高速公路监控系统设计的相关分析

杨平

摘 要：高速公路监控系统通过对路况及车流视频信息的综合分析，从而提升交管部门应急处突的能力，为智能交通提供可靠的数据保障。本篇通过高速公路监控系统的构成及功能，来探讨高速公路监控系统的具体设计。

关键词：高速公路;监控系统;设计

当今社会，高清视频监控系统无处不在，例如公安的天网系统，排球比赛的鹰眼挑战系统，车站的人脸识别系统。2020年1月1日全国高速公路取消省界收费站及并网切换是收费系统的革命性变化，收费全面由人工转向ETC，车牌识别作为关键技术发挥了举足轻重的作用。

一、关于高速公路的监控系统

1、监控系统的概念

高速公路上的监控系统分为道路监控，门架及收费站监控两部分。前者的实施主体是公安交管部门，其目的为监察公路违法行为;后者的实施主体是收费部门，其目的是保证通行费应征不漏。高速公路监控的功能主体是摄像机、直接监控对象是车，间接监控对象是人。

2、监控系统的特性

（1）实时性。视频显示终端能够实时反映被监视场所的状况，因此传输延时作为一个衡量监控系统优劣的指标格外重要。

（2）安全性。监控系统要保证视频数据的完整性不被删除修改，能够在停电时自动触发UPS供电继续工作，能够在无视频信号时自动报警。

（3）兼容性。监控系统各部分应当统一协议接口，实现功能模块化，接口标准化，连接网络化，存储数字化，便于系统的升级和扩充。

3、监控系统的作用

（1）不利天气监测。如雨雪、大风、沙尘暴等影响公路通行的极端天气，方便交管部门采取管制限行措施。

（2）交通事故监测。可以帮助交警调查取证，划分事故责任。

（3）交通违法监测。例如逆行、超速、违规变道、抛洒丢弃、随意停车、套牌、逃费等。

（4）路产路权保护。对于交通事故造成的公路设施损坏、路面污损和盗窃公路设施的行为进行证据固定，确保国有资产损失追究。

（5）行驶路线核验。取消高速公路省界收费站工程并网切换实施以来，CPC卡取代纸质通行券或IC卡成为非ETC车辆进出高速的收费依据，有效避免了通过倒换卡券偷逃通行费的行为，高速超时费也载入史册不再提起，其主要原因是CPC卡能够与处于高速公路公路交汇处的门架进行信息交互，记录车辆行驶的关键点位、从而获得车辆进出高速公路唯一的真实的行驶轨迹，当门架与CPC通信故障或者写入失败时，车道摄像机就成为确定车辆行驶轨迹的唯一依据。

二、高速公路监控系统的具体设计分析

1、基本组成部分的设计

高速公路监控系统主要由音视频采集设备、音视频传输设备、存储设备、控制及显示设备五部分组成。

音视频采集设备主要是车道或门架摄像机。摄像机的核心是图像传感器。主要分为CCD和CMOS两种。CCD（Charge Coupled Device）于1969年诞生于美国贝尔实验室，基于光电效应理论，将光学信号转换为模拟电流信号，经过模数转换器获得数字信号进行存储，典型应用如扫描仪。CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）作为图像传感器的后起之秀，以其低成本的优势迅速占领市场，在手机摄像广泛应用。

铠甲光缆作为高速公路远通信的主要传输介质，具有抗拉抗压、防鼠防潮的特点，同时配合信号放大器防止由于信号衰减造成的图像失真。

云台通过矩阵控制器旋转摄像头进行拍摄。云台是指两个交流电机组成的平台，可以进行水平和垂直方向的运动，在监控系统的设计过程中，最好选择密封性能好，载荷能力强，防水防尘防雷性能优异的云台。

视频分配器和视频切换器分别是一对多和多对一的关系。视频分配器可以将同一视频分别传输给不同地理位置的监视器上。而视频切换器则是为了节省显示终端将多路视频通过切换的方式逐一显示在一台监视器上。画面分割器则是同时将多路视频显示在一台监视器上，通常有4画面、9画面、16画面等布局.

2、设备技术参数的设计

（1）当车速以120km/h通过门架时，非高速高清摄像机不能获得清晰的图像。高速摄像机是指帧率高，专门对高速物体运动状态进行精确捕捉。过高的帧率对摄像机的存储系统造成压力;像素越高画面越细腻，但是过高像素会因为降低单个像素的亮度产生噪点。因此产品性能通常是需求和成本妥协的结果。

（2）4K电视的流行使H265成为视频编码主流，相比H264，同等图像质量视频体积将减少39%～44%，因此在硬盘录像机容量有限的情况下，使用高压缩率编码可以存储更多的视频。

（3）监视器又称为显示器，主流显示技术有LCD和OLED两种，一般有分辨率和刷新率两个主要指标。高分辨率可以使画面更细腻更自然;高刷新率使得画面切换更连续，响应更快速。

3、字符叠加与字符识别

字符叠加与字符识别是两种相反的过程，前者是将字符同步嵌入到图像当中，进行视频状态描述;后者则是将图像中的字符分离出来，进行字模或特征值匹配，获取图像中的潜在信息，最典型的应用是车牌识别。

（1）视频画面加字符描述可以准确反映正在发生的事态。例如对高速公路收费过程的监控。首先要保证亭内摄像机和车道摄像机时间同步，借助字符叠加板的字符标注功能添加时间、车道、车号、车种车型、工号、收费金额等信息。

（2）单个像素通常有R、G、B三个分量，每个分量有0～255种取值。字符识别的过程主要是对图片先高斯模糊去除噪点;接着进行二值化将彩色图片转换为背景为黑色、前景为白色的黑白图像;然后字符切割，最后通过特征值比对获得结果。

三、结语

综上所述，高速公路监控系统的高密度、网络化、数字化、智能化正稳步推进、尤其在全国取消高速公路省界收费站以后，以高速高清数字摄像机为视频采集终端，以5G通信技术为传输方式，以大数据应用为信息处理平台的智能交通系统正在形成中，必将为交通强国战略提供坚实保障。

参考文献

[1]庄国雄.高速公路机电监控系统的设计探讨[J].科技创新与应用，2018（26）：89-90.

[2]李鑫.高速公路机电监控系统的设计与特点研究[J].黑龙江交通科技，2015，38（12）：163+165.

[3]谭兰兰.黄黄高速公路機电系统的设计与实现研究[D].重庆交通大学，2014.

（作者单位：新疆交通投资有限责任公司吐哈分公司）