高速公路交通機電新技術(shù)發(fā)展應(yīng)用課件

1、高速公路機電系統(tǒng)新技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院許宏科xuhongke263高速公路交通工程簡介高速公路機電系統(tǒng)高速公路通信系統(tǒng)高速公路監(jiān)控系統(tǒng)高速公路收費系統(tǒng)新技術(shù)探討OTN光纖通信平臺汽車牌照識別技術(shù)及其應(yīng)用車型識別技術(shù)及其應(yīng)用收費系統(tǒng)新模式探討電子收費系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)收費公路隧道交通工程設(shè)計主要內(nèi)容 高速公路交通工程1.1 交通工程的定義 我國1987年出版的中國大百科全書對交通工程的定義是：“交通工程是道路交通的發(fā)生、構(gòu)成和運動規(guī)律的理論及其運用的科學(xué)，是由道路工程科學(xué)衍生而發(fā)展的。研究的對象是人、車、路及其與士地的使用、房屋建筑等綜合環(huán)境之間的相互關(guān)系。目的是探求使道路交通系統(tǒng)運輸

2、能力最大、經(jīng)濟效益最高、交通事故最少和公害程度最低的科學(xué)技術(shù)措施，從而指導(dǎo)道路系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)和交通系統(tǒng)的運行管理?！?1.2 交通工程學(xué)科主要內(nèi)容 “人、車特性的研究、交通流理論、交通調(diào)查、交通規(guī)劃、道路通行能力、停放車、幾何設(shè)計、道路交叉、交通事故和安全、交通信號和系統(tǒng)、交通公害、電子信息系統(tǒng)和交通控制、公共交通和交通節(jié)能。”交通工程應(yīng)是以道路交通為研究對象，以人、車、路和環(huán)境的相互關(guān)系為研究背景的科學(xué)。1.3 高速公路機電系統(tǒng)主要內(nèi)容 通信系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)收費系統(tǒng)供電系統(tǒng)高速公路通信系統(tǒng)2.1 高速公路信息的類型語音數(shù)據(jù)圖像 2.2 高速公路通信的特點 專用性強 需要傳輸?shù)男盘柗N類繁多 通信方

3、式繁多 要求高可靠性 2.3 高速公路通信系統(tǒng)的組成 主干傳輸光纖通信 微波通信 衛(wèi)星通信 程控數(shù)字交換機系統(tǒng) 數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù) 收費系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸 管理部門間報文傳送 電視圖像傳輸交通監(jiān)視CCTV圖像傳輸 會議電視系統(tǒng) 緊急電話系統(tǒng) 移動通信 廣播 交通廣播 路側(cè)通信廣播系統(tǒng)通信管道工程 高速公路監(jiān)控系統(tǒng)3.1 監(jiān)控系統(tǒng)概述 監(jiān)控的必要性 高速公路道路本身在規(guī)劃設(shè)計過程中已經(jīng)充分考慮到要使車輛高速、安全、舒適地行駛，考慮到道路景觀的美化。但是，高速公路建成后的交通狀況和道路環(huán)境狀況不是一成不變的，在很大程度上表現(xiàn)隨機性。交通流本身、交通干擾、道路環(huán)境。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)正是針對這些

4、變化著的道路交通狀態(tài)而設(shè)置的，它將進一步確保高速公路交通的高速、安全和舒適 3.2 監(jiān)控系統(tǒng)功能與特點監(jiān)控系統(tǒng)功能信息采集 信息處理 信息發(fā)布 監(jiān)控系統(tǒng)特點 高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的功能決定了系統(tǒng)必須具有：實時性、穩(wěn)定性和功能可擴充性等特點。 3.3 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.3 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息采集子系統(tǒng)交通流信息 氣象信息 道路環(huán)境信息 異常事件信息 信息發(fā)布子系統(tǒng)向道路使用者提供信息 向道路使用者提供建議或控制指令 向管理和救助部門提供信息 向社會提供信息 3.3 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)監(jiān)控中心（監(jiān)控室） 監(jiān)控中心是介于信息采集子系統(tǒng)和信息發(fā)布子系統(tǒng)之間的中間環(huán)節(jié)，是監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分。主要職能是信息的接收、分析

5、、判斷、預(yù)測、確認、交通異常事件的處理決策、指令發(fā)布、設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)視和控制等。監(jiān)控中心通常由計算機系統(tǒng)、室內(nèi)顯示設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)控制臺組成。 監(jiān)控中心的主要硬件設(shè)備 綜合控制臺 交通監(jiān)控單元 緊急電話控制單元 閉路電視控制單元 顯示設(shè)備 大屏幕投影儀 大型地圖板 系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)支撐軟件 監(jiān)控應(yīng)用軟件 3.3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)施3.3 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.4 高速公路交通流控制主線控制匝道控制 路網(wǎng)控制 3.4.1 主線控制 高速公路主線是相對于高速公路匝道及周邊集散道路而言的概念。它既包含立交與立交之間的普通路段，也包含大橋、隧道等特殊路段。保證主線交通暢通是高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的基本任務(wù)，因此主線監(jiān)控系

6、統(tǒng)是整個高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 3.4.1.1 主線控制策略 主線告警、誘導(dǎo)和限速 主線告警、誘導(dǎo)和限速控制基于主線交通事件特別是基于各種因素引起的交通阻塞。事件發(fā)生后監(jiān)控系統(tǒng)盡快發(fā)現(xiàn)異常是非常必要的。主線監(jiān)控系統(tǒng)對交通事件的自動檢測是最基本的功能。 3.4.1.2 特殊路段控制彎道速度告警控制縱坡告警控制 霧區(qū)路段控制 結(jié)冰路段控制 3.4.1.3 變向車道控制 變向車道控制就是用控制手段使某一條車道在某一時間正向開通，在另一時間反向開通以便有效地利用高速公路的通行能力。 3.4.2 匝道控制控制原理匝道控制是高速公路交通控制的一部分。匝道控制主要是在高速公路入口匝道處設(shè)置交通信號裝置，通

7、過信號燈的周期變化，調(diào)節(jié)高速公路匝道交通量，從而減少或消除高速公路主線上的交通阻塞 。3.4.2.1 匝道控的原則匝道控制的原則是限制進入高速公路的車輛，使高速公路自身的需求不超過其通行能力，在高速公路上形成并保持無中斷、無阻塞的變通流。 3.4.2.2 匝道控制的策略一是分散策略，即減少入口匝道的交通需求，把交通流量分散到其它替代路線上去。二是延遲策略，即在分散策略不可行的情況下，減少匝道交通流區(qū)域的摩擦，延遲高峰時阻塞的開始時間，以延長主線自由流的周期時間。 3.4.2.3 匝道控制的策略關(guān)閉控制 定時控制 交通感應(yīng)控制 自適應(yīng)交通感應(yīng)匝道控制 間隙可接受匯流匝道控制 3.4.3 路網(wǎng)控制

8、控制策略監(jiān)測路網(wǎng)系統(tǒng)交通流狀況，將超載道路上的交通轉(zhuǎn)移到通行能力尚有剩余的道路上去。 控制方法限制：控制道路的交通需求。分流：轉(zhuǎn)移交通量。高速公路收費系統(tǒng)4.1 收費系統(tǒng)基本概念收費制式均一式，開放式，封閉式收費方式人工收費，半自動收費，全自動收費 通行券印刷通行券，打印通行券，磁條通行券，條形碼通行券，IC卡通行券，車載電子標簽 付費方式現(xiàn)金，預(yù)付款，免費，非現(xiàn)金收費新技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展1. 電子收費系統(tǒng)5.1.1 電子收費系統(tǒng)（收費站ETC）5.1.2 電子收費系統(tǒng)（自有流ETC）5.1.3 電子收費關(guān)鍵問題5.1.3 電子收費關(guān)鍵問題自動車輛識別系統(tǒng)（Automatic Vehicle Id

9、entification，AVI）自動車輛識別系統(tǒng)（AVI）使用裝備在車上的射頻裝置向收費站的收費裝置傳送識別信息，如ID號碼，車型、車主等，以判別車輛是否可以通過不停車收費車道。自動車型分類系統(tǒng)（Automatic Vehicle Classification，AVC）自動車型分類系統(tǒng)（AVC）利用裝在車道內(nèi)和車道周圍的各種傳感器裝置來測定車輛的類型，以便按照車型構(gòu)成實現(xiàn)正確收費。逃費抓拍系統(tǒng)（Video Enforcement Systems）逃費抓拍系統(tǒng)（VES）用來抓拍使用不停車收費車道但未裝備有效標識卡的汽車牌照圖像，用于確定逃費車主并通知其應(yīng)交費用或處罰辦法。5.1.3 電子收費關(guān)

10、鍵問題自動車輛識別系統(tǒng)（Automatic Vehicle Identification，AVI）自動車輛識別系統(tǒng)（AVI）使用裝備在車上的射頻裝置向收費站的收費裝置傳送識別信息，如ID號碼，車型、車主等，以判別車輛是否可以通過不停車收費車道。自動車型分類系統(tǒng)（Automatic Vehicle Classification，AVC）自動車型分類系統(tǒng)（AVC）利用裝在車道內(nèi)和車道周圍的各種傳感器裝置來測定車輛的類型，以便按照車型構(gòu)成實現(xiàn)正確收費。逃費抓拍系統(tǒng)（Video Enforcement Systems）逃費抓拍系統(tǒng)（VES）用來抓拍使用不停車收費車道但未裝備有效標識卡的汽車牌照圖像，用

11、于確定逃費車主并通知其應(yīng)交費用或處罰辦法。5.1.4 電子標簽與天線電子標簽的類型只讀型讀/寫型帶IC卡接口的讀/寫型（兩片式）新技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展2. 汽車牌照識別5.2.1 汽車牌照的基本元素 漢字（牌照中包括的漢字，約60個）英文字母（AZ）數(shù)字（09）顏色（藍、黃、白、黑）云B12345云A0781警WJ21213455.2.2 汽車牌照的關(guān)鍵技術(shù)找到牌照(污染、光線、惡劣天氣)；正確識別、漢字、數(shù)字、英文；對不能識別的牌照或識別不完整的處理方法：圖像匹配技術(shù)；出入口圖像人工核對(對網(wǎng)絡(luò)的要求)。識別率、拒識率和誤識率識別率+拒識率+誤識率=100%，誤識率應(yīng)達到最小。 對應(yīng)特征位匹配5.

12、2.3 汽車牌照的基本組成 5.2.4 汽車牌照的應(yīng)用防止倒卡、換卡卡口管理行車時間測算對應(yīng)特征位匹配新技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展3. 視頻事件檢測5.3.1 基于視頻檢測的交通監(jiān)控系統(tǒng)基于視頻檢測的交通監(jiān)控系統(tǒng)可以檢測、跟蹤車輛，劃分車輛類型，估計車輛的行駛速度，監(jiān)測違章駕駛、道路異常情況和事故，并通過車牌檢測確認車輛，從而采集有關(guān)道路交通的實時數(shù)據(jù)?？梢员O(jiān)視目標區(qū)的運動目標的行為，如收費員與司機在收費過程操作是否規(guī)范，實現(xiàn)視頻畫面中的大范圍遮擋自動報警等。5.3.2 視頻事件檢測原理運動目標檢測是監(jiān)控系統(tǒng)的前提和關(guān)鍵，能否準確、有效的分割出運動目標直接關(guān)系到后續(xù)工作的難易程度和系統(tǒng)的整體性能?，F(xiàn)有的運

13、動目標檢測方法主要有光流法，鄰幀差法和背景減法。5.3.3 視頻事件檢測結(jié)構(gòu)5.3.4 視頻檢測原理（圖像增強）運動目標檢測是監(jiān)控系統(tǒng)的前提和關(guān)鍵，能否準確、有效的分割出運動目標直接關(guān)系到后續(xù)工作的難易程度和系統(tǒng)的整體性能?，F(xiàn)有的運動目標檢測方法主要有光流法，鄰幀差法和背景減法。5.3.5 視頻圖像處理5.3.6 基于視頻圖像的交通流檢測新技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展4. 無線網(wǎng)絡(luò)5.4.1 無線網(wǎng)絡(luò)在公路建設(shè)中的應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)拓撲圖駐地信息中心扣村狼虎莊丁村Base Station系統(tǒng)中心點中繼點施工單位駐點中繼點AU覆蓋區(qū)施工單位駐點增加AU的覆蓋區(qū)無線骨干線路205高速公路中心點AU覆蓋區(qū)圖例說明5.4

14、.1 無線網(wǎng)絡(luò)在公路建設(shè)中的應(yīng)用施工、監(jiān)理駐地的固定點監(jiān)控基本結(jié)構(gòu)圖5.4.1 無線網(wǎng)絡(luò)在公路建設(shè)中的應(yīng)用視頻會議系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5.4.1 無線網(wǎng)絡(luò)在公路建設(shè)中的應(yīng)用5.4.2 ZigBee技術(shù)ZigBee技術(shù)是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee協(xié)議使用IEEE 802.15.4規(guī)范的介質(zhì)訪問層和物理層，并進一步定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。ZigBee支持三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)星型網(wǎng)、對等網(wǎng)和混合網(wǎng)。體系結(jié)構(gòu)如圖所示。5.4.2 ZigBee技術(shù)5.4.2 ZigBee定位技術(shù)室內(nèi)定位室外定位節(jié)點模塊、協(xié)議網(wǎng)關(guān)、軟件協(xié)議棧?；赯igbee協(xié)議標準5.4.3 無

15、線傳感終端設(shè)備產(chǎn)品系列不同終端、不同網(wǎng)絡(luò)間的互連及協(xié)同計算5.4.4 無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境ZigBee傳感器電線桿網(wǎng)絡(luò)概念圖 5.4.5 基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的高速公路霧天智能誘導(dǎo)系統(tǒng)研究誘導(dǎo)燈箱組隔離帶蜂窩無線MESH網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展5. 交通信息化5.5.1 信息化與信息化技術(shù)概念信息化起源信息化的概念起源于60年代的日本。1963年，日本學(xué)者在題為論信息產(chǎn)業(yè)的文章中，提出“信息化是指通訊現(xiàn)代化、計算機化和行為合理化的總稱?！?信息化被譯成英文傳播到西方。西方社會普遍使用“信息社會”和“信息化”的概念是70年代后期才開始的。5.5.2 信息化與信息化技術(shù)概念中國信息化2019年召開的首屆全國信

16、息化工作會議，對信息化和國家信息化定義為：信息化是指培育、發(fā)展以智能化工具為代表的新的生產(chǎn)力并使之造福于社會的歷史過程。國家信息化是指在國家統(tǒng)一規(guī)劃和組織下，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、科學(xué)技術(shù)、國防及社會生活各個方面應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，深入開發(fā)廣泛利用信息資源，加速實現(xiàn)國家現(xiàn)代化進程。5.5.3 信息化發(fā)展一般流程手工單計算機局域網(wǎng)廣域網(wǎng)資源局部共享網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)推廣實現(xiàn)真正的數(shù)據(jù)交換腦、資源共享實現(xiàn)統(tǒng)一的管理傳統(tǒng)流程計算機化減輕勞動強度5.5.4 我國信息化發(fā)展回顧準備階段1993年以前啟動階段1993年3月至2019年4月展開階段2019年4月至2000年10月 發(fā)展階段2000年10月至今5.5.5 高

17、速公路信息化建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀三大系統(tǒng)支持著高速公路信息化建設(shè)收費系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)通信系統(tǒng)5.5.6 高速公路信息化建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀收費系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了半自動收費人工判型、計算機管理、閉路電視監(jiān)視全國基本實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)收費（一卡通工程）信息化技術(shù)計算機控制技術(shù)計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)視頻監(jiān)視技術(shù) 通行券技術(shù)（條碼、IC卡）5.5.6 高速公路信息化建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀監(jiān)控系統(tǒng)組成：信息采集子系統(tǒng)、信息處理子系統(tǒng)、信息發(fā)布子系統(tǒng)和信息傳輸子系統(tǒng)形式：交通圖像監(jiān)視、交通流監(jiān)視信息化技術(shù)視頻監(jiān)視技術(shù)視頻事件檢測技術(shù)交通流檢測技術(shù)線圈、微波、視頻等 全程監(jiān)控技術(shù)氣象/環(huán)境監(jiān)測技術(shù)道路環(huán)境、隧道環(huán)境5.5.6 高速公路信息化建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀通

18、信系統(tǒng)通信系統(tǒng)是高速公路信息化建設(shè)的傳輸載體傳輸媒介：從電纜到光纜，目前主干均采用光纖通信。主干傳輸方式：兩個階段基于PDH的異步傳輸方式基于SDH的同步傳輸方式接入方式：綜合業(yè)務(wù)接入網(wǎng)程控數(shù)字交換系統(tǒng)5.5.7 高速公路信息化建設(shè)一些思考高速公路信息化與信息化技術(shù)舉例：收費是一項具體的業(yè)務(wù)。人工收費：完成收費業(yè)務(wù)半自動收費/自動收費：利用信息化技術(shù)完成收費業(yè)務(wù)，在一定意義上提高管理水平。收費（計重收費）數(shù)據(jù)（包括交通量數(shù)據(jù)）的分析與挖掘：用于道路養(yǎng)護、決策、道路規(guī)劃、收費管理等。因此，高速公路信息化，它不是一個花瓶，不能僅停留在技術(shù)層面，應(yīng)該向應(yīng)用層面擴展，切實為高速公路安全運營管理，為高速公路交通參與者提供全方位服務(wù)。5.5.7 高速公路信息化建設(shè)一些思考高速公路建設(shè)與運營管理高速公路運營里程不斷延伸，全國高速公路路網(wǎng)已經(jīng)形成，使高速公路的發(fā)展重心逐步從建設(shè)向運營管理轉(zhuǎn)移。今后工作重點交通信息化建設(shè)工作將以提高政府決策、監(jiān)管、服務(wù)和應(yīng)急保障能力為目標，以信息資源的整合與開發(fā)利用為重點，采用最新技術(shù)，以智能交通為發(fā)展方向，全面提高交通行業(yè)管理和服務(wù)水平，為社會公眾提供全面的交通信息服務(wù)。5.5.7 高速公路信息化建設(shè)一些思考高速公路信息