高速公路交通机电新技术发展应用.ppt

高速公路机电系统 新技术发展与应用,长安大学 电子与控制工程学院 许宏科 ,高速公路交通工程简介 高速公路机电系统 高速公路通信系统 高速公路监控系统 高速公路收费系统 新技术探讨 OTN光纤通信平台 汽车牌照识别技术及其应用 车型识别技术及其应用 收费系统新模式探讨 电子收费系统 联网收费 公路隧道交通工程设计,主要内容,高速公路交通工程,1.1 交通工程的定义,我国1987年出版的中国大百科全书对交通工程的定义是：“交通工程是道路交通的发生、构成和运动规律的理论及其运用的科学，是由道路工程科学衍生而发展的。研究的对象是人、车、路及其与士地的使用、房屋建筑等综合环境之间的相互关系。目的是探求使道路交通系统运输能力最大、经济效益最高、交通事故最少和公害程度最低的科学技术措施，从而指导道路系统的规划建设和交通系统的运行管理。”,1.2 交通工程学科主要内容,“人、车特性的研究、交通流理论、交通调查、交通规划、道路通行能力、停放车、几何设计、道路交叉、交通事故和安全、交通信号和系统、交通公害、电子信息系统和交通控制、公共交通和交通节能。” 交通工程应是以道路交通为研究对象，以人、车、路和环境的相互关系为研究背景的科学。,1.3 高速公路机电系统主要内容,通信系统 监控系统 收费系统 供电系统,高速公路通信系统,2.1 高速公路信息的类型,语音 数据 图像,2.2 高速公路通信的特点,专用性强 需要传输的信号种类繁多 通信方式繁多 要求高可靠性,2.3 高速公路通信系统的组成,主干传输 光纤通信 微波通信 卫星通信 程控数字交换机系统 数据传输业务 收费系统数据传输 监控系统数据传输 管理部门间报文传送,电视图像传输 交通监视CCTV图像传输 会议电视系统 紧急电话系统 移动通信 广播 交通广播 路侧通信广播系统 通信管道工程,高速公路监控系统,3.1 监控系统概述,监控的必要性 高速公路道路本身在规划设计过程中已经充分考虑到要使车辆高速、安全、舒适地行驶，考虑到道路景观的美化。但是，高速公路建成后的交通状况和道路环境状况不是一成不变的，在很大程度上表现随机性。 交通流本身、交通干扰、道路环境。 高速公路监控系统正是针对这些变化着的道路交通状态而设置的，它将进一步确保高速公路交通的高速、安全和舒适,3.2 监控系统功能与特点,监控系统功能 信息采集 信息处理 信息发布 监控系统特点 高速公路监控系统的功能决定了系统必须具有： 实时性、稳定性和功能可扩充性等特点。,3.3 监控系统结构,3.3 监控系统结构,信息采集子系统 交通流信息 气象信息 道路环境信息 异常事件信息,信息发布子系统 向道路使用者提供信息 向道路使用者提供建议或控制指令 向管理和救助部门提供信息 向社会提供信息,3.3 监控系统结构,监控中心（监控室） 监控中心是介于信息采集子系统和信息发布子系统之间的中间环节，是监控系统的核心部分。 主要职能是信息的接收、分析、判断、预测、确认、交通异常事件的处理决策、指令发布、设备运行状态的监视和控制等。 监控中心通常由计算机系统、室内显示设备和监控系统控制台组成。,监控中心的主要硬件设备 综合控制台 交通监控单元 紧急电话控制单元 闭路电视控制单元 显示设备 大屏幕投影仪 大型地图板 系统软件 系统支撑软件 监控应用软件,3.3 监控系统设施,3.3 监控系统结构,3.4 高速公路交通流控制,主线控制 匝道控制 路网控制,3.4.1 主线控制,高速公路主线是相对于高速公路匝道及周边集散道路而言的概念。 它既包含立交与立交之间的普通路段，也包含大桥、隧道等特殊路段。 保证主线交通畅通是高速公路监控系统的基本任务，因此主线监控系统是整个高速公路监控系统的基础。, 主线控制策略,主线告警、诱导和限速 主线告警、诱导和限速控制基于主线交通事件特别是基于各种因素引起的交通阻塞。 事件发生后监控系统尽快发现异常是非常必要的。 主线监控系统对交通事件的自动检测是最基本的功能。, 特殊路段控制,弯道速度告警控制 纵坡告警控制 雾区路段控制 结冰路段控制, 变向车道控制,变向车道控制就是用控制手段使某一条车道在某一时间正向开通，在另一时间反向开通以便有效地利用高速公路的通行能力。,3.4.2 匝道控制,控制原理 匝道控制是高速公路交通控制的一部分。 匝道控制主要是在高速公路入口匝道处设置交通信号装置，通过信号灯的周期变化，调节高速公路匝道交通量，从而减少或消除高速公路主线上的交通阻塞 。, 匝道控的原则,匝道控制的原则是限制进入高速公路的车辆，使高速公路自身的需求不超过其通行能力，在高速公路上形成并保持无中断、无阻塞的变通流。, 匝道控制的策略,一是分散策略，即减少入口匝道的交通需求，把交通流量分散到其它替代路线上去。 二是延迟策略，即在分散策略不可行的情况下，减少匝道交通流区域的摩擦，延迟高峰时阻塞的开始时间，以延长主线自由流的周期时间。, 匝道控制的策略,关闭控制 定时控制 交通感应控制 自适应交通感应匝道控制 间隙可接受汇流匝道控制,3.4.3 路网控制,控制策略 监测路网系统交通流状况，将超载道路上的交通转移到通行能力尚有剩余的道路上去。 控制方法 限制：控制道路的交通需求。 分流：转移交通量。,高速公路收费系统,4.1 收费系统基本概念,收费制式 均一式，开放式，封闭式 收费方式 人工收费，半自动收费，全自动收费 通行券 印刷通行券，打印通行券，磁条通行券，条形码通行券，IC卡通行券，车载电子标签 付费方式 现金，预付款，免费，非现金收费,新技术应用与发展 1. 电子收费系统,5.1.1 电子收费系统（收费站ETC）,5.1.2 电子收费系统（自有流ETC）,5.1.3 电子收费关键问题,5.1.3 电子收费关键问题,自动车辆识别系统（Automatic Vehicle Identification，AVI） 自动车辆识别系统（AVI）使用装备在车上的射频装置向收费站的收费装置传送识别信息，如ID号码，车型、车主等，以判别车辆是否可以通过不停车收费车道。 自动车型分类系统（Automatic Vehicle Classification，AVC） 自动车型分类系统（AVC）利用装在车道内和车道周围的各种传感器装置来测定车辆的类型，以便按照车型构成实现正确收费。 逃费抓拍系统（Video Enforcement Systems） 逃费抓拍系统（VES）用来抓拍使用不停车收费车道但未装备有效标识卡的汽车牌照图像，用于确定逃费车主并通知其应交费用或处罚办法。,5.1.3 电子收费关键问题,自动车辆识别系统（Automatic Vehicle Identification，AVI） 自动车辆识别系统（AVI）使用装备在车上的射频装置向收费站的收费装置传送识别信息，如ID号码，车型、车主等，以判别车辆是否可以通过不停车收费车道。 自动车型分类系统（Automatic Vehicle Classification，AVC） 自动车型分类系统（AVC）利用装在车道内和车道周围的各种传感器装置来测定车辆的类型，以便按照车型构成实现正确收费。 逃费抓拍系统（Video Enforcement Systems） 逃费抓拍系统（VES）用来抓拍使用不停车收费车道但未装备有效标识卡的汽车牌照图像，用于确定逃费车主并通知其应交费用或处罚办法。,5.1.4 电子标签与天线,电子标签的类型 只读型 读/写型 带IC卡接口的读/写型（两片式）,新技术应用与发展 2. 汽车牌照识别,5.2.1 汽车牌照的基本元素,汉字（牌照中包括的汉字，约60个） 英文字母（AZ） 数字（09） 颜色（蓝、黄、白、黑）,云B12345,云A0781警,WJ2121345,5.2.2 汽车牌照的关键技术,找到牌照(污染、光线、恶劣天气)； 正确识别、汉字、数字、英文； 对不能识别的牌照或识别不完整的处理方法： 图像匹配技术； 出入口图像人工核对(对网络的要求)。 识别率、拒识率和误识率 识别率+拒识率+误识率=100%，误识率应达到最小。 对应特征位匹配,5.2.3 汽车牌照的基本组成,5.2.4 汽车牌照的应用,防止倒卡、换卡 卡口管理 行车时间测算 对应特征位匹配,新技术应用与发展 3. 视频事件检测,5.3.1 基于视频检测的交通监控系统,基于视频检测的交通监控系统可以检测、跟踪车辆，划分车辆类型，估计车辆的行驶速度，监测违章驾驶、道路异常情况和事故，并通过车牌检测确认车辆，从而采集有关道路交通的实时数据。 可以监视目标区的运动目标的行为，如收费员与司机在收费过程操作是否规范，实现视频画面中的大范围遮挡自动报警等。,5.3.2 视频事件检测原理,运动目标检测是监控系统的前提和关键，能否准确、有效的分割出运动目标直接关系到后续工作的难易程度和系统的整体性能。 现有的运动目标检测方法主要有光流法，邻帧差法和背景减法。,5.3.3 视频事件检测结构,5.3.4 视频检测原理（图像增强）,运动目标检测是监控系统的前提和关键，能否准确、有效的分割出运动目标直接关系到后续工作的难易程度和系统的整体性能。 现有的运动目标检测方法主要有光流法，邻帧差法和背景减法。,5.3.5 视频图像处理,5.3.6 基于视频图像的交通流检测,新技术应用与发展 4. 无线网络,5.4.1 无线网络在公路建设中的应用,无线网络拓扑图,5.4.1 无线网络在公路建设中的应用,施工、监理驻地的固定点监控基本结构图,5.4.1 无线网络在公路建设中的应用,视频会议系统结构图,5.4.1 无线网络在公路建设中的应用,5.4.2 ZigBee技术,ZigBee技术是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。 ZigBee协议使用IEEE 802.15.4规范的介质访问层和物理层，并进一步定义了网络层和应用层。 ZigBee支持三种网络拓扑结构星型网、对等网和混合网。 体系结构如图所示。,5.4.2 ZigBee技术,5.4.2 ZigBee定位技术,室内定位,室外定位,节点模块、协议网关、软件协议栈。 基于Zigbee协议标准,5.4.3 无线传感终端设备产品系列,不同终端、不同网络间的互连及协同计算,5.4.4 无线网络环境,ZigBee传感器 电线杆网络概念图,5.4.5 基于无线Mesh网络的高速公路雾天智能诱导系统研究,诱导灯箱组,隔离带,蜂窝无线MESH网络,新技术应用与发展 5. 交通信息化,5.5.1 信息化与信息化技术概念,信息化起源 信息化的概念起源于60年代的日本。 1963年，日本学者在题为论信息产业的文章中，提出“信息化是指通讯现代化、计算机化和行为合理化的总称。” 信息化被译成英文传播到西方。 西方社会普遍使用“信息社会”和“信息化”的概念是70年代后期才开始的。,5.5.2 信息化与信息化技术概念,中国信息化 1997年召开的首届全国信息化工作会议，对信息化和国家信息化定义为： 信息化是指培育、发展以智能化工具为代表的新的生产力并使之造福于社会的历史过程。 国家信息化是指在国家统一规划和组织下，在农业、工业、科学技术、国防及社会生活各个方面应用现代信息技术，深入开发广泛利用信息资源，加速实现国家现代化进程。,5.5.3 信息化发展一般流程,手工,单计算机,局域网,广域网,资源局部共享 网络应用系统推广,实现真正的数据交换脑、资源共享 实现统一的管理,传统流程计算机化 减轻劳动强度,5.5.4 我国信息化发展回顾,准备阶段 1993年以前 启动阶段 1993年3月至1997年4月 展开阶段 1997年4月至2000年10月 发展阶段 2000年10月至今,5.5.5 高速公路信息化建设发展现状,三大系统支持着高速公路信息化建设,收费系统,监控系统,通信系统,5.5.6 高速公路信息化建设发展现状,收费系统 基本上实现了半自动收费 人工判型、计算机管理、闭路电视监视 全国基本实现了联网收费（一卡通工程）,信息化技术 计算机控制技术 计算机网络技术 视频监视技术 通行券技术（条码、IC卡）,5.5.6 高速公路信息化建设发展现状,监控系统 组成：信息采集子系统、信息处理子系统、信息发布子系统和信息传输子系统 形式：交通图像监视、交通流监视,信息化技术 视频监视技术 视频事件检测技术 交通流检测技术 线圈、微波、视频等 全程监控技术,气象/环境监测技术 道路环境、隧道环境,5.5.6 高速公路信息化建设发展现状,通信系统 通信系统是高速公路信息化建设的传输载体 传输媒介：从电缆到光缆，目前主干均采用光纤通信。 主干传输方式：两个阶段 基于PDH的异步传输方式 基于SDH的同步传输方式 接入方式：综合业务接入网 程控数字交换系统,5.5.7 高速公路信息化建设一些思考,高速公路信息化与信息化技术 举例：收费是一项具体的业务。 人工收费：完成收费业务 半自动收费/自动收费：利用信息化技术完成收费业务，在一定意义上提高管理水平。 收费（计重收费）数据（包括交通量数据）的分析与挖掘：用于道路养护、决策、道路规划、收费管理等。 因此