信息、信号标志。通信控制计算机主要由系统计算机和监控台两大部分组成。监控台由显示设备、传输接口、状态转换、故障判断和故障显示等部分构成。计算机通过传输接口同本辖区内各个断面、匝道的计算机远程控制终端进行通信联络和数据传输。
3）信息传输系统。该子系统由综合业务交换、通信传输、移动通信三个部分组成。在中心计算机系统和外场系统设备终端之间要借助该子系统进行实时联系。为了确保内部数据和语音图像信息准确及时的传输以满足实时监控的通信需求，通常要建立高速公路内部通信专用网。
①综合业务，综合业务交换网络支持以下业务：紧急电话、调度电话、业务电话。其核心设备是专用程控用户交换机及外围设备，其中心任务是对网内用户开放数据、图像传真、文本等非语音交换业务及话务交换。
②通信传输，通信传输的基本任务是保证“信息流”在特定传输媒介中畅通，做到快速、及时、准确。公路通信传输中一般混合使用市话电缆或长途电缆、数字光纤、数字微波三种传输手段传输。
③移动通信，移动通信覆盖的范围包括常规的无线通信系统和新兴的蜂窝无线系统、无线寻呼系统、无声电话系统等广泛的集群无线系统。
2.2系统的运行原理
以上是高速公路监控系统中各子系统的描述，把这些子系统组合成一个有机整体并加以优化便能组成一个先进的高速公路监控系统，可向ITS提供：信息提供、交通控制、交通事故管理、交通环境测试与管理、应急管理、优化交通等服务。高速公路监控系统的运行原理可用下图表示。
3陕西省高速公路网与监控系统
3.1陕西省高速公路网概况
西部大开发以来，陕西省公路建设抓住机遇加快发展，公路里程不断增长，特别是高等级公路增长较快。截止2002年底公路总里程46564km，其中高速公路653km。由8条国道、28条省道、3万多千米县乡公路构成的公路交通网已经初具规模。我国8条西部通道中有3条经过我省，即包头―西安―重庆－北海、银川－西安－武汉、西安―合肥。在陕路段里程约1660km，占总程的11.1%。加上全国于1997年开始建设的“五纵七横”国道主干线中也有3条经过陕西省，即GZ35青岛―银川，GZ40呼和浩特―海口，GZ45连云港―霍尔果斯（在陕里程约1350km，占总里程的3.7%）。陕西共有6条公路列入国家公路主干线规划总里程为3010km，涵盖了原来我省“米”型公路主骨架，成为西部大开发中区域交通的主要通道。
3.2陕西高速公路监控系统现状
在大力发展高速公路建设时由于资金短缺，我省的重点是利用有限的资金加快公路骨架的建设。因此高速公路的监控系统严重落后。近年来随着ITS技术的进步和人们认识的提高，省交通主管部门非常重视监控系统的建设。但从现状来看我省高速公路监控系统建设几乎尚未起步，只是原陕西高管局于1997年先后在西铜和西宝高速公路上安装了4处门架式可变情况板，用于发布交通管理指令、信息和公路法规。
3.3在陕西建立高速公路监控系统的必要性
在3.1中提出了陕西公路网的区位优势，另外陕西还有独特的地理及气候条件，即由南向北依次为秦巴山地、关中平原、陕北高原。高速公路网要穿越不同的自然地域和政治经济发展水平不同的三个地区：陕北地处黄土高原，气候条件恶劣风沙大、地形复杂；关中平原路网密集，交叉口和匝道多；陕南气候温暖，但是山大沟深。因此陕西省具体情况可以概括为：区位优势显著、有较为完善的高速公路网、地理和气候条件复杂多边。为了提高高速公路的使用效率，优化交通，为道路使用者提供更为完善的服务，在陕西高速公路网中建立完善的监控系统是绝对必要的。
4陕西高速公路网监控系统规划
4.1规划的原则、目标和依据
1）原则
（1）本文的规划以陕西省高速公路网的总体规划为基础，考虑各条高速公路之间的协调。重点规划出各条高速公路中的匝道口、路况复杂、隧道、桥梁等对监控系统要求强烈的重要路段。
（2）以我国ITS框架为基础来确定该系统的各项服务功能，系统的设计力求做到实用性、先进性、可操作性、易扩展性、易维护等原则。
（3）该系统要以监控为主实行集中控制，以增强系统的自动化、系统化、网络化水平，提高快速应变能力以保证高速公路网的畅通。
2）目标
（1）建立完善的交通信息采集系统，确保信息及时、自动、准确的采集；
（2）建立完善的信息处理系统，确保信息处理的正确性，并体现出优化控制方案；
（3）建立完善的信息提供系统，包括完善的情报板发布系统、紧急事件救援处理系统、咨询系统；
（4）完善对高速公路重点路段的监控，包括隧道、桥梁、匝道口、路网密集出、地理和气候条件复杂多变处、交通事故易发处。
（5）建立完整的道路交通数据库以便为分析道路运行情况、经营情况和道路的管理提供可靠依据。
   3）依据
（1）道路的服务水平指标，我国道路服务水平与交通量的关系见表4-1。目前陕西省关中地区几条道路的平均日交通量折算为小客车分别为：西潼12000辆/昼夜，西宝15000辆/昼夜、西三28000辆/昼夜、西安绕城北段5000辆/昼夜。平均速度分别为：70、70、60、100km/h，这四条道路基本达到B、C级服务水平。这四条高速公路包括了四座渭河、沣河、灞河大桥等事故高发点，同时又是往返秦兵马俑、法门寺、乾陵等旅游地点的必经之路。西安绕城高速公路，预测交通流十年后为78000辆/昼夜，同时它又是高速公路主骨架枢纽工程，因而绕城高速公路是陕西省高速公路网监控系统的重点。表4-2是本文规划的监控系统规模与道路服务水平对照表：
表4-1    道路服务水平与交通量对照表
道路服务水平 A B C D
属性 畅行流 稳定流上限 稳定流 接近不稳定流
服务交通量/通行能力 ≤0.32 ≤0.50 ≤0.75 ≤0.90
高速公路                         设计时速120km/h
行车速度km/h ≥90 ≥80 ≥70 ≥60
平均日交通量（辆）
（以小客车为单位） 17600 27500 41250 49500
高峰时交通量（辆）
（以小客车为单位） 2112 3300 4950 5940
一级汽车专用公路                 设计时速120 km/h
行车速度km/h ≥80 ≥70 ≥50 ≥40
平均日交通量（辆）
（以小客车为单位） 9600 15000 22500 27000
高峰时交通量（辆）
（以小客车为单位） 1152 1800 2700 3240
表4-2     监控系统规模与道路服务水平对照表
服务水平 监控系统功能 实施规模
B级或B级
以上 全面监控 完备的道路监控系统
对场隧道的监控
达到C级
或D级 对重点路段监控 必备的道路监控系统
对主要交通立交实施监控
对气候河气象监测及车速控制
（2）公路网的地域和气象特点。陕北地区交通量小，但是气候变化较大，监控系统以气象监测为主，兼顾重点路段的监控。陕南地区交通量也不大，但地形复杂，长大隧道较多，应以隧道监控为主，兼顾气象的监控。关中地区高速公路网密集，枢纽工程较多，车流量大而密集，地理和气候条件相对较好，应建立完善的监控系统。
4.2总体规划
1）监控系统的管理模式。根据陕西省高速公路总体框架规划。本规划的监控系统管理应纳入省信控中心及各级下属机构管理。形成省中心具有路网集中控制的管理模式。省集中控制中心主要对控制点或者瓶颈路段的部分外场设备进行控制，具体包括对遥控摄像机、各种监测器、信息提供装置等监控设施的控制。
2）监控系统的布设。本规划系统对陕西省公路网采取“普遍监控、重点监视、集中控制”的原则，以达到上述的系统目标。
4.3技术方案
1）信息采集系统
（1）车辆检测系统。主要利用环形线圈或超声检测器来测定道路交通数据。如要获得全面的数据就应在各方向车道和道路横断面上布设采集点，但这种方法投资较大，所以本规划提出采用对重点路段进行检测。即先确定好信息采集点后再布设采集设备。一般在路段的两个端点设置两个采集点，桥梁、匝道、隧道的信息采集点应设在其附近。
（2）气象和道路环境监控系统。气象和环境往往有较大范围的一致性，采集点的设立应该在具有代表性的路段上。陕北地区是气象和环境检测的重点，关中地区的草滩、灞桥、三桥等靠河和其他特殊路段秋冬季大雾弥漫，路面积雪和冰冻时常发生，必然会影响正常交通，因此应该设置气象和环境监测设置。
（3）外场设施运行状况检测系统。该子系统是为了整个监测系统的正常运行，可以通过人工定期巡查、CCTV监视或者自检报警系统来完成。
（4）闭路电视监控系统（CCTV）。陕西高速公路GZ45是东西大通道。西安绕城高速公路是CCTV监视的重点，可在此高速公路上的8座互通式立交以及出入匝道口、渭河大桥以及交通事故多发点路段设置遥控摄像机。同时在陕北、陕南气象和地质不良路段设置CCTV，在各条公路的收费站、停车场均应设置CCTV。
2）信息提供系统。根据陕西省路网的布局，重点围绕西安绕城高速公路和八条射线高速公路的互通式立交设置大型信息情报板，并充分利用已建成的草滩、三桥、杨陵、宝鸡等四块可变情报板对道路使用者进行交通流诱导的提示。
3）隧道、桥梁监控子系统。本次规划凡长度超过1km的隧道及相对重要的桥梁应设置监控子系统，同时在隧道进、出口处设置监控室并与上级监控中心联网。因而西汉、西康高速公路是该子系统布设的主要路段。
4）监控中心控制系统
（1）计算机网络子系统。该子系统由网络服务器和分布式计算机工作组构成局域网，因为该子系统集中了数据和多媒体的交换业务，处理信息量大，及时性和准确性要求较高。因而中心网络子系统和外场设施之间要以大容量网络交换机联结，以保证数据交换的速度和质量。同时中心的计算机网络子系统应该联结到Internet上，通过网页向社会提供交通信息服务，同时为公路管理和物流部门提供工作和业务上的信息需求。
（2）视频联网监控系统。各级监控中心的控制系统应该具备闭路电视监控功能。各监控分中心可采取视频切换方式进行视频切换控制，接收前端摄像机视频信号，调看所辖路段监控系统的任何摄像机图像，并可以切换至大屏幕、可视墙或主监视器等视频显示设备上，同时可以向省控制中心传输信号。随着自动化水平的提高，监控中心可建立网络视频浏览系统，使所有工作人员可利用办公局域网通过计算机浏览监控系统的视频图像，以便及时掌握高速公路网内的运行情况，进行及时有效地监控整个高速公路网络。
5）建立“3S”系统。3S即全球定位系统GPS、地理信息系统GIS、遥感系统RS的组合。把3S技术应用于高速公路的监控系统具有极高的科学性、方便性、前瞻性。该技术可以在其它子系统相对稳定成熟后再考虑建设以便提高高速公路监控系统的科技水平。
5近期实施的规划
1）本文在此给出陕西省部分高速公路监控系统近期实施的规划意见，见表5-1。
表5-1    陕西省部分高速公路监控系统规划表
（车辆检测系统VD、控制和安全系统CSS、控制和管理系统CMS、闭路电视系统CCTV）
路段 里程（km） 服务等级 规划实施系统
西安绕城 79 B VD、CSS、CMS、CCTV
西潼 144 B VD、CSS、CMS、CCTV
西宝 156 B VD、CSS、CMS、CCTV
西阎 39 B VD、CSS、CMS、CCTV
机场高速 18 A VD、CSS、CMS、CCTV
2）本文规划的西安绕城高速公路监控系统示意图如下。
6结束
高速公路监控系统是实现智能交通的保障。因此在进行公路网规划和建设的同时要充分考虑同步建设监控系统，否则路网的等级再高、密度再大，也满足不了车辆在无控状态下道路交通混乱的局面。陕西省高速公路网已经逐步成型，并且由于我省的区位优势，地理和气候特点以及我国西部大开发的战略都刺激了陕西省高速公路网对监控系统需求的迫切性。本文从高速公路监控系统的组成、原理、运作程序出发全面分析了该系统的功能及构成，并结合陕西省的具体情况，给出了陕西省高速公路监控系统的具体规划。谨期能促进陕西省高速公路监控系统的快速实施。
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作者简介：

①闫光辉，男，生于1980年3月，长安大学2002级载运工具运用工程专业硕士研究生，研究方向为物流与ITS。

          联系地址：长安大学雁塔校区4号楼2002级研究生（一班）     710054

          电话：13519171587

②胡大伟，男，生于1963年9月，长安大学交通运输系教师，副教授，在职博士研究生，主要研究方向：物流系统、ITS、运输规划。

          联系地址：西安市南二环路中段长安大学110＃     710064

          电话：029－2334458

          传真：029－2336411