基于GIS的高速公路监控系统应用研究

张 强，杨泽平

(1.重庆高速公路有限公司;2.西南交通大学)

1 引言

高速公路的建设情况可以反映一个国家和地区的交通发达程度乃至经济发展的整体水平，车速、交通量、通行能力是高速公路设计的基本依据，三者之间又是互为因果，我国高速公路建设在起步阶段时其交通流量一般远未达到设计容量，同时对高速公路的监控也存在明显的不足。然而随着我国经济社会的快速发展，我国许多高速公路已经开始出现拥挤现象，与此同时随着通车里程的不断增加，高速公路发生灾害的风险也随之加大，表明对高速公路进行实时监控的研究和应用有着重要的现实意义。

现阶段，国外发达国家在高速监控方面已经奠定了坚实理论基础，并在实践中积累了丰富的经验，但是，其发展模式并不适合我国国情，而我国高速公路监控技术处于蓬勃发展阶段，伴随计算机技术和地理信息技术的不断发展，对于融合了图形编辑、资料管理、地理查询、辅助决策等全方位管理功能的监控系统的研究和应用有着重要的现实和理论意义，地理信息系统(Geographic Information System，简称 GIS)为解决这一问题提供了一条有效途径。

地理信息系统是人类生存、发展、进步密切相关的一门信息科学技术，其主要特征是储存、管理、分析、与位置有关的信息，是空间信息科学的重要组成部分，其被广泛应用于国民经济管理、规划建设等领域，交通信息与地理信息的同源关系使得GIS在交通领域得到开发应用。基于此，本文讨论高速公路监控系统软件功能设计，然后探讨基于Super-Map Objects组件式开发的可视化监控平台，最后对全文作了简要总结。2 高速公路综合监控系统功能模块设计

2.1 高速公路综合监控开发方式

将GIS系统应用于交通监控系统中符合综合自动化发展趋势，GIS与监控系统一体化的根本目的是实现二者的优势互补，而实现GIS与监控系统集成一体化的方法主要有:(1)在监控系统中集成GIS的功能，但开发功能有限，且与信息管理系统的衔接很不方便;(2)在GIS中集成监控系统的功能;(3)通过数据库实现关联集成;(4)组件化方式;采用组件化模式，较好的实现监控系统和GIS系统图形、数据显示的一体化问题，可以方便地嵌入到通用的开发环境和很好地满足要求实现的功能，本文所探讨的高速公路监控系统就是基于组件式设计模式进行开发。

2.2 高速公路管理与信息化系统模式

高速公路监控系统由地面数据采集控制服务，通信接口装置，区域管理监控站点，路用机电控制设备及高速公路综合监控软件组成，高速公路监控系统是一个地理范围分布很广的系统，从监控中心的硬件设备到高速公路沿线布设的一系列外场设备，都必须进行统一协调的管理。文中探讨的高速公路监控系统是基于C/S架构的分布式网络监控系统，由区域总中心和路段分中心的多级分层的分布式构架。相应地，其软件也包括总中心和分中心两类监控系统。基于统一管理、降低成本、提高效率的要求，一般高速公路监控管理系统由:区域监控管理中心、区域监控管理分中心的模式构建，区域中心为监控调度总中心，其权限在于可以监控整个区域内的设备和对分中心进行管理，其管理模式如图1所示。

图1 高速公路管理模式

监控系统分中心负责所辖路段的日常交通管理，实施道路设备的监视与控制职能，另外还需要向上一级区域监控中心上传监控数据，为区域管理决策提供信息和数据。并与相关路段、隧道监控系统交换信息，对实时信息进行有效的发布，高速公路区域分中心是交通信息化建设的基础站，其管理区域构成如图2所示。

图2 高速公路分中心管理结构

2.3 监控系统软件功能设计

基于SuperMap Objects组件式的可视化监控平台进行系统的开发，组件式GIS是由一系列可拆分、可协作、可裁减的GIS组件构成的具有高度伸缩性的GIS软件平台。对于同一规范的各种组件可以实现其无缝集成，可以使用数据采集与监视控制系统组件与GIS组件协同实现监控应用系统的功能从而形成紧凑的、一体化的可执行程序。

系统在管理分中心的应用软件主要由数据采集与通信、电子地图检测、数据分析、设备用户管理、数据库服务五个部分组成，整个分中心软件实现功能构成如图3所示。

图3 分中心监控软件功能框图

数据采集与通信实时采集监控计算机系统收集的外场设备状态，电子地图检测汇集交通数据、紧急工作状态和监控设备的工作状态以及交通流量将其存入服务器数据库;数据分析根据采集的相关控制数据，进行交通监控和统计、视频图像查询工作，以及向可变情报板发布信息与控制命令。设备与用户管理的主要功能是对用户进行统一管理、系统维护信息和系统日志显示等。GIS系统与监控系统相互联系，两个系统有数据交互，数据通过公用数据库完成交互和共享，后台数据库与其共用，实现了GIS系统独立开发而又与监控系统交互的目标，其功能划分如图4所示。

3 基于SuperMap的高速公路监控系统的设计

3.1 SuperMap简介

SuperMap是超图地理信息技术有限公司基于ActiveX/COM技术开发的组件式GIS软件开发平台，其中SuperMap Objects由一系列的AciveX组件构成，包括核心组件、空间分析组件、布局组件、三维组件、拓扑组件、图例组件、数据表格组件、工作空间管理组件等多个可分拆的组件库。编程人员在开发过程中可以选用自己最熟悉的开发语言，轻松地将电子地图的常用功能组件嵌入到信息管理系统中，并且可以脱离SuperMap的软件平台运行。

图4 监控软件功能结构划分

3.2 基于SuperMap的电子地图监测系统的设计

(1)地图数据设计

一般性条件约束:①操作反应时间不超过1秒，需要大量统计和计算的功能，反应时间不超过5 s;②数据库服务器采用SQL Server 2008;③开发语言选择为C#语言，C#主要是从C和C++继承而来，是第一个组件导向(Componentoriented)的程序语言;④局域网协议:TCP/IP;使系统具有可维护性、可扩展性和安全性。

我校充分利用课堂四十分钟时间，在阅读教学过程中引导学生练习写话。在进行读写结合训练的初期，我们聚焦于如何寻找读写结合切入点，在阅读教学中渗透写法，寻找读写切入点，引导学生写话，让阅读与写作紧密结合。在文本教学时我们寻找语言训练点，引导学生深化对文本的解读，巧妙设计，内化语言运用，引导学生进行语言表达训练，提高写话能力。

需要完整的地图基础数据，既要包括城填、国道、省道、河流等一些基本的地理信息，也要包括专题的信息，如:隧道、情报板、摄像机等。空间要素分为区域空间要素、重点监控设备、救援相关三类;点状要素可只采集一个点，注明其静态属性;线状要素的采集应根据实际情况来采集，采集线状要素的边界点，理论上应采集所有曲率发生变化的点，尽量反应出线状要素的基本的实际形状和特征，并且要采集线状要素的左右两个边界的点，注明其静态属性;面状要素的采集类似于线状要素，应采集所有的特征点、曲率发生变化的点，并且保证首尾闭合，本项目涉及的面状要素较少。从要素的类别上可分为:区域对象元素、重点监控设备元素和救援资源对象。

GIS系统中涉及的数据包括图形矢量数据、空间属性数据和工程管理数据。空间属性数据与工程管理数据均采用SQL Server数据库来存储，各地物属性记录的关键字为图形文件中该地的设备ID号，由此便实现了地图图形文件与数据库表的一一对应关系，如图5所示。

图5 图形文件与SQL对应

对于高速公路上的设备来说，其信息是较为复杂，分为实时和静态信息，实时信息为软件需要监控，而静态信息则是判断设备信息的重要标志，其静态信息存储到空间数据库中，而动态信息存放到SQL数据库中。

(2)界面设计

系统采用Office 2007的ribbon按钮模式，而非典型的菜单点选模式，在进行不同的工作时，Microsoft Office 2007的“面板”和“模块”会发生相应的变化，用户在软件中菜单栏进行操作时，在面板选项中会自动出现相应模块，用户点击此选项就会实现其操作，其优点是功能区收放自如。

(3)系统运行环境配置

引用标准:

GB8567计算机软件产品开发文件编制指南;

GB/T 11457软件工程术语;

GIS平台选用SuperMap;

数据库服务器采用SQL Server 2008;

开发平台及语言选择:VS2008(C#语言);

局域网协议:TCP/IP。

4 系统模块功能的实现

4.1 GIS基础功能

系统监控功能是以GIS功能为基础来设计和实现。GIS功能是否完善直接关系着系统的功能的成败。所以必须给予足够的重视;总体而言，分为以下功能模块:

(1)地图导航、图层管理;

(2)地图设计、属性查询;

(3)空间查询、SQL查询、地图量算;

(4)对象定位、浮动显示信息。

4.2 设备的监控功能

设备可分为:情报板、摄像机、车检器、气象仪等，系统对情报板的功能可以分为:监听和控制。监听即获取情报板当前显示的内容，控制是改变情报板的显示内容。

对摄像机的操作功能为监控其实时视频，在GIS系统中展现出来，通过点击地图上的摄像机对象，在弹出菜单中选择播放视频即可以在系统右下方的视频窗口中播放该摄像机对象的监控画面，而对于系统中其他设备，可以读取实时的信息，如获取车检器车流量、气象仪(温度、湿度等)等设备的信息。

5 总结

高速公路的信息化，主要是针对诸如电力设备、通信线路、火灾险情、实时视频等各种设备状态的数字化，实现统一调度、管理和控制，随着高速公路的建设公里数增加，信息点增多，若有机地结合的地理信息系统(GIS)，借助于GIS灵活、方便、强大的功能，最大程度上的避免信息点过多造成的误读、误判和误操作，会使集中管理更加方便、合理、快捷，也会使得高速公路的集中管理带上一个新的高度，这是高速公路管理领域的必然趋势，结果表明:实现了设备实时数据及其状态的监视，完成GIS地理环境的图形管理与分析，为用户提供了直观、友好、功能完善的可视化操作界面。

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［1］刘光.地理信息系统二次开发教程(组件篇)［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［2］张烨，彭进业，葛宝，赵文静，等.组件式GIS在高速公路监控系统软件设计中的应用［J］.公路交通科技，2004，34(5):545-547.

［3］刘亚鑫，夏立.GIS与SCADA系统集成技术的研究［J］.电网技术，2007，31(16):42-45.

［4］文本颖，谈顺涛，袁荣湘，等.基于COM技术的SCAOA系统数据库设计与实现［J］.电网技术，2004，28(14):19-22.

［5］龚健雅.地理信息系统［M］.北京:科技出版社，2001.