基于移动网络技术的高速公路智能管理系统.doc

基于移动网络技术的高速公路智能管理系统李廷（北京邮电大学 经济管理学院 北京 100876）摘 要：目前，我国已建立了覆盖全国、比较完善的高速公路网，而落后的高速公路管理系统使高速公路管理中存在的问题不能得到彻底、有效、及时的解决，大大制约了高速公路在经济和社会发展中作用的发挥。建立一套现代化的高速公路管理系统取代原有落后的系统成为解决问题的关键。本文旨在提出一种基于移动网络技术的高速公路智能管理系统，解决现存高速公路管理中的问题，提高高速公路的通过能力，降低高速公路的事故发生率，完善高速公路的各项服务。关键词：移动网络；高速公路；管理系统；无停车收费系统中图分类号： 文献标识码： 文章编号：一、引言 中国道路运输协会会长姚明德说，到2010年，全国高速公路通车里程将达到65000公里。在基础建设飞速发展的同时，高速公路管理系统的建设却相对滞后。目前，国内大多数高速公路已安装了通信、监控和收费系统，但整体信息化概念淡薄，缺乏信息管理的总体规划，各系统自成体系、缺乏联系，由此而导致高速公路收费站通过能力差，环境污染重，事故发生率高，故障排除速度慢，信息服务能力弱，成为发展高速公路的瓶颈。高速公路管理系统是未来交通运输信息化的发展方向，也是21世纪高速公路交通管理系统设计的重点。我国针对国内交通的具体发展状况，研究并提出了中国ITS（智能交通系统）体系框架，其中就包括自动公路系统的内容。作为一种快速、经济、安全、舒适的交通运输方式，高速公路管理应紧跟国家ITS整体规划，以充分发挥其效益。国外高速公路ITS技术的应用，已经产生了显而易见的效果。 本文提出基于移动网络技术的高速公路智能管理系统，旨在综合现有的移动网络技术、ETC（电子不停车收费）技术、手机支付技术、GPS技术建成一种高速公路综合管理系统，从而实现高速公路车辆不停车收费、车辆实时监控和车辆的信息服务，最大化的发挥高速公路在社会生活和经济发展中的重要作用。二、国外高速公路管理系统发展研究 目前，发达国家均已建立比较完善的高速公路管理系统，不同国家的高速公路管理系统侧重不同，有的注重智能化，有的注重信息化，但它们的共同的功能和目的都是实现了高速公路的不停车收费，降低了高速公路的事故发生率，完善了高速公路的各项服务。下边以美国和德国为例研究国外的高速公路管理系统。 1、美国的智能运输系统美国作为目前世界上最发达的国家拥有世界上最完善、覆盖全国的高速公路运输网。同时，美国政府十分重视将电子、通信、计算机和信息技术高科技手段运用到高速公路管理中，积极发展交通智能化管理，也称智能运输系统，其目的是在传统交通工程管理的基础上，充分利用现代化高科技手段，解决和满足人们对交通“高速、安全、舒适”的要求，大大提高交通运输的安全性和运行效率。 美国的智能运输系统主要由六个子系统组成： (1).交通管 收稿日期：2008-03-15基金项目：国家自然科学基金项目（70740009）作者简介：李廷（1988），男，山西运城人，北京邮电大学经济管理学院，行政管理硕士。理自动监控系统。主要对路网中行驶的车辆实施全天候、全方位、立体监控，预报交通流量情况，适时进行交通疏导、车辆事故预测、事故定位、现场记录和安全行车指导等，保证最大限度地发挥路网通过能力。 (2).先进的出行信息系统。利用车载的导航设备与自动交通管理系统相配合，及时得到所需的各种交通状况、道路、气象条件、车辆事故和自身安全等有关信息。通过公用通信网和个人计算机，还可以家中或办公室得到出行前的最佳行驶路线和沿途的气象情况等信息，使出行者可以合理地选择出行方式、时间和路线，同时也可以使路网交通流量获得平衡分配，提高运输效率。 (3).商业营运车辆管理系统。集团统一调控大型载货车、出租车和其他商业营运车辆的合理使用，达到商业营运实现信誉、高效、安全的目的。 (4).公共交通管理系统。实现对公共汽车、地铁和多人乘坐的车辆与各种公共交通运输方式有效地联接。利用GPS车辆自动定位系统和交通通信系统，使驾驶员与管理部门直接联系，进行适时调度和路线调整，实现可靠、安全和高效的公共交通服务。 (5).电子收费系统。主要是实现自动收费，利用IC卡或电子标签等方式，实现公路收费快捷、便利。一种是车辆在收费处需停车，用IC卡完成自动收费；另一种是车辆预先交纳通行费用，通过交费电子标签识别，车辆缓行通过。 (6).车辆自动控制系统。利用车载计算机、传感识别器和通信设备，由道路导行、监控、信号、指挥、避让、防撞等设施提供车辆自动驾驶信息，实现车辆全自动驾驶。 2、德国高速公路通信信息管理系统 德国非常重视通信系统及信息系统的建设，并广泛应用在公路的规划、设计、建设、养护、运输等环节中，发挥着巨大功能，社会经济效益显著。 德国高速公路通信信息管理系统分为几部分：一是专用通信网络；二是紧急电话系统；三是信息采集系统；四是信息显示和发布系统；五是监控管理中心。专用通信网络和紧急电话系统都由联邦交通主管部门建设和管理，所有通信信息设施可直接接入，全国统一标准，紧急电话在汉堡设全国总中心。高速公路上的信息采集、信息处理、交通分析和信息发布以及交通信息化等设施由各州政府交通主管部门建设、管理和维护，公共信息对外发布，作到信息共享。监控管理中心由公路交通主管部门负责，与公安/警察部门职责分明，公路交通主管部门负责交通的诱导、疏散和信息发布等交通管理，而警察署负责道路安全及监督检查等，两者信息分享，互相交换信息。德国目前在高速公路上未建任何收费设施，对车辆收取的通行费包含在燃油费和养路费中。德国高速公路和城市交通的信息化管理中，运用了许多先进的技术手段，如摘要：智能交通诱导系统、应急通信系统、隧道平安监控系统、GPS全球定位系统、GIS地理信息系统、交通网络控制系统、交通信息发布查询系统等，这些先进的交通通信信息技术手段，为交通管理提供了有效可靠的技术保证和为道路使用者提供优质的服务。三、基于移动网络技术的高速公路智能管理系统 高速公路智能化的含义。是指将先进的信息技术、数据通信技术、控制技术、传感技术、运筹学、人工智能和系统综合技术有效地集成应用于高速公路的建设和管理，使其具有语言、数学逻辑推理、视觉模拟或替代人的肢体运动的能力，从而加强车辆、道路、使用者三者之间的联系，从而形成一种安全、高效的运输系统。基于移动网络技术的高速公路智能管理系统包括电子收费子系统、实时监控子系统、信息服务子系统和后台总系统4个系统模块，通过与装有手机SIM卡的车载系统互相传递信息，从而实现对高速公路和行驶车辆的智能化管理。图1 基于移动网络技术的高速公路智能管理系统架构图1、电子收费子系统（1）电子收费子系统概述电子收费子系统的主要功能是实现无停车收费，后台总系统接收到车载SIM卡的信号后，将车载SIM卡所包含的车辆信息传送给电子收费子系统并令其放行，电子收费子系统记录车辆驶入口和驶出口信息并结算费用，该费用通过手机钱包即时支付。这种收费方式是模仿目前国际流行最先进的ETC（电子不停车收费）技术，它是在无人值守的收费车道上应用无线电射频识别和计算机技术自动完成对通过车辆的识别、收费操作、车道设备控制和收费数据处理。另外，电子收费子系统除继承了先进的ETC技术外，还完善了多项收费功能。例如，如果车辆在高速公路上发生违规行为，交警罚款可以由电子收费子系统通过手机支付代为收取。如果司机需要在高速公路服务站购买食品或服务，只需输入SIM卡号和密码即可由电子收费子系统通过手机支付代为收取。图2 电子收费子系统工作路径图基于移动网络技术的高速公路智能管理系统通过电子收费子系统对高速公路收费站的工作进行控制。收费车道主要由车道计算机、车道控制器、微波读写控制器（包括信号检测天线）、车道摄像机、高速栏杆、费额显示牌、车辆检测器、声光报警器等设备组成。图3 应用电子收费系统的高速公路收费站收费模拟图电子收费技术特别适于在高速公路或交通繁忙的桥隧环境下采用。在传统采用车道隔离措施下的不停车收费系统通常称为单车道不停车收费系统，在无车道隔离情况下的自由交通流下的不停车收费系统通常称为自由流不停车收费系统。实施不停车收费，可以允许车辆在较高的速度之内通过，故可大大提高公路的通行能力；公路收费走向电子化，可降低收费管理的成本，有利于提高车辆的营运效益；同时也可以大大降低收费口的噪声水平和废气排放。由于通行能力得到大幅度的提高，所以，可以缩小收费站的规模，节约基建费用和管理费用。另外，不停车收费系统对于城市来说，就不仅仅是一项先进的收费技术，它还是一种通过经济杠杆进行交通流调节的切实有效的交通管理手段。对于交通繁忙的大桥、隧道，不停车收费系统可以避免月票制度和人工收费的众多弱点，有效提高这些市政设施的资金回收能力。（2）电子收费与其它收费方式的比较收费方式收费过程问题车道放行能力辆/小时停车识别车型收款找零出票据延误时间环境污染瓶颈效应漏费现象误差人工收费要人工要要多有有重大250通行卷收费要人工要要较多有有有有250磁卡收费要人工有有较多有有存在有300投币收费要自动无无较多有少有大600称重收费要自动有有较多有有有有250红外收费要自动要要较多有有有有250电子收费不自动无无无少无无无1500表1 高速公路各项收费方式比较由表1高速公路电子收费与其它收费方式的比较中可以看出，电子收费在各个方面都由于其它收费方式，它几乎解决了其它收费方式所产生的所有问题，尤其是车道放行能力远远超越了其它收费方式，使高速公路的通行速率得到了飞跃性的提高。（3）电子收费子系统的优势第一，绿色化。汽车通过收费站时不用停车和等待，节约能源，减少了对收费站周围环境的污染。第二，电子化。车辆收费完全由电子设备完成，避免了车辆漏费和人为错误的发生。第三，节约化。不用建设庞大的收费站，同时也节省了雇佣人力收费和管理的成本。提高了企业形象。第四，自动化。车辆在高速公路上的各种收费全由电子收费子系统完成，基本不需要人力的参与，大大提高了收费的自动化。第五， 高速化。车辆经过收费站无需停车缴费和排队等候，提高了车辆通过速度。2、实时监控子系统（1）实时监控子系统概述实时监控子系统通过移动网络定位系统和视频监控系统的协同工作，获得高速公路上行驶车辆的实时信息和高速公路路面的实时路况、车道占有率、车辆速度、突发事件等的信息，及时将信息发送给后台总系统，后台总系统将获得的信息又发送给电子收费子系统及信息服务子系统，各自实现其功能。移动网络定位系统是模拟目前已成熟的GPS导航定位技术的功能，将其应用到高速公路智能监控系统中，实现对车辆的实时控制的。该系统和GPS导航定位系统的不同之处在于将卫星定位置换为移动网络定位，通过与电信运营商的合作，采用其技术，并在车辆内装载SIM卡装置接收和发送信号，实现对车辆信息的采集，实时监控和信息服务。高速公路视频监控系统一般分为收费监控和道路监控两部分。收费监控系统主要是对收费站的车道、收费广场、收费亭的收费情况，对收费车道通过的车辆类型、以及车辆通过收费车道过程中的突发事件和特殊事件进行观察和记录，实施有效的监督。道路监控系统主要是对高速公路干线、互通立交、隧道等高速公路重点路段进行监视，以掌握高速公路交通状况。在此基础上协同移动网络定位系统能及时发现交通阻塞路段、违章车辆，以便及时给予引导，保证高速公路的安全通畅。目前，世界上高速公路监控系统最发达的是美国，美国即使同时利用GPS导航定位系统和视频监控系统来实现对车辆和车道的控制。美国采用这项技术，大大降低了高速公路的事故发生率，提高了高速公路的通行速率，实现了巨大的社会效益和经济效益。图4 实时监控子系统工作路径图（2）实时监控子系统的特点第一，实时监控子系统采用移动网络定位技术取代电子眼实现对车辆的实时监控，使车辆超速违章无漏洞可逃。同时，车辆在高速公路上发生交通事故时，通过分析实时监控的图像判断事故原委，可以作为交通事故的证据，明确事故责任方。 第二，实时监控子系统通过移动网络定位系统和视频监控系统的协同工作对路网中行驶的车辆实施全天候、全方位、立体监控，预报交通流量情况，适时进行交通疏导、车辆事故预测、事故定位、现场记录和安全行车指导等，保证最大限度地发挥路网通过能力。 第三，通过实时监控子系统所采集的各项信息更加精确、可靠、科学，通过信息子系统的收集和综合分析可以作为高速公路管理和高速公路建设的有力依据。3、信息服务子系统（1）信息服务子系统概述信息服务子系统从后台总系统获得电子收费子系统及实时监控子系统所采集的各项信息，并自主收集影响高速公路车辆行驶各项因素的信息，然后对这些信息进行综合分析，得出结果，并将结果同时发送给后台总系统。信息服务子系统主要功能在于收集信息并为高速公路上行驶的车辆提供信息服务。车辆所需要的共同信息，信息子系统会通过路况广播向司机提供天气、路面状况、事故易发地、等信息，同时实时向道路使用者提供前方道路交通状况信息、推荐行驶路线。对于每辆车所需要的特殊信息，信息子系统会通过SIM连接的汽车音响向司机提供行车路线、入口、出口、收费情况等信息，避免司机走错路，使旅途更加舒适。车辆驶入高速公路前， 司机可以打电话给信息服务子系统的工作台，查询天气、路面情况、车道状态、设施服务、行车路线等信息。车辆进入高速公路后，信息服务子系统会实时向司机提供故障信息、路线信息、出口信息、行车里程信息。车辆出高速公路后，信息服务子系统会根据收费站子系统发送的结算信息向司机发送总行车里程信息，收费信息等信息。 图5 信息服务子系统工作路径图（2）信息服务子系统的特点第一，信息服务子系统所收集的信息全面、准确、可靠，使数据分析的结果更加科学，提高了信息服务的质量。第二，信息服务子系统为司机提供各个方面包括个人车辆更加全面的信息，使司机在高速公路上的行使更加便捷、安全，使服务更加人性化。第三，信息服务子系统作为高速公路智能管理系统的重要组成部分为高速公路管理的信息化做出了巨大的贡献。4、后台总系统（1）后台总系统概述后台总系统是基于移动网络技术的高速公路智能管理系统的枢纽子系统，是高速公路上各种信息的总数据库。同时，后台总系统协调电子收费子系统、实时监控子系统和信息服务子系统的工作，为它们的工作提供支撑，从它们那里获取信息，并将它们各自需要的信息发送给它们。后台总系统从其它子系统获得信息后，就基本掌握了有关高速公路各种因素的各种信息，进而为与高速公路相关的各个部门提供信息服务。首先，工程项目部门。后台总系统为工程项目部门提供详细、客观、准确的数据支持，使得高速公路的工程项目更加科学、合理的规划、制定和实施。其次，交通管理部门。后台总系统为交通管理提供客观、精确、即时的信息，使得交通管理部门可以随时掌控路面状况，处理紧急事故，科学做出判断。再次，故障处理部门。后台总系统为故障处理部门发送及时的设备使用信息和路面信息，使得故障处理部门能快速处理设备故障和路面故障。最后，路面养护部门。后台总系统为路面养护部门提供即时的路面信息和客观的年史数据，使得路面养护部门及时清理路面，科学合理的制定路面养护计划。图6 后台总系统工作路径图（2）后台总系统的特点第一，后台总系统是高速公路智能管理系统的核心，联接各个子系统的枢纽，保障整个智能管理系统的协调运行。第二，后台总系统拥有有关高速公路的各项信息，为有关高速公路的其它部门及时提供信息，使高速公路的运营更加顺畅。四、结语交通是国民经济的输血管，高速公路作为交通网络的最主要组成部门越来越受到各国的关注。高速公路在未来的发展趋势是自动化、高速化、信息化、智能化。基于移动网络技术的高速公路智能管理系统正是根据高速公路发展趋势而构思的，而且目前该系统所需要的各项技术均已成熟，实现该高速公路管理系统只需将各种技术整合构建成一个新的大系统，易于实现。由于该系统对目前高速公路管理中的各种问题都能予以有效地解决，所以它的建立必将为高速公路的管理作出历史性的革新，为经济和社会的发展作出前所未有的贡献。参考文献：1黄斌.ETC在高速公路中的应用J.中国交通信息产业，2006，(2).2李娜. 基于牌照识别的高速公路自动收费系统D.中国优秀硕士学位论文全文数据库，20063鞠亚莉，段强峰. 高速公路收费管理的问题及对策J. 重庆交通学院学报，2003，(7).4徐超忠.浅谈德国高速公路通信信息系统的管理J. 中国交通信息产业，2003，(7).5赵韩涛，慕德春. 我国高速公路管理系统发展综述EB/OL. /Common/DocumentDetail.aspx?ID=20090424110259028956英子. 浅谈高速公路智能化管理系统EB/OL. /2007lwj/13.htm An Intelligent highway management system based on Mobile network technologyLI Ting(School of Econom