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高速公路监控策略与系统设计 摘要 随着经济的发展和社会的进步，高速公路交通需求迅速增长，交通拥挤日 渐严重，安全事故频繁发生，如何解决这一问题，已经成为长期困扰人们的难 题。作为智能运输系统一部分的高速公路监控系统为该问题的解决给出了可行 的方案。 本文概述了目前国内外高速公监控系统研究现状，分析了高速公路监控系 统的目标和作用，了解监控系统硬件设备的组成和功能，为监控系统的设计、 开发提供了基础。 在此基础上，通过讨论高速公路交通流模型，明确了高速公路交通流特点 和各交通参数间的关系。分析了高速公路各种控制策略的特点，提出了安景高 速公路安徽段的控制策略。深入研究安庆至景德镇高速公路安徽段监控系统的 系统构成、功能需求，外场设备布设方案及设备选型。 关键词：高速公路监控系统交通流模型控制策略 t h ee x p r e s s w a ym o n i t o r i n gs t r a t e g ya n ds y s t e md e s i g n a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dt h es o c i a lp r o g r e s s ，t h en e c e s s i t yf o r e x p r e s s w a yt r a n s p o r tr a i s e dv e r yr a p i d l y t r a f f i cc o n g e s t i o ni sb e c o m i n gm o r es e r i o u sd a y b yd a y , w h i c hl e a d st of r e q u e n ta c c i d e n t s i th a sl o n gb e e nad i l e m m at os o l v es u c ha p r o b l e md i s t u r b i n gp e o p l e a sap a r to ft h ei n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，e x p r e s s w a y m o n i t o r i n gs y s t e mp r o v i d e saf e a s i b l es c h e m et os o l v es u c hab o t h e r t h ea r t i c l e ，b ys t u d y i n gt h ep r e s e n tr e s e a r c ho ft h es y s t e mo fi n s p e c ta n dc o n t r o lo f e x p r e s s w a ya b o u to u rc o u n t r ya n do t h e rc o u n t r i e s ，w h i l ea n a l y z i n go b j e c t i v ea n df u n c t i o n a n de x p r e s s w a ym o n i t o r i n gs y s t e m ，a n dc o m p r e h e n d i n gt h ec o m p o s i n ga n dt h ef u n c t i o no f t h es y s t e mo fi n s p e c ta n dc o n t r o lo fe x p r e s s w a y b a s e do nt h ea b o v ec o n c e p t i o n ，t h ea r t i c l eb ys t u d y i n gt h et r a f f i cf l o wm o d e lo f e x p r e s s w a y , e x p o u n d sr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt r a f f i cc h a r a c t e r sa n d e v e r y t r a f f i c p a r a m e t e r s t h ea r t i c l em a k e sa n a l y s i so fc h a r a c t e r so fv a r i o u sc o n t r o l l i n gs t r a t e g i e sf o r e x p r e s s w a y , w h i l ep u t t i n gf o r w a r ds u g g e s t i o n sf o rt h ec o n t r o l l i n gs t r a t e g yo ft h es e c t i o no f a n h u ip r o v i n c eo fa n q i n g j i n g d e z h e ne x p r e s s w a y , a n dm a k e sa ni n - - d e p t hs t u d yo ft h e s y s t e m a t i c a lc o m p o n e n t ，r e q u i r e m e n to ft h ef u n c t i o n s ，a r r a n g e m e n ts c h e m eo fs i t e e q u i p m e n ta n do p t i o no fe q u i p m e n to ft h es e c t i o no fa n h u ip r o v i n c eo fa n q i n g j i n g d e z h e n e x p r e s s w a ym o n i t o r i n gs y s t e m t h ea r t i c l eb ys t u d y i n g t h et r a f f i cf l o wm o d e lo f e x p r e s s w a y , e x p o u n d sr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a f f i cc h a r a c t e r sa n de v e r yt r a f f i cp a r a m e t e r s ， k e yw o r d s ：e x p r e s s w a y , m o n i t o r i n gs y s t e m ，t r a f f i cf l o wm o d e l ，c o n t r o l l i n g s t r a t e g y 插图清单 图2 1 交通监控过程图9 图2 2 高速公路监控系统构成图l l 图2 3 高速公路监控中心系统构成图1 2 图2 4 监控中心设备构成图1 4 图2 5 外场监控系统构成图1 6 图3 1 安景高速公路地理位置图2 0 图3 2 下雨条件下的道路通行能力2 5 图3 3 转向车道的设计3 l 图4 1 安景高速公路安徽段监控系统功能示意图3 4 图4 2 安景高速公路安徽段监控系统组成结构图3 6 图4 3 安景高速安徽段闭路电视构成图3 8 图4 4 路段监控中心设备布置示意图4 1 图4 5 路段监控中心设备构成图4 1 图5 。1 隧道监控系统设备构成图4 8 图5 2 路段监控中心+ 隧道管理站+ 现地监控设备三级管理模式5 3 表格清单 表3 1 安景高速公路安徽段车型预测2 4 表3 2 安庆至景德镇高速公路安徽段预测交通流量与服务水平表2 9 表5 1 隧道等级表5 2 表5 2a 级隧道监控外场设备配置表5 4 表5 3b 级隧道监控外场设备配置表5 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金盟王些盔堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：乡7 年砌矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金月巴王些太堂 有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和f 兹盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权 金目曼王些太堂 可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论 签字日 学位论 工作单位： 通讯地址： 师签名： 秘缈 签字日期：唧年溯7 日 电话： 邮编： 致谢 时光飞逝，转眼己到毕业时，回想二年多求学路上的一点一滴，感触颇多。 论文完成之际首先要感谢我敬爱的导师一一张代胜教授，感谢他给予我学业细 心的指导和帮助，给予我生活上深切的关怀。张老师渊博的科学知识、严谨的 治学态度、高尚的道德情操，使我受益匪浅。本论文是在张老师的悉心指导及 不断的鼓励鞭策下完成的。二年多来，导师不遗余力地谆谆教诲，不仅保证了 学业的顺利完成，而且使本人的专业理论水平与科研能力得到拓宽和提高，这 必将为我今后的工作和学习奠定良好的基础。 其次要感谢在平时学习和论文创作过程帮助过我的交通工程教研室的所 有老师，以及本专业的师弟师妹们。尤其要感谢李静、张林涛、梁子君、汪成 明、仇彬、董婉丽、彭敏、初长宝、李进、阎耀双、胡军义、陈彦夫等，感谢 他们热心和真诚的帮助。感谢安徽省公路勘测设计院智能交通分院的叶林海院 长、罗东伟工程师，感谢安徽省高速公路总公司安景项目办主任杨朝辉处长。 最后，感谢我的父母对我的支持与鼓励，如果没有家人的理解与支持，我 不可能顺利的完成学业。为此我要衷心的感谢我的家人，谢谢他们无私的关爱。 作者：田旭旺 2 0 0 7 年1 2 月 1 1 研究背景和意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 自从1 9 8 8 年大陆出现高速公路以来l l 】，全国各地正在掀起修建高速公路和 高等级公路新的高潮。尽管我国还处于高速公路发展的初期，交通量还相对比 较低，要达到和接近通行能力还有一定距离。但随着国民经济的迅速发展，汽 车的保有量迅速增加，高速公路，尤其是城市高速公路上的交通拥堵频发，交 通效率降低。车辆延误造成的经济损失数额巨大，交通拥堵引起的燃油消耗成 倍增加。据统计，美国2 4 6 7 4 k m 的城市高速公路l9 8 4 年因拥挤造成的直接损 失( 延误和能耗) 以高达9 2 0 亿美元，2 0 0 5 年达到5 0 4 8 亿美元。目前我国部 分高速公路己开始出现自然拥挤( 常发性拥挤) ，例如上海内环高架快速干道在 19 9 6 年下半年日断面流量己达7 万辆，大大超过了设计日断面流量5 万辆的水 平，19 9 6 年1 1 月就发生了1 0 0 0 多起事故，造成重大的经济损失。因此如何避 免拥挤或减轻拥挤造成的影响，保持高速公路高速、安全、舒适和高效的特性， 不仅是发达国家，也是我国高速公路运营中要解决的主要问题。 高速公路是全封闭、全立交的道路，在高速公路上运行的车辆行驶速度快， 车流量大，其理想特征是“安全、快速、高效、舒适、方便 。然而，不断增长 的交通需求，使交通变得拥挤、交通事故率上升，造成巨大的经济损失，也带 来更严重的社会问题。这种现象不仅在发展中国家，在美国等发达国家也变得 越来越严重。我国高速公路起步较晚，上世纪8 0 年代末相继建成沪嘉、沈大、 广佛等高速公路，进入9 0 年代，我国高速公路的发展进入突飞猛进阶段，经过 十多年的建设，目前已突破3 x10 4 k m ，高速公路总里程已跃居世界第二。随着 西部大开发和加入w t o ，经济建设对交通需求也日益增加。根据交通部“十五 规划，到2 0 10 年和2 0 2 0 年，我国高速公路里程将分别达到3 5 10 4 和5 5 1 0 4 。 在高速公路建设初期，我国高速公路的交通流量远远没达到设计标准，因此对 高速公路的监控特别是“控制”不够重视。然而，目前我国的部分高速公路已 经开始出现了自然拥挤现象，因此高速公路监控系统就显得尤为重要。 高速公路监控系统有信息采集、数据传输、中心控制和信息发布等组成。 在中心控制子系统的统一管理下，通过公路沿线的车辆检测器、气象监测器、 能见度监测器、摄像机等信息采集设备，准确计算道路交通数据，有效监测道 路的交通、气象状况，及时掌握道路运营状况，将交通量分布、气象参数、车 辆运行情况等信息即时采集到监控中心，经计算机处理形成交通控制方案，再 经过可变情报板、可变限速标志发布诱导信息，不仅有利于交通管理部门针对 已经出现或即将出现的拥堵情况进行交通分配、诱导和控制，避免和疏导交通 拥堵；同时也可以为出行者提供有意义的参考，协调道路使用者在合适的时间 选择最佳路径，最快的到达目的地，避免时间和金钱的浪费，使高速公路的交 通流始终保持在最佳的运行状态，及时发现和处理交通事故并减少事故的发生 率，提高道路通行能力。 1 1 2 研究意义 交通监控是对高速公路交通流运行状态及其交通设施和交通环境的监测 ( 视) 与控制。监控系统是保证行车“安全 和道路“畅通”，实现高速公路运 行管理的重要手段。通过系统迅速掌握交通流和交通环境等多方面的信息，科 学地管理交通运行；合理制定交通控制方案并评价其效果，预防常发性拥挤的 发生，及时制止和纠正交通违章行为；迅速探测出交通事件，对交通事故进行 有效排除和救援；定时提出交通运行报表等。近年来随着公路交通管理任务的 扩大，监控系统功能也在不断增加。如通过监测获取道路冬季使用状态和特大 桥结构应力应变数据，以制定冬季道路养护计划和对特大桥实施按需维修等。 高速公路监控系统是实现高速公路大流量、快速和安全的重要保证，其成 本虽然仅占公路全部投资的5 一1 0 ( 国外一般情况) ，但却发挥着举足轻重 的作用，不仅能改善交通高峰期间车辆行驶的平均速度，增加高峰期间的交通 量，减少交通堵塞程度和车辆延滞时间，同时也能大大减少交通事故和保证交 通安全，节约燃料和减少车辆的磨损，缩短运输时间，减少污染，发挥高速公 路快速、安全、舒适和高效率的功能。 1 2 国内外研究现状及研究趋势 对高速公路监控系统的研究国外起步较早，发展到现在己经比较完善，美 国、加拿大、欧洲、日本在监控系统的研究方面走在了世界的前列【2 1 。美国自 5 0 年代开始大规模修建高速公路，1 9 6 0 年以后把注意力集中在高速公路的运行 和管理上。芝加哥、底特律、休斯敦、洛杉矶、纽约等一些主要城市的高速公 路都设置了不同规模的监视控制系统。芝加哥在19 6 1 年制定了区域高速公路监 视计划，采用存在型车辆检测器获得的数据来研究高速公路上的一些交通现象。 19 6 2 年在阿依赞快速公路的两段设置了监视系统，安装了近7 0 0 只电感环式 车辆检测器，用电话线与中心计算机连接。全线安装了3 0 0 只紧急电话，配置 了2 5 辆巡逻车并在4 处设置了道路信息板。在中心控制室里有图形显示器，显 示全线交通情况，并用c r t 说明细节。1 9 6 5 年又通过车辆检测器、遥测装置 和电子计算机自动地控制了入口匝道处的交通量和信息标志，从而达到了线路 2 的最佳运行状态。 1 2 1 国外高速公路监控系统研究现状 纽约港湾公司所属的林肯隧道( 全长2 5 k m ，三车道) 和荷兰隧道( 全 长2 5 k m ，二车道) 也有监控系统实施管理。每一车道上设置9 只环式检测器， 6 只光电式检测器，安装9 部摄像机，并由巡逻车向控制中心传送信息。两个 隧道各用两台计算机来处理交通数据，并可根据每车道的交通量用信号机来控 制隧道入口的进入车辆数，使其密度不超过规定值3 5 辆k m 如今美国联邦公 路局正在制定一系列旨在推进全国性的智能运输系统计划，以保障安全、提高 效率、协调合作，节约能源。智能运输系统是一项涉及众多组织协调合作，共 同研究、开发、实施、调控的大系统，它的基本构成为：( 1 ) 先进的交通信息 系统( a t i s ) ；( 2 ) 先进的交通管理系统( a t m s ) ；( 3 ) 先进的车辆系统( a v c s ) ； ( 4 ) 先进的公共交通系统( a p t s ) ；( 5 ) 商用车辆运营系统( c v o s ) 。 智能运输系统将智能化地收集交通数据，分析这些数据，并将注释的信息反馈 给系统的操作者或驾驶员。借助于这样的交通信息，系统的操作者或车辆驾驶 员能迅速做出反应，使交通状况得到进一步改善。 在欧洲，也有许多国家在高速公路上配置功能完善的监视控制系统【3 j 。意 大利的那不勒斯收费公路上的t a n a 系统就是一个典型的例子。该公路全长 2 0 k m ，共有6 车道，每天车流量达6 万辆；沿线有4 个双洞隧道，每个隧道长 超过8 0 0 m ，全线共有1 0 个立交点。t a n a 系统在公路主干线上，入口匝道、 出口匝道以及隧道入口处共安装6 6 4 只环式检测器，每2 5 0m 一只( 隧道内每 1 2 5m 一只) 。由3 种气象检测器分别给出下雨和路面结冰的信号。全线共设置 有1 4 9 块各种形式的道路信息板，其中有5 5 块带式信息板，每块板的可变显示 内容有3 0 多种，显示面积为1 2 mx1 2 m 。控制室里的图形显示面积为4 5 m 2 5 m ，显示板上共有7 6 7 只显示灯泡，标出系统输出状态信息，交通状态等。 全系统采用了3 台计算机，双机备份，因此可以大大减少停机的时间。 日本高速公路监视控制系统的研究是1 9 6 8 年开始的【4 】。日本高速公路监 视控制系统采取三级管理体制。全国共有六个管理局，每个局下属若干个管理 处，对所管辖外场终端设备进行监视和控制。由于日本的地形和国土面积限制， 高速公路上因车辆过多造成的片段阻塞占全部堵塞的3 4 ，因而日本高速公路 交通管理系统的出发点是以正确把握交通状况为先决条件，通过设置各种形式 的车辆检测器测量通过车辆数目，并计算出速度、密度、占有率等交通参数， 借助紧急电话、巡逻车、闭路电视等对交通状况进行监视。将这些参数和状况， 经人工后计算机处理并做出综合判断，选择最佳控制方案，通过道路情报板、 无线电台广播等手段，对高速公路的交通情况进行调节和控制。其准则是：使 公路上的交通量保持在最大容许的数值上，行驶速度不低于规定的设计值，不 出现堵塞现象，最大限度地减少车辆行使的延误时间等。 加拿大的4 0 l 国道主干区段一般有1 6 车道，交汇区段最多达到2 4 车道， 日交通量超过2 0 万辆，在如此高占有率的道路上，一旦发生交通异常，感知时 问即使推迟1 分钟，也会造成严重的后果，建设主管部门正是看到了这一点， 才在道路上设立了完善的监控设施：车辆检测器每8 0 0 m 一组，每1 5 s 信息上 传至中心控制室；摄像机监视全线，每组相距不超过l k m ；情报板诱导标志不 到l k m 设置一组；另有相当数量的指令电话，业务电话，救援服务等措施相 配合，对全线进行实时监测，道路上任何异常情况，在2 分钟之内中心控制室 就可以感知。 其它国家如德国、英国等也都在高速公路上设置了类似完善的监控设施。 高速公路实时监控的实现给这些国家带来了很高的社会经济效益。 近几年来，随着计算机技术、自动化控制技术和通信技术的发展，一些国 家高速公路监控系统的技术结构也在随之变化。多计算机功能分散的计算机网 络处理方式代替原来由单一的计算机集中处理方式，从而使系统可靠性提高， 程序编制简单，易于维护和功能扩展在通信技术方面，由于光缆的问世，基 于其损耗低、频带宽、无感应、高绝缘等特点，许多监控系统己用光缆取代传 统的电话线、电缆等传送电视信号和数据、语音信号。 1 2 2 国内高速公路监控系统研究现状 我国高速公路发展起步较晚，由最初的争论“要不要修建高速公路争” 到目前为止，全国高速公路一条条的修建起来，不到1 0 年时间已建成高速公 路通车里程超过1 万k m ，还有一批正在规划修建之中。由于受到经费的制约和 高速公路上交通量不大等原因的影响，已建成的高速公路一开通就有完善的监 控系统的几乎没有，随着高速公路交通安全问题的日益突出，建设主管部门己 对高速公路监控的重要性有了进一步的认识，已在沈阳一大连，广州一佛山， 合肥一南京，成都一重庆，上海一南京等高速公路上建成了一定规模的监控系 统。 安徽省高等级公路指挥部于1 9 9 3 年6 月建成了合宁高速公路( 合肥一南 京的安徽段) 交通管理系统，这是一套管理区间较长、功能比较齐全、各配制 比较完整的国产化的大型电子系统工程。整个系统由通信、监控、收费、电源 四大部分组成，包括：数据采集、中心控制、信息显示、移动通信、设备电源、 直流远供电缆工程、铁塔等10 几个子系统，总设备量近15 0 0 台( 套) 。合宁 高速公路交通监控系统的开发和应用，探索出一条国产化道路。它的开通使用， 为合宁高速公路交通管理步入现代化、规范化和科学化，提供了可靠的物资保 4 证。 广佛高速公路全线共长15 9 7 k m ，它的监控系统是国家“七五 攻关项 目“高速公路监控系统研究”的依托工程。该系统采用总线传输，双机冷备份， 分前、后台工作，全线布设车辆检测器，每组间隔5 0 0 m l5 0 0 m 不等，共设 9 组检测器，主线设置7 块可变限速标志，4 块可变信息板，每公里一部紧急电 话，4 台摄像机，一块模拟地图屏，是我国第一条有比较完备的监控系统的高 速公路。 沈大高速公路全长3 7 5 k m ，设一个监控中心，沿线下设7 个监控分中心。 沈大高速公路监控系统是由监视系统、控制系统、情报系统、传输系统和中心 控制与显示系统五部分组成。全线设置了2 6 块可变速度标志，1 2 块可交情报 板，每2 公里安装1 对紧急电话。 沪宁高速公路江苏段全长2 5 8 4 6 k m ( 其中含镇江支线1 0 2 5 k m ) ，全线有 1 个交通监控中心、5 个分中心、2 0 个收费站、6 个服务区、2 0 处互通式立交。 沪宁高速公路江苏段位于经济发达的长江三角洲，交通流量大；其优良的道路 性能，为行车速度的提高提供了良好的硬件条件；而江南地区的水网和丘陵地 貌，十分复杂的气候条件，特别是大雾和冰冻严重影响着车辆交通安全。因此， 沪宁高速公路建设一个具有高性能、多方面的检测手段，直观的数字检测显示、 图像监视、完善的紧急电话报警功能，能及时、动态的发布警示、诱导信息的 监控系统是十分必要的沪宁高速公路江苏段交通监控系统由三级监控系统构 成： ( 1 )各类外场设备自身所形成的相对独立的检测交通和气象状况的监测 子系统，发布各种警示和诱导信息的显示子系统，相对独立设立的紧急电话报 警子系统以及观察道路交通情况的闭路电视子系统； ( 2 ) 5 个监控分中心( 分别位于南京、镇江、常州、无锡和苏州管理处) 负责管辖各自区段的外场设备、采集数字和图像信息、接受和发布各种控制命 令及传输各类数字和图像信息的分系统；1 个监控中心，接受各分中心监控系 统传输的各类数字和图像信息，监视全路段的交通运行情况，向分中心发布各 种控制命令。沪宁高速公路全线共设置了9 6 套车辆检测器，5 个监控分中心的 管辖段内各设置了1 套能见度检测器，在水网地区( 苏州) 和丘陵地区 ( 镇 江) 各布设了1 套气象检测器，沿线设置了3 6 台闭路电视摄像机，3 6 块可变 限速标志，在主要进出口匝道处设置了2 9 块可变情报板，按每公里1 对的原 则，设置了紧急电话2 5 8 对。监控中心设有大屏幕投影系统，监控分中心计算 机系统，闭路电视监控系统和紧急电话系统。监控中心和分中心的监控系统软 件均为西班牙i n d r a 公司研制开发的s i g a 一2 0 0 0 软件。 成渝高速公路龙泉山隧道监控系统安装了德国s b h 公司的成套设备。针 对公路隧道固有的问题：有限的空间、“黑洞 效应、废气和可能发生的火灾或 偶发事件，全系统相应的分为交通、照明、通风、火灾或事故报警、闭路电视 监视、系统供电、计算机网络和有线广播等8 个控制单元。龙泉山双隧洞监控 设备相同，由中央控制室分别控制。整个监控系统均由计算机控制，中央控制 室只需少量工作人员就能进行全面准确的监控。 从以上论述可以看出我国的高速监控系统的状况与国外差距较大，车辆检 测器、摄像机、情报板的布设密度偏低，所用的监控软件一般也是由国外引进 的。由于我国的情况与发达国家存在差异，车辆性能低下，交通组成复杂，所 以在学习国外先进经验的同时必须结合我国的国情，研究适合我国国情的系统 和软件。 1 2 3 高速公路监控系统的研究趋势 高速公路交通控制系统的控制策略经历了从静态到动态，从局部到全局的 发展历程。对于高速公路来说，全局动态监控是解决高速公路交通问题的主要 手段。结合我国高速公路的发展现状，我国高速公路控制策略研究方法和研究 趋势为5 】【6 1 ： ( 1 ) 静态控制和交通量动态预报相结合 我国高速公路的建设起步较晚，其设计能力远大于目前的交通量，道路本 身的调节能力比较强，虽然匝道控制的静态控制设计比较简单，但通过和交通 量预报相结合的静态方案比较适合我国高速公路的控制现状。 ( 2 ) 交通控制系统智能控制的设计方法。 复杂的交通控制凭单一的控制模式，仅采用数学工具或计算机仿真都难于 解决。人们在实际控制过程中看到熟练的调度人员、技术人员或专家却能很好 的控制交通，如果把调度人员、技术人员或专家的经验知识和控制理论相结合， 这相当于人直接参与交通控制，使控制效果达到或超过人的管理水平，这种方 法就称为智能交通控制，是交通控制的发展方向。 1 。3 论文的主要研究内容 本文对高速公路监控系统的构成、功能进行探讨，结合安庆至景德镇( 安 景) 高速公路安徽段项目实际情况，提出高速公路监控系统的外场设备布设原 则、监控中心功能分析和交通控制策略实现方法，从而有效控制高速公路交通 流量、减少交通拥堵和交通事故、改善环境、节约能源，提高高速公路通行能 力和服务水平，充分发挥其经济效益和社会效益。 研究的主要内容如下： ( 1 ) 高速公路监控系统功能、构成分析； 6 ( 2 ) 高速公路监控系统各个子系统的研究； ( 3 ) 提出了安景高速公路安徽段的交通流模型和交通监控策略。 ( 4 ) 安景高速公路安徽段监控系统研究，提出该路段的总体设计方案； ( 5 ) 在研究了安景高速公路安徽段总体结构的基础上，提出了该路段的监 控模式，详细论述了该路段监控系统中监控中心的构成和组成设备的主要技术 指标，外场监控设备的配置及主要技术指标，并给出了全线外场监控设备的布 设图。 ( 6 ) 由于本路段桥隧众多，结合本路段的具体情况，对几座大型隧道进行 了较详细的研究与外场监控设备布设。 7 第二章高速公路监控系统概述 高速公路交通工程机电系统由收费系统、监控系统、通信系统三大系统【7 1 ， 以及照明和通风系统和供配电系统组成。收费系统对道路的使用者按既定的费 率征收通行费，以回收道路建设投资。通信系统为收费和监控系统提供信息传 输的通道。监控系统是三大系统的核心，它对高速公路交通流状态和交通环境 进行监测，并根据需要对交通流进行诱导和控制，保证车辆运行畅通、减少交 通事故、降低事故的危害性。高速公路监控系统由外场监控设施、站场监控室 和各级监控中心组成，是实现高速公路运行管理的重要手段。 高速公路监控系统是智能交通系统( i t s ) 的重要组成部分【8 】【9 1 ，在我国的 i t s 的框架中属于第五个服务领域( 紧急事件和安全系统) 。目前我国的高速公 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、 交通混乱的地段，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。 2 。1 监控目的和功能 高速公路应用交通监控系统对高速公路进行全面的监视和控制，对高速公 路的正常运行和发挥其效益起着极为重要的作用。所谓监视，就是指利用路面、 路旁的数据采集、检测设备和人工观察对道路交通状况、路面、天气状况和设 备工作状况等参数进行实时观察和测量，并通过通信系统送至监控中心。所谓 控制，就是依据监视所得到的各种数据，按照一定的模式进行分析、判断和决 策，并将最终的决策结果和下达的控制命令通过通信系统传送到信息发布设备 ( 可变情报板和可变限速标志) 、收费口控制设备或在匝道控制设备，以促进行 车安全，提高行车效率，对于引起延误的事件，迅速响应，提供紧急服务，快 速排除事件，把事件引起的延误控制到最小值，从而达到调节和控制道路交通 状况的目的。 。 为此高速公路监控系统设计的主要目的是通过对高速公路全线的交通流量 检测、交通状况的监测、环境气象检测、运行状况的监视，产生控制方案，从 而达到控制交通流量、改善交通环境、减少事故、以使高速公路达到较高的服 务水平，具体来说可以实现以下目的： ( 1 ) 通过对过量进入的车辆进行控制来解除拥挤； ( 2 ) 减少延误； ( 3 ) 减少高速公路的事故； ( 4 ) 保证高速公路的服务水平； 8 ( 5 ) 发挥其经济效益和社会效益； 通过高速公路监控系统能预先知道交通运行的状况、尽早发现问题、尽快 解决问题、避免交通堵塞、保证交通安全，维持道路运行在某个特定的服务水 平上。通过对高速公路的监视和控制来对其进行管理，特别是在保证交通安全 和道路畅通等方面，维持一个较高的服务水平起着相当重要的作用。 车辆行驶高速、快捷、安全、舒适是高速公路交通的本质特征。然而，偶 发事件如：交通事故、车辆抛锚、货物散落和气候变化却不可避免，如果得不 到及时处理，势必引起交通堵塞甚至成为安全隐患。高速公路监控系统的主要 功能就在于实时检测这些异常信息，并采取及时有效的控制措施。 具体而言，其功能主要包括以下几项： ( 1 ) 准确及时采集交通流、交通环境和主要交通设施状态的各种信息； ( 2 ) 根据已掌握的信息，迅速做出有针对性地处理和优化控制方案，并立 即执行； ( 3 ) 建立多种信息发布渠道，为用户提供信息服务，通过驾驶员调整行驶 行为，到达交通流动态平衡； ( 4 ) 专项监控：如探测和确认交通事件；隧道火情监控；冬季路面使用状 态检测等； ( 5 ) 对交通事故能做出快速响应，迅速排除事故根源和提供救援服务； ( 6 ) 建立道路交通数据库，用以支持道路运行状况评价，为改善道路经营 和交通管理的决策提供数据分析。 2 2 监控过程 交通监控过程如图2 1 所示【10 1 ，输出为车辆运行状态，输入为控制指标， 受控对象为交通流，道路、交通和气象环境等各种影响交通流的因素作为系统 的干扰输入；表征交通流状态特征的信息历经采集、处理、决策和执行各个环 节，遵循反馈控制原理，按预定指标完成控制任务。 广 l 监控对象 i i ! 奎兰兰! l 图2 1 交通监控过程图 9 2 3 监控系统设计的原则 在监控系统设计中，应遵循以下几点设计原则： ( 1 ) 安全性和可靠性：选择成熟可靠的设备、合理的冗余， 全性，保证系统可靠运行； ( 2 ) 先进性和实用性：综合考虑国内外交通监控发展趋势， 术和设备，同时尽量节约投资，保证最优的性价比； 提高系统的安 采用先进的技 ( 3 ) 系统性：结合整个路网的情况，全面地考虑监控系统的设计，使系统 设计合理、协调统一，在布设上避免重复、矛盾，以最大限度地发挥系统的功 能和整体的效益； ( 4 ) 协调性：与路段其它系统相互配合、协调，最大限度发挥交通工程设 施的整体作用；与相邻路段进行协调，保证路网的安全畅通； ( 5 ) 可扩充性：选用开放和兼容性好的设备，使系统易于扩充和升级； ( 6 ) 易于操作、便于维护：系统具有友好的人机界面，实现模块化，使系 统易于操作，便于维护和管理； ( 7 ) 远近结合、合理设计：考虑到随着交通量的增加和路网的扩展完善， 监控系统的规模会逐渐的扩大，因此采用“一次设计，分期实施”的原则，尽 量一次设计完善，分期、分批实施，并尽可能做好预留预埋工作，以保证建设 资金的合理利用和扩展； 在高速公路监控系统设计当中，下面几个问题是至关重要的】： ( 1 ) 监控系统体系结构的确定 ( 2 ) 监控策略的选择 ( 3 ) 外场设备的布置 ( 4 ) 信息的传输和控制方式 其中，监控系统体系结构和监控策略的选择是起着至关重要的重要性。因 此本文将结合安景高速公路安徽段重点论述这两部分内容。 2 4 高速公路监控系统的结构 监控系统控制方案的确定与执行的基础是一个结构完善，功能齐全的监控 控制系统，高速公路监控系统由监控中心，外场设备和通信传输系统构成，监 控控制系统的结构如图2 2 所示【1 2 】。监控中心由交通状态检测子系统和交通控 制子系统组成；外场监控系统由交通信息采集子系统和交通信息提供子系统构 成。其系统构成如图2 2 所示。 1 0 业务设施与人员监控中心设施 巡逻车 | | 计算机系统 养护车 | 语言信息一| i r ： 路上工作人员 |l 闭路电视系统 道路使用者 |i j 收费站 ；业务电话： 大屏幕投影 i r 管理处 i ： i 气象检测器 气象信息i 控制台 kt 车辆检测器 交通信息 遥控摄像机 |- ； 图形计算机 业务电话 - - 业务电话 斗 情报板 + 外场 川川川 医疗救护 消防 交通警察 路政部门 养护工区 收费站 大型情报板 小型情报板 信息收集 中央控制 信息提供 图2 - 2 高速公路监控系统构成图 如图2 2 所示，高速公路监控系统控制策略的形成包括以下几个方面： 通过车辆检测器、气象检测器采集到现场交通参数及气象信息参数并利用 控制计算机进行事件的自动判别，并通过其它途径，包括巡逻车、养护车、路 上工作人员等获取交通事故及路面维护等信息，以及从紧急电话，业务电话获 取车辆事故的信息； 高速公路外场摄像机是观察高速公路上交通状态和确认事件的最重要最直 接的手段，每台摄像机视频图像窗口初始位置均设置在能覆盖各自区域的相应 预置点上，例如出现紧急电话报警时，会有对应的外场摄像机将紧急电话附近 的区域迅速锁定，以保证路上任何一点发生事故，均能在相应的视频监视窗口 观察并对事件进行确认。 事件确认后，由计算机系统自动形成控制方案由工作人员确认正确后执行， 方案包括出动救护、排障等车辆、通过情报板、路侧广播向道路使用者显示警 告、限速、车道关闭甚至道路关闭等信息以引导或疏散交通流，并通过业务电 话向医院、消防、交警部门报警要求协调处理。 2 5 监控中心 监控中心是介于信息采集子系统和信息提供子系统之间的中间环节，是监 控系统的核心部分【1 3 】。它的主要职能是信息的接受、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。根据公路里程的 长短、道路状况和监控功能需求的不同，监控中心有集中式和分布式等形式。 对于集中式而言，一条高速公路只有一个监控中心；对于分布式而言，一条高 速公路设一个监控中心，下辖若干个分中心，每个分中心管辖一个路段、一座 大桥、一条隧道或一组匝道控制设备。对于高速公路网而言，监控系统的规模 更大，需设路网监控中心对各高速公路监控中心进行协调管理。监控中心的系 统构成见图2 3 。 2 5 1 监控中心的功能 图2 3 高速公路监控中心系统构成图 1 2 监控中心有集中式和分布式等多种形式，其功能随监控系统类型的不同有 所差别，但基本功能是一致的，即信息的分析、处理、交通控制和管理的辅助 决策。 ( 1 )监控中心的功能 监控中心管辖若干个分中心，它处于高一层的协调管理地位，其功能包括： 1 ) 宏观监控功能； 监视全辖区交通运行状态； 监视各分中心工作状态； 监视各分中心的系统运行状态，收集各分中心系统运行状态信息，从中 了解全系统设备故障率； 统计分析各类交通数据、交通事故、异常事件、处置对策的效果、设备 完好率等，为进一步的宏观决策服务； 2 ) 交通事件的协调控制 3 ) 交通的宏观优化。 ( 2 ) 监控分中心的功能 一个监控分中心管辖一定长度的路段，或者管辖一个或多个隧道，或者管 辖一个或多个匝道控制系统。为保证所辖范围交通正常运行，分中心应具备以 下功能： 1 ) 信息收集功能 收集车辆检测器所采集的各类交通数据； 收集气象检测器所采集的气象信息； 收集环境检测器所采集的环境信息； 接受和记录紧急电话的告警或求援信息； 通过电视监视系统直接观察和监视路上的交通运行情况，并记录有关 事件； 接收并记录巡逻车或其他信息渠道报告的路上交通信息或事件； 接收上一级监控中心或管理部门的指令； 收集监控系统内各设备的工作状态； 2 ) 信息分析处理功能 交通运行状态的判断； 交通处置方案的生成： 系统运行状态的判断，即系统运行正常与否的实时自诊断功能； 信息的存储、打印及统计分析； 3 ) 交通控制功能 即交通处置方案中控制设备或信息提供设备指令集的具体发布。 4 ) 特殊控制功能 在诸如隧道监控系统等特殊路段监控系统中，监控分中心除交通监控外， 还承担着其他特殊的监控任务，诸如通风控制、照明控制和消防控制。 5 ) 辅助管理功能 在异常事件的处置方案中，除设备的指令集直接下达外，还有一整套辅助 的救援方案，如通知哪些部门、派出何种车辆、派出何种人员、封闭哪些道路、 采取何种措施，等等。这些方案的实施要靠监控系统以外的外围机构来配合。 2 5 2 监控中心的主要设备 根据监控系统的功能要求，监控中心主要硬件设备应包括综合控制台、显 示设备和计算机系统【14 1 ，其设备构成见图2 4 。 圈圈圈圈困 图2 4 监控中心设备构成图 ( 1 ) 综合控制台 综合控制台位于控制中心，根据功能应包含如下几个基本单元： 1 ) 交通监控单元 交通监控单元是操作员进行高速公路交通监视和控制实时操作的场所，它 包括计算机系统的操作终端和其它专用键盘。 2 ) 紧急电话控制单元 控制台上的紧急电话控制单元与高速公路上的紧急电话连接。它包括紧急 电话控制主机、专用计算机、紧急电话送话器和专用电话。 3 ) 闭路电视控制单元 闭路电视控制器、彩色监视器、录像机等组成置于控制台的闭路电视控制 单元。综合控制台包含控制台本身及设置在控制台上各控制单元的设备。操作 员通过综合控制台上的各控制单元，实施对高速公路的交通监测、控制、异常 情况处理及系统的日常维护。 ( 2 ) 显示设备 1 4 监控中心的显示设备是指除c c t v 的监视器和计算机显示屏之外的其他显 示设备，主要包括大屏幕投影仪和大型地图板两类。显示设备可以将道路、交 通的信息直观、形象地提供给监控操作人员，以便其迅速、全面地掌握道路及 交通运行状态。 1 ) 大屏幕投影仪 大屏幕投影仪是动态信息综合显示装置，它包括高分辨率投影仪、大屏幕 投影屏幕。根据具体情况的不同，大屏幕投影仪可以采用前投式和背投式两种 形式。投影仪可以接收以下三类信号：视频信号，包括c c t v ，录像机等的视 频信号；数字信号，即计算机等输送的数字信号，也包括计算机输出的画面； 模拟信号，发自c a d 工作站、v g a 显示卡及各种高分辨率图形板输出的模拟 信号。 2 ) 大型地图板 大型地图板是设置在监控系统所辖范围高速公路监控中心用来展示全貌的 显示设备。地图板的尺寸一般很大，具体大小由系统管辖范围和监控中心房间 大小而定。常有2 m 6 m 的规格，通常大型地图板与c c t v 的电视监视器构成 弧形墙式屏幕，设置在综合控制台对面，以便操作员直视。 ( 3 ) 计算机系统 1 ) 硬件构成 监控中心的计算机系统早期多以大、中、小型计算机为主要机型，随着微 机技术的发展，目前在我国多以微机网络的形式建立起来，这种网络的计算机 系统硬件构成相对比较单纯，基本的硬件设备包括如下内容： 系统主机；交通控制计算机；彩色图形计算机；通信计算机； 显示器、打印机等外设。 2 ) 计算机的输入信息 在监控系统中自动输入或操作员人工输入计算机的信息有如下几类： 交通参数信息；设备工作状态信息；气象参数；交通诱导、控制 信息；交通、环境等异常信息；紧急电话信息 3 ) 计算机的输出信息 监控中心计算机输出的信息主要有以下几类： 交通运行状态；交通控制方案：紧急处理方案；气象参数信息； 设备工作状态信息。 监控系统软件包括系统支撑软件和监控应用软件两部分。 ( 1 ) 系统支撑软件 系统支撑软件包括网络管理软件、操作系统、数据库软件及应用软件的开 发工具等。 ( 2 ) 监控应用软件 一般均应包括以下功能模块： 1 ) 信息收集和预处理：监控中心收集的信息包括自动输入和操作员人工输 入信息两类。 2 ) 信息的分析处理：信息收集和预处理后的分析处理主要包括交通状态判 断和交通运行分析两部分。 3 ) 交通控制及其它系统控制：交通控制软件在上述交通状态判断的基础上 迅速准确地提出控制方案，包括可变情报板、限速标志、车道控制标志的控制 指令，匝道控