高速公路智慧监控系统建设路径研究

付毅恒

（广东省路桥建设发展有限公司路达分公司，广东梅州 514779）

0 引言

高速公路的线路范围较广，日常管理、设备设施养护难度较大，智慧化监控系统能够扩大高速公路监控范围，创新监控方式，减少人工监控、传统监控造成的监控误差，使高速公路运维管理人员实时监控公路机电设备、公路设施，快速整理相关的数据资源，制订高速公路运维管理方案，促进公路交通智慧化发展。

1 高速公路智慧监控系统的建设目标

首先，全面感知高速公路运营的全过程，分析影响高速公路安全运行的各类因素，高效率处理高速公路运行期间的各类问题，提升高速公路运营效益，降低高速公路运营风险问题，丰富高速公路管理与风险控制的技术内涵，突出智慧监控系统的价值，提供更优质的智慧监控服务，确保高速公路运营目标的实现，满足高速公路建设发展的基本要求[1]。

其次，按照高速公路安全运营要求、高速公路交通的形势变化等，建立监控范围更广的智慧监控平台，严格地根据公路运行要求进行安全监控。比如，基于自学习功能的异常事件联动、二维码一键救援、车辆运行轨迹智慧监测等系统，综合利用监控系统进行风险预警，整合高速公路运营期间的数据信息。

最后，智慧监控系统的技术方案、功能具有较强的适用性，符合高速公路运维管理的实际需求，具有自动升级系统、高速公路运维一体化管理、高速公路沿线自动化监控的作用。

2 高速公路智慧监控系统的整体架构

高速公路智慧监控系统是以WSN、大数据、远程监控、人工智能等技术为核心，结合高速公路监控需求，建设多层级的智慧监控平台。智慧监控系统的整体架构由监控层、通信层、数据层、技术层、服务层、显示层组成。

一是监控层。实时监控高速公路的交通情况、交通设备、交通环境，监控设备为远程监控设备，装有传感器，具有数据通信、数据传输、网络通信功能，可将感知到的数据信息传输到系统控制中心。

二是通信层。通信层是以网络通信技术、网络通信设备为基础，建立起网络通信渠道，具有数据传输、数据安全管理、通信权限认证功能。为确保数据安全，数据传输过程中自动进行加密处理，核心技术包括安全密钥技术、防火墙技术等[2]。

三是数据层。数据层能够统一智慧监控系统运行期间的数据编码，使其格式统一，管理人员可通过数据对接应用高速公路交通活动中的各类数据资源。

四是技术层。包括软件设计、硬件设计两大模块，是智慧监控系统的核心层，支持着智慧监控功能、智慧监控管理服务的实现。

五是服务层。根据高速公路运行监控的实际需求，为管理者提供2D、3D的监控影像信息、监控曲线报表、设备信息管理、交通运维管理、紧急事件响应及处理等服务。

六是显示层。用LED大屏、手机移动终端、电脑显示智慧监控系统的功能模块，提供用户登录、数据展示、影像信息查阅等服务。

3 高速公路智慧监控系统的功能设计

3.1 智慧监控服务

智慧监控服务功能是高速公路智慧监控系统的核心功能，具有智能采集高速公路设备信息、监控高速公路交通状况、智慧监控诊断等作用。首先，基于2D、3D技术，建立BIM模型，自动生成可视化的高速公路影像数据模型，使管理者实时监控高速公路沿线设备、交通活动，集中管理高速公路设备设施，快速处理各类突发事件。其次，应用人工智能技术，监控高速公路机电系统、其他设施设备，将设备资料、位置信息、保养记录录入监控系统，提供调取、查阅、更新服务，实现高速公路设备设施的智能化管理。同时，具有动态显示设备运行状态，多维度呈现设备信息的功能[3]。为高速公路交通事故、火灾等异常事故的处理提供基础监控数据服务，使其快速发现、掌握事故情况，高效地处理各类异常事故。

3.2 智能数据分析

应用人工智能技术、AI分析技术、大数据技术、影像图像智能识别技术、信息处理技术为高速公路运维管理提供智能化数据分析服务。首先，能够基于人工智能技术，提取高速公路远程监控设备监测到的数据信息，或是应用深度机器学习技术自动预警风险事故，识别路况异常事件，提升监控后的响应速度和处理效率。其次，具有数据融合、多业务数据分析功能，可预测高速公路交通流。服务原理是依据收费站、高速公路门架处的监控数据，建立高速公路交通流预测模型，获取路况运行指数、运行规律，感知各区域的拥堵路段，预测交通流变化趋势。最后，通过识别、分析高速公路图像数据，感知高危车辆，自动向监控系统进行预警，使其重点关注高危车辆。预警信息为语音播报，能够在信息融合后合成智能语音，联动音频设备后播报监控预警信息。

3.3 智慧监测预警

智慧监测预警能够实现以下功能：一是具有统一接入、管理交通视频、监测交通事件、设备故障报警、服务报警的功能。监控人员可全流程地监控报警中心的预测信息、报警信息，提升工作效率[4]。二是根据监控系统的服务需求、业务分布情况订阅报警信息，精准地向不同管理层级、不同岗位的监控人员或管理人员推送报警信息，智能帮助用户规避无效信息，确保其对专项报警信息的关注度。三是支持智能语音提醒、弹屏提示、短信提醒、声光报警功能，可按照用户需求定制化预警。四是无缝衔接业务系统、报警中心机器人，监控人员获取报警信息后可快速查阅相关数据，处置高速公路运维期间的各类问题，高效控制业务系统处理异常问题，提高异常业务的处理效率。

3.4 救援快速响应服务

智慧监控系统具有救援快速响应服务功能，不仅能够传递系统内部数据、预警或报警信息，还能够快速定位接警救援点，缩短报警时间。比如，高速公路发生车辆故障时，报警司机可扫描高速公路上设备设施上的二维码、上传GPS定位数据，智慧监控系统会快速锁定报警人位置，启动救援程序，响应服务流程如下：

一是发起救援。上传定位后智慧监控系统发起“救援请求”，自动定位故障，上传事故位置信息、现场图片、救援请求信息等。二是快速整合监控信息，语音播报救援消息提醒，消息内容包括报警人手机号码、报警时间、报警位置、现场监控图像信息等。三是确认现场视频、图片等监控信息，下达救援服务命令，然后回复报警人，相互配合下快速处理交通事件。四是救援服务历史查询，智能监控救援活动，记录相关的数据信息。

4 高速公路智慧监控系统结构设计

4.1 结构设计

高速公路智慧监控系统由信息系统、网络系统、监控管理中心组成，结构采取分层设计理念，技术原理是实时采集高速公路的路况信息，处理相关数据后，由监控管理中心整合数据，下发指令。其中，网络系统是以WSN技术为核心，建立无线传感器网络子系统，是智慧监控系统的主要结构，具体包括Sork网关节点设备、路边节点设备、车载移动节点设备等内容[5]。

一是Sork网关节点设备。设备电源为有源供电，数据存储单元大，且具有数据分析、数据计算能力，可自动采集车载节点、路边节点设备运行期间的数据信息，数据整合后向监控管理中心传送数据资源。网关节点设备需要负责高速公路局域网范围内的节点设备，接收监控管理中心信息指令。

二是路边节点设备。该设备是以电池组为供电方式，工作强度较大，处理能力稍弱，但能够实时监控高速公路的路面情况，包括车流量、温湿度、能见度，采集公路运营所需的现场数据。同时，测量车距、车速等，集中处理现场数据后，将信息传输给Sork网关节点设备，执行Sork网关节点设备所接收的监控管理中心指令。

三是车载节点设备。车载节点设备是直接安装在车辆上的监控设备，设备存储数据包括车主身份信息、车辆类型、车牌号等关键数据，车辆驶入高速公路后，该设备会周期性地更新车辆位置信息，配合其他节点设备，传送、共享高速公路风险预警、运维管理所需的信息数据。

4.2 运行流程

高速公路智慧监控系统运行期间，路边节点设备会按照系统内的监控程序、监测数据标准值采集固定时间、固定区域、固定时间段的高速公路路况信息，初步处理相关数据后将数据跳送到Sork节点设备。Sork节点设备综合分析相关数据后，计算各路段道路车流量，传送路面车距、其他路面信息，由监控中心接收信息后，智慧监控系统的网络系统会自动更新高速公路监控信息，包括监控管理中心的显示屏、高速公路路旁LCD显示屏、收费站显示屏等。行车人员、管理人员、监控人员可根据大屏显示的路况信息，调整行车、公路运维管理方案，预测公路交通事件，从而减少交通事故率。当车辆进入高速公路后，智能监控系统会定时更新车辆位置信息，测量车辆车距，启动相邻数据节点，使其能够完整地记录车辆在高速公路行驶中的数据信息，融合处理相关数据后管理车辆，发现车辆故障、其他异常情况后快速处理、准确定位。

5 建设高速公路智慧监控系统的关键技术

5.1 WSN技术

WSN技术是无线传感器网络技术，高速公路智慧监控系统建设时，WSN技术能够实现系统的全程全时段监控。智慧监控系统可采用分布式传感互联网络结构，终端安装各类传感器，采集高速公路全路段的数据信息，并利用无线通信网络传送相关数据，将数据信息完整地传输给接收终端。在此过程中，智慧监控管理中心可与传感器设备相互对接，自动设置传感器数据服务功能，确保数据采集、传输符合高速公路智慧监控需求。

基于WSN技术的智慧监控系统会包含多跳变的自组织模式网络系统，具有较强的适用性、实用性。相较于传统监控系统，基于WSN技术的智慧监控系统具有以下优势：一是实现高速公路运维数据的准确互通，有助于监控人员快速掌握全范围的路况信息，及时处理各类紧急安全事故、意外事故。二是无线通信网络安装的传感器、其他节点设备成本低、造型简单，可大量在高速公路上铺设。三是不间断地监控整条高速公路的交通路况，实时反馈路况信息，为高速公路运维管理人员提供决策依据。四是多传感器网络系统可改善路况监测环境，确保监控数据、监控信息的准确性和完整性。五是数据传送、路面监控不受天气、时间、空间的限制。

5.2 大数据技术

大数据技术是高速公路智慧监控系统的关键技术之一，具有数据分析、数据统计、数据应用、数据传输等功能，可有效处理监控系统的海量数据，存储系统运行所需的关键信息。高速公路监控系统运行期间，大数据技术可为管理者提供数据相关的所有服务，包括高速公路车流量数据分析、车辆故障数据处理、高速公路路况数据存储等服务。基于大数据技术，智慧监控系统采集相关数据时，数据可自动转换为系统可识别的数据格式，自动整理为数据集，同时分类存储在监控系统中，以供监控人员、管理人员查阅。

比如，高速公路智慧监控系统可应用大数据技术采集路段噪声、空气质量、温湿度等数据信息，为公众出行提供依据，或配合交通运输部统计处理拥堵路段的数据信息，实时将监控数据对接到导航软件上，使车辆驾驶员了解高速公路拥堵路段的实时状况，合理选择出行路线。

5.3 图像识别技术

图像识别技术是智慧监控系统的主要监控技术，可基于WSN技术，识别传感器采集的图像信息，配合嵌入式芯片识别数据后，模仿人类的视觉功能，为智慧监控管理中心提供有价值的监控信息。智慧监控系统建设中，图像识别技术多用于车辆违章检测，具有识别车辆、追踪车辆、违章报警、车流量统计功能。该技术不仅可采集高速公路监控范围内的静态图像信息，还能够获取监控范围内的动态图像信息，实现多目标跟踪、车辆违章智能判别。

一方面，基于图像识别技术，智慧监控系统可跟踪路段内的不同车辆，测量、计算车距和路面车流量。另一方面，智能分析路段内的车辆图像信息，分析车辆行为，比如判别车辆是否违章。图像识别技术可根据车牌字符、视频监控影像记录车辆画面，将相关数据输入监控系统后智能分析车辆违章情况。

6 结语

综上所述，高速公路上的安全风险、运营风险较大，智慧化监控系统能够多维度、综合性地监控高速公路机电系统、构筑物、沿线车辆，满足高速公路安全运营需求，提升高速公路运营管理效率。但在建设高速公路智慧监控系统时，还应结合新时期高速公路交通管理的实际需求，明确系统建设目标，合理设计高速公路智慧监控系统的功能模块，优化系统的智慧分析、实时监控、智慧运维服务功能，促进高速公路交通事业的健康发展。