高速公路统一监控系统设计与研究

陈继情

（福建高速公路有限责任公司 福州管理分公司，福建 福州 350000）

1 福建省高速公路管理系统运行现状

截至2021年底，福建省高速公路通车里程超过6 000 km［1］，实现了“县县通车”的伟大成就。随着高速公路里程增加，隧道等关键节点也不断地增加，对于关键节点的设备的控制和数据采集的要求也不断地增高。现有高速公路监控系统已经逐渐无法满足庞大的高速路管理需求，主要存在以下几个方面问题：①各个系统数据量大，维护不方便、效率低；②各个系统监控数据无法统一备份保存和查询、传输稳定性差；③可拓展性差，各个系统独立，无法统一维护；④日常数据操作记录未能统一备份，存在风险。综上，新一代的高速公路监控系的开发应用已经迫在眉睫。

2 高速公路管理系统设计需求

针对现有系统的不足，新一代的高速公路管理系统需满足以下设计要求。

2.1 全高速公路网统一监管，新增节点时方便系统拓展

新系统需从子节点开始逐级上传，最终汇聚到省公司的总节点。一线节点通常为各类工控机，由 PLC实现，工控机通过以太网网络连接到机维中。机维站一般由现场监控工作站（控制计算机）、监控系统软件、主区域控制器及相应的附属设施构成，用于实现对一线节点的直接监控。机维站数据需支持实时上传，最终汇总到总结点。整个省份的所有高速公路由一个控制中心集中管理。后续若有新建设高速公路，可直接并入现有监控系统，实现统一监控。

2.2 全面掌握高速公路沿线设备的运行情况

高速公路沿线系统主要包括隧道及沿线道路照明系统、视频系统、安全报警系统、数据采集系统、电话系统、交通指示系统等子系统。新系统需要对各个子系统的数据进行采集和日常管理，所有数据信息需汇总接入统一监控软件平台。通过该软件平台对高速公路沿线所有设备进行监控。

2.3 实现数据监管和数据分析

新系统需支持设置报警及操作日志查询，支持报表生成和数据分析，支持用户对系统的具体操作实施监管和记录。用户可以将系统设备的巡检操作生成文档留做内页资料，可以对设备故障记录和修复记录进行过程跟踪监控。通过数据分析统计可实现对隧道各个设备状态和使用情况的实时掌握。

3 系统设计

根据系统设计需求，统一监控平台系统拓扑架构设计如图 1所示。

图1 平台系统拓扑架构示意图

3.1 系统拓扑架构

平台架构可分成4个层级，每个层级设备介绍如下。层级1：一线节点，包括各种工控机；层级2：机维站，由电脑、服务器组成；层级3：市级中心，由电脑、服务器组成；层级4：省级中心，由电脑、服务器组成。

各层级功能如下。①工控机：布设服务+客户端界面（单站），可以进行设备监控、数据处理，同时具备一定的数据存储功能，在市级与设备通信中断恢复后，将中断时的数据同步到市级中心，保证数据的完整性和可靠性。②机维站：客户端界面，连接到市级中心，利用用户名区分不同机维站的监控权限。③市级中心：布设“服务+客户端”界面，进行数据采集、处理和存储。④省级中心：连通现有的省级平台的Oracle数据库，和下层级节点交互、存储数据。

3.2 软件设计

软件目标功能主要包括用户管理、报警管理、隧道设备监控、照明时序设置、照明模式管理、照明灯组管理、照明时序恢复、PLC校时、情报板控制、日志查询、报表查询、网络系统、设备巡检、火灾联动预案、数据采集存储、车检器系统、火灾报警系统、紧急电话播系统、视频系统等模块的应用。其中，关键功能设计如下。

（1）照明控制。主要功能包括照明灯组管理、照明模式管理、照明时序管理3个部分。每个机电维护站可以编辑属于这个机维站的灯组，在灯组管理界面，可以进行灯组管理，包括“新增灯组”“修改灯组”“删除灯组”。在编辑完灯组后，就可以对灯组进行照明模式的管理，可以设置每个灯组的开光灯时序，可以新增、编辑、删除多个照明时序，建立多个照明模式并命名保存。在时序管理中就能选择需要下发的照明模式，以达到控制该隧道灯组的亮灯方案［2］。主页面主要由五大部分构成。①隧道选择：可自主勾选要下发时序的隧道；②模式选择：选择要下发到照明柜的照明模式；③控制方式选择：选择要下发到照明柜的照明控制方式；④结果页面：显示要下发的照明柜详情及下发后的结果；⑤图例说明：对不同的颜色给予解释 。

（2）情报板控制。情报板显示在主控制画面上，主控画面是一个GIS画面，通过放大和缩小操作可以看到全部的情报板。如果当前画面不在主控制画面内，可以通过点击主画面按钮切换到主控画面。在主控画面上显示了情报板名称，情报板当前发布的内容及情报板当前通信状态。点击需要控制的情报板可以打开编辑该情报板界面，窗口上有获取情报板当前内容、发送命令、批量发送、编辑情报板内容排序等功能。集中各个品牌型号的情报板，对接协议进行总结。情报板控制主要分成两个板块：一是情报板发布。情报板软件设计时分为内容分类区、内容共享区、发送内容编辑区域、发送内容预览区。窗口上有获取情报板当前内容、发送命令、批量发送、编辑情报板内容排序等功能。二是情报板参数设置。情报板参数设置主要是对上位机与情报板通信连接的方式、情报板IP、网络端口的设置，还可屏蔽情报板在上位机上的显示；用户可右键列表内容进行编辑、新增、删除情报板配置。

（3）隧道风机指示灯控制。在软件隧道界面内，现场每个射流风机、轴流风机、指示灯和每一组照明灯都有对应编码的图标，通过点击图标就可以弹出对应设备的控制界面。射流风机控制的方式有正转、反转、关闭3种方式，窗口上有显示风机的当前控制方式和当前风机的状态。轴流风机控制显示有风阀控制和风机控制，可显示风机频率和转速等［3］。控制方式有5种，分别为本地手动、远程手动、时序自动控制、COVI自动控制、未知控制。①本地手动：在现场进行手动控制的上位机无法控制；②远程手动：由上位机进行远程手动控制；③时序自动控制：根据设定的时间进行自动控制；④COVI自动控制：由COVI值进行自动控制；⑤若显示未知控制，说明已与PLC通信中断。

（4）紧急电话、火灾报警及车检器等安防设备。新火灾报警系统对原有各个品牌型号的火灾报警系统进行整合，如双波长火灾报警系统、感温光缆火灾报警系统、光纤光栅火灾报警系统、视频事件火灾报警系统等，集中到新一代监控软件统一进行监控。火灾报警系统在隧道控制界面上分为手动报警单元和自动报警单元，正常的状态下背景色为绿色，故障时背景为黄色，火灾报警时背景则为红色。同样可以通过点击图标编辑设备状态。

紧急电话图标，状态分为5种，即正常、故障、振铃、通话、摘机。状态为正常时显示绿色，故障时为黄色闪烁，通话时为红色闪烁。

车检器模块的主要功能是对外场车检器的数据进行采集、存储及分析，并生成报表。车辆检测器报表有3个主要功能：车检器数据查询、车检器数据对比、保证车检器数据的完整性。车检器数据查询分为实时数据、小时数据、日报表、月报表， 可以全方位地对高速公路上的各个节点车流量、车速和车道占有率进行统计和分析，为其他道路设备的控制使用提供依据。

（5）数据采集、存储及查询。数据采集主要包括车辆检测器数据、COVI数据、隧道照度检测数据、风速风向温度等数据；这些数据可以帮助工作人员了解隧道现场的行车情况及对隧道的照明灯、风机和一些指示标志做出正确控制。数据的存储和分析包括火灾报警数据、情报板发布数据、隧道开光灯数据、隧道用电数据、隧道设备运行报警数据等。通过数据分析统计可实时掌握隧道各个设备状态和使用情况，为机电维护站对设备的维护提供帮助。新的高速公路监控系统采用树型拓扑，通过高速以太网汇聚各个关键节点的信息，实现统一处理和信息显示，并对日常数据进行归档，方便后期回溯。通过该系统，工作人员可以全面掌握高速公路沿线设备的运行情况，提高对高速公路沿线设备的监控效率，实现数据监管和数据分析，也方便后期网络拓展。此外，该系统在数据采集存储分析的基础上新增了全设备巡检功能。设备巡检画面主要分为以下四大部分。①机维站选择：可自主选择要巡检的机维站，可以精确查找各维护站的设备故障情况，提高维护的时效性。②设备类型选择：选择要巡检的设备，对单一设备的实时情况快速查询，方便对设备专项维护时的统计。③统计信息：巡检设备分正常和异常统计分类，对设备情况进行统计，为判定设备故障原因提供依据。④详细列表：巡检设备的详细信息，对各设备的具体故障情况进行初步分析，避免维护时“走弯路”，提高设备维护的精确性。

（6）PLC校时功能。隧道照明、隧道风机、隧道指示灯、COVI等设备是通过PLC可编程控制器实现远程控制的。由于各个PLC时钟走的速度不一致，所以时间久了会导致每个PLC时间差距较大，影响如照明时序等控制方案的下发和使用。这时候就需要进行时间的校正。PLC校时主界面主要有以下功能。①隧道选择：可自主选择要下发的目标隧道；②系统时间：可以编辑当前要下发到PLC的具体时间；③详细列表：要下发的PLC详情及下发结果，如当前PLC的通信状态和下发后的成功与否的状态。

（7）日志功能。日志查询分为监控操作日志、用户登录日志、情报板操作日志、火灾报警日志、紧急电话日志、监控报警日志等。日志查询包括区域选择：选择所要查询的区域，如隧道、路段、机维站及管理公司等；查询条件选择：查询的条件因不同日志分为很多种，本文不做赘述。通过对各个日志的查询，可以精确掌握每个子系统、每个操作步骤、每个报警记录及所对应的每个操作人员的使用情况，使每个系统的每个操作和巡检情况都责任到人，方便倒查。

4 系统应用

高速公路统一监控软件目前在高速福州管理分公司试点应用，后续会布设至全省各个路段公司［4］。本系统在信息中心监控人员的道路监控时效提高上有很大的帮助，让监控数据的上传下达和统计分析更加可靠且及时。同时，多个设备系统可进行汇总和集中监控管理，大大降低了监控的人工成本。此外，沿线设备的操作实施记录会有留存，各个设备的运行情况定时汇总生成日志报表，各个设备报表也会进行数据分析统计，为沿线设备的运行控制提供参考依据。该系统可以通过隧道的照度数据调节隧道照明灯具的开关；参考COVI的数据控制隧道风机的开关；通过隧道用电数据的分析，制定隧道照明时序等功能。

5 结束语

通过建设和使用高速公路统一监控系统，利用高速以太网络串联实现数据交互，方便集中监控、管理，还可以更全面地掌控高速公路上的运行监控数据，让道路沿线设备的操控更规范和更具时效性，并能降低监控的人工成本，同时利用数据的多维度比对和分析，发现日常维护中存在的问题，及时做出修正。因此，高速公路统一监控系统建设和应用开发具有重要的意义。21世纪是人工智能的时代，目前高速公路的监控系统智能化水平还处于萌芽阶段，后续的发展及研究方向也应朝着这方面努力，加大智能化设备在高速公路的投入应用，让各个子系统之间相互联动，最大限度地降低人在道路监控的参与程度是大势所趋。