基于高分可视化技术的高速公路监控系统

申文超 申铁军

摘要 高速公路运营期间面对监控海量信息数据，业务系统繁多，无法综合分析，彼此交互困难。为解决大屏显示信号放大、图像拉伸、显示虚化、操作烦琐等问题，基于“一图式”高分辨率可视化平台，实现现场可视，资源可视，人、物可视，以满足扁平化指挥调度、数据分析、服务实战的工作需要。研究表明，基于高分可视化技术的高速公路收费监控系统以指挥技术和信息技术为主导，根据用户实际需要去整合行业的重点数据信息。

关键词 高速公路；高分可视化；视频监控；收费监控网络

中图分类号 U415.12文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）02-0013-03

0 引言

从充分运用现代通信技术、网络技术，统筹、指挥、管理的角度出发，高分可视化技术在高速公路监控系统的应用近年来逐渐深入，刘伟[1]认为各子系统应具有较高的开放性，遵循规范的接口标准，支持不同平台、多种应用环境。赵文华等[2]认为可打通相互割裂的业务系统，对海量业务信息的可视化进行综合，真正实现辅助决策、业务智能。张璇[3]研究认为可开放性支持超高清信号接入、大数据运算、多系统的集成。

1 高分可视化技术

高分可视化技术是通过良好的高速图像处理技术利用大屏幕整个超高物理分辨率的技术，其技术要素如下：

（1）快速、平滑地显示更加广阔的地理区域。

（2）分布式拼接系统采用最新一代解码芯片可支持高清以及4K超高清信号的解码显示，从而最大限度保证了图像清晰度。

（3）从统筹、指挥、管理的角度整合海量的行业重点信息，以高分可视化的方式进行组织与分析运算，从而全面掌握行业关键信息动态及趋势，提高总体指挥决策和管理能力。

2 高速公路收费监控系统构成

主要由车道收费系统、收费站收费系统、片区收费系统构成，三者联系见图1。

2.1 车道收费系统

车道系统是收费数据的源头，收费系统的一切原始操作都出自车道系统，是收费硬件维护的重点[4]。收费系统的一般硬件设备包括工控机、车控器、工控机柜、收费键盘、票据打印机、IC卡读写器、对讲机、自动栏杆机、车道通行灯等[5]，它们的硬件连接见图2。

2.1.1 工控机

工控机是车道系统的核心，安装有收费软件。工控机其实与微机没有差别，也是由主板、内存、硬盘等构成，不同的是它增加了具有特殊用途的卡，有视频采集卡、多串口卡[6]。视频采集卡通过视频线与车控器内的字符叠加器相连，用于采集车道摄像机传来的图像，显示在收费软件上[7]。通过网络传输至收费站监控室服务器上，在工作站的监视监控软件上显示。通过多串口卡用来增加工控机的串口数量，连接票据打印机、费显、字符叠加器等设备[8]。

（1）所有的指令都由它发送给相关设备进行工作，从设备角度介绍整个系统的工作流程，以入口车道为例：在每个车道地面下埋设两个检测线圈，一个位置在收费岗亭旁边（前线圈），用于检测车辆进入车道，抓拍图像，并允许IC卡读写器把车辆信息写入IC卡；另一个在自动栏杆机旁边（后线圈），当线圈检测到车辆通过时，自动栏杆落下。这两个线圈都与自动栏杆机中的双通道车辆检测器连接。当车辆进入车道时，前线圈检测到有车，这时车辆检测器上前线圈指示灯亮，显示有车，并把该信号反馈给车道控制器，车道控制器上前线圈指示灯变亮，同时把该信号再反馈到工控机的收费软件上，在收费软件上显示前线圈有车，收费员判断车型、车号等信息后，利用键盘输入电脑，并通过读写器把车辆信息写入IC卡，发给司机，读写器刷卡后，车控器控制栏杆机抬起，通行灯变绿。车辆压上后线圈，车辆检测器上后线圈指示灯亮，显示有车，并把该信号反馈给车道控制器，车道控制器上后线圈指示灯变亮，同时把该信号再反馈到工控机的收费软件上，在收费软件上显示后线圈有车，车辆通过后线圈后，车控器控制栏杆落下，通行灯变红。出口车道工作流程类似，区别是收费员收卡收费并打印票据后，才控制栏杆抬起。当收费员完成数据操作后，把收费数据通过车道交换机上传到收费站监控室服务器数据库，包括抓拍图像、车辆信息、收费金额等。

（2）机电设备的连接运转离不开工作线路，按照电压的高低可分为强电线路和弱电线路。每条车道系统的电源都由车道配电柜引220 V电至车道控制机柜，再由车道控制机柜为该车道的所有设备提供强弱电[9]。

（3）这里所指的强电为220 V电压，在车道设备中绝大多数都需要220 V电压，都由位于车道控制柜（MTT柜）内的空气开关供电[10]。

2.1.2 车道控制器

车道控制器是连接工控机与车道设备的桥梁，由工控机下达控制命令，由车控器负责执行，车控器内部有两块电路板，一块是字符叠加板，另一块为控制板，字符叠加板上集成有两个1分2的视频分配器，使用一个即可，由摄像机传来的原始图像经字符叠加板分出两路视频，一路给视频采集卡，一路传输至收费站监控室视频矩阵。控制板通过车道机柜内的接线电路板以及继电器来控制车道设备工作，原理见图3。

2.1.3 控制柜接线板

控制柜接线板提供车道设备需要的电源、控制线路、机柜温度控制等，所有需要车控器控制的设备，其控制线路进入机柜后都接在接线板上，包括自动栏杆机的抬杆、降杆控制线，前后线圈的反馈信号，栏杆机的状态信号，顶棚灯的控制以及状态信号，费显以及語音报价的控制信号（也可接在多串口卡上）。车道设备的电源都从接线板上输出。

2.1.4 栏杆机

栏杆机由电机、杆臂、控制模块、车检模块组成。前后线圈线分别接在车检模块的线圈信号输入端，当某个线圈有车时，车检模块上对应的某个线圈的指示灯变亮，同时对应的线圈反馈端口的电压变为0 V（无车时为+24 V）为收费软件提供有车信号。后线圈具有自动控制落杆功能，因此在后线圈的反馈端口还需要与控制模块的防砸杆端口连接，意思为“后线圈有车不落杆”。

2.1.5 顶棚灯

每个车道有1对顶棚灯，背向车道的为禁行灯，迎车道方向的为通行灯。禁行灯一直为红灯，所有车道的禁行灯由收费岛配电箱统一供220 V电，通行灯由绿灯和红灯组成，由各自车道的控制机柜供电，利用控制接线板的继电器控制红绿灯的变化。

2.1.6 费额显示器

费额显示器一般供电为+12 V，通过控制机柜内的变压器为费显供电，控制信号通过控制接线板来控制费额显示。

2.1.7 电子屏

收费岛电子屏一般由显示板、控制板、电源组成，电源使用输出为+5 V的变压器供电，控制板负责通信并存储显示内容，显示板负责点亮电子屏并控制屏哪部分变亮。

2.1.8 IC卡读写器

IC卡读写器由天线和读写器两部分组成，读写器安装在控制机柜内，与天线连接并与工控机串口连接。

2.2 收费站收费系统、片区收费系统

收费站收费系统以及片区收费系统主要由报表计算机、监视监控计算机、稽查计算机、服务器、交换机、路由器构成，完成收费业务、数据存储、报表统计等功能，见图4。

由图4可知，收费站、片区中心收费系统主要由计算机、传输网络构成，因此更多的是软件方面的问题，在此不再赘述。

3 项目应用情况

某项目遵循我国能源革命可持续发展战略要求，贯彻落实全面提高能源、能耗资产科技含量和管理水平的重大部署安排，积极响应“降本增效、提质升级”理念，用实际行动打造绿色、生态、智慧机电，助力交通强国建设。

3.1 加强车道机电管理

所辖路段各类机电设备由于运营时间长、设备品牌繁杂、性能参数良莠不齐，导致ETC门架、通信、网络安全及治超系统等各项指标一度不佳。后因在掌握各种系统和设备工作原理、组成架构、传输链路、维护规范、故障排查思路和及时修复方法上下真功、用足力，实现了追赶超越、稳步提升。

（1）ETC门架系统软件维护工程师进行现场授课，有效提升机电管理人员对ETC门架软件系统的系统认知和运维技能；与相关院校合作，举办Linux操作系统运维培训，有效提升机电维护人员运维技能，为下一步联网收费软件更新做好技术储备。

（2）坚持“科技创新与强化日常管理”同频共振，自主研发“双链路聚合解决收费站数据传输瓶颈”“收费车道工控机操作系统及硬件升级提升车道系统运行速度”“搭建收费网络智能管理平台提升网络监测效率”三个创新成果，促进车道系统的运行速度及收费网络稳定性显著提升。

（3）坚持“理论创新与实践运用”融会贯通，编制下发了《联网收费系统巡检实施细则》，开发应用了“收费站联网收费数据实时监测与巡检辅助系统”，通过综合施策，有效提升联网系统各项运行指标。

3.2 构建综合智慧大数据平台

加快推动综合能源服务发展，针对高速公路闲置资源及供配电资产低效运行等问题，引入“多能互补，源网荷储”一体化智能微网建设理念，提前布局高速公路综合能源服务。以用能资产“自我平衡、降低能耗、提升效率”为目标，以技术节能、结构节能、管理节能为途径，构建综合能源智慧平台大数据。项目特长隧道照明节能改造项目将原有高能耗的钠灯更换为机电公司研发的新型智能LED隧道节能灯。经过40 d紧张有序地施工，完成了7 000余盏灯具换装和智能控制系统的安装、调试，圆满达成了设计要求。立足解决现场“痛点”问题，长期跟踪行业前沿科技成果，经持续技术攻关和反复验证，成功研发出了一款新型智能LED隧道灯具。该款灯具使用了机电公司石墨烯散热技术与电源模组快拆装置两项技术专利。设计选用140 lm/W、3 000 K色温的暖光源高光效芯片，节能及照明效果俱佳、体感更加舒适，确保了行车安全。整灯防护等级提升至IP67，同时采用航空快捷插头，提升了灯具品质可靠性、维护便捷性，大幅降低了后期运维的成本。该次改造还新增了智能无级调光系统，可以在监控中心远程设定或控制灯具的亮度，在钠灯更换为绿色高光效LED灯具节能的基础上，再叠加智控节能的功能。根据现场采集数据测算，改造后每年可节约电费200余万元，总节能比例54%，真正达到了智慧节能、平安节能的目的。另外，在高速交通基础设施基础上优化配建分布式光伏发电、储能蓄热“冷、热、电三联供”、隧道LED灯改造节能、电动汽车充电桩、电力交易等项目，实现了“六新”转型发展新突破。

4 结束语

综上所述，基于高分可视化技术的高速公路收费监控系统以指挥技术和信息技术为主导，充分运用现代通信技术、网络技术等，从统筹、指挥、管理的角度出发，根据用户实际需要，整合行业的重点数据信息，快速、精准地在控制中心大屏幕上调用、显示。做到“一网知风险，一屏观天下，一键令全员”，真正实现辅助决策与业务智能。

参考文献

[1]刘伟. ETC门架系统中高清车牌识别与视频监控的应用[J]. 交通世界， 2020（31）： 9-10.

[2]赵文华， 申铁军. 基于数智化的山西交通机电工程操作系统升级与管理研究[J]. 交通科技与管理， 2023（7）： 166-168.

[3]赵东昊. 自动化技术在机电工程中的应用[J]. 集成电路应用， 2022（10）： 156-157.

[4]韩彦栋， 申铁军. 浅析高速公路机电监控系统故障现象与处理方法[J]. 交通科技与管理， 2023（1）： 189-191.

[5]张璇. 智慧监控在高速公路信息化中的应用[J]. 交通世界， 2021（36）： 145-146.

[6]赵佳， 申铁军. 高速公路机电工程光纤数字传输系统故障现象与原因分析——以山西省中心视频监控系统为例[J]. 交通科技与管理， 2022（24）： 1-3.

[7]程建行. 高速公路监控系统智能化建设研究[J]. 交通世界， 2021（33）： 15-16.

[8]魏巍， 申铁军. 基于钱学森系统工程理论的山西省公路安全系统微观分析[J]. 交通科技与管理， 2023（5）： 165-167.

[9]王東平. 通信系统在高速公路收费及监控中的应用[J]. 交通世界， 2020（19）： 98-99.

[10]王晓慧，申铁军. 山西朔神高速公路科技创新体系建设实践分析[J]. 交通科技与管理， 2022（23）： 22-24.

收稿日期：2023-10-24

作者简介：申文超（1992—），男，本科，工程师，从事公路机电工作。

通信作者：申铁军（1980—），男，本科，正高级工程师，研究方向：机电工程。