■ 遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 王嗣策

高速公路監(jiān)控系統(tǒng)是高速公路機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部分，隨著我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展和高速公路現(xiàn)代化信息技術(shù)水平的提升，對(duì)高速公路路段、沿線公共設(shè)施、環(huán)境、車輛、安防等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的需求日益增加，相關(guān)技術(shù)規(guī)范不斷擴(kuò)充完善，對(duì)其工程設(shè)計(jì)工作的覆蓋范圍、設(shè)計(jì)質(zhì)量、設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)效性要求與日俱增。

高速公路監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段通常包括初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)兩部分，分別用于設(shè)計(jì)方案的確定和對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容全方位的細(xì)化，以滿足指導(dǎo)施工的要求。但對(duì)于高速公路監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，不論是初步設(shè)計(jì)還是施工圖設(shè)計(jì)階段，都是圍繞著外場(chǎng)設(shè)備布設(shè)、圖像數(shù)據(jù)傳輸及存儲(chǔ)、供配電三者進(jìn)行展開設(shè)計(jì)。本文從外場(chǎng)設(shè)備布設(shè)、圖像數(shù)據(jù)傳輸及存儲(chǔ)、供配電三部分對(duì)高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。為使設(shè)計(jì)更加合理、有序，筆者特提出高速公路監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架（圖1），以期為類似工程提供參考。

圖1 高速公路監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備

監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備處于系統(tǒng)的感知層面，其種類較多，可分別從不同維度監(jiān)測(cè)和收集路況信息。其布設(shè)原則的確立是設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)；設(shè)備選型的技術(shù)參數(shù)的編寫是影響項(xiàng)目實(shí)施后的品質(zhì)的重要因素。

監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備的布設(shè)規(guī)模在規(guī)范中有較為明確的要求，需要根據(jù)所屬高速公路級(jí)別、車道數(shù)及服務(wù)水平進(jìn)行等級(jí)的確定，參照與等級(jí)匹配的設(shè)備種類、監(jiān)控區(qū)域以及疏密程度要求，制定具體的布設(shè)原則，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察情況、設(shè)備的用途及作用覆蓋的范圍，應(yīng)用高效計(jì)算機(jī)CAD軟件，在圖紙上形象直觀地呈現(xiàn)出來(lái)。

設(shè)備被逐項(xiàng)添加到線路圖紙的過(guò)程，不是機(jī)械化的圖例的復(fù)制粘貼，而是書面的原則與線路場(chǎng)景融合的過(guò)程。如今的平面繪圖技術(shù)容易使人遺漏細(xì)節(jié)，在有限的條件下，清除與本專業(yè)毫無(wú)關(guān)聯(lián)的圖型標(biāo)注或圖層是讓人保持專注的基礎(chǔ)，以便將圖紙中剩余的有限元素在腦海中構(gòu)建起相應(yīng)的虛擬場(chǎng)景（圖2、圖3）。

圖2 挖方路段示意圖

圖3 橋梁路段示意圖

當(dāng)路側(cè)是挖方段的情況下，為埋設(shè)監(jiān)控設(shè)備的基礎(chǔ)及立柱需要對(duì)路側(cè)進(jìn)行開挖。由于路側(cè)高于路面，不僅增加了施工的工作量，而且還需額外對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)，以免受到落石、滑坡的危害，因此布設(shè)應(yīng)盡量避開挖方段。

當(dāng)前方是橋梁的情況下，設(shè)計(jì)時(shí)需要及時(shí)向橋梁設(shè)計(jì)的主體專業(yè)提交需要預(yù)留預(yù)埋的相關(guān)信息，以便在后期的機(jī)電系統(tǒng)施工時(shí)，能夠在主體工程預(yù)留好的基礎(chǔ)上安裝相應(yīng)監(jiān)控設(shè)施。

當(dāng)監(jiān)控設(shè)備前后有遮擋物存在的情況下，應(yīng)根據(jù)視距的需要適當(dāng)對(duì)情報(bào)板等監(jiān)控設(shè)備的布設(shè)位置進(jìn)行調(diào)整；在山區(qū)等橋隧偏多的線路，合適的布置區(qū)域通常存在設(shè)備、標(biāo)志牌密集的情況，需要識(shí)別遮擋物的用途和對(duì)視距的要求，以免影響交通安全設(shè)施的信息顯示。

外場(chǎng)布置成型后，設(shè)備的選型即是點(diǎn)睛之筆。因?yàn)闇貪穸?、各地區(qū)的建設(shè)特點(diǎn)、市場(chǎng)行情、用戶的使用習(xí)慣等存在差異，如南北方地區(qū)對(duì)室外設(shè)備的溫度要求必然有所不同，所以，在保證設(shè)備性能的同時(shí)也要做到節(jié)約成本。隨著各省對(duì)交通運(yùn)輸部開展的全國(guó)高速公路視頻聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)工作的推進(jìn)落實(shí)，大部分高速公路將在今后完成高清攝像機(jī)改造，傳統(tǒng)的模擬攝像機(jī)和配套的適用于模擬信號(hào)傳輸?shù)脑O(shè)備也將被淘汰。此外，用戶對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)性能的要求意見、相關(guān)技術(shù)的成熟程度、監(jiān)控設(shè)計(jì)者的方案思路，都會(huì)對(duì)設(shè)備的選型產(chǎn)生影響。因此，技術(shù)指標(biāo)的合理性、實(shí)用性，是設(shè)計(jì)人員始終要堅(jiān)持的理念。

傳輸與存儲(chǔ)

傳輸

傳輸處于前端與后端設(shè)備的銜接層，負(fù)責(zé)從外場(chǎng)監(jiān)控單元到各級(jí)中心的信息傳遞。在實(shí)際工程中，常涉及到的是監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)施到就近的機(jī)房或收費(fèi)站之間的數(shù)據(jù)和圖像的傳輸。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)和以太網(wǎng)光端機(jī)是當(dāng)下主流傳輸設(shè)備，由于隧道的通行環(huán)境較為復(fù)雜，隧道監(jiān)控布設(shè)點(diǎn)位更為密集且設(shè)備種類較多，路段和隧道監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸方式略有差異（圖4）。

圖4 攝像機(jī)圖像傳輸示意圖

隧道內(nèi)擁有以太網(wǎng)接口的監(jiān)控設(shè)備，如攝像機(jī)、緊急電話、現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域控制器等分別采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成光纖自愈環(huán)網(wǎng)傳輸信息，利用環(huán)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和支持以太網(wǎng)環(huán)路保護(hù)技術(shù)的交換機(jī)，即使某處發(fā)生斷路仍可確保一條新的路由進(jìn)行傳輸。通常一個(gè)環(huán)網(wǎng)內(nèi)連接的設(shè)備數(shù)量不宜過(guò)多，當(dāng)同類設(shè)備數(shù)量較多時(shí)，可按編號(hào)跳接分別連成多個(gè)環(huán)網(wǎng)（如編號(hào)按奇數(shù)、偶數(shù)分別組成環(huán)網(wǎng)），各類監(jiān)控信息傳輸?shù)剿淼雷冸娝蠼y(tǒng)一進(jìn)行上傳。

路段監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備由于布設(shè)點(diǎn)位分散在各個(gè)互通立交且彼此間距離較遠(yuǎn)，一般采用星型連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即利用以太網(wǎng)光端機(jī)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，再接入就近收費(fèi)站配置的三層以太網(wǎng)交換機(jī)統(tǒng)一上傳。

存儲(chǔ)

存儲(chǔ)處于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層面，其主要內(nèi)容視頻存儲(chǔ)與其他類型文件的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)存儲(chǔ)及讀寫方式有著較大差異，因此，其他類型服務(wù)器常用的存儲(chǔ)設(shè)備一般不適合視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

存儲(chǔ)特點(diǎn)

一是監(jiān)控設(shè)備對(duì)圖像的采集與傳輸是不間斷的，并對(duì)于實(shí)時(shí)性、時(shí)序性有一定要求，因此，存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)監(jiān)控區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)視頻的讀寫適宜采用流的方式。

二是由于需要面臨連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)讀寫工作，以防止圖像采集和重播過(guò)程畫面質(zhì)量受損，因此，對(duì)于存儲(chǔ)系統(tǒng)的帶寬要求較高。

三是圖像數(shù)量多，視頻圖像存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)，存儲(chǔ)容量大。

存儲(chǔ)方式

目前，監(jiān)控系統(tǒng)主流的存儲(chǔ)主要有磁盤陣列存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)存儲(chǔ)兩種方式。

磁盤陣列存儲(chǔ)的存儲(chǔ)設(shè)備作為獨(dú)立系統(tǒng)，通過(guò)建立專有的局域網(wǎng)與存儲(chǔ)服務(wù)器相連，適用于大容量存儲(chǔ)且利于擴(kuò)展，如在監(jiān)控分中心或橋隧站等監(jiān)控視頻管理范圍較大的項(xiàng)目。

網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)存儲(chǔ)的工作原理是經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取監(jiān)控?cái)z像頭傳輸?shù)母咔逡曨l碼流，能夠同時(shí)對(duì)數(shù)路攝像機(jī)視頻的存儲(chǔ)、瀏覽、回放、管理，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化帶來(lái)的分布式存儲(chǔ)。目前主要用于中小型監(jiān)控系統(tǒng)的方案中，如對(duì)服務(wù)區(qū)及收費(fèi)站室內(nèi)及廣場(chǎng)的視頻監(jiān)控[1]。

存儲(chǔ)容量計(jì)算

在確定了各類監(jiān)控信息存儲(chǔ)的位置節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)的時(shí)間之后即可進(jìn)行存儲(chǔ)容量的計(jì)算，公式如下：

碼流是在單位時(shí)間里視頻文件占用的數(shù)據(jù)流量，表示每秒比特率。

由公式（1）可知，視頻傳輸?shù)拇a流是影響存儲(chǔ)容量的一個(gè)重要因素，碼流主要取決于分辨率、幀率、壓縮率。隨著監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展對(duì)于圖像清晰度與碼流的要求逐步提高，超過(guò)百萬(wàn)像素的高清攝像機(jī)正被廣泛采用。由于碼流值這種數(shù)字信號(hào)的傳輸速率具有一定的浮動(dòng)性，估算存儲(chǔ)容量時(shí)，可參考高清攝像機(jī)圖像的清晰度及項(xiàng)目要求，并為后續(xù)設(shè)備更新及存儲(chǔ)空間做一定的預(yù)留。

供配電

供配電為整個(gè)系統(tǒng)提供源源不斷的電力，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

供電方式

收費(fèi)站的電源機(jī)房是其所接入主線兩側(cè)路段監(jiān)控設(shè)備取電的主要來(lái)源，且監(jiān)控設(shè)備的供電均屬于1kV以內(nèi)的低壓電力配電系統(tǒng)。由于相鄰互通式立交、服務(wù)區(qū)的間距一般分別在4km～30km之間、50km左右，故最遠(yuǎn)端的外場(chǎng)設(shè)備供電距離較長(zhǎng)，而相鄰設(shè)備間距相對(duì)較近。比如，立交兩側(cè)需要布設(shè)情報(bào)板、攝像機(jī)、車輛檢測(cè)器等，且為對(duì)其分合流點(diǎn)及中央全局進(jìn)行監(jiān)控，此處攝像機(jī)間距可能僅有500m左右，因此，與放射式、樹干式、環(huán)式的供電結(jié)構(gòu)相比，鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)更加適合高速公路[2]。這種鏈?zhǔn)焦╇娡ㄟ^(guò)提供統(tǒng)一、足額的輸出電壓，為多個(gè)前端負(fù)載提供一對(duì)多的電力輸送，在每個(gè)前端負(fù)載處經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)處理以得到適用于此處前端設(shè)備的工作電壓，無(wú)需針對(duì)各前端設(shè)備的遠(yuǎn)近、功率的不同分別計(jì)算傳輸損耗并調(diào)整線徑。同時(shí)，當(dāng)前端設(shè)備到電源機(jī)房位置距離達(dá)到數(shù)千米時(shí)，可利用遠(yuǎn)距離供電方式，其設(shè)備一般由上位機(jī)和下位機(jī)組成[3]（圖5）。

圖5 遠(yuǎn)距離供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

上位機(jī)設(shè)置于電源機(jī)房?jī)?nèi)，通過(guò)大幅度提高供電端壓降的方式，彌補(bǔ)較長(zhǎng)的供電線路帶來(lái)的壓降損耗；按照上位機(jī)輸出的標(biāo)稱電壓大小可分為多個(gè)不同等級(jí)，需要對(duì)處于遠(yuǎn)距離供電范圍內(nèi)設(shè)備的數(shù)量、距離、用電量進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)所需上位機(jī)的規(guī)格進(jìn)行確定。

下位機(jī)設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)前端負(fù)載處，將歷經(jīng)遠(yuǎn)距離送達(dá)的電力調(diào)節(jié)成滿足負(fù)載正常工作要求的壓降供其運(yùn)轉(zhuǎn)。

電纜的選型

系統(tǒng)供電需要使用大量線材，其選型亦是重要一環(huán)，需綜合考慮多方面內(nèi)容。

電纜材質(zhì)的選取根據(jù)線纜敷設(shè)的環(huán)境、供電的遠(yuǎn)近及經(jīng)濟(jì)因素對(duì)銅或鋁合金芯、是否鎧裝等進(jìn)行確定。

電纜芯數(shù)的選取通常由單相/三相電源供電確定。由于監(jiān)控系統(tǒng)攝像機(jī)、車輛檢測(cè)器、亮度計(jì)、交通信號(hào)燈等設(shè)備負(fù)載較小，通常采用單相供電，單相回路通常選用2芯電纜，其中，1芯為保護(hù)導(dǎo)體和中性導(dǎo)體合用；情報(bào)板、服務(wù)區(qū)顯示屏等設(shè)備功率較大，通常采用三相供電，三相回路通常選用4芯電纜（三相四線制），即三芯為220V單相，保護(hù)導(dǎo)體和中性導(dǎo)體合為1芯。

電纜截面積的選取可以根據(jù)公式（2）計(jì)算，根據(jù)供電線路抵達(dá)距離電源最遠(yuǎn)的負(fù)載時(shí)對(duì)壓降損耗的要求，得出線路電壓損失相對(duì)值，代入公式后可反推出允許的電纜截面S的最小值，并以此作為參考，在配電手冊(cè)查到電纜的截面積[4]。

Δμ%：線路電壓損失相對(duì)值；

L：負(fù)載的供電距離，km；

P：負(fù)載的功率，kW；

S：導(dǎo)線截面積，mm2；

C：計(jì)算系數(shù)，與導(dǎo)體材質(zhì)、溫度、電壓有關(guān)可通過(guò)查表獲得。

結(jié)論

作為一名設(shè)計(jì)人員，既需要總結(jié)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，又要與時(shí)俱進(jìn)廣泛接收新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的規(guī)范化和安全性、實(shí)用性的提升。外場(chǎng)設(shè)備布設(shè)、傳輸與存儲(chǔ)、供配電是高速公路監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要脈絡(luò)，三者之間相互配合，使得高速公路沿線的路網(wǎng)信息采集、信息發(fā)布、信息管理成為了現(xiàn)實(shí)。本文從上述三方面入手，在內(nèi)容繁雜的工程設(shè)計(jì)中，明確了高速公路監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路與總體框架，將設(shè)計(jì)工作中存儲(chǔ)、壓降損失等計(jì)算的過(guò)程進(jìn)行了推導(dǎo)說(shuō)明，有利于提升設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)性、合理性和科學(xué)性。