高速公路车道智慧监测系统研究与应用

韦坚

摘要：传统的车道设备大多数由单一的电路或IO信号进行控制，是独立的信息孤岛，往往由于维护报修不及时引起收费站拥堵，严重影响了通行效率。文章结合高速公路保通保畅、提升效率和服务出行等方面管理的要求，设计研发了一套车道智慧监测系统，对ETC/MTC收费车道的相关设备进行有效监控，完成快速报修和预警研判，保障高效通行，并为管理层决策提供有力数据支撑。通过该系统在广西南宁东、南宁南等收费站进行安装测试运用表明，车道设备由原先的被动化管理，逐步演进成为全面感知、数据融合和智能应用的物联网阶段，可全面提升收费运营的信息化和智慧化管理水平。

关键词：智慧监测;云平台;信息采集

中国分类号：U491.1+16文章标识码：A431643

0 引言

随着当前汽车保有量的逐年增长，高速公路经过“取消省界收费站”项目改造后，扩大ETC车道数量，的确极大提高了通行效率，方便了大众的出行。但与此同时，也对收费车道设备的运行稳定、故障的及时排除提出了更高的要求。

长期以来，由于缺乏技术手段与管理措施，收费车道一直存在终端设备种类繁多、智能化水平低、标准不统一、通信规约不规范等问题，造成运维、设备调控与资产管理等方面较为落后[1]。针对此情况，本文提出设计一种车道智慧监测系统，以便更好地保障设备运行，全面提升收费运营管理信息化、智能化水平。本系统是一个基于高速公路车道智能检测与监控技术的系统，该技术在现有交通安全管理和路政管理工作中具有重要作用。通过对传统道路设施进行改造，结合数字信号显示和高速公路易测设备来实现对道路交通流信息的实时监测[2]，在提高通行效率及降低交通事故率等方面提出了解决方法。

本系统由云平台管理软件、传输终端云盒和终端检测模块三大部分组成。云平台软件是系统的大脑，是整个系统实现精益化管理需求的核心，负责接收、管理各个收费站所属车道的设备运行状态，并进行智能化数据分析，具备报修通知、设备资产管理、智慧运维数据分析等功能。传输终端云盒是数据的集中处理网关，通过WiFi、以太网或者RS485多种通信方式，负责对各个智能终端进行数据采集和加密，并通过5G发送到阿里云后台。智能终端是安装于各个设备的检测单元，实时采集设备的运行状态并通过私有协议进行数据打包上传。

本文将详细阐述车道智慧监测系统的软件架构、硬件设计和应用，结合实际应用案例与传统设备管理模式进行对比分析。

1 软件设计

1.1 设计模式与技术框架

本系统的设计使用Java语言进行开发，采用B/S架构、基于MVC设计模式。采用MVC模式的目的是增加代码的重用率，减少数据表达、数据描述和应用操作的耦合度，同时也使得软件可维护性、可修复性、可扩展性、灵活性以及封装性大大提高，以满足系统设计原则。

通过监控机电设备工作环境的相关数据，将数据上传到服务器，服务器通过业务逻辑处理，判断设备是否正常工作，系统设计框架如图1所示。

本系统采用的是基于Maven整合Spring、SpringMVC和MyBatis的开源框架，其为后台框架，Bootstrap为前台开发框架。从职责上分为四层：WEB层、Controller层、Service层和Dao层（Data Access Object，数据访问对象）。其中Spring是用来协调上下层的容器，管理员依赖并提供事务机制，使用SpringMVC作为系统的整体基础架构，负责MVC的分离，在SpringMVC框架的模型部分，利用MyBatis框架对持久层提供支持，业务层用Spring支持。

基于上述技术框架的高速公路车道智慧监测系统，由微处理芯片、高清摄像头以及GPS定位终端组成。其中，微处理芯片是主要使用的核心器件。该设备通过高速公路上车辆检测传感器采集到车主信息后，传送到微处理器进行预热，之后传输数据给中心控制器;经PC端发送和接收来自预热器或中央处理器的数据;经由单片机对与交流传感器转换过来的信号经过一系列运算计算，最终得到高速公路车道状态参数，如速度、加速度等。

1.2 数据库设计

所用数据库系统：Mysql 5.7.21;设计/管理工具：Navicat Premium。设备信息表结构主要有设备名称、设备类型（类型id值）、品牌、设备型号、用户ID、安装地址、设备状态、云盒ID、云盒连接状态、温度阈值、高温警告、湿度阈值、最大电压阈值、最小电压阈值、最大电流阈值、最小电流阈值、供电警告、烟雾阈值、火灾消防警告、安全防护警告等信息。

2 硬件设计

系统以物联网技术为基础，采用無线组网技术，实现多节点设备状态参数的检测。系统由智慧监测控制器基站、终端界面、设备检测节点组成。如图2所示。

2.1 智慧监测控制器基站云盒

主控基站完成对感应区域内检测节点的扫描检测和数据传递，通过不停地连续快速扫描，感应检测节点的信息，收到信息后按照预先定义好的协议打包信息，转发给临近的服务商无线通信基站或者直接通过有线以太网完成与监测管理中心服务器系统的通信。安装时要考虑探测节点与基站之间的距离，设备监测主控基站对检测节点的感应范围在5～10 m。

智慧监测控制器主要包括微控制器STM32F407ZGT6（168 MHz）、Zigbee无线模块（2.4 GHz）、4G无线通信模块（全网通）、温湿度模块（检查范围0 ℃～85 ℃，湿度0%～100%RH）、数字DIO模块（12DI/12DO）、电能采集模块（最大检测AC220 V/20 A）、RS232/RS485模块（标准DB9针）、电源模块（AC220输入适配变压直流DC12 V输出，板载DC5 V/DC3.3V）、RTC时钟模块、复位/看门狗模块、以太网控制模块、FLASH储存模块、SDRAM模块等，如图3所示。Zigbee无线模块通常处于快速扫描状态，用于监控感应区内的检测节点，快速扫描可保证多个传感器信息同时感应处理。处理器完成数据的处理缓存，扫描数据包括本感应器所在区域内的检测节点数据和监控中心发来的检测命令及其他数据。

智慧监测控制器上电后，先进行设备自检，扫描可用网络，当以太网与4G网络同时可用时优先使用有线以太网连接中心控制主机。控制器定时扫描设备节点状态，解析设备节点回复信息，并通过与预置设备参数标准范围进行比对，判断设备节点工作状态是否正常，并通过网络按特定通信协议回传打包车道设备状态信息。如果判断设备状态异常，则优先通过中心软件进行报警并通过短信息方式发送给维护员，由维护员进行确认处理。

2.2 终端界面设计

开机后显示主界面，即主要设备状态界面，如图4所示。主界面中有“设备状态”“电能监测”和“环境状态”三个主菜单图标，还有“维护开门”“系统信息”图标，可以通过手指点击图标进入相应的界面。屏幕的最下面一行显示收费站代码、车道号、设备版本号，并实时显示系统日期及时间。

2.3 设备检测节点

设备检测节点安装在每个设备内部，不同节点具有不同的接口，用于监测特定设备的工作状态。每个节点可以存储设备身份等信息，其身份在系统内唯一识别，最大可以识别6万多个设备。检测节点采用了低功耗技术，一个电池就可以工作1年之久。检测节点采集每个设备的状态数据并由节点感应器展开，通过节点向外扩展，无限接力传送到收费站智慧监测控制器，再通过远程通信模块将信息传送到监测管理中心。

3 智慧监测系统的关键技术

3.1 高速公路车道线定位

车道边缘检测可对高速公路路段上不同的道路进行分析，并在车辆行驶过程中，通过采集交通流信息，结合实际情况建立一套完整有效的路面图像特征参数。根据车辆运行速度、方向等因素确定相应车道线位置。传统路网的行车路况复杂多变或人工操作不当，会造成交通事故发生率较高，人民生命安全及财产损失严重，而引入数字化测量技术来对道路上各种路段进行检测不仅方便快捷，而且准确率更高，同时也能够减少道路管理成本，提高交通安全保障水平。对高速公路车道边缘的检测主要是在高速公路上设置一个车道位置信息采集设备，利用该装置可以实时获取道路沿线车辆及行驶环境中车辆运行情况，如交通流、速度等。通过收集道路线形数据和实际路况信息来实现对其进行分析。本系统基于GPS定位技术与可变阈值展开研究并提出将之完善的方法：确定固定阈值（即根据当前车道边缘位置变化而发生变化），然后利用道路中心线距离计算公式得到车道边缘长度。

3.2 技术运用

本系统已经在广西南宁东、安吉、南宁南等多个收费站进行测试使用，运行效果良好。能够进行实时的设备状态监督，及时反馈设备故障并及时维护，实现运营管理信息化和平台化的升级。对车流密集的收费站的保通保畅有积极的意义。

另外，通过信息化升级，只需一个平板电脑就能实现对多种设备的远程操作。对于大型收费站而言，其车道照明灯、封道栏杆机的开关操作，传统的方法是需要人工逐个车道进行开关，工作量巨大，现在只要点击界面即可远程完成。

4 结语

高速公路机电设备的运行要求是24 h不间断地工作，经长期运行，外场机柜机箱会逐渐达不到原定的IP标准，而且在盐雾较重、夏季炎热高温和常年多雾的地区，经日晒雨淋，设备外壳极易腐蚀生锈，防护等级下降;涉及电子元器件较多的机电设备受温湿度影响较大，长时间运行后，就会出现各种各样的故障。

但是高速公路机电设备的维护人员数量有限，难以完成设备巡检、设备状态监测带来的巨大工作量，基本无法做到对外场设备、高空设备、大型机电设备常态化现场开箱检测。因此，基于物联网技术、智慧云平台技术、5G网络技术的高速公路车道智慧监测系统开发及应用具有重要意义[3]。

参考文献：

[1]段海澎，韩纪红，凌 浩，等.智慧高速公路隧道诱导知识库系统建设与研究[J].价值工程，2019，38（33）：195-197.

[2]呂 叠.高速公路一体化车道控制终端系统的研究[J].广东交通职业技术学院学报，2019（2）：54-58.

[3]黄 觉，秦 鸿，关小杰.高速公路监控中心智慧交通平台应用研究[J].公路交通科技（应用技术版），2020（6）：300-303.

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