信息技术下的城市快速路安全监测系统设计

由于缺乏相关的技术，城市快速路上一旦出现较为严重的意外事故（如中环事故），就会导致区域性的交通阻塞，并造成巨大的经济损失和社会的负面影响。因此，如果能够通过有效的检测手段及时对实时交通参数进行采集，监测是否发生交通事件，同时能够对交通拥堵情况进行分析研判，进而提前采取措施，提醒上游驾驶员，同时联动相关交通管理人员及交通设施，对这些问题进行修正和处置，就能够将对经济建设和社会发展的影响降到最低，保证道路的畅通。

交通安全状态的直接检测方法是指使用人工智能和图像处理等方面的理论和技术来识别交通参数及安全状态的方法，将视频图像转化成可处理的数据，再由计算机进行交通安全状态的检测识别[1]。目前，国内外已开始运用先进智能技术对交通安全状态进行检测，出现了各种以不同理论和方法为手段的交通安全状态检测系统，但由于智能检测方法的复杂性以及交通安全状态检测自身的难度，成熟的方法还很少[2-4]。

传统交通安全及拥堵状态检测手段的测量精度和检测范围都有所限制，国内主流的检测手段依然以线圈、视频卡口检测器等为主，难以满足目前城市快速路交通安全监控和拥堵判别的需求。因此，在交通领域引进更为先进的检测设备，设计相应的智能感知系统在近几年来逐渐受到了越来越多的关注。

分布式振动传感技术具有全分布式感知、灵敏度高、定位精度高等优势，因此在长距离周界安防、交通安全监控等领域具有良好的应用[5-6]。如英国的OptaSense公司研发的交通监测系统采用分布式声音传感技术，将道路中预埋的光纤变成采集声音振动信号的传感器，实现道路中交通信息的实时、全天候采集和分析；国内中国科学院半导体研究所也有基于分布式光纤传感系统在安全监测领域的应用研究。

基于分布式光纤传感技术，可以设计城市快速路安全监测系统，打造一套面向交通信息采集、处理、发布及处置的一体化智能信息管理平台，保障城市快速路网的安全、稳定运行。

光纤传感技术以抗电磁干扰、耐腐蚀、易集成、本质安全、精度高、绝缘等优势，而被关注并广度开发[7]。分布式光纤传感主流技术包括基于拉曼效应的分布式光纤测温(DTS)，基于布里渊效应的分布式温度和应变监测(BOTDA/BOTDR)，基于瑞利散射效应的分布式光纤振动监测(Φ-OTDR/COTDR)， 基于 Michelson、Mach-Zehnder、Sagnac 干涉原理的分布式振动监测、基于瑞利散射的光频域反射计(OFDR) 等[8-9]。本设计系统中采用的光纤传感器为相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR），是通过记录外界传感光纤背向瑞利散射光的强度，根据光纤的衰减和连续性的变化，从而判断外界扰动引入的相位变化及其沿光纤的空间分布位置[10]。

分布式光纤传感器检测系统采用通信链路的既有光缆作为传感光纤。一般既有的通信光缆中，存在没有使用的光纤链路，抽取其中一根光纤连接到系统内，利用该光纤提供的背向散射光进行分布式信息感知，实现传感和数据传输。

根据应用需求，一般选择城市快速路中铺设有通信光缆的路段作为信息采集路段。由于铺设光缆的方式、铺设深度、铺设位置不同，信息采集路段上一定会存在对振动信号不敏感的地区，进行信号分析和现场测试时应该避开这些不敏感区域。另外，受上述铺设因素的影响，信息采集路段上即便存在对振动信号敏感的区域，不同区域的敏感程度也是不一样的。

既有通信光缆的终端一般设置在快速路设备控制的机房内，具体安装操作为从机房通信用服务器中，抽取一根光纤，该光纤在既有通信光缆中对应测试路段，将该光纤连接到光纤传感系统上。光纤传感设备供电需接入机房内的电源系统，并保证长期稳定的电源供应。

图1：Φ-OTDR分布式光纤传感器检测系统

城市快速路安全监测系统主要通过Φ-OTDR分布式光纤传感设备对路面交通参数进行监测，并基于视频监控设备、车检器设备以及称重检测等辅助设备完善对各类交通数据的采集。所有设备采集的交通数据将汇集到数据控制中心的数据库，实现进一步的数据过滤、处理及分析，并传输给模型层完成对交通状态的识别。最后，系统层实现信息分布、日常管理以及应急处置等功能，具体系统设计示意图如图2所示。

系统以车辆碰撞模型、超重车辆检测模型以及交通状态监测模型为计算基础，可以实现一整套面向交通参数检测、交通安全监控、超重车辆管理及分级响应处置为一体的智能监测系统。整个系统包含超重车辆检测、交通安全监控以及分级响应处置三个子系统。

图2：基于分布式光纤传感技术的城市快速路安全监测系统设计示意图

数据控制中心整合了重型车辆数据、光纤采集数据、视频数据、车辆信息数据以及交通流数据五大数据资源，并统一实现数据格式的规范化以及标准化。通过与快速路上的各个交通数据采集设备相连，保证所有数据均上传至数据库，并对数据做进一步的处理，可以实现对数据的统计及分析功能。数据控制中心为城市快速路安全监测系统提供所有的数据来源，是系统能够正常运行的基础，同时支撑超重车辆检测子系统、交通安全监控子系统以及分级响应处置子系统三大子系统的正常运行。

数据控制中心的数据均存储在数据库中，以.sql文件格式保存，部分数据类型和字段描述请参见表1。

表1：部分采集数据格式描述

超重车辆检测子系统的核心是对超重车辆信息的管理和发布，从路面对超重车辆的识别到超重车辆处理信息通过安全监测系统电子平台发布，可以自动化实现整个过程。子系统的设计可以包括以下功能：

1) 超重车辆数据信息管理

建立起路网中所有识别出的超重车辆的信息档案库，并通过接口方式实现对超重车辆基础数据的人工录入补充，实现数据库的持续更新和完善。车辆信息包括车牌号、车重、车型、轴距、轴重、车辆图片、是否满载、是否超重等详细信息。

2) 超重车辆在路网的分布信息

通过对快速路上超重车辆的识别，结合GIS地理信息系统，实现在地图上显示超重车辆在路网上的行驶位置信息。在具有摄像头的路口，根据站点上传的实时视频信息，可以根据车牌号码在超重车辆数据信息管理库中查询该车辆的详细信息及超重记录。

3) 超重车辆信息情报板

对违规的超重车辆信息，可以通过情报板的方式进行发布，将违规信息（如：苏A12345 超限，请进站精检。）发布在预检处的可变情报板上，提示路政人员执法。

图3：超重车辆检测子系统网络拓扑图

交通安全监控子系统主要可以实现对快速路安全监控及交通状态的信息发布，其中快速路安全监控是针对突发的交通碰撞事故，实现位置报警；交通状态则是通过对交通量和车速的监控，实现对快速路交通拥堵情况的信息发布。图4展示了交通安全监控子系统的网络拓扑图。数据控制中心服务器把路面交通数据传输给交通状态监测模型，完成对车速、流量、拥堵系数等交通参数的计算，并将模型分析结果上传到交通安全监控中心，完成对交通状态的发布。当路面发生交通碰撞等突发类事故时，车辆碰撞模型能够迅速判断出事故位置，并通过交通安全监控中心发出警报，实现对碰撞事故的位置信息发布。

图4：交通安全监控子系统网络拓扑图

 分级响应处置子系统主要是从管理人员的执法层面、快速路信息的发布层面进行分级操作处理。图5展示了分级响应处置子系统的网络拓扑图，数据控制中心服务器把数据相应地输入到车辆碰撞模型、超重车辆检测模型以及交通状态监测模型，模型通过计算分析，将需要管理和发布的结果信息上传到分级响应处置控制中心，最终通过执法PDA、执法提示可变情报板、语音报警等方式进行分级处理。执法PDA主要针对快速路管理人员，提醒管理人员及时执法。可变情报板和语音报警主要针对快速路行驶人员，为行驶人员发布快速路安全、交通路况等信息。

1) 执法PDA

PDA为警务移动执法终端的英文缩写，通过该执法终端，执勤人员可以从分级响应处置控制中心快速获取需要被执法的车辆及驾驶人员等信息，并现场处理交通违法，如对超载车辆的处理、交通事故车辆的处理等。处理结果可以通过无线传输的方式，将违法数据及处理结果同步上传至分级响应处置控制中心，大大提升了执法效能。

2) 执法提示可变情报板

执法提示可变情报板可以分为多级，分别设立在城市快速路的不同路段及路口位置，将违法车辆信息、交通事故信息、道路管理人员执法信息及时地通知给路上的驾驶人员。

3) 语音报警

语音报警是辅助执法提示可变情报板的另一种信息发布手段，针对大型的交通事故及突发事件，语音报警能快速地引起道路驾驶人员的注意力，提高信息发布效率。

图5：分级响应处置子系统网络拓扑图

本研究以快速路上的行驶车辆为研究对象，借助路面上的数据采集设备，设计了基于分布式光纤传感技术的城市快速路安全监测系统，并对系统下的数据处理、超重车辆检测、交通安全监控、分级响应处置等功能设计做了详细描述。研究内容可用于指导分布式光纤传感技术下的城市快速路安全监测系统在应用层面的软件开发，具有良好的应用前景。

参考文献