西南交通大學碩士研究生學位論文 摘要 高速公路交通管理系統是為了緩解高速公路特別是城市高速公路交通 擁擠 提高道路的有效利用率和交通流量 減少交通事故的發生率以及因 交通事故造成的出行時間和經濟等方面的損失 保護道路交通環境而建立 起來的現代化的管理 控制系統 其以交通法規為原則 以計算機 信息 網絡等現代技術為手段 以運籌學 控制論為核心理論 以創造有序 迅 速 安全舒適的行車環境為系統目標來對交通流合理引導 限制和優化 2 4 論文綜合考慮高速公路交通管理系統的上述特征 分別從系統目標定位及 概念設計 系統需求分析 系統數據管理及網絡結構分析 交通控制與交 通事件檢測理論與應用四個層面 對高速公路交通管理與控制問題進行了 系統闡述 界定了系統的功能及各功能的實現要求 并從系統集成角度劃 分了系統的結構 分析了各予系統的信息 功能 建設等方面的需求 給 出了基本實施方案要求 對系統數據流程進行了描述和梳理 提出了數據 管理的方法 目標及措施 分析 設計了系統網絡拓撲結構及設備需求 闡述了交通模型的建模思想和動態交通模型的建立過程 對集中式和分散 式全局交通控制理論進行了詳細的分析 提出了基于預測的高速公路匝道 控制理論 并對理論模式及相關的問題進行了研究 分析了商速公路事件 檢測系統 并采用面向對象的編程思想 以v i s u mc 為編寫工具 開 發了高速公路事件檢測系統分析軟件 關鍵詞高速公路 交通管理 控制理論 檢測軟件 a b s t r a c t f r e e w a y t r a f f ic m a n a g e m e n ts y s t e m ism o d e r n m a n a g e m e n t a n d c o n t r o lo n ew h i c hc a nr e l a xt r a f f i c c o n g e s t i m p r o v e r o a d u t i l i z a t i o n i n c r e a s et r a f f i cf l o w d e c r e a s et r a f f i ca c c i d e n tr a t e a n de c o n o m i cl o s s p r o t e c te n v i r o n m e n t i ts e e c t sh i g h w a yc o d ea s p r i n c i p l e o p e r a t i o n a lr e s e a r c h a n dc y b e r n e t i c s a sk e r n e lt h e o r i e s i no r d e rt oc r e a t ew e l l o r d e r e d s p e e d y s a f e t y c o m f o r tt r a v e l l i n g e n v i r o n m e n ta n dr e a l i z et r a f f i cf l o wr a t i o n a ll e a d i n g l i m i t i n ga n d o p t i m i z i n g s y n t h e t i c a l l yc o n s i d e r i n gt h e s ec h a r a c t e r i s t i c s t h e m e t h o do ff r e e w a ym a n a g e m e n ta n dc o n t r o la r ep r e s e n t e da c c o r d i n gt o f o u r a s p e c t s s y s t e mo b j e c t i r e o r i e n t a t i o na n dc o n c e p t d e s i g n s y s t e md e m a n da n dr e q u i r e m e n ta n a l y s i s s y s t e md a t am a n a g e m e n ta n d n e t w o r ks t r u c t u r e t r a f f i cc o n t r o la n da c c i d e n td e t e c t i n gt h e o r ya s w e l la si t s a p p l i c a t i o n f u n c t i o na n d s t r u c t u r eo fs y s t e ma r e d e l i m i t a t e df r o mt h ep o i n tv i e wo fi n t e g r a t i o n c o n s t r u c t i o na n d f u n c t i o nd e m a n d o f s u b s y s t e m a r ea n a l y z e da n db a s i ci m p l e m e n t p r o j e c t s a r e p r e s e n t e d i n t h i st h e s i s s y s t e m d a t af l o wa n d m a n a g e m e n tm e t h o da n dt a r g e tw h i c hb a s e do ns y s t e mn e t w o r kt o p o l o g y s t r u c t u r ea n de q u i p m e n td e m a n da r ed e s c r i b e d t r a f f i cm o d e l i n g i d e o l o g ya n dt h ep r o c e s so fm a k i n gd y n a m i cm o d e la sw e l la sa c c i d e n t d e t e c t i n gp r o g r a ma r ep r e s e n t e dw i t hc e n t r a l i z e da n dd i s t r i b u t e d t r a f f i cc o n t r o lt h e o r yi nd e t a i l t h e nf r e e w a yr a m pc o n t r o lt h e o r y w h i c hb a s e do n p r e d i c t i v e m o d e la n di t st h e o r e t i c p a t t e r n a r e e x p l o r e d f i n a l l y b a s e do nt h eo b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g p r o g r a m o fa c c i d e n td e t e c t i n ga n dc h e c k i n go nf r e e w a yi sd e v e l o p e db yu s i n g v is t j a c a st 0 0 1 k e y w o r d sf r e e w a y t r a f f i c m a n a g e m e n t c o n t r o l t h e o r y d e t e c t i n g p r o g r a m 囂南交蘧大學碩士研究生學 焱論文第1 賈 第1 章緒論 公路交通是物質生產過程在流通領域內的繼續 方面落作為國民經 濟中的一個重攫的物質生產部門 是社會經濟組成的要素之 與國民經 濟各部f 商著密切的聯系 把社會生產 分醮交換與消費各環節有楓地聯 系起來 另一方面公路又是社會經濟領域內重要的建筑產品 是躅家基本 建設產業豹重要環節 同時 公路交通基礎設施 其發展和完替還是保證 社會經濟活動得以正常運行和發展的前提條件 尺有建設安全 商效 究 備的公路運輸體系和其它相關基礎設施 才能把囂民經濟的器個發展基點 聯結成一個體系 進彳亍人員交往 物質 信息交流 加快商品流通 從而 促進經濟發展 隨著現代交通工具的發展 交通擁擠加劇 這就促使人們去開辟 些 效率更高的道路來解決交通的過飽和問題 高速公路就在此背景下應運而 生了 然而 為了解決繼續迅猛增長的交通需求 擁擠 事故與污染等問 題 人們還尋求到了除修建更多的高速公路之外的一魑其它解決方法 高 速公路交通管理技術就是其中差要的一種 本章將對高速公路交通管理系 統的產生 模式及國內外對交通管理技術的研究現狀簿問題做一個概略的 介緇 1問題的提出 1 1 1 我國高速公路發震概況 改革開放醵來 麓著黼民經濟的持續 高速 健袋的發展 全社會對 運輸的需求召蔬增加 而國予歷變原因運輸簸己不能適應經濟發震豹要 求 成了國民經濟發展的 瓶矮 特澍怒公貉設施 暴潺了多舉積累下 來鴕公潞瘸技術等綴低 鼴鼴密度祗 墨稷少 發展不平衡等閆憝 攘大 公路基礎設施建設力度 特剮憝攘太高速公路 離等級公路鴦孽建設力凄已 戲必各級交遁部門鶼工作羹點之一 勢受到了全挫會麓普遑關注 多年來經濟建設數實踐 為裹速公路建設提供了技本 經驗積入繡 等 方戇豹準冬 露交遞部門采取黥 絞籌援劃 條塊分塞 分層負責 聯合 建設 熊管理體制又極大的提建了地方政黲的積極性 從第一條成規模的 西南交通大學碩士研究生學位論文 第2 頁 高速公路沈大高速公路的建成 截止到2 0 0 0 年底 我國已建成高速公路 1 6 0 0 0 多i i i 而且仍以較快的速度遞增 各年度高速公路通車里程如圖 卜一 所示 2 o 高速公路的建成通車不僅大大提高了公路的運輸能力和 運輸效率 而且有力的促進了各種運輸方式的競爭 使諸種運輸方式的 服務水平普遍得到提高 既方便了乘客 又減低了運輸成本 1 1 2 高速公路運行中存在的問題及原因 伴隨著我國高速公路建設取得的成就 高速公路沿線地區發展速度異 常迅猛 交通需求大幅度增加 使高速公路運行過程中仍然存在交通擁 擠 交通安全和對環境的污染等問題 且在交通高峰期的市區高速公路表 現的尤為嚴重 首先是交通擁擠問題 所謂交通擁擠 是指交通需求超過某道路的設 計交通量時 超過部分的交通量滯留在道路上的交通現象 交通擁擠的具 體定義各國尚無統一標準 日本道路公團對城市高速公路的交通擁擠定義 為 在高速公路上以4 0 k m h 以下的速度行走或反復停車 起動的車列連 續l k m 以上并持續1 5 r a i n 以上時的狀態為交通擁擠 美國芝加哥將交通 擁擠定義為3 0 或更大的5 m i n 車道占有率 擁擠交通流模型是交通擁擠 現象的定量描述 美國運輸部公路局的行車時間一流量關系曲線清楚地反 映了擁擠交通流的特性 其曲線如圖1 2 所示 西南交通大學碩士研究生學位論文第3 霹 l p c u 圈1 2 行車時問一流量關系圖 由圖1 2 可以看出 在擁擠交通流的情況下 交通需求增加一點 點 就會導致行程時間大幅度增加 因此 采用先進的交通管理系統即使 提高1 0 一2 0 的通行能力 也可大大地緩解交通擁擠 由于發生交通擁擠的時變規律特征不同 交通擁擠可分為常發性擁擠 和偶發性擁擠 引起常發性擁擠的原因主要是道路交通需求超過了交通供 給和道路或道路網的幾何缺陷 引起偶發性交通擁擠的主要原因是交通隨 機事件 交通事故和不利的天氣 其次是交通安全問題 雖然高速公路被證明比一般公路和城市街道要 安全得多 但駕駛員在高速公路上仍易發生事故或受其它事故的影響 并 且大部分事故是特大交通事故 比如 連續交通流中多量汽車的追尾事 故 交通事故是產生交通擁擠的重要原因 反過來 交通擁擠現象的出 現也將導致交通事故的增加 第三是環境問題與能源問題 交通引起的環境問題主要由道路的幾何 設計和位置 汽車本身結構和設計以及汽車的運行狀態所產生的 實踐表 明 汽車的運行狀態不同 所造成的空氣污染和噪聲污染差別顯著 同 樣 交通對能源的消耗也高度依賴公路運輸系統的運行狀態 上述四個問題不是相互孤立的 而是相互影響 關聯的 比如 交通 擁擠要引起事故增加 從而影響交通安全 而交通安全措施不利出現交通 事故又要是交通產生擁擠 四者之間的具體關系入圖1 2 所示 這種關 聯性使得系統的某一方面出現問題將導致各方面的連鎖反應 西南交通大學碩士研究生學位論文 第4 頁 交通流狀況 擁擠交通狀況 最優運行狀況 稀疏交通狀況 田1 2 交通流狀況與交通安全 環境質量 能耗之問的關系 西南交通大學碩士研究生學位論文 第5 頁 1 1 3 問題解決的對策及方案 i 1 3 1修建更多的高速公路 擴大供給 在不考慮資金約束的情況 下 由于我國國土資源有限 人均耕地面積少 而且高速公路將對環境產 生不利影響 所以高速公路的修建必須有一個上限 不能無限制的擴大供 給 當然 我國目前高速公路供給明顯不足 高速公路里程也遠沒達到國 土資源承受不了的程度 修建高速公路仍是第一要務 1 1 3 2 在總體的經濟布局上發展以都市圈經濟結構為基礎的區域經濟 格局 這樣就可以使地域間的運輸需求與貨運周轉量相對較少 以積極 的手段控制交通需求 1 1 3 3 開發交通控制與管理技術 提高道路利用率 在我國 由于全 面開展i t s 研究的條件尚不成熟 所以應在統一的戰略規劃下分布實施 逐步到位 對高速公路交通控制與管理技術的研究開發就是基于這種考慮 的近期措施 因此建立基于i t s 技術的高速公路交通管理系統是合適的選 擇 我國是一個發展中國家 一方面基礎設施落后 這就使我國要加快基 礎設施建設 修建更多的高速公路 另一方面 我國人均耕地少 修建高 速公路要占用大量的耕地 這就要求調控經濟發展格局并研究高速公路交 通管理技術的開發 本文就是從第三點入手對高速公路交通管理系統中的 技術問題進行研究 1 2 高速公路交通管理系統的定義及模式 1 2 1高速公路交通管理系統的定義 1 2 1 1 國外學者的定義 美國m o b i l i t y2 0 0 0 組織在其一報告中將交 通管理系統定義為 為了監視 控制和管理街道和公路交通而設計的一 系列法規 人員 硬件和軟件分量的組合 這個定義是比較完整和準確 的 1 這里所謂的 監視 即交通監測 是一個信息采集 分析處理的 過程 是進行有效的交通控制與管理的前提 而交通控制就是運用人工或 電子技術 對動態交通進行準確的調度 使其安全通暢地運行 所謂交通 管理就是按照交通法規 根據道路的交通情況 合理地引導 限制和組織 交通流 西南交通大學碩士研究生學位論文第旦更 1 2 1 2 我國學者的定義 我國學者一般認為高速公路交通管理系統的 定義為 高速公路交通管理系統 f r e e w a y t r a f f j cm a n a g e m e n t s y s t e m 是按照交通法規 根據高速公路的交通情況 應用高科技手段實 現交通工程現代管理 合理地引導 限制和優化組織交通流 為高速公路 創造有序 迅速 安全舒適的行車環境 高速公路交通管理系統的目標是 改善路網運行狀況 提高道路的有效利用率和交通流量 緩解道路的交通 擁擠程度 減少交通事故的發生以及因交通擁擠 事故等所造成的出行時 間延長 降低油耗 減少廢氣排放 保護環境等 可以說 它是監控系統 的進一步發展方向 在系統覆蓋的廣度和解決交通問題的深度及反應能力 上 要優于單純的交通監控系統 1 2 1 3 高速公路交通管理系統與高速公路監控 通信 收費三大系統 之間的關系 高速公路交通管理系統是在對監控 通信和部分收費系統功 能及資源重新界定 整合的基礎上 建立起來的功能更完善 解決問題的 層次更深入 反應能力更強 具有i t s 特征的現代化交通管理系統 它是 高速公路交通管理與控制功能實現的發展方向 1 2 2 高速公路交通管理系統的基本控制模式 1 2 2 1入口匝道定時控制模式 分為單個入口的定時控制和多個入口 的定時系統控制 這種控制模式是根據歷史情況的調查掌握交通流的統計 情況 把一天劃分為若干時段 假定每個時段內 交通流狀況近于不變 以此作為依據來確定每個時段內一組不變的入口調節率 使某項性能指標 最優 顯然 這種控制方式不能適應交通流的隨機變化 但是 當交通流 在一段時間內波動不大時 這種控制方式是十分有效的 而且定時調節很 容易實現多個匝道協調控制 此外 這種控制運行安全可靠 使用設備 少 是目前應用最廣的匝道控制模式 1 2 2 2 入口匝道實時控制模式 分為單個入口交通感應控制 間隙可 接受匯流匝道控制和高速公路入口全局最優控制 實時交通控制是以實時 檢測到的交通數據為依據來確定匝道調節率 因而能適應交通流的隨機變 化 由于實時控制特別是高速公路入口全局最優控制信息的傳輸量和信息 處理的計算量都很大 所以 實時控制模式對信息處理和信息傳輸設備有 較高的要求 西南交通大學碩士研究生學位論文第7 頁 1 2 2 2 主線實時控制模式 主線控制就是對高速公路主線的交通進行 調節 誘導和警告 主線控制的基本目標是改善高速公路運行的安全和效 率 緩解主線上的交通擁擠和交通瓶頸對交通的影響 這種控制對常發性 和偶發性交通擁擠都是有效的 此外 還有出口匝道控制和高速公路通道控制 由于很少采用 這里 就不再介紹 本文主要研究入口匝道和主線的實時控制 1 3 國內外研究現狀及存在的主要問題 1 3 1 國內外研究現狀 高速公路交通管理系統是在一般街道的交通管制系統基礎上發展起來 的 其前身為單純的交通監控系統 美國的芝加哥 底特律 休斯敦 洛 杉硯 紐約等一些城市的高速公路都設置了不同規模的監控系統 利用車 輛檢測器 遙測裝置和電子計算機自動地控制了入口匝道的交通量和信息 標志 從而大大改善了線路的運行狀態 在歡洲 也有許多國家在高速公 路上配置了功能比較完善的監控系統 意大利的那不勒斯收費公路上的 t a n a 系統就是一個典型的例子 該系統在公路主干線上 入口匝道 出 口匝道以及隧道入口處安裝了環式檢測器 并由三種氣象檢測器分別給出 下雨和路面結冰的信號 全系統采用了三臺計算機 雙機備份 因此可以 大大減少停機的時間 而日本高速公路交通管制系統的出發點是以正確把 握交通狀況為先決條件的 通過設置各種形式的車輛檢測器測量通過車輛 數目 并計算出速度 密度 占有率等交通參數 借助緊急電話 巡邏 車 閉路電視等交通狀況進行監視 將這些參數和狀況 經人工或計算機 處理并做出綜合判斷 選擇最佳控制方案 通過道路信息板 無線電臺廣 播等手段 對高速公路的交通情況進行調節和控制 近年來 隨著計算機技術 自動化控制技術和通信技術的發展 一些 國家高速公路交通管理技術結構也在隨之變化 多計算機功能分散的計算 機網絡處理方式代替原來由單一的計算機集中處理方式 從而使系統可靠 性提高 程序編制簡單 易于維護和功能擴展 在通信技術方面 由于光 纜的問世 基于其損耗低 頻帶寬 無感應 高絕緣等特點 許多監控系 統已用光纜取代傳統的電話線 電纜等傳送多媒體信號和數據 語音信 西南交通大學碩士研究生學位論文 第8 頁 號 在優化模型和控制理論的應用上 由于計算機處理能力的增強 可以 采用比原來更復雜的模型和算法 這也促進了優化控制模型和算法的研 究 我國高速公路交通管理系統剛剛起步 由于 開始受各方面因素的影 響 許多人對其認識不盡相同 但隨著高速公路的迅猛發展 以及車流量 的不斷增加 交通管理系統越來越顯示其在交通控制與管理中不可取代的 地位 目前 我國已建成一些高速公路交通管理系統 其中比較有代表性 的有廣佛高速公路監控系統 合寧高速公路 安徽段 交通管理系統 寧 高商速公路交通管理系統 上海外環路交通監控系統的一期設計 寧滬高 速公路交通管理系統等 其中廣佛高速公路監控系統是我國第一條設施比 較完備的監控系統 而合寧高速公路交通管理系統是我國第一套管理區間 較長 功能比較齊全 設備配制比較完整的國產化的大型電子系統工程 寧滬高速公路交通管理系統則是具有智能交通系統 a t m s 某些基本功能 的系統 它的實施標志著我國交通管理水平邁上了一個新臺階 該系統采 用三級管理方式 設一個中心 五個分中心 各分中心下轄若干收費站和 其它有關設施 其具有監控范圍大 誘導信息量大 系統管理程度高等特 點 寧滬高速公路交通管理系統的核心仍然是交通控制中心 即監控中心 與分中心 寧滬高速公路管理系統分中心計算機能夠從本區段的外場設備 及有關系統獲取數據及信息 并以圖形顯示 由軟件形成的控制模型經操 作員確認后下發到外場終端 操作員可在控制臺操作監控系統 監控分中 心將本區段的信息上傳至監控中心并從監控中心接受指令 1 3 2 存在的主要問題 我國在高速公路交通管理系統的建設上雖然取得了 些成績 但也存 在一些問題 主要有 1 3 2 1 已建成的一些通信 監控 收費系統在功能上對高速公路的交 通還構不成強有力的支持 因此 需要在此基礎上建立更完善的高速公 路交通管理系統 1 3 2 2 理論與實踐結合較差 也就是交通控制理論不能較好地應用于 高速公路交通管理系統 是高速公路交通管理系統僅僅是一個信息系統 缺乏整體的調節 控制和決策支持能力 西南交通大學碩士研究生學位論文第9 耍 1 3 2 3 對交通控制理論的研究還需要進一步深入 應把匝道控制 主 線控制 收費控制等方法結合起來 并加強對交通流理論的研究 1 3 2 4 對于計算機新技術的應用還不夠 如多媒體技術 網絡數據庫 技術 分布式操作系統技術 決策支持系統技術 專家系統技術和數據倉 庫技術等 1 4 論文主要研究內容 1 4 1系統目標定位及概念設計 本部分內容首先對系統的目標進行了界定 并闡述了界定系統目標的 依據及實現目標的技術組合分類 然后對系統的功能需求進行了細致的劃 分 并簡述了系統各功能的基本要求 最后 從系統集成的角度對系統的 結構進行了設計 給出了各部分的基本組成和功能需求 1 4 2 系統需求分析 本章依據前文的系統結構設計 按系統的信息流程分別對信息采集 信息傳輸 信息處理 信息提供四個子系統的信息 功能 建設需求進行 了分析 并給出了基本實施方案 對子系統內部軟 硬件組成 要求及接 入方式等問題進行了詳細的闡述 1 4 3 系統數據管理及網絡結構分析 本部分內容首先在描述 梳理系統數據流程的基礎上 對系統的數據 特征 系統數據組織關系 系統數據管理的目標及措施等與系統數據管理 有關的理論與應用問題分別地進行了分析 闡述 然后 對整個系統的網 絡拓撲結構及設備需求 交通管理控制總中心 交通管理控制中心 交通 管理控制分中心內部局域網的結構和需求分別進行了分析 設計 最后 對網絡操作系統及網絡設備的選用提出了建議 1 4 4 交通控制與事件檢測理論及應用 本章首先對高速公路交通模型的建模思想 建模方法及交通模型的分 類作了簡要的介紹 并給出了動態交通模型的建模過程及模型的結構形 式 接著對交通控制理論及其相關問題進行了詳細的分析 包括 高速公 路控制方法的說明 入口匝道控制的分類 主線控制的目的 模式及方法 等 其中對入口匝道全局集中動態最優控制 分散控制兩種控制理論 模 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 0 頁 型 存在的問題及解決思路進行了詳細的研究 然后 提出了基于預測的 高速公路匝道控制理論 并對理論模式及相關的理論與應用問題進行了研 究 最后 分析了高速公路事件檢測系統 并采用面向對象的編程思想 以v i s u mc 為編寫工具 開發了高速公路事件檢測系統分析軟件 西南交通大學碩士研究生學位論文 第1 1 頁 第2 章系統目標定位與基本概念結構 高速公路交通管理系統的功能需求就是將計算機技術 圖像圖形處理 技術 數據通信技術 傳感器技術 信息技術 電子控制技術 自動控制 技術 運籌學 人工智能等高新技術有效地綜合運用于交通控制與管理 并使用檢測器 計算機 通信網絡等先進的儀器設備 充分發揮高速公路 交通設施的機能 使車輛能夠迅速 流暢 安全地運行 促進人 車輛 道路三者之間的和諧 提高系統的工作效率 并改善環境 可以說 它屬 于i t s 技術中道路基礎設施智能化的研究層面 在擬定高速公路交通管理系統的基本概念結構之前 有必要先明確系 統的目標 運營特征定位及基本功能 2 1 系統目標及運營特征分析 2 1 1 系統目標分析 由于高速公路交通管理系統屬于i t s 技術中道路基礎設施智能化的研 究層面 所以其目標也是智能運輸系統應實現目標的基本組成部分 概括 起來有下面幾點 1 根據高速公路的實時交通流信息 對交通流進行實時疏導 控制 減少交通擁擠 2 自動檢測高速公路上的偶發性異常事件 交通事故 故障停車等 獲得最大的運行安全 利用事件處理d s s 對突發事件及時反應并提供必要 的援助 3 以多種方式為使用者提供必要的信息 幫助他們有效地利用高速公 路的各種設旋 為出行提供便利 4 改善交通對環境的影晌 節約能源 5 合適地保存重要的交通信息 為交通理淪研究和以后交通規劃提供 數據 西南交通大學碩士研究生學位論文第12 頁 2 1 2 高速公路交通管理系統的運營特征分析 實現上述高速公路交通管理系統目標可用不同的方法 且技術組合要 素也是不同的 下面三個問題有助于反映高速公路交通管理系統的運營特 征 首先是信息的形式 即所提供的信息是描述性的 預測性的 還是建 議性的 所謂描述性的信息就是對現有交通結構的實時反映 而預測性的 信息是對未來一段時間內交通結構的反映 建議性的信息則是為使用者提 供線路引導 高速公路交通管理系統所能提供這三種信息應該是 個相互 協調有機體 并達到描述性信息精確 預測性信息準確 建議性信息合理 其次是信息提供的范圍 需要考慮的問題包括信息翻新的時間頻率 空間密度與信息覆蓋范圍 對于描述性信息 因為其具有實時性和空間差 異性等特點 所以要求信息翻新快 空間密度大 而對于預測性和建議性 信息 則要求覆蓋的空間范圍更廣泛 最后是怎樣使用這些信息 有三個控制層供高速公路交通管理系統用 來改善交通狀況 它們分別是總控制 部分控制和最小控制 總控制強制 駕駛員必須遵守 不管駕駛員是否喜歡 必須執行 如高速公路入口的匝 道交通調節 部分控制試圖積極地影響交通結構 并不強制遵守 如線路 引導 通過給駕駛員提供最佳線路信息 從而改變交通結構 引導車輛至 不擁擠的路線上 當然 全由駕駛員決定是否按照引導行事 最小控制是 給車輛提供適時信息 而不給駕駛員規定具體的線路 全靠駕駛員自己決 定怎樣使用所給信息 如全面 多種類的交通信息廣播 應該指出 三種 控制并非相互排斥 而是可以在不同水平上進行匹配形成的全面鐿略 2 2 系統功能分析 在劃分高速公路交通管理系統的基本結構之前 有必要界定其功能 整個系統的基本功能應為 1 信息提供 系統通過各種信息提供設備向出行者提供信息服務 幫 助出行者計劃行程并選擇合理的行駛速度 減少延誤 2 交通控制 對高速公路進行綜合的控制 根據實時交通運輸信息 確定車輛在路網上的最佳分配 如在污染嚴重或交通高峰期 可采取提高 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 3 頁 通行費等抑制出行的措施 并利用可變信息信號標志 對車輛進行誘導實 現對交通流的動態分配 3 交通事故管理 該服務可幫助運輸部門和管理人員預測交通或道路 狀況 從而采取相應的預防措施 避免潛在隱患的發生或使其影響降低至 最小 系統還可迅速檢測事故的產生并立即提出相應的交通控制措施 通 過車載設備 可變情報板或路側廣播提供管理信息 4 交通環境污染防治 采用先進的汽車排放測試系統和噪聲測試系統 確定有關的環保 熱點 在空氣質量敏感地區對進入該地區的公路入口 加以控制 并將環境質量信息提供給運輸規劃和營運部門 便于實旌和評 價各種污染處理方案 5 應急管理 應急管理可以提高對交通突發事件 事故或災害 的報 告和響應能力 改善應急響應資源配置 它包括緊急通告與應急車輛管理 緊急通告可為管理人員提供突發事件的初步信息 如汽車機械故障 道路 邊坡塌方等 是管理人員迅速確認定位事故或災害 應急管理為警察 消 防和醫療救護等應急部門服務 幫助救援人員以最快的速度到達事故現場 6 電子收費 電子收費是為了提高收費站的通行能力 使駕駛人員不 用現金進行自動付帳 同時 通過收費站可以收集大量交通數據并提供給 交通控制中心 7 提高養護操作效率 為保持安全 通暢 舒適的道路行車環境 提 高服務水平 系統可對路面狀況作出正確判斷并對相應的養護作業提供工 作計劃和實施方案 在發生災害時系統收集相關信息并指導相應的恢復工 作 8 特種車輛通行管理服務 特種車輛的管理用來保障路面結構正常使 用 避免事故發生 系統通過特種車輛通行許可的申請服務 可通行路段 及路徑的提供服務 特種車輛的自動稱重服務 加快通行許可的確認過程 2 3 系統基本概念結構 將高速公路交通管理系統按信息流程劃分 其可分為信息采集系統 信息傳輸系統 信息處理系統 信息提供系統四個子系統 各子系統間的 相互關系及其主要組成部分如圖2 1 所示 西南奎墮查蘭墮主墮塞竺蘭堡鯊窒蔓堅 墨一 磊 r 麗磊i 1 圈2 一l 高速公路交通管理系統結構 詹 怎 必 理 泵 紛 若將高速公路交通管理系統按管理層次進行劃分可將其分為中央管理 控制室和系統外場設施兩部分 中央管理控制室按等級又可分為交通管理 控制總中心 交通管理控制中心和交通管理控制分中心 如圖2 2 所示 冒圈冒圃 西南交夔查蘭墮主墮窒竺蘭垡鯊塞翌堡 墨一 一 圖2 2 高速公路交通管理系統層次結構 交通管理控制分中心 中心 總中心主要業務如下 1 交通管理控制分中心 1 通過信息傳輸系統匯集 顯示各種外場設施傳送來的各種 交通量 氣象 事故及控制等 數據a 2 監視高速公路的視頻監視圖像 一 西南交通大學碩士研究生學位論文第16 頁 3 接聽緊急電話 4 將上述數據 圖像等信息上傳交通管理控制中心 5 根據各類信息判斷交通現況 預測發展趨勢 制定實時控制方案 6 對各外場設施進行控制 7 數據統計 查詢 存儲 備份 圖像存儲 制作 打印各類報表 8 對控制方案做出可信服的評價 提供方案改進的依據 9 執行交通管理控制中心下達的指令 2 交通管理控制中心 1 執行交通管理控制總中心下達的指令 2 通過信息傳輸系統匯集并顯示各交通管理控制分中心傳送來的各種數 據并上傳交通管理控制總中心 3 切換監視管轄路段的視頻監視圖像 4 根據各交通管理控制分中心提供的各類信息制定控制方案 5 對各交通管理控制分中心進行協調控制 6 收回或返還交通管理控制分中心對外場設備的控制權 7 完成工作數據的備份 統計 制作 打印各類報表 8 定期對控制方案做評價 提出改進意見 3 交通管理控制總中心 1 通過信息傳輸系統匯集并顯示各交通管理控制中心傳送來的各種數 據 2 切換監視高速公路的視頻監視圖像 3 根據各交通管理控制中心提供的各類信息制定控制方案 4 對各交通管理控制中心進行協調控制 5 下達調度指揮命令 6 發布信息 7 完成工作數據的備份 統計 制作 打印各類報表 8 定期對控制方案做評價 提出改進方案 西南交通大學碩士研究生學位論文第17 頁 就具體的高速公路交通管理系統而言 視系統的大小可采用兩級 三 級或四級管理層次 一般來說 里程短 收費站數量少的高速公路采用外 場設施 包括收費站 通信站 和交通管理控制中心兩級管理 里程較長 收費站數量多的高速公路采用外場設施 交通管理控制分中心和交通管理 控制中心三級管理 而涉及兩條及兩條以上高速公路網則用外場設旖 交 通管理控制分中心 交通管理控制中心和交通管理控制總中心四級管理 西南奎墮查蘭堡圭塑窒竺堂篁鯊壅 差 棗一 一 第3 章系統需求分析 3 1 信息采集系統的需求分析 在高速公路交通管理系統中用來獲取信息的一切手段和設備都屬于信 息采集子系統的范疇 需采集的信息可分為交通信息 氣象信息 道路環 境信息和異常事件信息 其中包括數據信息 語音信息和圖像信息等不同 的形式 3 1 1信息采集系統的信息需求 1 交通信息 主要包括 1 交通量 z 車輛速度 3 交通密度 4 車輛占有率 5 車頭時距 6 匝道排隊長度 7 車型判別 8 車重 2 氣象信息 主要包括 1 能見度 2 冰凍狀況 3 風力 4 風向 5 雨量 6 路面積雪 3 道路環境信息 1 路面狀況 2 噪聲 3 隧道內外亮度 4 空氣質量 4 異常事件信息 主要包括 主要包括 西南交通大學碩士研究生學位論文 第19 頁 1 交通事故 2 車輛拋錨 3 物品散落 4 道路施工現場 3 1 2 信息采集系統的建設需求 為了完成信息采集的功能 信息采集子系統需要以下設備支撐 1 車輛檢測器 車輛檢測器主要由于測定交通量 車道占有率 車 速等交通參數 為信息處理 交通控制與管理提供依據 其主要設置在高 速公路的主線出入口 匝道出入口和主線及匝道上 間隔根據道路的重要 程度及交通量來選擇 一般為5 0 0 2 0 0 0 米左右 常用的車輛檢測器有環 行線圈檢測器 磁性檢測器 微波檢測器 超聲波檢測器 雷達檢測器 等 其組成及工作原理可參見有關參考書 這里就不在贅述 2 氣象檢測器 氣象檢測器主要用來觀測霧和冰凍 也用來測量路 表溫度 風力 風向 雨量 路面積雪情況等 其中用來測量溫度 風 速 風力 降雨量等參數的檢測器與常規氣象站所用的設備相同 而為了 測量霧和冰凍 還需增加能見度檢測器和路面冰凍檢測器 1 3 環境檢測器 環境檢測器主要有噪聲檢測器 隧道光亮度檢測 器 一氧化碳檢測器 噪聲檢測器主要設置在市區內對噪聲敏感地區的噪 聲進行j 鑫控 隧道光亮度檢測器一般成對地設置在隧道口內外 洞外的一 臺測量隧道入口處的亮度 另一臺測量隧道內引入段的亮度 其亮度檢測 值均送入控制器 轉化為數字信號上傳監控管理中心 中心計算機據此參 數調節隧道內照明燈具 使其亮度合適 既節省能源 又使駕駛員的眼睛 適應亮度的變化 以免因此引發交通事故 一氧化碳檢測器可快速 準 確 連續地自動測定給定的 氧化碳濃度 同時將檢測結果以數字形式顯 示出來 量程一般取o 3 0 0 p p m 目前使用的一氧化碳檢測器主要有電化 學檢測和紅外線檢測兩種類型 4 視頻監測系統 視頻監測系統由攝像機 監視器 視頻切換器 圖像處理設備等部分組成 并用網絡連接起來 交通管理控制中心可對監 視畫面任意切換 視頻監測系統的攝像機通常安裝在高速公路的一些關鍵 西南交通大學碩士研究生學位論文 第2 0 頁 路段和事故易發地段 用來監視這些區段的交通狀況 根據經驗 高速公 路上立交區段 大橋 長大隧道都是比較關鍵的地區 圖像處理系統通過密集安裝電子攝像機采集視頻圖像來獲取交通參 數 其具有一次可檢測多個交通參數 檢測范圍較大 拆裝使用靈活等優 點 但也存在檢測精度受天氣 檢測區域周圍亮度影響等缺點 5 緊急電話 緊急電話主要用于交通事故或車輛故障時 司乘人員 可利用緊急電話迅速與交通管理控制中心取得聯系 請求指示或求援 緊急電話系統由緊急電話主機 傳輸線路和路側緊急電話組成 緊急 電話主機設在分中心 能及時顯示路側緊急電話的呼叫信息 排隊呼叫時 按先到先處理原則進行 也可以將其中任意兩個呼叫同時處理 可錄音 可與公用業務電話網相連 使用者按下路側緊急電話上的按鈕后能自動向 交通管理中心發出呼叫 并傳送呼叫分機信息 與緊急電話控制臺建立雙 工通話并能接受主機發出的各種呼叫和檢測指令 路側緊急電話主副機一 般采用太陽能供電 應具有良好的雷電防護性能和環境適應性能 6 電子收費系統 電子收費系統可以看作高速公路交通管理系統的 特殊形式 它不但能完成收費功能 還為管理系統提供汽車類型 時間以 及收費點處汽車位置等數據 由于收費站之間的位置與里程是已知的 站間車輛的正常通行時間可 立即計算出來 這些數據可以用于監視公路上的交通流和幫助事故的探 測 所以帶電子標簽的汽車可以用作該公路的交通探測器 同時 還可調 整運價 關閉收費入口等措施影響人們對出行時間 路線及方式的選擇 3 2 信息傳輸系統的需求分析 在各中央管理控制室 交通管理控制總中心 交通管理控制中心 交 通管理控制分中心 之間和各中央控制室與系統外場設施 信息采集 信 息提供系統 之間 需要借助信息傳輸系統進行聯系 為了確保系統內部 數據 語音 圖像信息準確 及時 不間斷地傳輸 以滿足運營管理的需 求 通常需要建立高速公路內部信息傳輸專用網 西南交通大學碩士研究生學位論文 第2 1 頁 3 2 1信息傳輸系統的功能需求 信息傳輸系統的功能需求主要包括綜合業務交換 通信傳輸 移動通 信三個組成部分 1 綜合業務交換 綜合業務交換主要支持緊急電話 調度電話 業 務電話和其它非話業務的信息交換 其核心設備是專用程控用戶交換機及 外圍設備 其中心任務是對網內用戶開放數據 圖像 傳真 文本等非語 音交換業務及話務交換 允許網內用戶訪問公用數據網 網內有線用戶與 本系統無線網的雙向自動接續 2 通信傳輸 通信傳輸的基本任務就是保證 信息流 在特定的傳媒 中暢通 做到快速 及時 準確 高速公路交通管理系統通信傳輸中 通 常混合使用電纜 數字光纖 數字微波三種手段 3 移動通信 移動通信覆蓋的范圍包括無線通信系統 無線尋呼系 統 無繩電話系統等非常廣泛集群無線系統 移動通信特別適宜于路政管 理 交通安全管理 道路養護 收費稽查 緊急救援等場合 3 2 2 信息傳輸系統的傳輸信息需求 3 2 2 1 數據傳輸需求 1 按數據發送和接收者的管理層次 可將需信息傳輸系統傳輸的數據 分為以下幾類 1 收費站 高速公路進 出口 交通管理控制分中心 交通管理控 制總中心 2 信息采集外場設施 交通管理控制分中心 3 交通管理控制分中心 信息提供設備 4 交通管理控制分中心 交通管理控制中心 5 交通管理控制中心 交通管理控制總中心 2 按數據傳輸的頻率 可將需信息傳輸系統傳輸的數據分為經常性和 非經常性傳輸數據 經常性傳輸數據分為以下三類 1 收費站向交通管理控制總中心傳輸的出入口收費車道搜集的每輛車的 收費信息及其車型 時間以及收費點處汽車位置等數據 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 2 頁 2 信息采集系統外場設備向交通管理控制分中心傳輸的交通 氣候及設 備狀況等信息 交通管理控制分中心給信息提供系統發出的指令和控制信 息 3 交通管理控制分中心 交通管理控制中心與交通管理控制總中心之間 為保證數據完整性和實現其它功能而相互傳輸的大批量數據 非經常性傳輸的數據分為二部分 1 收費系統從總中心 中心 分中心 收費站逐級下傳的系統運行參 數 如時鐘 費率表 人員名單 黑名單等 2 通信系統內部需傳輸的系統參數 包括時間同步信息等 3 2 2 2 話音傳輸需求 高速公路交通管理系統的話音傳輸主要有兩個 部分 1 高速公路各管理機構 從交通管理控制總中心 中心 分中心到收 費站的業務電話通信需求 業務電話的使用方式應同普通電話相同或類 似 話音清晰可辨 沒有明顯延遲 2 高速公路沿線緊急電話通信需求 3 2 2 3 視頻圖像傳輸需求 經信息傳輸系統傳輸的圖像應清晰 平 滑 不能存在明顯的延遲 拖動和抖動 多個終端點看同一路監控圖像 時 不會相互干擾 需信息傳輸系統提供視頻圖像傳輸通路的主要有以下 幾部分 1 交通管理控制分中心切換監視所轄收費站的廣場 車道 收費亭和 收費站的視頻監視圖像及切換監視在道路沿線布設的視頻監測系統攝像機 的圖像 2 交通管理控制中心切換監視所轄交通管理控制分中心的視頻監視圖 像及收費站的廣場 車道 收費亭 收費站的視頻監視圖像和道路交通視 頻監測系統攝像機圖像 3 交通管理控制總中心切換監視交通管理控制分中心 中心的視頻監 視圖像及收費站的廣場 車道 收費事 收費站的視頻監視圖像和道路交 通視頻監測系統攝像機圖像 西南交通大學碩士研究生學位論文 第2 3 頁 3 2 2 4多媒體業務傳輸需求 信息傳輸系統要考慮為各種網絡服務 會議電視 電子郵件 啊等 提供傳輸通道 3 2 2 5 管理需求 網絡管理應包括以下內容 1 全網的網絡配置管理 2 故障監控管理和處理 3 網絡性能監控 4 記費管理和安全管理 5 實時顯示全網拓撲結構 電路的連接情況及網路的運行情況 3 2 3 信息傳輸系統的建設需求 為了實時地完成信息傳輸任務 信息傳輸系統一般應需要以下系統設 備為依托 1 光纖傳輸系統 光纖傳輸系統為高速公路沿線設施 如程控交換 機 業務電話之間的話務通信 以及交通管理系統的數據 圖像等非話業 務 提供傳輸通道 針對高速公路的實際情況 一般采用具有較高的性能 價格比環形保護方式 以提高整個骨干網絡的可靠性 由于s d h 同步數 字序列 能自由選擇路由 有統一的網絡接口 可兼容p d h 等現存的數字 體系 高速公路一般采用s d h 傳輸方式 在信息傳輸總中心 中心 分中 心一般應配置s d h 分插復用器a d m 如 s t m 一1 6 s t m 一4 s t m 一1 通過 該a d m 與骨干光纖傳輸系統連接 通信總中心a d m 下聯幾個光纖接口 6 2 2 m b p s 或1 5 5 m b p s 連接a t m 交換機等 同時下聯多個用于連接程 控交換機等設備的接1 3 2 m b p s 光纖傳輸系統的光收發器模塊 e t h e r n e t 網絡模塊 數據接口模塊 音頻接口模塊等設備可采用市場現 有產品 2 程控數字交換系統 每個信息傳輸總中心 信息傳輸中一t l 都應配 置一臺程控數字交換機 信息傳輸分中心應配置遠端交換模塊 r s m 通 信站可不配置程控交換設備 而是通過通信站中的光纖接入設備o n u 光 網絡單元 提供的語音端口直接連接電話 o n u 語音端口的數量根據通信 站的規模和實際需要來選擇 通信站的電話通過信息傳輸分中心的接入設 備和遠端交換模塊r s m 實現與其它通信站 信息傳輸分中心 中心以及總 西南交通大掌碩士研究生學位論文 第2 4 頁 中心的業務電話連接 信息傳輸總中心 信息傳輸中心的程控數字交換機 可采用中繼方式接入電信公用電話交換網 市話公網的連接根據電信部門 的所能提供的方式 可以采用數字中繼的方式 也可以采用模擬環路中繼 方式 提供市話 長話和國際長話業務 信息傳輸總中心應設置一套計費 系統 通過計費軟件來實現信息傳輸總中心與公網 總中心到各個中心 分中心所在地的公網電話計費 專網內部用戶之間呼叫一律不計費 出局 呼叫進入市話網則按當地電信部門規定方式進行收費 3 緊急電話傳輸系統 緊急電話傳輸可分為有線傳輸和無線傳輸 有線傳輸有三種方式 即通過公共電話網進行連接 通過電纜以總線方式 連接和通過