交通工程设计理论与方法 第4章监控系统设计.ppt

第4章 监控系统设计,学习要点高速公路监控系统的概念、组成及功能 信息采集系统分类及功能 信息提供系统的组成及功能信息决策系统的组成及功能隧道监控系统组成,学习目标掌握高速公路监控系统组成及其功能了解高速公路监控系统的应用及其发展趋势,4.1 概述,高速公路监控系统是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。1.监控系统的组成（如图4.1所示）,图4.1 监控系统体系结构图,图4.2高速公路交通监控系统图,2.监控系统各子系统的功能信息采集系统 对交通流信息、气象信息、环境信息、异常信息等等进行采集，供信息决策系统分析、决策使用。信息决策系统 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;负责管辖区域内的通信联络;全系统组成设备工作状态的监控。信息提供系统 向道路使用者提供道路交通信息和诱导控制指令,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,4.2 信息采集系统,信息采集系统分类：数据采集系统 紧急电话系统闭路电视监控系统 数据采集系统1.车辆检测系统2.气象检测系统湿度检测器 风速、风向检测器 雨量检测器能见度检测器温度检测器,3.环境检测系统路面干/湿状态检测器非接触式冰冻检测器路面积雪厚度检测器光亮度检测器一氧化碳浓度检测器,1.车辆检测器（以环形线圈为例加以说明）基本原理：在同一车道的道路路基段埋设一组（2个）感应线圈，每组感应线圈与多通道车辆检测器相连。当车辆分别经过两个线圈时，由于线圈电感量的变化，车辆的通过状态将被检测到，同时状态信号传输给车辆检测器，由其进行采集和计算。,图4.3 车辆检测线圈安装示意图,图4.4 车辆检测器实物图,2.气象检查器（如图4.5所示）,3.超高检测器（图4.6、4.7所示）,图4.5 气象检查器,图4.6 激光车辆超高超速超线检测器,图 4.7 激光车辆超高检查器,紧急电话系统（如图4.10所示）,图4.10 ETA型紧急电话系统,图4.11 有线紧急电话系统构成图,图4.12 无线紧急电话系统构成图,闭路电视监控系统设计CCTV监控系统基本构成（图4.13，4.14为视频监控系统原理图）1.图像生成部分：包含收费亭内摄像机、车道摄像机、广场摄像机、路况摄像机及云台等；2.图像传输部分：包括光端机、视频放大器以及数字传输设备等；3.图像控制部分：包括云台控制器或控制键盘、矩阵切换器、画面分割器等；4.图像输出部分：包括监视器、监视计算机终端，把时延录像机、硬盘录像机也可以列入此部分。,图4.13 交通路口网络视频监控系统原理图,图4.14 CCTV视频监控系统工作原理图,1CCTV图像生成系统设计1）摄像机 摄像机的原理（图4.15、4.16、4.17、4.18为CCTV监控摄像机）摄像机是获得视频图像信号的关键设备，感光成像用的是电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device）。CCD使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。,图4.15 SY-3142QA标准系列彩色CCD摄像机,图4.16 16倍一体化夜市摄像机,图4.17 万向云台半球一体化摄像机,图4.18 SY防水系列摄像机,2）镜头 镜头是摄像机前的成像装置，是摄像机与外界接触的第一界面。3）云台 云台是供摄像机安装在其上，实现摄像机旋转、俯仰等多个角度的自由运动，可满足对固定监控目标的快速定位，或对大范围监控环境的全景观察。（图4.19、4.20、4.21、4.22为云台实物图）4）解码器 把控制主机传来的控制信号进行解码，转换成镜头、云台和防护罩可执行的控制信号。5）防护罩 防护罩是为了保证摄像机和镜头有良好的工作环境的辅助性装置。它将摄像机和镜头包在其中，用于抵制尘土多、湿度大、周围温度超过摄像机工作范围、受到风吹雨打时的恶劣工作环境。（图4.23、4.24为防护罩的实物图）,6）支架 支架是固定云台及摄像机防护罩的安装部件。一般在支架上安装云台，再将摄像机（防护罩）固定在云台上（如图4.25、4.26所示）,图4.19 云台,图4.20 室内云台,图4.21 室外万向云台,图4.22 5寸全球可内置解码板,图4.23 室外防护罩,图4.24 室内防护罩,图4.25 支架,图4.26 支架,2CCTV图像传输系统设计1)传输方式(1)同轴电缆传输系统 收费监控传输距离较近,一般采用同轴电缆传输系统(2)光纤传输系统 全程监控传输距离较远,一般采用光纤传输系统2）主要光传输设备（1）光发送端机（电路框图如图4.27所示）（2）光中继器（如图4.29所示）（3）光接收端机（电路构成框图如图4.28所示）,图4.27 光发送端机的电路框图,图4.28光接收端机电路构成框图,图4.29 光继中器,3CCTV图像控制系统设计1）视频分配放大器（原理如图4.30所示，实物图如图4.32所示）2）多画面分割器3）视频矩阵切换控制主机（视频矩阵切换控制系统 如图4.31所示，实物图如图4.33所示）,图4.30视频放大分配器工作原理,图4.31 视频矩阵切换控制系统,图4.32 视频分配放大器,图4.33 多画面分割器,4CCTV图像输出系统设计1）监视器（如图4.34所示）2）长延时录像机（如图4.35所示）3）数字化硬盘记录机4）投影仪（如图4.36所示),图4.34 20英寸液晶监视器BN-ML20,图4.35 长延时录像机,图4.36 投影仪,4.3 信息提供系统,信息提供系统向道路使用者、交通管理部门、事故救援机构等提供交通信息、诱导控制指令等等。1.可变情报板 向高速公路上的司机提供有关高速公路的各种异常信息(如图4.37所示）2.可变限速标志 根据高速公路实际情况向司机提供行车速度，减少追尾碰撞、平滑交通流，以保证高速公路上交通的正常与安全；（如图4.38、4.39所示）3.大型地图板 实时显示监控外场终端设备检测到的信息，是交通控制与管理决策的重要基础和依据。（如图4.40所示）,图4.37 大型可变情报板,图4.38 可变限速标志,图4.39 可变限速标志,图4.40 大型地图板,4.4 信息决策系统,4.4.1 信息决策系统需求与功能分析1系统需求分析 信息采集功能 数据处理功能 交通控制功能 信息显示功能 报文处理功能 系统自诊断功能2系统功能分析 息决策系统应根据各省（市、自治区）高速公路管理与养护体制与机构总体设计方案确定，一般由监控总中心、监控中心和监控分中心构成。,1）监控分中心 监控分中心的主要功能如下：（1）通过通信系统汇集、显示外场监控设施传送来的各种数据、音频和视频；（2）将上述数据、声音和图像等信息上传监控中心；（3）根据各类信息判断交通现况，预测发展趋势，制定控制方案；（4）对各外场设施进行控制；（5）数据统计、查询、存储、备份，图像存储、制作，打印各类报表；（6）对控制方案做出可信服的评价，提供方案改进的依据；（7）执行监控中心下达的指令。监控分中心所辖范围以50km为宜，设在所辖范围的中间为宜，以使各种外设布置合理。,2）监控中心 监控中心主要负责一条或一个建设单位的高速公路的管理工作，其主要功能如下：（1）执行监控总中心下达的指令，收回或返还监控分中心对外场设备的控制权；（2）通过通信系统汇集并显示监控分中心传送来的各种数据并上传监控总中心；（3）监视各监控分中心的工作状态和系统运行状态，并对各分中心进行协调控制；（4）根据各监控分中心提供的各类信息制定控制方案；（5）协调交通事件处理与控制，宏观优化车辆运行路线与车速；（6）完成工作数据的备份、统计，制作、打印各类报表，为宏观决策服务；（7）定期对控制方案做评价，并提出改进方案。,图4.41 监控中心工作原理,3）监控总中心 监控总中心是全省（市、自治区）高速公路网的交通管理核心，负责高速公路网的高效运行，加强对交通安全、畅通运行的反应能力，其主要功能如下：,高速公路监控中心宜以行政区划为界，不宜跨区域管理，一般建在靠近地区中心城镇处，以方便管理人员的生活。其工作原理如图4.41所示。,（1）通过通信系统汇集并显示各监控中心传送来的各种数据，经计算机系统进行处理，形成动态交通信息，通过广域信息网或交通广播向社会发布，保证行车快速、安全和舒适；（2）切换全控制区域的高速公路的视频监视图像；（3）结合路网实际运行状态，发挥高速公路整体网络效应，给用户提供最佳行使路线。（4）向监控中心下达调度指挥命令，对各监控中心进行协调控制；（5）根据各监控中心提供的各类信息制定总体控制方案；（6）完成工作数据的备份、统计，制作、打印各类报表，为宏观决策服务；（7）定期对控制方案做评价，并提出改进方案。高速公路监控总中心应设在高速公路管理局内，以充分发挥其指挥核心作用。,4.4.2 信息决策系统网络及配置1信息决策系统网络 信息决策系统由三级计算机网络组成，即监控总中心、监控中心和监控分中心计算机局域网。每一级监控系统计算机局域网都由监控服务器、多媒体工作站、路由器、以太网交换机和打印机等设备组成。1）监控总中心网络 监控总中心有监控服务器、备份服务器（含磁带库）、多媒体计算机等。监控总中心服务器负责对高速公路监控系统外场设备采集的历史数据和实时数据进行存储，对于重要的数据用磁带机备份，运行地理信息服务软件，同时负责接收从监控中心上传的数据。多媒体计算机通过地理服务软件调用数据库的信息，生成图形地理数据，并在多媒体计算机上显示。,2）监控中心网络 监控中心的计算机系统包括服务器、多媒体计算机、信息发布控制计算机等设备。计算机系统中的串行通信接口皆采用RS-232C标准，如图4.42所示。3）监控分中心网络 监控分中心计算机系统组成局域网，包括服务器、多媒体计算机、通信计算机、闭路电视控制计算机、交通控制计算机和紧急电话控制计算机等，如图4.43所示。,图4.42 监控总中心计算机系统,图4.43 监控分中心计算机系统,2信息决策系统配置 各级信息决策系统的主要计算机设备包括服务器、通信计算机和多媒体计算机。（1）服务器的配置 服务器主要负责网络操作、系统进程管理和运行，常作为系统的数据库服务器，存储监控系统的数据以及大型通用软件，同时通过网桥还接收收费系统传送过来的大量数据。服务器的配置主要考虑速度、容量和可靠性三个方面。速度和容量比较直观，可 靠性方面的内容较多，包括自动恢复、多级容错、环境监测、网络管理等。技术指标主要考虑主频、内存、硬盘空间、硬盘传输率、网卡传输率和可靠性等。速度的瓶颈主要在于硬盘，用SCSI硬盘接口可明显改善性能；在可靠性方面最好采用磁盘镜像，即配置两个同一型号的硬盘，其中一个作为另一个的备份；网卡的选择主要取决于速度，同时考虑价格和网络拓扑要求。,（2）多媒体计算机 多媒体计算机是图形处理、数据处理和用户界面的终端设备，主要接收主机数据或CAD工作站传来的其它信息，生成管辖各路段的交通状况和局部细节图形，并操纵图形在大型投影屏上显示。因此，多媒体计算机应选用高性能计算机，要求分辨率高、显示点阵小、聚焦准确度高，显卡存储配置的容量要大、显示速度要快、颜色要丰富，最好是增强型的VGA显示卡，同时配备图形编辑软件，并建立所辖路段的图形数据库。（3）通信计算机 与路段监控现场的终端设备单元连接，大都采用异步半双工通信，监视各条传输信道的工作状态，并做出越限报警处理，一般应配置一定速率的网卡和多个与外场监控设备的接口。（4）交通控制计算机 监视各路段外场监控设备的运行，收集处理各种外场监控信息，通过优化发出控制指令，实时性控制要求较强，有时把任务分由两台计算机承担，一台负责数据采集与处理，另一台负责决策和发出指令，并配置专门应用软件。,4.5 隧道监控系统设计,图4.44 某隧道监控系统实地图,1隧道监控设计目的 对隧道交通流、气候和路况的实时监视；在交通拥挤未发生时，及时采取措施，调整交通量，防止交通拥挤发生；在偶然事件发生时，能及时检测并发出报警信号，通知有关部门进行事件处理，同时利用各种信息发布手段，通知道路使用者，避免产生二次事故，减少交通延误和交通阻塞。,2.隧道监控系统设计方案（如图4.45所示）一般的，每条隧道的监控分为3个层次，上层为本地控制中心，中间为区域控制器，下层为各种检测设备（车辆检测器、能见度检测器、CO浓度检测器、风速风向检测器、亮度检查器、超高检测器）和控制诱导设备（车道控制器标志、交通等、可变情报版、可变限速标志等）。,图 4.45 隧道监控系统的原理图,在这三个层次中，区域控制器是隧道监控系统的核心，它负责财经现场设备的信息，处理后传给本地控制中心，而本地控制中心的控制命令则发给区域控制器，再由区域控制器直接控制相应的设备。因此区域控制器应是高度可靠的。,3监控系统计算机系统 隧道内监控站计算机网络由系统主机（服务器）、客户机（彩色图形计算机和隧道监控计算机）以及其它网络设备为主组成局域网，与监控分中心组成广域网，进行数据的上传和指令的下载。隧道监控计算机系统如图4.46所示。,图4.46 隧道监控计算机系统,4 隧道监控外场设施1）信息采集系统 车辆检测器（VD）气象检测器（WD）光亮度及检测器 CO检测器 能见度检测器(VI)超高检测器、闭路电视系统()紧急电话()巡逻车等,2）信息提供系统 可变情报板()交通信号灯()隧道标志 标线 广播系统,