公路交通信息采集及监测系统的设计与实现

段河霞

摘要：为了提高公路车辆运行的安全性，设计一种公路交通信息采集及监测系统。从交通事件监测、人行横道交汇预警监测、车辆测速监测及反馈、交通量调查、合流交汇预警、气象环境监测、无人机巡航监测、交通信息显示等方面，对各项子系统的功能实现进行分析。该系统对于提高交通信息的采集效率和数据分析能力有显著改善，有利于减少交通事故的出现。

关键词：公路；交通信息；采集；监测；系统

0   引言

信息采集是公路建设和管理的基础，是保证公路安全畅通的关键环节，对提高交通管理水平和服务质量具有重要意义。交通信息的获取主要有两种途径，一是直接采集，二是通过通信网络从其他系统中获取。由于公路存在着环境复杂、车流量大、通行速度快等特点，如果单纯依靠传统方式进行信息采集，则会造成大量的人力、物力和财力的浪费，对公路管理和运营带来极大影响。为了保障公路正常运营，提高公路车辆运行的安全性，本文介绍一种公路交通信息采集及监测系统。

1   系统功能分析

公路交通信息采集及监测系统，主要是将车辆检测器采集到的数据信息通过网络传输到指挥中心，实现数据共享和统一管理，对交通运行状况进行综合分析，为制定交通规划、改善路网结构、提高管理水平提供依据[1]。

其主要功能包括：实时采集车辆行驶速度、运行状态、行驶方向等信息，并通过无线传输设备将信息传送到指挥中心，由指挥中心根据监测结果，分析判断交通运行状况，从而制定相應的管理策略。通过视频检测设备获取车辆的运行情况和行驶方向，并将图像数据通过无线传输设备传送至指挥中心[2]。对监控路段上的交通量数据进行实时监测和存储。通过数据处理中心对采集的数据进行处理，分析车流量和通行能力等信息。通过相关软件对数据进行查询、统计、报表生成等操作。通过无线传输设备将监测数据传输到指挥中心，并进行存储。

2   系统组成

公路交通信息采集及监测系统的硬件，由公路交通信息采集设备、公路交通信息监测设备组成。系统的软件由智能交通数据采集子系统、信息发布子系统和智能交通应用系统组成。智能交通数据采集子系统，由多个安装在道路两侧的视频监控系统和高精度道路测速系统，以多路视频监控系统为主，测速系统为辅，为该路段提供实时的路面行车状况信息[3]。

智能交通数据采集子系统由数据采集单元、数据传输单元和数据中心构成。数据采集单元主要负责采集各类车辆、道路、桥梁的状态和参数，并通过网络将其传送到数据中心。传输单元主要负责将采集到的各种数据通过通信网络传输到数据中心。数据中心主要负责接收来自各个采集单元的各类数据，并对其进行处理和分析，实现各类业务的需求[4]。

信息发布子系统由车载电视、LED灯箱和网络信息发布平台组成，为社会公众提供实时的交通路况信息。智能交通应用系统是一个集成系统，它将各个子系统集成起来，以满足用户不同层次的需要，实现信息的共享和交换。

智能交通应用系统主要由网络通信子系统、智能交通控制子系统、业务应用子系统及系统管理等部分组成。智能交通应用系统主要包括车辆监控管理、诱导发布和路况信息查询等功能。

3   系统实现的功能

3.1   交通事件监测

我国的公路里程较长，运行环境较为复杂，尤其是大雾、大风、强光、雾霾、沙尘、夜间能见度降低等问题，严重影响着公路安全运行，因此对交通事件进行监测是所设计系统的主要功能之一。

目前，对公路上车辆运行进行监测的方法主要有雷达监测和图像视频监测2种，这2种方法都有各自的特点。雷达监测系统是指使用毫米波雷达，对单个或多个路面上出现的不正常目标进行监测的监控装置。雷达探针在公路上不断地对公路上的特定地区进行探测，并将探测到的外来物体的定位信息传送给后端的用户监测系统。雷达探测具有探测面积大、受气象干扰小等优点，但存在成像真实感差、造价高等缺点[5]。

图像视频监测系统可对事故事件、抛洒物事件、停车事件等更复杂的道路交通突发状况进行快速、有效监测，在一定程度上，它可以满足公路运营管理中对救援指挥、应急处理、防灾调控、信息发布、视频监控等方面的应用要求。

3.2   人行横道交汇预警监测

人行横道交汇预警监测系统的设置，通常在不影响主线交通前提下，将雷视一体机与诱导屏、高闪设施和地面警示牌相结合，构建一套斑马线交叉报警监控体系，对主辅支路上的过往车辆和行人进行实时监控，实现对主要交通流的实时报警，从而达到改善路口交通安全的目的[6]。具体设置方式如下：

在相距主路口30m的位置，安装一块情报板诱导显示屏和一块高闪光灯，提醒主路上的车辆，在红灯或有行人通过时，需要减速或停车，确保路口的行车安全。根据路面条件确定显示屏及高闪灯的安装位置，如果有绿化带则应选择中分带，如果没有中分带则选择悬挂式立柱，并将其布置在悬挂式立柱上。

在主路入口两侧地面设置发光警示地灯，并路侧设置地灯控制器，用于控制路口的警示地灯，并进行数据传送。在夜间或者雨水、积雪、雨水等恶劣环境下，如辅路或支路监测到有车辆或者行人，主路上的警示牌就会与指示牌及其他的闪光灯结合起来，为主道上的车辆提供警示，提高行车的安全性。

在两条支路的入口端5～10m处，安装一台雷达视觉一体化装置。该装置面向支路进入安设（装置一方的支路），监视支路上的车辆、行人的情况，一旦监视到有车辆、行人进入，立即向路口的控制主机发送该消息。

在无信控交叉口，配备一台路口控制器。该控制器设在路边的一个机箱内（与其他设备共用一个机箱），以便对前方的雷视一体机、信息板引导屏、地灯控制器、高闪设备等进行控制，并进行相关数据的传输和共享。

3.3   车辆测速监测及反馈

车辆测速监测及反馈系统主要是针对公路上的超速车辆，通过在公路上设置相应的测速装置，对超速车辆进行报警提示，并根据不同路段的限速标准对超速车辆进行处罚。其可将超速信息实时上传，可通过4G/5G网络将监测到的超速车辆数据实时上传至公路运营管理单位。另外，该系统可对车流量、车速、交通流量等数据进行统计分析，从而得出车流量和交通流量变化趋势。

3.4   交通量调查

交通量调查系统包括前端子系统、传输子系统、后端管理子系统。系统拓扑图如图1所示。前端子系统中视频抓拍单元与激光监测单元协同工作，抓拍单元主要由图像采集卡、触发线、图像采集杆三部分组成。图像采集卡提供高清图像，可实时拍摄路面车辆行驶的外轮廓线。触发线设置在龙门架上，当龙门架触发触发线时，抓拍单元通过触发线对车辆进行监测。

激光监测单元构造包括激光发射器、激光接收器、旋转机构三部分。激光发射器将激光能量集中射向目标，通过反射光传感器，把目标反射的光信号转变成电信号，以电信号形式送入激光接收器。激光接收器将接收到的电信号转换为激光脉冲信号，然后送至旋转机构，由旋转机构的光学系统将脉冲光转换成二维坐标信息。根据二维坐标信息，确定被测物体的位置。

旋转机构由精密运动部件、直线导轨、弹性元件、摆杆装置和齿轮机构组成。其采用高精度、高可靠性的液压系统和电器系统，具有较高的传动效率、运转平稳可靠以及结构简单等优点。在转动过程中，通过弹性元件调节摆杆角度，使激光脉冲能按照一定角度间隔发射。

3.5   合流交汇预警

合流交汇预警系统主要是在不同的天气条件下，通过智能道钉的闪烁频率变化，提醒驾驶人员注意合流危险。它利用雷达传感器实时监测合流车辆的速度、位置、方向等信息，将监测到的信息，通过网络传输到控制中心进行综合分析[7]。

控制中心通过智能道钉控制器接收实时监测数据，当监测到合流车辆的速度、位置等信息时，控制中心会通过短信平台，向所属区域内的道路交通管理单位发送预警信息。收到预警信息后，相关管理人员会按照事先设置的提示音进行提醒，同时在电子地图上对该区域进行标记。智能道钉主要由智能道钉控制器、LED闪烁指示灯、雷达传感器、环境监测设备等组成。

3.6   气象环境监测

公路气象环境监测系统主要由气象监测子系统、通信子系统和数据传输子系统组成，它通过对气象要素进行监测，及时掌握和发布公路交通气象信息，提高交通安全水平。

气象监测子系统主要由温度、湿度、风速、风向、气压等传感器以及无线通信模块组成，通过安装在各监测点的传感器，对采集到的气象要素进行实时监测，并将数据上传至通信子系统。通过无线通信模块将数据传送至数据中心服务器，完成对各监测点的实时数据收集。

通信子系统是由无线通信模块、太阳能电源模块和蓄电池组成。无线通信模块用于与数据中心服务器进行数据传输，太阳能电源模块用于供电。数据传输子系统是基于GPRS/CDMA网络的数据传输系统，通过GPRS/CDMA网络实现数据传输，将各监测设备的测量结果通过无线通信模块传送至数据中心服务器。

3.7   无人机巡航监测

无人机巡航监测系统是一套面向公路监控中心的无人机巡航监测系统，其主要由飞行控制系统、机载摄像机、自动巡检相机、GPS定位系统、数据传输和存储设备组成。

无人机巡航监测系统通过控制软件，实现对无人机的飞行规划和路径选择，完成对无人机的航线规划，并可确定无人机的飞行高度和飞行速度等飞行参数。通过GPS定位系统可实时获取无人机的三维位置坐标，并通过数据传输方式将数据传送至控制中心。另外，还可以通过自动巡检相机获取现场路面图像信息，为现场交通管理部门提供详细的现场路况信息。

机载摄像机对路面交通状况进行实时拍摄，进行后期处理后，并通过无线网络将图像传送至控制中心。数据传输和存储设备主要包括无线网络、服务器等，用于为无人机巡航监测系统提供可靠的数据传输。

在无人机巡航监测系统中，数据存儲设备能够将视频流和图片流实时保存至服务器，保证数据的完整性和安全性。通信传输设备能够对视频流进行编码和压缩处理，并利用无线网络进行传输。控制中心能够对视频流和图片流进行统一管理和控制。

3.8   交通信息显示

根据公路交通信息采集的特点，对现有的信息发布系统进行升级改造，开发以公路监控中心为中心、以车载智能终端为终端、以路侧LED显示屏为媒介、以公路诱导屏为补充的多层次、全方位的信息发布系统。

该系统由车载智能终端、路侧LED显示屏及诱导屏三部分组成。车载智能终端安装在驾驶员可直接观察到的地方，利用视频采集模块采集视频流，并将视频流上传到车载智能终端。由车载智能终端对视频流进行解码处理，生成所需的数据信息。

将数据信息上传到路侧LED显示屏，利用LED显示屏对所获取的数据进行显示和发布。路侧LED显示屏安装在公路路肩、收费站、服务区等醒目位置，根据不同路况和不同需求，发布包括收费标准、道路天气状况、道路交通诱导等信息，同时提供公路地图导航功能。诱导屏用于在公路沿线或易拥堵路段发布实时路况信息，以引导驾驶员快速安全地到达目的地的显示屏。

4   结束语

公路交通信息采集及监测系统可广泛应用于公路交通事故分析、公路路况分析、道路施工评估、隧道安全评估、城市道路监控、公路交通秩序管理等方面，可为交通管理部门提供科学准确的决策支持，提升道路交通安全管理水平。所设计系统对于提高交通信息的采集效率和数据分析能力有显著改善，有利于减少交通事故的出现。

参考文献

[1] 李珊.道路交叉口交通监测及信号灯配时研究与设计[D].西安：西安工业大学，2022．

[2] 王旭.城市快速路交织区匝道控制优化研究[D].武汉：武汉理工大学，2012．

[3] 岳文伟.城市交通拥塞控制策略研究[D].西安：西安电子科技大学，2020．

[4] 郭涛.城市快速路匝道分合流区交通运行特性及优化控制方法研究[D].青岛：青岛理工大学，2014．

[5] 刘茜．基于信息集成的空中交通管制指挥监测系统[J].科学中国人，2016（30）：100．

[6] 杨海波.郑州市交通信息综合监测系统设计与实现[D].大连理工大学，2016．

[7] 冯鑫，马松林，王华．公路交通信息远程监测系统研究[J].低温建筑技术，2012，34（10）115-117．