高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)分析

田競辰

摘 要：為了推動我國交通行業(yè)的發(fā)展，該文對高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計展開論述，介紹了智能監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計，并從圖像處理技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸及存儲技術(shù)、智能監(jiān)控系統(tǒng)檢修3個方面對系統(tǒng)進(jìn)行闡述，在了解高速公路監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)的價值的同時，也為今后監(jiān)控系統(tǒng)智能化設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：高速公路；智能監(jiān)控系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)；車流量

中圖分類號：U416 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國高速公路存在整體路況復(fù)雜、車流量大的問題，同時極端惡劣天氣也是影響高速公路行駛安全的重要因素。受信息技術(shù)發(fā)展的影響，越來越多的高速在建設(shè)、改造的過程中，將大數(shù)據(jù)、云計算與視頻監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成了智能監(jiān)控系統(tǒng)。通過設(shè)計智能監(jiān)控系統(tǒng)，一方面可以更好地掌握實(shí)時路況，并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，另一方面也能夠?qū)崿F(xiàn)高速公路的自動化與智能化管理。

1 高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

對高速公路的目標(biāo)路段進(jìn)行智能監(jiān)控時，為了能夠?qū)崟r了解車速、車流量、路況等情況，需要在高速公路上設(shè)置大量的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。出于對數(shù)據(jù)采集點(diǎn)運(yùn)行穩(wěn)定性的考慮，需要搭建穩(wěn)定性強(qiáng)的架構(gòu)作為支撐，其中最常用的便是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。在智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的相應(yīng)技術(shù)，可以有效保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與擴(kuò)展性。

高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)主要包括3個部分，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。其中感知層為數(shù)據(jù)采集終端，對高速公路的目標(biāo)路段的氣象、車流量、視頻等信息進(jìn)行全面采集；網(wǎng)絡(luò)層包括互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)督裝置，象監(jiān)控系統(tǒng)局域網(wǎng)、公共互聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)等，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和儲存；應(yīng)用層則為監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，主要負(fù)責(zé)對終端數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且將其傳輸至云存儲中心，經(jīng)過分析后可以為高速公路監(jiān)控中心、移動應(yīng)用終端等提供實(shí)時路況信息。

2 高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

感知層數(shù)據(jù)采集終端中包括Raspberry Pi單板機(jī)、視頻以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等部分，其主要是對目標(biāo)路段的相關(guān)信息進(jìn)行采集。監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)在Raspberry Pi單板機(jī)以及無線Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的幫助下傳輸數(shù)據(jù)，而網(wǎng)關(guān)和終端等則通過MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的交互，象數(shù)據(jù)儲存與公布。視頻服務(wù)器可以采集高速公路的視頻，并且實(shí)時監(jiān)控高速公路的路況。

數(shù)據(jù)采集終端、監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的運(yùn)行，以RASPBERRYPI3 MODB-1GB單板機(jī)為系統(tǒng)的主控制器，這里用到的Raspberry Pi屬于開源硬件系統(tǒng)，其成本低、計算性能好，應(yīng)用非常廣泛。同時，Raspberry Pi也可以利用相應(yīng)的硬件板卡與外圍模塊、傳感器相連接，對系統(tǒng)的原有功能進(jìn)行拓展。圖像采集模塊可以運(yùn)用Raspberry Pi系統(tǒng)中的Camera Module V2攝像頭、運(yùn)用數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，移動傳感器HB100實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微波探測，光強(qiáng)度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TSL2561則可以用于光照采集，最后用數(shù)字溫濕度傳感器AM2302采集溫濕度。在智能監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，高速公路上布置的所有數(shù)據(jù)采集點(diǎn)根據(jù)實(shí)時路況，將其間隔控制在100 m～200 m，以此來保證路段監(jiān)測的實(shí)時性。

3 高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 圖像處理技術(shù)

高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)可以對采集到的視頻圖像進(jìn)行處理，這樣一方面可以掌握處于移動狀態(tài)下的車輛信息，另一方面也能夠保證車輛跟蹤錄像的實(shí)時性與準(zhǔn)確性。同時，考慮到路面的行駛情況比較復(fù)雜，所以也要選擇合適的處理技術(shù)對圖像進(jìn)行處理，這樣才能夠保證圖像的質(zhì)量。

3.1.1 歸一化算法明確跟蹤對象

車輛處于行駛狀態(tài)時，智能監(jiān)控系統(tǒng)需要從不同方位對其進(jìn)行監(jiān)測，利用自動調(diào)焦可以保證監(jiān)測的準(zhǔn)確性。但現(xiàn)行的相關(guān)技術(shù)無法保證行駛車輛定位的準(zhǔn)確性，實(shí)際應(yīng)用中車輛行駛速度的同步難度較大。為了杜絕車輛超速行駛的現(xiàn)象，需要應(yīng)用移動測速技術(shù)，利用歸一化算法，明確高速公路上的跟蹤對象。對于歸一化算法的應(yīng)用，需要將系統(tǒng)采集到的所有視頻圖形信息分割處理，剔除一些沒有價值的信息，在剩余的圖片中提取有效信息，一般采用垂直、水平濾波等提取方式。當(dāng)提取到有價值的信息后，使用霍夫算法變換，明確監(jiān)測的行駛車輛所處的角度，保證采集到實(shí)時有效的數(shù)據(jù)。

3.1.2 殘余光流檢測算法劃分行人與車輛

高速公路車輛的行駛速度較快，如果有行人穿行路面很容易造成交通事故，甚至引發(fā)連環(huán)事故。這樣一來便需加入有效識別、預(yù)警高速公路行人、車輛的功能，為此建議使用殘余光流檢測算法。該算法的運(yùn)行原理在于高速公路中不同車輛與行人的速度、行進(jìn)形式不同，當(dāng)車輛處于行駛狀態(tài)時，身車架構(gòu)做剛體運(yùn)動，行人行走為非剛體運(yùn)動，可以通過這點(diǎn)對其進(jìn)行有效區(qū)分。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸及存儲技術(shù)

為了提高智能監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸效率，使調(diào)度中心能夠及時掌握有效信息，必須要選擇合適的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。對高速公路數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時，要考慮智能監(jiān)控系統(tǒng)的各采集點(diǎn)的設(shè)置情況，因?yàn)檎w設(shè)置比較分散，各個點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行男枰欢ǖ臅r間，這時就需要重點(diǎn)考慮速率與有效性。基于此，建議運(yùn)用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。將IP作為技術(shù)構(gòu)架，并且引用開放式NGN技術(shù)，發(fā)揮IP所帶有的視頻服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的優(yōu)勢，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，同時也可以對傳輸?shù)囊曨l進(jìn)行快速、高效地分析與處理，了解路面實(shí)時路況。對智能系統(tǒng)采集到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，必須要儲存關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為調(diào)取查閱做準(zhǔn)備。同時為了保證數(shù)據(jù)儲存質(zhì)量，必須要有足夠容量的儲存空間。這主要是因?yàn)橐曨l數(shù)據(jù)量比較大，高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)又是實(shí)時監(jiān)測，所以為了解決以上問題，建議使用物理分布式存儲技術(shù)，這樣能夠切實(shí)有效地提升數(shù)據(jù)存儲的可靠性。

3.3 智能監(jiān)控系統(tǒng)檢修技術(shù)

高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行期間，如果出現(xiàn)故障需要及時對其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，但是監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行的過程中難免會受到一些自然天氣以及人為因素的影響，無法保證永遠(yuǎn)正常運(yùn)行。因此，當(dāng)智能監(jiān)控系統(tǒng)處于使用狀態(tài)時，需要有專門的管理人員對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢查，定期排查其中的安全隱患，管理期間工作人員要制定完善的監(jiān)控設(shè)備檢查時間表，確保監(jiān)控設(shè)備可以及時得到檢修，并且保證其有效運(yùn)行。同時，如果智能監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)問題，相關(guān)人員可以及時解決問題。通過掌握監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況，制定有效的解決方案，確保監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量，為調(diào)度中心提供真實(shí)有效的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

綜上所述，對高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，需要結(jié)合實(shí)際路況選擇合適的技術(shù)，全面采集數(shù)據(jù)信息，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，為我國高速公路管理提供推動力，推動高速公路管理向智能化與信息化方向發(fā)展。

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