高速公路智慧監控系統建設路徑研究

付毅恒

（廣東省路橋建設發展有限公司路達分公司，廣東梅州 514779）

0 引言

高速公路的線路范圍較廣，日常管理、設備設施養護難度較大，智慧化監控系統能夠擴大高速公路監控范圍，創新監控方式，減少人工監控、傳統監控造成的監控誤差，使高速公路運維管理人員實時監控公路機電設備、公路設施，快速整理相關的數據資源，制訂高速公路運維管理方案，促進公路交通智慧化發展。

1 高速公路智慧監控系統的建設目標

首先，全面感知高速公路運營的全過程，分析影響高速公路安全運行的各類因素，高效率處理高速公路運行期間的各類問題，提升高速公路運營效益，降低高速公路運營風險問題，豐富高速公路管理與風險控制的技術內涵，突出智慧監控系統的價值，提供更優質的智慧監控服務，確保高速公路運營目標的實現，滿足高速公路建設發展的基本要求[1]。

其次，按照高速公路安全運營要求、高速公路交通的形勢變化等，建立監控范圍更廣的智慧監控平臺，嚴格地根據公路運行要求進行安全監控。比如，基于自學習功能的異常事件聯動、二維碼一鍵救援、車輛運行軌跡智慧監測等系統，綜合利用監控系統進行風險預警，整合高速公路運營期間的數據信息。

最后，智慧監控系統的技術方案、功能具有較強的適用性，符合高速公路運維管理的實際需求，具有自動升級系統、高速公路運維一體化管理、高速公路沿線自動化監控的作用。

2 高速公路智慧監控系統的整體架構

高速公路智慧監控系統是以WSN、大數據、遠程監控、人工智能等技術為核心，結合高速公路監控需求，建設多層級的智慧監控平臺。智慧監控系統的整體架構由監控層、通信層、數據層、技術層、服務層、顯示層組成。

一是監控層。實時監控高速公路的交通情況、交通設備、交通環境，監控設備為遠程監控設備，裝有傳感器，具有數據通信、數據傳輸、網絡通信功能，可將感知到的數據信息傳輸到系統控制中心。

二是通信層。通信層是以網絡通信技術、網絡通信設備為基礎，建立起網絡通信渠道，具有數據傳輸、數據安全管理、通信權限認證功能。為確保數據安全，數據傳輸過程中自動進行加密處理，核心技術包括安全密鑰技術、防火墻技術等[2]。

三是數據層。數據層能夠統一智慧監控系統運行期間的數據編碼，使其格式統一，管理人員可通過數據對接應用高速公路交通活動中的各類數據資源。

四是技術層。包括軟件設計、硬件設計兩大模塊，是智慧監控系統的核心層，支持著智慧監控功能、智慧監控管理服務的實現。

五是服務層。根據高速公路運行監控的實際需求，為管理者提供2D、3D的監控影像信息、監控曲線報表、設備信息管理、交通運維管理、緊急事件響應及處理等服務。

六是顯示層。用LED大屏、手機移動終端、電腦顯示智慧監控系統的功能模塊，提供用戶登錄、數據展示、影像信息查閱等服務。

3 高速公路智慧監控系統的功能設計

3.1 智慧監控服務

智慧監控服務功能是高速公路智慧監控系統的核心功能，具有智能采集高速公路設備信息、監控高速公路交通狀況、智慧監控診斷等作用。首先，基于2D、3D技術，建立BIM模型，自動生成可視化的高速公路影像數據模型，使管理者實時監控高速公路沿線設備、交通活動，集中管理高速公路設備設施，快速處理各類突發事件。其次，應用人工智能技術，監控高速公路機電系統、其他設施設備，將設備資料、位置信息、保養記錄錄入監控系統，提供調取、查閱、更新服務，實現高速公路設備設施的智能化管理。同時，具有動態顯示設備運行狀態，多維度呈現設備信息的功能[3]。為高速公路交通事故、火災等異常事故的處理提供基礎監控數據服務，使其快速發現、掌握事故情況，高效地處理各類異常事故。

3.2 智能數據分析

應用人工智能技術、AI分析技術、大數據技術、影像圖像智能識別技術、信息處理技術為高速公路運維管理提供智能化數據分析服務。首先，能夠基于人工智能技術，提取高速公路遠程監控設備監測到的數據信息，或是應用深度機器學習技術自動預警風險事故，識別路況異常事件，提升監控后的響應速度和處理效率。其次，具有數據融合、多業務數據分析功能，可預測高速公路交通流。服務原理是依據收費站、高速公路門架處的監控數據，建立高速公路交通流預測模型，獲取路況運行指數、運行規律，感知各區域的擁堵路段，預測交通流變化趨勢。最后，通過識別、分析高速公路圖像數據，感知高危車輛，自動向監控系統進行預警，使其重點關注高危車輛。預警信息為語音播報，能夠在信息融合后合成智能語音，聯動音頻設備后播報監控預警信息。

3.3 智慧監測預警

智慧監測預警能夠實現以下功能：一是具有統一接入、管理交通視頻、監測交通事件、設備故障報警、服務報警的功能。監控人員可全流程地監控報警中心的預測信息、報警信息，提升工作效率[4]。二是根據監控系統的服務需求、業務分布情況訂閱報警信息，精準地向不同管理層級、不同崗位的監控人員或管理人員推送報警信息，智能幫助用戶規避無效信息，確保其對專項報警信息的關注度。三是支持智能語音提醒、彈屏提示、短信提醒、聲光報警功能，可按照用戶需求定制化預警。四是無縫銜接業務系統、報警中心機器人，監控人員獲取報警信息后可快速查閱相關數據，處置高速公路運維期間的各類問題，高效控制業務系統處理異常問題，提高異常業務的處理效率。

3.4 救援快速響應服務

智慧監控系統具有救援快速響應服務功能，不僅能夠傳遞系統內部數據、預警或報警信息，還能夠快速定位接警救援點，縮短報警時間。比如，高速公路發生車輛故障時，報警司機可掃描高速公路上設備設施上的二維碼、上傳GPS定位數據，智慧監控系統會快速鎖定報警人位置，啟動救援程序，響應服務流程如下：

一是發起救援。上傳定位后智慧監控系統發起“救援請求”，自動定位故障，上傳事故位置信息、現場圖片、救援請求信息等。二是快速整合監控信息，語音播報救援消息提醒，消息內容包括報警人手機號碼、報警時間、報警位置、現場監控圖像信息等。三是確認現場視頻、圖片等監控信息，下達救援服務命令，然后回復報警人，相互配合下快速處理交通事件。四是救援服務歷史查詢，智能監控救援活動，記錄相關的數據信息。

4 高速公路智慧監控系統結構設計

4.1 結構設計

高速公路智慧監控系統由信息系統、網絡系統、監控管理中心組成，結構采取分層設計理念，技術原理是實時采集高速公路的路況信息，處理相關數據后，由監控管理中心整合數據，下發指令。其中，網絡系統是以WSN技術為核心，建立無線傳感器網絡子系統，是智慧監控系統的主要結構，具體包括Sork網關節點設備、路邊節點設備、車載移動節點設備等內容[5]。

一是Sork網關節點設備。設備電源為有源供電，數據存儲單元大，且具有數據分析、數據計算能力，可自動采集車載節點、路邊節點設備運行期間的數據信息，數據整合后向監控管理中心傳送數據資源。網關節點設備需要負責高速公路局域網范圍內的節點設備，接收監控管理中心信息指令。

二是路邊節點設備。該設備是以電池組為供電方式，工作強度較大，處理能力稍弱，但能夠實時監控高速公路的路面情況，包括車流量、溫濕度、能見度，采集公路運營所需的現場數據。同時，測量車距、車速等，集中處理現場數據后，將信息傳輸給Sork網關節點設備，執行Sork網關節點設備所接收的監控管理中心指令。

三是車載節點設備。車載節點設備是直接安裝在車輛上的監控設備，設備存儲數據包括車主身份信息、車輛類型、車牌號等關鍵數據，車輛駛入高速公路后，該設備會周期性地更新車輛位置信息，配合其他節點設備，傳送、共享高速公路風險預警、運維管理所需的信息數據。

4.2 運行流程

高速公路智慧監控系統運行期間，路邊節點設備會按照系統內的監控程序、監測數據標準值采集固定時間、固定區域、固定時間段的高速公路路況信息，初步處理相關數據后將數據跳送到Sork節點設備。Sork節點設備綜合分析相關數據后，計算各路段道路車流量，傳送路面車距、其他路面信息，由監控中心接收信息后，智慧監控系統的網絡系統會自動更新高速公路監控信息，包括監控管理中心的顯示屏、高速公路路旁LCD顯示屏、收費站顯示屏等。行車人員、管理人員、監控人員可根據大屏顯示的路況信息，調整行車、公路運維管理方案，預測公路交通事件，從而減少交通事故率。當車輛進入高速公路后，智能監控系統會定時更新車輛位置信息，測量車輛車距，啟動相鄰數據節點，使其能夠完整地記錄車輛在高速公路行駛中的數據信息，融合處理相關數據后管理車輛，發現車輛故障、其他異常情況后快速處理、準確定位。

5 建設高速公路智慧監控系統的關鍵技術

5.1 WSN技術

WSN技術是無線傳感器網絡技術，高速公路智慧監控系統建設時，WSN技術能夠實現系統的全程全時段監控。智慧監控系統可采用分布式傳感互聯網絡結構，終端安裝各類傳感器，采集高速公路全路段的數據信息，并利用無線通信網絡傳送相關數據，將數據信息完整地傳輸給接收終端。在此過程中，智慧監控管理中心可與傳感器設備相互對接，自動設置傳感器數據服務功能，確保數據采集、傳輸符合高速公路智慧監控需求。

基于WSN技術的智慧監控系統會包含多跳變的自組織模式網絡系統，具有較強的適用性、實用性。相較于傳統監控系統，基于WSN技術的智慧監控系統具有以下優勢：一是實現高速公路運維數據的準確互通，有助于監控人員快速掌握全范圍的路況信息，及時處理各類緊急安全事故、意外事故。二是無線通信網絡安裝的傳感器、其他節點設備成本低、造型簡單，可大量在高速公路上鋪設。三是不間斷地監控整條高速公路的交通路況，實時反饋路況信息，為高速公路運維管理人員提供決策依據。四是多傳感器網絡系統可改善路況監測環境，確保監控數據、監控信息的準確性和完整性。五是數據傳送、路面監控不受天氣、時間、空間的限制。

5.2 大數據技術

大數據技術是高速公路智慧監控系統的關鍵技術之一，具有數據分析、數據統計、數據應用、數據傳輸等功能，可有效處理監控系統的海量數據，存儲系統運行所需的關鍵信息。高速公路監控系統運行期間，大數據技術可為管理者提供數據相關的所有服務，包括高速公路車流量數據分析、車輛故障數據處理、高速公路路況數據存儲等服務?；诖髷祿夹g，智慧監控系統采集相關數據時，數據可自動轉換為系統可識別的數據格式，自動整理為數據集，同時分類存儲在監控系統中，以供監控人員、管理人員查閱。

比如，高速公路智慧監控系統可應用大數據技術采集路段噪聲、空氣質量、溫濕度等數據信息，為公眾出行提供依據，或配合交通運輸部統計處理擁堵路段的數據信息，實時將監控數據對接到導航軟件上，使車輛駕駛員了解高速公路擁堵路段的實時狀況，合理選擇出行路線。

5.3 圖像識別技術

圖像識別技術是智慧監控系統的主要監控技術，可基于WSN技術，識別傳感器采集的圖像信息，配合嵌入式芯片識別數據后，模仿人類的視覺功能，為智慧監控管理中心提供有價值的監控信息。智慧監控系統建設中，圖像識別技術多用于車輛違章檢測，具有識別車輛、追蹤車輛、違章報警、車流量統計功能。該技術不僅可采集高速公路監控范圍內的靜態圖像信息，還能夠獲取監控范圍內的動態圖像信息，實現多目標跟蹤、車輛違章智能判別。

一方面，基于圖像識別技術，智慧監控系統可跟蹤路段內的不同車輛，測量、計算車距和路面車流量。另一方面，智能分析路段內的車輛圖像信息，分析車輛行為，比如判別車輛是否違章。圖像識別技術可根據車牌字符、視頻監控影像記錄車輛畫面，將相關數據輸入監控系統后智能分析車輛違章情況。

6 結語

綜上所述，高速公路上的安全風險、運營風險較大，智慧化監控系統能夠多維度、綜合性地監控高速公路機電系統、構筑物、沿線車輛，滿足高速公路安全運營需求，提升高速公路運營管理效率。但在建設高速公路智慧監控系統時，還應結合新時期高速公路交通管理的實際需求，明確系統建設目標，合理設計高速公路智慧監控系統的功能模塊，優化系統的智慧分析、實時監控、智慧運維服務功能，促進高速公路交通事業的健康發展。