（系统工程专业论文）高速公路监控系统通信管理模块的设计及实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国高速公路建设的迅速发展，高速公路交通监控系统已成为高 速公路建设中的投资热点。i t s ( 智能交通系统) 作为当代交通领域新技术， 其规模与功能在不断扩展，而通信管理模块是i t s 的一个重要基础组成部 分，它是交通管理与控制，交通规划、i t s 实施和交通流理论研究的基础工 作。通过对道路交通数据实时、可靠的采集与处理，可以掌握交通现状， 明确交通问题的性质，为i t s 中信息服务子系统的实施提供基础。交通监 控领域的应用软件的研究与丌发成果，将有着广泛的应用前景、巨大的社 会效益和经济效益。本文课题以高速公路交通监控为背景，通过研究分析 个比较先进的高速公路监控中心系统设计方案，讨论了监控中心系统中 通信管理模块的通信连接设计，研究并且实现了通信管理模块。论文给出 了一种新型、高效、实对可靠的数据采集与处理方案，对其中关键技术实 现做了具体讨论。 本课题的研究与设计综合了数据通信、网络技术、面向对象编程和数 据库管理等技术。论文驭高速公路交通监控系统的结构和其任务特点f 分 析入手，讨论了丛于o a n ( 光接入网络) 的通信管理模块与外场设备通信连 接设计，并分析了该设计的实时性、可扩充性和可靠性；其次，分析了监 控中心系统中软件系统的设计思想和模块划分。介绍了该软件系统工作机 制和特点。在通信管理模块软件开发研究部分，论文首先分析研究了通信 管理计算机的实时通信任务与通信需求，给出了实时通信解决办法；其次， 对多串口卡、多线程等关键技术在软件丌发中的应用作了详细阐述和研究。 最后，在软件具体设计实现部分，给出了软件功能模块划分和工作流程； 介绍了主要功能模块程序实现及部分界面，实现了通信管理模块。 关键n - 高速公路；监控系统；通信管理：串口通信：多线程 亘壹窒塑查兰亟主堑窒篁兰焦迨塞 篁! ! 夏 a b s tr a c t w it ht h ed o m e s t i ct r a f f i c a n d t r a n s p o r t a t i o n c o n s t r u c t i o n s m u s h r o o m i n g 。e x p r e s s w a yt r a f f i cs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m ( e t s c s ) h a sb e c o m ea ni n v e s t m e n th o t s p o ti ne x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o n s a sa n u p t o d a t e n e wt e c h n o l o g yi nt h ed o m a i no ft r a n s p o r t a t i o n ，i t si s e x t e n d i n g i t s s c o p e s a n df u n c t i o n s ，c o m m u n i c a t i o na d m i n i s t r a t i o n m o d u l e ( c a m ) i so n eo ft h ee l e m e n t a li n g r e d i e n t so fi t s i ti st h e b a s a l p u r s u it t h a t s u p p o r t s t r a f f i ca d m i n i s t r a t i o na n dc o n t r o l ， t r a f f i ca n d t r a n s p o r t a t i o np l a n n i n g ， i t s i m p l e m e n t a t i o n a n d r e s e a r c ho ft r a f f i cf l o wt h e o r ya sw e l l v i ar e a l t i m ea n dr e li a b l e t r a f f i cd a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n g ，w e c a nd i s t e r n t r a f f i c s t a t u s ，a n dd e f i n et h ep r o p e r t i e so ft r a f f jcp r o b l e m ss oa st op r o v i d e ah a s i st o i m p l e m e n t i n g i n f o r m a t i o ns e r v i c es u b s y s t e mo fi t s r e s e a r c ha n dd e v e l o p e dp r o d u c t i o no fs o f t w a r ei nt h ef i e l do ft r a f f i c s u p e r v i s o r y c o n t r o ls h a l lh a v ee x t e n s i v e a p p l i c a t i o no u t l o o k ， t o g e t h e rw i t ht r e m e n d o u ss o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t t h i st h e s i s ， w h ic ht a k e se x p f e s s w a yt r a f f i cs u p e r v i s o r yc o n t r o la si t sb a c k g r o u n d ， r e s e a r c h e sa n da n a l y z e sar e l a t i v e l ya d v a n c e dd e s i g n i n gs c h e m eo f e x p r e s s w a ys u p e r v i s o r yc o n t r o lc e n t e rs y s t e m ( s c c s ) a n dt h u st h e a u t h o rl a u n c h e so n8d i s c u s s i o no nt h ec a mc o m m u n i c a t i o n1 i n k i n g d e s i g n i nt h i ss c c s ，a n dd e 毋o n s t r a t e st h er e s e a r c ha n dr e a li z a t i o d o ft h ec a m t h i s p a p e rb r i r i g s f o r t han e wf a s h i o n e d ，e f f i c i e n t ， t e li a b l ea n dr e a l t i m es c h e m eo fd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g t h ea t t h o rg jv e sad i s c u s s i o eo nt h em a t e r i a lr e a l i z a t i o no ft h ek e y t e c h n i q u e sa p p l i e di n t h es c h e m et o o t h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h i ss u b j e c ts y n t h e s i z e sm u l t i f o l d t e c h n o o g i t ，s ，w h i c ha r ed i g it a jc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k o o p ( o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m r a i n g ) ，a n dd b m ( d a t ab a s em a n a g e m e n t ) t h i s p a p e r s t a r t sw i t ht h e a n a l y s i s o fe t s c s s s t r u c t u r ea n dt a s k s c h a r a cl e t i s t i c s 骶t ht h a ta n db a s e do no a n ( o p t i c a la c c e s sn e t w o r k ) t h i sp a p e rd is c u s s e sad e s i g no ft h ec o m m u n ic a t i o nl i n k i n gb e t w e e n c a ma n dl t so u t s t a t i o n s d e v i c e s t h ea u t h o rt h e ng i y e saa n a l y s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第f ii 页 o ft h er e a l t i m e p e r f o r m a n c e ，e x p a n s i o n a r yc a p a b i l i t y a n d r e l i a b i j i t yo f t h ed e s i g n s e c o n d y ，t h ea l i t h o ra n a l y z e s t h e s o f t w a r e s y s t e m sd e s i g n i n g i d e aa n dm o d u l e s a s s i g n m e n t i nt h es c c s s u b s e q u e n t l y ，t h i s p a p e r i n t r o d u c e st h ef u n c t i o nm e c h a n i s ma n d f e a t u r e s o ft h es o f t w a r e s y s t e m i nt h e p a r t o fc a ms o f t w a r e d e v e l o p i n gr e s e a r c h ，t h i sp a p e rg i v e sa r la n a l y s i sa n dr e s e a r c ho f t h ec a m sr e a l t i m et a s k sa n dc o m m u n i c a t i o nr e o u i r e m e n t s t h e r e a f t e r as e t t l e m e n to fr e a l t i m ee o m m u n i c a t i o ni sg iy e n t h ea p p l i c a t i o n s o fs o m ek e yt e c h n i q u e si ns o f t w a r ed e v e l o p i n g ，s u c ha sm u l t i s e r i a l p o r t a n dm t l l t jt h r e a d i n ga r ea l s o e x p a t i a t e d a n d i n v e s t i g a t e d ， f i n a l l y ， i nt h e p a r t o ft h es o f t w a r em a t e r i a l d e s i g n i n g a n d r e a l i z a t i o n ，t h ea u t h o rp r e s e n t st h ep r o c e e d i n gf l o w c h a r ta n d f u n c t i o nm o d u l e so ft h es o f t w a r e 。a tt h ee n do ft h is p a r t m a j o r f u n c t i o nm o d u l e sa n di t sp r o g r a mc o d e s t o g e t h e rw i t hs o m eo ft h e h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) f o r m sa r ei n t r o d u c e d ，w h e r e u p o nt h e c a mi sr e a l iz e d k e y w o r d s ：e x p r e s s w a y ：s u p e r v is o r y c o n t r o l s y s t e m ；c o m m u n i c a t i o n k d m i n i s t r a t i o n ：s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ：m u l t i t h r e a d i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的背景和研究的意义 随着国民经济的飞速发展，交通运输事业进入了空前发展的黄金时代。 如何发挥公路的潜能，减少交通拥挤和造成事故的经济损失，已迫在眉捷。 专家们认识到，要想从根本上摆脱交通运输状况不断加剧的困境，单靠扩大 基建投资，增修道路等来提高运营能力是不够的。必须从系统的观点出发， 用科学的手段，把车辆、道路和管理综合起来考虑解决道路交通问题，这就 是智能交通系统( i t s ) i i - z l 。 智能交通系统i t s ( i n t e l li g e n tt r a n s p o r ts y s t e m s ) 是将先进的信息 技术、数据通信传输技术、电子控制技术以及计算机处理技术与先进的行政 管理手段结合起来，使其有效地综合运用于交通运输的服务、控制和管理。 其目的是使人、车、路密切配合、和谐统一，极大地提高综合交通运输效率， 保障交通安全，改善环境质量和提高能源利用率。 通信管理模块是智能交通系统( i t s ) 的一个重要基础组成部分，主要 完成外场设备( 车辆检测器、可交情报板、可变限速标志等) 的信息采集与 监控中心对外场设备控制命令的下达。它是监控中心与外场设备信息上传下 达的枢纽，它提供的采集数据是交通管理与控制，交通规划、i t s 实施和交 通流理论研究的基确工作。通过对道路交通实际数据和信息发布设备状念的 调查与分析，可以掌握交通现状，明确交通问题的性质，由此提出针对性的 交通诱导与控制方案；交通信息采集为分析交通变化规律，制定交通流模型 和交通预测模型提供基础资料，为1 1 t s 中信息服务子系统的实菔提供基础 3 - 5 1o 依据采集所得到的各种数据，监控中心的交通监控模块按照一定的模式 进行分析、判断和决镱，并将最终的决策结果和下达的控制命令通过通信链 路传送到信息发布设备( 可变情报板和可变限速情报板) ，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，把事件引起的延洪控制到最小值，从而达到调节和控制道路交通状况 的日的。 交通峪控领域的应川软件的研究与丌发成果，将有着广泛的应用f j i 景、 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 巨大的社会效益和经济效益。本文在研究过程中，介绍了国内外高速公路监 控系统现状和发展形势以及发展智能交通系统( i t s ) 的意义和目标。本文 以一个实际的高速公路智能交通监控系统为背景。结合我国国情和项目技术 规范，在分析研究了高速公路监控系统新的要求和自身技术特点基础上，介 绍讨论了监控中心系统的通信管理模块与始场设备的通信连接方案设计、分 析了软件系统总体的设计思想和需求；本文针对监控中心下发命令与外场设 备信息采集的实时性能要求和大量数据存储与传输的稳定性与可靠性，研究 并设计了种新型、高效的通信管理模块，致力实现技术国产化和软件的行 业通用化标准化。 1 ，2 我国公路交通的建设与发展 改革玎放以来，为适应国民经济与社会发展，消除交通运输严重的“瓶 颈”制约，国家采取了一系列重大举措，增加投入并加大政策支持的力度， 推进了交通运输的改革与发展。据统计，2 0 0 2 年完成3 1 5 0 亿元，创历史新 高。交通运输实现了跨越式发展，瓶颈制约和全面紧张状况得到缓解，主要 标志【5 6 】是： 公路通车艰程迅猛增氏。到2 0 0 2 年底，全固公路通车毋程达1 7 5 8 万 公里，比1 9 8 9 年增长了7 4 ；公路密度达每百平方公旱1 8 3 公晕，1 3 年 增长了7 7 个百分点。 高速公路建设连创新高。到2 0 0 2 年底，全国高速公路里程达到2 5 2 万 公曼。而1 0 个省的高速里程突破1 0 0 0 公里，其中辽宁、山东和浙江三省省 会到地市全部通了高速公路。客货运输量持续攀升。 根据“十五”规划，公路交通到2 0 1 0 年，全国公路总里程达到2 1 0 2 3 0 万公里。全面建成”五级七横”国道主干线，基本建成西部开发8 条省际间通 道，高速公路连接9 0 目前人口在2 0 万以上的城市，东部地区基本形成高 速公路网，高速公路总晕程达到5 万公里。二级以上公路里程达到4 0 4 5 万公里，干线公路丛本达到二级以上标准，东中部地区二级以上公路连接所 有的县。基本建立起全国快速客货运输网络，通公路的行政村班车通达率达 到9 5 以卜，到2 0 2 0 年，全嗣公路总艰程达到2 n ) 3 0 0 万公晕。高速公路 里程达到7 万公罩以上，连接所有目前人口在2 0 万以上的城市，基本形成 国家高速公路网。二级以上公路总里程达到6 0 6 5 万公里，连接所有的县。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 乡到行政村公路基本达到高级、次高级路面标准。建成比较完善的全国快速 客货运输网络，基本实现通公路的行政村通班车1 5 j 。 交通运输发展需要占用和消耗大量的能源、土地及岸线资源，产生大量 的交通噪音和空气污染，对自然环境造成很大压力，可持续发展战略的实施 对交通运输发展提出了更高的要求。为此，“十五”规划的交通体系发展目 标要求，在扩大交通基础设旆建设规模的同时，要引迸开发涵盖交通基础设 施规划、建设与运营全过程的信息技术、网络技术、智能交通等当代最先进 的交通运输技术，以及现代物流系统中成熟先进的技术，引进、开发当代最 新科技，加速综合运输体系现代化建设：紧紧追踪国内外交通运输发展的新 趋势、新动向、积极推进交通运输智能化进程，建立智能化的高速公路交通 运输综合信息服务系统，重视交通运输技术装备国产化：积极采用高新技术 与现代化经营管理手段，在提高运输速度的同时，提高运输质量与效益，提 高交通安全管理的整体水平，减少交通事故保证运输安全。 1 3 我国交通监控系统现状和存在问题 我国i t s 的发展起步较晚，7 0 年代以来，从国外引进、消化了些项 目，并进行了一些i t s 或类i t s 基础项目的研究和应用。7 0 年代中至8 0 年 代初，主要是进行城市交通信号控制试验研究，8 0 年代中至9 0 年代初，在 些大城市引进和消化城市交通信号控制系统；实现了一些( 高速) 公路监 控系统、高等级公路电子收费系统和路边信息服务系统，如广佛高速公路监 控系统、首都机场高速公路电子收费系统。9 0 年代中以来，丌始研究部门 r t s 发展战略和g i s 、g p s 、e d r 在交通中的应用等，重视交通信息网络的建 设，如交通部的公路智能运输系统发展战略研究、铁道部t m i s 、t m c s 、d m i s 等信息系统丌发1 5 _ 7 j 。 1 3 1 交通监控方式分类 大多数国内高速公路监控系统的方式可分为3 种：c c t v 监控、车道收费 嗡控和道路交通j 阮控【5 7 l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 c c t v j i ； 控方式 c c t v 监控方式是最早在高速公路实现的监控手段，主要利用c c t v 和长 延时录象机进行监视和录象，用于收费亭、收费车道、收费广场，完全由人 工操作实现，其优点是造价比较便宜，缺点是完全人工操作，劳动强度和工 作量大，稽查繁琐。当加入了车道收费计算机后，当车道控制机检测到需要 捕获图象后，通过网络给图象捕获计算机发布命令，图象捕获计算机收到命 令后自动进行图象切换和捕获处理，其特点是计算机自动操作完成，效率高， 杜绝了人为因素，捕获率得到比较好的保证。 2 车道收费监控方式 车道收费监控对车道出现的异常情况迸行图象捕获，并实现了直接在车 道控制机上进行图象捕获，其特点是各个车道彼此独立，可同时工作，并且 也避免了人为因素的引入，大大提高了捕获率。 3 道路交通监控方式 道路交通监控方式是比较新的滥控方式，监控系统主要需实现如下功能： ( 1 ) 及时采集交通流、交通环境和主要交通设旆状态的各种信息； ( 2 ) 系统应能对高速公路实现全程、实时、不问断的监控； ( 3 ) 根据已掌握的信息，迅速作出有针对性的处理和优化控制方案，并 立即执行： ( 4 ) 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 行使行为，达到交通流动奎平衡； ( 5 ) 对交通事故能作出快速响应，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。 在道路交通监控系统中，为了完成监控系统的监视控制功能，高速公路 监控系统由交通信息采集系统、监控中心系统和信息发布系统组成： ( 1 ) 交通信息采集系统，高速公路监控系统的信息采集的方式，有人 工的，也有自动的。主要有下面几种：车辆检测装置、气象检测装置、闭路 电视( c c t v ) 、紧急电话： ( 2 ) 监控，f ，心系统是抖- j 二信忠采集系统和信息发论系统之脚的中矧环 节，是监控系统的核心部分，其主要功能为：对信息采集系统传来的数据进 行实时的运算、处理和分析；根据分析结果，决定控制方案，发出相应的控 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 制命令，指挥事件处理：通过闭路电视系统监视各主要路段的交通情况；负 责管辖区域内l ： 通信联络：全系统组成设备工作状态的监控； ( 3 ) 信息发稚系统信息发柿系统是高速公路上设置的用来向道路使用 者提供道路交通信息和诱导控制指令的设备，以及向管理、救助部f - j n 社会 提供求助指令或道路交通信息的设旅，其主要设备包括可交情报和可变限速 标志、车道控制标志、指令电话和交通广播系统等。 1 3 2 我国交通监控现存问题与发展方向 1 现存问题 我国高速公路交通监控系统刚刚起步，由于一开始受各方面因素的影 响，许多人对其认识不尽相同。但随着高速公路的迅猛发展，以及车流量的 不断增加。交通监控系统越来越显示其在交通管理中不可取代的地位。目前， 已开通的高速公路都有一定规模的监控系统。 山于交通监控内容太大，涉及面太广，不可能由政府或某一产业单独投 资，而要依赖于交通管理部门、汽车生产厂商、交通设计和建设单位的妥协。 由于利益冲突而缺乏统一的标准，这样在具体软硬件实现和通信协议上很难 达成统一。出于建设资金不足，建设设计阶段认识不足，部分道路也出于交 通量还未达到设计标准，因而交通监控、通信等系统或未上，或功能简单造 成扩展能力差，通信容量低下，通信瓶颈严重；监控系统没有与收费系统联 动，收费系统还有采用人工收费的。 另外。现阶段对监控信息的利用比较不理想，也缺乏应用集成和中央数 据库处理技术。由于各地区各个建设承包商的技术和经济水平不一致，监控 水平参差不齐，有些项目仅仅完成数据采集和简单控制，没有完成数据归类 存储与集中管理，缺乏自动决策和预测，没有实现智能化。我国智能交通系 统的工程建设规范与标准目前还没有一个统一的权威定义，实施的工程项目 从技术手段到建设、维护费用差异很大，并且间接地造成了系统的开放性、 可靠性、可扩展性差，安装维护复杂，赡于形成产品化、系列化，因两对相 关技术进行比选，完成系统的产品化、系列化的要求十分迫切。 2 发展方向 脚漪我蚓划矬能交通系统约研究还处- ：起步阶段，要真花实现智能交 通，还须着重研究解决以下问题：自动收费系统；道路构造信息提供系 统；路段状况信息提供系统：汽车周边移动体识别系统：车辆间距及 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 路、车间侧面距离控制系统；交通流诱导控制系统；移动体通信系统， 包括路车间通信和车辆相互之间通信。 另外，需要通过共性关键技术攻关和部分基础技术研究，掌握i t s 领域 中的智能控制、信息采集与融合、运输管理、短程通信等关键技术和系统集 成技术，开发具有自主知识产权的智能交通控制、运营和交通诱导软件。 同时，利用地理信息系统( g i s ) 、全球卫星定位系统( g p s ) 、专用短程 通信技术( d s r c ) 丌发a t i s 、不停车收费系统( e t c ) 车辆安全系统作为i t s 的主要应用在全球范围内已呈一种趋势f 5 0 “。 1 3 3 国外交通监控的现状与发展方向 世界发达国家公路运输都很发达，公路运输在这些发达国家中占有非常 重要的地位。 本世纪6 0 年代，美国就丌始了有关i t s 方面的研究，之后，欧洲、日 本等也相继加入了这一行列。经过3 0 年的发展，美国、欧洲、日本成为世 界i t s 研究的三大基地。目前，另外一些国家和地区的i t s 研究也有相当大 的规模，如澳大利亚、韩国、新加坡、香港等。可以说，全球正在形成一个 新的i t s 产业，难以记数的大小项目正在丌展，发展规模和速度惊人，以” 保障安全、捉岛效益、改善环境、：1 ，约能源”为目标的1 1 s 概念e 逐步在全 球形成。 美国公路运输在全世界处于领先地位，其公路通车里程为6 2 8 4 万k m ， 居世界首位。美国的公路等级也是最高的，其高速公路里程8 7 5 0 0 k m ，居世 界第一位，美国高速公路及普通公路的管理非常好，交通控制技术和管理手 段非常先进，在高速公路上有先进的、完善的交通监控系统，通过各种检测 仪器、闭路电视、微波通讯网络及无线电广播等设施，对路网的交通流状况 进行全天l 瞌视雨i 疏导。 1 9 9 5 年3 月美国制定了“国家智能交通系统项目规划”，明确规定了智 能交通系统的7 大领域，并确定到2 0 0 5 年的年度丌发计划。7 大领域是出行 和交通管理系统、出行需求管理系统、公交运营系统、商务车辆运营系统、 电子收费系统、应急管理系统、先进的车辆控制和安全系统。美国制定的智 能交通运输系统，包括了交通情报提供，实时交通管理，车辆的辅助驾驶， 交通安全措施等6 个大项目。其中，移动导航子系统( m n a ) 最为著名。移 动导航子系统，简单地说，就是用来帮助驾驶员认路、指路的系统。驾驶员 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 只需依据车内显示屏上的电子地图、行驶方向箭头以及扬声器发出的行驶指 令丌车就可以了j 导航系统还能不断接收现场的最新交通状况，给d ；连续更 新的指i _ ，让车辆始终沿着最理想的路线向前行驶。 到2 0 世纪9 0 年代中期，日本相继完成了路车间通信系统、交通信息通 信系统、宽区域旅行信息系统、超智能车辆系统、安全车辆系统等方面的研 究。在此基础上1 9 9 4 年1 月由| = 1 本警察厅、通产省、运输省、邮政省和建 设省等五个部门联合成立了日本道路、交通、车辆智能化促进协调会 ( v e r tt s ) ，以推动i t s 在日本的发展。日本目前的智能交通更重视的是提 高交通管理水平。日奉现已先后研制开发了交通控制优化系统、公共交通援 助系统等交通管姗系统。这其中，自动收费系统和突发事件探测系统两项成 果对确保道路的畅通非常有效。 欧洲在z t s 应用方面的进展，介于日本和美国之间。由于欧洲各国政府 的分散投资和各围的i t s 需求不一致，在整个欧洲建立统一的交通信息服务 系统困难重蕈。然而在开发先进的旅行信息系统( a t i s ) 、车辆控制系统 ( a v c s ) 商j i k 车辆运行系统( a c v o ) 、电子收费系统等方面。市场前景十分 诱人， 除了美、f 1 、欧以外，新兴的工业国家和发展中国家也丌始了i t s 的全 而丌发和研究，枷韩囡l i i 建设交通部牵头制定了全而的i i 、s 框架结构和发展 计划，新加坡已经在全国丌始推行不停车电了收费。世界各国纷纷开展i t s 的研究和丌发，除了解决交通问题的原因之外，另个重要的出发点则是i t s 将成为继军事应用之后高新技术最大的应用市场，这就不难解释为什么发达 固家存i t s 领域投入如此巨大的人力和财力p 1 “。 1 4 课题来源及论文工作 课题来源于某高速公路监控系统监控巾心子系统项目。该高速公路全线 长2 2 7 公里，全线双向六车道。监控中心统对全线交通运行实旌宏观管 理和调控，卧凋各监控点的运行，实时下达控制命令。本文通过对监控中心 湎信管用! 榄块与外场呐通信连接力案研究、软什系统需求分析与工作流程的 研究讨 仑以此为基础时其中酒信管理模块的软硬件需求作了研究分析；本 文通过应用多申口卡、数据库、多线程等技术进行了模块丌发研究和设汁实 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 现工作；介绍了该软件重要模块程序流程和代码，进行了软件调试并以软件 调试中的实际界面给出了软件的运行示例。 1 5 论文结构 第l 章为绪论部分，第2 至4 章为论文主体部分，第5 章为结论。 第1 章绪论部分，概述了课题的背景和研究的意义，介绍了我国公路交 通和建设现状和发展以及交通监控智能化的趋势，指出了现阶段交通监控系 统的不足和问题。 第2 章，分别从硬件和软件方面研究讨论了高速公路监控中心系统结构。 根据设计原则和任务特点，介绍并讨论了监控中心和通信管理模块与外场设 备的通信连接设计方案；对软件系统进行了需求分析研究，对各个软件模块 划分及协同工作的流程做了介绍。 第3 章，从通信管理模块的需求分析入手，分析介绍了其通信规范和通 信原理，讨论并给出了实时通信解决办法，对关键技术，如多串口、面向对 象设计思想、多线程技术和数掘库访问技术在开发中的应用作了细致研究。 第d 章，是通信管理模块软件的具体设计与实现部分，设计了该软件各 个功能子模块和工作流程；介绍了主要功能模块程序实现及部分用户界面， 实现了通信管理模块。 第5 章为结论部分，对研究设计工作做了总结，指出了现阶段存在的不 足和对未来的展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 第2 章高速公路监控系统结构分析 本章研究分析了高速公路监控系统的软硬件结构、工作原理和特点。主 要通过列监控系统的任务目标和设计原则的透彻理解，在监控中心和通信管 理模块与外场的通信连接设计、软件系统设计思想及工作原理两个方面作了 研究和介绍， 2 1 监控系统设计概述 高速公路交通工程机电系统由收费系统、监控系统和通信系统构成。 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。 盆控系统对道路交通状况进行监视，检测和控制，保证车辆运行畅通、减少 交通事故、降低事故的危害性。通信系统为收费和监控系统提供信息传输的 通道【1 2 1 引。 课题中高速公路全线长2 2 7 公里，全线双向六车道，全线设1 个监控 中心、若干外场 【 f 控点、一个隧道怖控站。j | l 控中心统一对全线交通运行实 施宏观管理和调控，协调各崎控点的运行，必要时下达控制命令。隧道监控 站完成刘隧j i i 二r 系统的信息采集以及在线路fj j 现故障时实现降档控制。 2 1 1 监控中心系统的任务与目标 该高速公路监控系统出交通信息采集系统、监控中心系统、信息发布系 统组成。监控中心子系统是高速公路监控系统的核心子系统，它的主要任务 是对系统的各个子系统( 交通监控、隧道监控、环境检测、照明及照明监 控、通风控制、事故报警等等) 以及相关外围设备( 可变情报板、c c t v 监控 台、紧急f 色话髓控台等) 进行全天候不汹l 断监视、控制、报警。 监控中心全天2 4 小时不问断地实时采集管理区段内的各种数据( 交通 员、速度、，o i 有牢、下头距、气象、c o v t 枪测值、光强检测值、火灾报警、 高位水池水位、事故等) ，对它们进行实时运算、分析与处理；并具有事故 自动检测功能：交通控制方案自动选择功能：显示功能；统计、查询功能： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图像监视功能；系统设备检测功能；协调处理系统内部交通管理业务功能等， 以确保本路段交通通畅。实施对全线的宏观管理和调度汇总、处理数据，并 实时上传监控总中心。 为实现交通控制任务，监控过程应该构成一个交通流的闭环控制系统 1 1 3 - 1 4 1 。如图2 - 1 所示，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。 图2 1 交通监控系统控制方框图 高速公路交通状况受交通埘空分枷特性。、气候、道路设计、地形等的影 响。一般来说，高速公路监控系统需要解决的主要问题有三个方面：气候异 常、事故和车辆故障、交通拥挤和阻塞。监控系统由监控中心和信息采集、 信息发稚等外场设旌组成。高速公路监控系统的主要目标如下： ( 1 ) 准确统计道路交通数据： ( 2 ) 有效监视道路的交通、气候情况，及时掌握道路运营状况： ( 3 ) 及列发现和处理交通事故。减少交通事故，降低事故严重程度， 尽可能避免二次事故的发生： ( 4 ) 减少偶发枣件、交通事放及恶劣气候对道路交通的影响： ( 5 ) 当交通量达到饱和对，对交通时行引导和控制，以提高道路网通 行能力。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 2 1 2 监控系统总体设计原则 为完成监控系统总体目标，结合高速公路的自身特点和未来交通量增长 和监控规模的扩展需要，在设计期应该遵循以下监控系统设计原则【1 7 】： ( i ) 安全性、可靠性：选择成熟可靠的设备、合理的冗余，提高系统 的安全性，保证系统可靠运行； ( 2 ) 先进性、实用性：综合考虑国内外交通监控技术发展趋势，采用 先进的技术和设备，同时尽量节约投资，保证最优的性能价格比； ( 3 ) 系统性：结合整个路网的情况，综合考虑监控系统的设计，使系 统设计合理，协调统一，最大限度的发挥系统的功能和提高整体效益； ( 4 ) 可扩充性：选择开放性和兼容性好的设备，使系统易于扩充和修 改： ( 5 ) 协调性：同时与本路其它系统和相邻路段相互配合、协调，以最 大限度的发挥交通工程设施的整体作用保证路网的安全畅通； ( 6 ) 易于操作、便于维护和管理：系统应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， 监控系统的舰模逐渐扩大，因此采用“次设计，分期实施”的原则，以保 证建设资金的合理利用。 2 2 监控系统硬件体系结构 2 2 1 监控中心系统硬件模块划分 在分析系统任务目标基础上，根据上述总体设计原则，通过对监控系统 的结构、组成、工作环境以及运行条件的了解，确定了信息采集点、控制点 和监控中心内硬件模块的功能划分。图2 2 给出了一个实际的监控中心系统 硬件结构图。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 图2 2 监控中心系统构成图 该高速公路监控中心系统以服务器、客户机( 通信管理工作站、交通监 控工作站、图形处理工作站、信息处理工作站、视频监控工作站、紧急电话 监控工作站) 和网络设备构成。监控中心各计算机通过网卡与交换式集线器 连接成一局域网，各个模块与服务器之间采用c s ( 即客户机服务器) 工作 模式，服务器负责数据库事务管理与信息存储维护，客户机负责完成处理各 自规定的任务和软件用户界面。客户机之间采用以太网t c p f l i p 方式通信。 髓控中心计算机局域网还有打印机、光盘刻录机、扫描仪、l i p s 等外围设备。 ( 1 ) 中心服务器：中心服务器是监控系统的核心部分，负责数据存储、 数据库管理，提供网络共享信息服务、并对数掘进行综合处理和打印服务管 理。 ( 2 ) 通信管理工作站：是中心与外场设备主要的信息上传下达的枢纽， 主要管理路段各种数据通信，采集数据信息( 可交情报板、可交限速标志、 车辆检测器及中心内u p s 等设备的数据) ，进行类型识别，将数据信息进行 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 分类处理、格式转化后存入数据库服务器；读取服务器命令缓冲区的实时命 令并向对应设备发送协调控制指令，与服务器进行时钟校对。 ( 3 ) 交通监控工作站：主要功能是采集能见度检测仪的检测值，并且 根据服务器所提供的其他系统数据，进行综合分析处理后生成相应的控制策 略，选择合理的控制方案，自动形成对可变情报板、可变限速标志、交通信 号灯等的控制命令等。 ( 4 ) 信息处理工作站：主要负责对原始数据分析产生的数据及人工输 入的事件数据以报表或图形方式显示并进行打印及查询。包括数据处理、查 询打印、统计打印和维护。 ( 5 ) 图形处理工作站：主要功能是将采集和分析得到的各种数据以及 路线走向、沿线设施位置、外场和隧道内设备布设、检测参数、工作状态等 道路交通状况以图形和数字相结合的方式直观的显示出来，投影到大屏幕 上。 ( 6 ) 视频监控工作站：主要功能对视频切换矩阵主机的各项功能进行 操作和管理，控制收 6 1 站视频矩i 昨控制器对图像进行凋度。 ( 7 ) 紧急电话工作站：主要负责监控中心辖区内( 含隧道紧急电话) 紧急电话机的控制、话务处理、状态检测、故障报警、录音自动控制、事件 和操作员操作实时记录。 ( 8 ) 大屏幕显示屏和地图板 2 2 2 监控系统的外场设备 为了完成监控系统的监视控制功能，除了监控中心子系统外还包括若干 夕卜场设备，它们分属于信息采集系统和信息发布系统。 ( 1 ) 交通信息采集系统，高速公路监控系统的信息采集的方式，有人 工的，也有自动的。主要有下面几种： ( 1 ) ：删舱测：挑代。力省i 述公路上线1 以及入川- 道刺 b l j j 血道等处改 置车辆检测装置，用来收集监控所需的数据，作为监控中心分析判断、做出 控制方案的主要依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 能见度检测装置。高速公路的高速、安全、舒适等功能与气候条件 密切相关，由于该高速公路地区属多雾区，有许多易起雾的地段，对高速公 路上的行车极为不利，设置能见度检测器，可以及时检测出雾的生成情况及 能见度，控制相应的信息发布设备的显示内容，限制、诱导车辆的通行，减 少或避免事故的发生。 闭路电视( c c t v ) 。在车流量比较大，车辆密度比较高的区域，重点的 监控地点和事故易发区等地区安装c c t v 摄像机，通过视觉的方式掌握有关 区段的交通情况。一旦出现故障或发生交通事故，控制中心可以及时地掌握事 故发生地点、时问和严重程度，以便迅速地做出反应，采取相应措施，排除 故障或妥善地处理事故。 紧急电话。在高速公路上下行线上每隔一定距离安装一部紧急电话， 当车辆发生故障或出现交通事故时，驾驶员可及时向监控中心通报，同时在 监控中心的紧急电话监控计算机上可以显示发信电话所在的地点和编号，以 便采取相应的应急措施。 ( 2 ) 信息发稚系统。信息发柿系统信息发布系统是高速公路上设置的 用来向道路使用者提供道路交通信息和诱导控制指令的设备，以及向管理、 救助部门和社会提供求助指令或道路交通信息的设施，其主要设备包括可变 情报和可变限速标志等： 可变情报板。在可变情报板上显示文字，图形向驾驶员发出道路信 息及行车指示，可肉道路使飓者提供信息，如前方道路的交通堵塞情况、事 故告警、气象情况、道路施工情况等。 可变限速标志。向道路的使用者提供动态显示当前指定的或建议的 晟高车速，调节路段的车流密度和平均速度等信息。 2 ，2 ，3 监控中心及通信管理模块与夕j 、场的通信 通信管理模块的功能主要是信息采集与数据库存取和指令下达以及时钟 校对等。 从监控系统信息流程来看，该模块是外场信息进入系统的入口，同时也 足系统向外场设桥发送指令的几，祚崎控系统巾起着信息上传下达的重要 作用。高速公路中的集中监控系统具有普通监控系统所不同的实施特点，在 课题中高速公路的集中监控系统中，监控远端与监控中心的距离最小也可达 西南交通大学硕士研究生学位论文 第t 5 页 几百米，最大为十几公里。同时，高速公路上车速快，这对监控系统提出相 对较高的要求。此外，通信要求实时性强，保证监控中心能对沿线发生朐事 故做出及时有效的处理。监控系统中外场设备亦较普通监控系统更多，如车 辆检测器、可变情报板、可变限速标志等，道路和设备信息要上传至监控中 心，同时控制信息及显示信息要下传至监控远端。因此，有效地分配通f 言线 路是节约资源、提高效率的关键，也是能否真正体现i t s 内涵的关键之一。 这些与通信管理模块连接的外场设备沿路设置，数量有2 0 个。这些设备 传输方式基本相同( 基带传输方式) ；通信接口为r s 2 3 2 和或r s 4 2 2 4 8 5 ，统 一为以r s 2 3 2 方式连接；传输速率与传输距离不等( 从4 8 0 0 到9 6 0 0 b p s ，从 几百米到十几公里以上，各传输电平往往需要调整) ，以及具有不同的传输 报文规约。 1 传统通信连接方式的问题 目前国内外大多采用传统的集中式监控方式 2 1 1 ，有的系统