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【摘要】在探讨高速公路监控全程监控系统的硬件组成的基础上，重点阐述了交通事件自动检测分析系统确保道路畅通、安全行驶，交通事故及时处理、交通车辆诱导信息可靠，并介绍了外场摄像枪监视风光互补发电系统的设计，为高速公路外场低耗设备提供电源，有效降低营运成本。
【关键词】全程监控；交通事件自动检测分析系统；风光互补发电系统；硬件设计
Hardware design of highway entire process monitoring system
Liu Shu-quan
(Hunan Shaoyong highway Co., Ltd.YongzhouHunan425000)
【Abstract】on highway in the whole monitoring system to monitor hardware components on the basis of the focus on the traffic analysis system automatically detects the incident to ensure that the road is smooth, safe driving, traffic accidents in time, reliable information on traffic-induced and introduced the field surveillance camera shot of the landscape design of hybrid generating system for the highway equipment field low power, lower operating costs.
【Key words】Full monitoring; Traffic incident automatical analysis and detect system; Wind and light complementary generation system; Hardware design
1.引言
近年来,高速公路获得长足的发展,高速公路路网逐渐形成,但高速公路道路监控系统以主要控制路段、事故频繁点、隧道、互通监视为主，交通流量预测、事故处理响应速度、道路监管诱导需求相互矛盾越来越突出，形成道路全程监控是高速公路建设服务诱导交通发展趋势。高速网络形成联合收费实施，高速行程一次交费额高等，为避免交通换卡逃费提供可靠证据，交通路面状况提供可靠数据，交通事故发现及时有效处理赢得时间。提高高速公路的整体性、科学性、现代化服务水平得到较好的发挥。随着社会发展，社会车辆的增加，高速公路车流量分析、交通事故畅通诱导保障等矛盾日益严重，这种现象不仅为驾驶员带来不便,而且与高速公路高效、快捷、畅通的形象不相符。因此,道路全程监控系统的建立势在必行，以缓解高速公路事故处理运行堵车现象、安全事故预防。该系统包括软件和硬件两部分，本文重点研讨硬件部分的设计，且重点探讨交通事件自动检测和风光互补供电。
2.全程监控的硬件组成
高速公路全程监控由外场摄像枪视频子系统、外场数据采集子系统、光纤数据、视频传输子系统、外场信息发布诱导子系统、管理中心图像管理存储子系统、数据管理分析子系统组成，结构如图1所示，外场设备通过光纤传输与监控控制矩阵连接，经图像存储系统与中心服务器构成监控网络系统，并可上传上级监控主管监控系统。
图1系统结构图
全程监控设备分布道路全程、收费站、管理中心，主要由通讯、监控、光传输构成，全程监控数据流程如图2所示。外场每约2公里一对摄像枪（1个固定摄像枪、1个带云台摄像枪），固定摄像枪用于视频监视与道路事件分析视频，云台摄像枪更加需要调整视角道路监控。视频图像通过光纤传输子系统上传管理中心，存储硬盘录像机与图像管理系统监控矩阵，外场固定摄像枪视频同时接入事件分析仪，分析道路运行状况、事故异常通车、交通事故等，相应异常产生报警联动监控矩阵切换视频图像。外场数据采集子系统，能见度检测器、气象检测器、微波车辆检测器采集路面现场数据集，通过光纤数据传输子系统上传服务器，经数据分析管理子系统分析交通状况，产生相关诱导、预控指令并通过信息发布子系统提示交通状况。
3.交通事件自动检测分析系统设计
如图3所示公路全程监控交通自动化管理主要由通讯、监控系统构成，整个系统的可靠运行的一个重要环节是行驶车辆交通事件检测与交通信息采集。通过事件检测仪检查车辆的行驶信息,对道路上的通行车辆的流量、速度进行监控和统计，对图像进行对比分析交通异常;通过事件分析仪分析交通状态信息,可将道路运行信息和图像存入硬盘录像机中,为交通预测、诱导和交通事故历史记录查询提供可靠保障。
交通事件自动检测有不同的检测方法,本文设计的MediaRoad视频图像识别解决办法，其核心技术为车辆跟踪检测技术和一系列相关技术，可完全适用国内外现有高速公路的PTZ遥控摄像机和固定安装摄像机的图像的检测需要，其独特的、实用化的跟踪检测技术把高速公路CCTV电视交通监控的智能化、信息化、自动化的技术应用推向极至，极大地满足了高速公路运营管理部门对实时交通意外事件监控的发展需要。
3.1交通事件自动检测分析结构组成。交通事件自动检测的原理框图如图3。分布于公路沿线的固定摄像机通过光纤网络系统向交通事件分析检测仪提供事件分析源，交通事件MediaRoad分析仪包含在计算机单元中，有图像处理软件，视频信号数字化系统以及通讯卡。分析仪通过获取、数字化和同步模拟视频信号，每台分析仪可以输入8路视频信号，使用 MediaRoad 图像处理算法进行图像处理，在分析仪硬盘上循环视频录像，存储警报、测量结果和图像，与服务器通讯检测与处理交通事件构成事件检测循环检测系统。
图2数据流程图
3.2交通事件自动检测原理。视频检测通过对视频数据采集处理来自动实时检测公路事件的技术。它取自 CCTV（闭路电视监控）或专门设置的摄像机采集的视频图像，这些图像由分析仪根据算法产生事件报警和交通测量等信息，即被传送到交通管理中心的管理器上。视频检测系统在事件发生时提供最快的处理速度，管理人员和传统监控系统很快就能立即做出反应。当用户及时得到自动警告，迅速处理，避免类似的事故接连发生，保障道路畅通与服务。
图3交通事件检测仪结构组成
4. 风光互补发电系统设计
在高速公路领域风光互补发电系统主要为功耗相对较小的设备进行供电如外场监控摄像机(全天候供电)、路灯(非全天候供电)，对于功耗更小的设备如紧急电话、微波车检器可只选择太陽能供电，本系统方案全程监控设备选型中选择12V或24V DC供电的设备，可省去逆变器和变压器，减少此环节的能力损耗。统计结果摄像机平均每日的耗电量约800W．h(含摄像机、镜头、光端机、云台、雨刷、加热器和风扇等)，结合负载的用电量和风能太阳能分布情况以及相关经验选择额定功率为400W 的风力发电机，风轮直径1.4 m5叶片，启动风速2.4m/s，切人风速3m/s，额定风速12.5m/s；太阳能电池板单晶硅材料，转换效率≥15％ ，开路电压 =21．6 V，最佳工作电压 =18V，短路电流L=6．6A，最佳工作电流，m=5．56A，峰瓦数= 100W。地区年太阳总辐射量为112．0千卡/cm ，根据换算平均每日峰值日照数为4h，单块太阳能板的日平均发电量约为240W.h，根据风机每月发电量情况，在保证供电质量的前提下，计算最优的太阳能电池板峰瓦数，选用4块100 W太阳能电池板组成方阵。密封铅酸蓄电池12V/200Ah共4组保障无风无光7天使用电量。
4.1系统结构。 如图4所示，风光互补发电系统由太阳能光伏电池组、风力发电机、充放电控制器、蓄电池组、逆变器及辅助设备组成。
4.2太阳能光伏电池板。太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换的过程通常叫做“光伏效应”，转换率是衡量太阳能电池的重要指标。晶体硅占据着太阳能电池材料的统治地位，以其制备的太阳能电池主要包括：单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池，非晶硅太阳能电池等。单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好的特点；非晶硅太阳电池生产效率高，成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减较快；多晶硅太阳能电池转换效率和价格均低于单晶硅，性价比较高。
图4风、光互补基本构成图
4.3风力发电机。风力发电是一种将风能转换为机械能，再由机械能转换为电能的机电装置。依其形状及旋转轴的方向划分类型，可归纳为：水平轴式转子和垂直轴式转子。水平轴式转子的转动轴与风向平行，依页数可分为单叶、双叶、三叶或多叶型；依风向可分为逆风和顺风型，大部分水平轴式风力轮页会随风向变化而调整位置，目前风力发电机多采用水平轴、上风向、三叶片式，该型风力发电机具备较高的风能利用率。垂直轴式转子的转轴与风向垂直，依形状可分为桶形转子和打蛋形转子等。新型垂直轴风力发电机(H型)采用了新型结构和材料，具有启动风速低、噪音低、抗风能力强等优点，目前处于推广应用阶段。
4.4充放电控制器。在风光互补发电系统中，充放电控制器在整个系统中起着重要的作用，扮演着系统管理和组织核心的角色。充放电控制器控制太阳电池方阵和风力发电机以最佳的充电电流和电压快速、平稳、高效的对蓄电池组的充电，并实现蓄电池向负载供电，同时避免过充电和过放电现象的发生，保护蓄电池，延长蓄电池的使用寿命。智能充放电控制器还应具有数据记录功能，并提供通信接口，便于实现远端和近端控制。
4.5蓄电池。在风光互补发电系统中，蓄电池作为储能环节，在风力、日照充足的条件下，可以存储供给负载后多余的电能；在风力、日照不佳的情况下输出电能给负载，蓄电池在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。在常用的蓄电池中，主要有铅蓄电池、镉镍电池、镍金属氢化物蓄电池和锂离子电池。其中铅酸蓄电池具有化学能和电能转换效率高，充放电循环次数多，端电压高，容量大的特点，同时还具有防酸、防暴，消氢、耐腐蚀的性能，胶体密封铅酸蓄电池是风光互补系统中最合适的储能装置。
5.结束语
智能交通系统(ITS)是21世纪现代化交通运输体系的发展方向,是国家“十五”重點攻关项目,同时又是科技部创新基金重点支持项目,本文重点介绍了高速公路监控系统全程监控的硬件系统设计，其中主要介绍了交通事件自动检测和风光互补供电的设计，为实现减少路面交通事故，交通诱导控和降低设备营运成本效益，同时使高速公路服务水平的提高,即提高了高速公路的交通安全服务效率，智能诱导、预控交通，有效提高交通事故处理服务效率。风光互补供电作为清洁新能源，合理利用就是节约常规能源节约营运成本，具用良好的社会效益和经济效益。
参考文献
［1］李竣国; 高速公路视频交通事件检测系统［J］;中国交通信息产业; 2006年11期; 56-58
［2］叶航冶．风力发电机组的控制技术［M］．北京：机械工业出版社，2O02．
［3］桂长清，马伯岩．风能和太阳能发电系统中的储能电池［A］．节能环保和谐发展-2Oo7中国科协年会论文集［C］，2007
［文章编号］1006-7619（2009）04-17-268
［作者简介］刘树泉，男，湖南人，工程师 。
【关键词】全程监控；交通事件自动检测分析系统；风光互补发电系统；硬件设计
Hardware design of highway entire process monitoring system
Liu Shu-quan
(Hunan Shaoyong highway Co., Ltd.YongzhouHunan425000)
【Abstract】on highway in the whole monitoring system to monitor hardware components on the basis of the focus on the traffic analysis system automatically detects the incident to ensure that the road is smooth, safe driving, traffic accidents in time, reliable information on traffic-induced and introduced the field surveillance camera shot of the landscape design of hybrid generating system for the highway equipment field low power, lower operating costs.
【Key words】Full monitoring; Traffic incident automatical analysis and detect system; Wind and light complementary generation system; Hardware design
1.引言
近年来,高速公路获得长足的发展,高速公路路网逐渐形成,但高速公路道路监控系统以主要控制路段、事故频繁点、隧道、互通监视为主，交通流量预测、事故处理响应速度、道路监管诱导需求相互矛盾越来越突出，形成道路全程监控是高速公路建设服务诱导交通发展趋势。高速网络形成联合收费实施，高速行程一次交费额高等，为避免交通换卡逃费提供可靠证据，交通路面状况提供可靠数据，交通事故发现及时有效处理赢得时间。提高高速公路的整体性、科学性、现代化服务水平得到较好的发挥。随着社会发展，社会车辆的增加，高速公路车流量分析、交通事故畅通诱导保障等矛盾日益严重，这种现象不仅为驾驶员带来不便,而且与高速公路高效、快捷、畅通的形象不相符。因此,道路全程监控系统的建立势在必行，以缓解高速公路事故处理运行堵车现象、安全事故预防。该系统包括软件和硬件两部分，本文重点研讨硬件部分的设计，且重点探讨交通事件自动检测和风光互补供电。
2.全程监控的硬件组成
高速公路全程监控由外场摄像枪视频子系统、外场数据采集子系统、光纤数据、视频传输子系统、外场信息发布诱导子系统、管理中心图像管理存储子系统、数据管理分析子系统组成，结构如图1所示，外场设备通过光纤传输与监控控制矩阵连接，经图像存储系统与中心服务器构成监控网络系统，并可上传上级监控主管监控系统。
图1系统结构图
全程监控设备分布道路全程、收费站、管理中心，主要由通讯、监控、光传输构成，全程监控数据流程如图2所示。外场每约2公里一对摄像枪（1个固定摄像枪、1个带云台摄像枪），固定摄像枪用于视频监视与道路事件分析视频，云台摄像枪更加需要调整视角道路监控。视频图像通过光纤传输子系统上传管理中心，存储硬盘录像机与图像管理系统监控矩阵，外场固定摄像枪视频同时接入事件分析仪，分析道路运行状况、事故异常通车、交通事故等，相应异常产生报警联动监控矩阵切换视频图像。外场数据采集子系统，能见度检测器、气象检测器、微波车辆检测器采集路面现场数据集，通过光纤数据传输子系统上传服务器，经数据分析管理子系统分析交通状况，产生相关诱导、预控指令并通过信息发布子系统提示交通状况。
3.交通事件自动检测分析系统设计
如图3所示公路全程监控交通自动化管理主要由通讯、监控系统构成，整个系统的可靠运行的一个重要环节是行驶车辆交通事件检测与交通信息采集。通过事件检测仪检查车辆的行驶信息,对道路上的通行车辆的流量、速度进行监控和统计，对图像进行对比分析交通异常;通过事件分析仪分析交通状态信息,可将道路运行信息和图像存入硬盘录像机中,为交通预测、诱导和交通事故历史记录查询提供可靠保障。
交通事件自动检测有不同的检测方法,本文设计的MediaRoad视频图像识别解决办法，其核心技术为车辆跟踪检测技术和一系列相关技术，可完全适用国内外现有高速公路的PTZ遥控摄像机和固定安装摄像机的图像的检测需要，其独特的、实用化的跟踪检测技术把高速公路CCTV电视交通监控的智能化、信息化、自动化的技术应用推向极至，极大地满足了高速公路运营管理部门对实时交通意外事件监控的发展需要。
3.1交通事件自动检测分析结构组成。交通事件自动检测的原理框图如图3。分布于公路沿线的固定摄像机通过光纤网络系统向交通事件分析检测仪提供事件分析源，交通事件MediaRoad分析仪包含在计算机单元中，有图像处理软件，视频信号数字化系统以及通讯卡。分析仪通过获取、数字化和同步模拟视频信号，每台分析仪可以输入8路视频信号，使用 MediaRoad 图像处理算法进行图像处理，在分析仪硬盘上循环视频录像，存储警报、测量结果和图像，与服务器通讯检测与处理交通事件构成事件检测循环检测系统。
图2数据流程图
3.2交通事件自动检测原理。视频检测通过对视频数据采集处理来自动实时检测公路事件的技术。它取自 CCTV（闭路电视监控）或专门设置的摄像机采集的视频图像，这些图像由分析仪根据算法产生事件报警和交通测量等信息，即被传送到交通管理中心的管理器上。视频检测系统在事件发生时提供最快的处理速度，管理人员和传统监控系统很快就能立即做出反应。当用户及时得到自动警告，迅速处理，避免类似的事故接连发生，保障道路畅通与服务。
图3交通事件检测仪结构组成
4. 风光互补发电系统设计
在高速公路领域风光互补发电系统主要为功耗相对较小的设备进行供电如外场监控摄像机(全天候供电)、路灯(非全天候供电)，对于功耗更小的设备如紧急电话、微波车检器可只选择太陽能供电，本系统方案全程监控设备选型中选择12V或24V DC供电的设备，可省去逆变器和变压器，减少此环节的能力损耗。统计结果摄像机平均每日的耗电量约800W．h(含摄像机、镜头、光端机、云台、雨刷、加热器和风扇等)，结合负载的用电量和风能太阳能分布情况以及相关经验选择额定功率为400W 的风力发电机，风轮直径1.4 m5叶片，启动风速2.4m/s，切人风速3m/s，额定风速12.5m/s；太阳能电池板单晶硅材料，转换效率≥15％ ，开路电压 =21．6 V，最佳工作电压 =18V，短路电流L=6．6A，最佳工作电流，m=5．56A，峰瓦数= 100W。地区年太阳总辐射量为112．0千卡/cm ，根据换算平均每日峰值日照数为4h，单块太阳能板的日平均发电量约为240W.h，根据风机每月发电量情况，在保证供电质量的前提下，计算最优的太阳能电池板峰瓦数，选用4块100 W太阳能电池板组成方阵。密封铅酸蓄电池12V/200Ah共4组保障无风无光7天使用电量。
4.1系统结构。 如图4所示，风光互补发电系统由太阳能光伏电池组、风力发电机、充放电控制器、蓄电池组、逆变器及辅助设备组成。
4.2太阳能光伏电池板。太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换的过程通常叫做“光伏效应”，转换率是衡量太阳能电池的重要指标。晶体硅占据着太阳能电池材料的统治地位，以其制备的太阳能电池主要包括：单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池，非晶硅太阳能电池等。单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好的特点；非晶硅太阳电池生产效率高，成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减较快；多晶硅太阳能电池转换效率和价格均低于单晶硅，性价比较高。
图4风、光互补基本构成图
4.3风力发电机。风力发电是一种将风能转换为机械能，再由机械能转换为电能的机电装置。依其形状及旋转轴的方向划分类型，可归纳为：水平轴式转子和垂直轴式转子。水平轴式转子的转动轴与风向平行，依页数可分为单叶、双叶、三叶或多叶型；依风向可分为逆风和顺风型，大部分水平轴式风力轮页会随风向变化而调整位置，目前风力发电机多采用水平轴、上风向、三叶片式，该型风力发电机具备较高的风能利用率。垂直轴式转子的转轴与风向垂直，依形状可分为桶形转子和打蛋形转子等。新型垂直轴风力发电机(H型)采用了新型结构和材料，具有启动风速低、噪音低、抗风能力强等优点，目前处于推广应用阶段。
4.4充放电控制器。在风光互补发电系统中，充放电控制器在整个系统中起着重要的作用，扮演着系统管理和组织核心的角色。充放电控制器控制太阳电池方阵和风力发电机以最佳的充电电流和电压快速、平稳、高效的对蓄电池组的充电，并实现蓄电池向负载供电，同时避免过充电和过放电现象的发生，保护蓄电池，延长蓄电池的使用寿命。智能充放电控制器还应具有数据记录功能，并提供通信接口，便于实现远端和近端控制。
4.5蓄电池。在风光互补发电系统中，蓄电池作为储能环节，在风力、日照充足的条件下，可以存储供给负载后多余的电能；在风力、日照不佳的情况下输出电能给负载，蓄电池在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。在常用的蓄电池中，主要有铅蓄电池、镉镍电池、镍金属氢化物蓄电池和锂离子电池。其中铅酸蓄电池具有化学能和电能转换效率高，充放电循环次数多，端电压高，容量大的特点，同时还具有防酸、防暴，消氢、耐腐蚀的性能，胶体密封铅酸蓄电池是风光互补系统中最合适的储能装置。
5.结束语
智能交通系统(ITS)是21世纪现代化交通运输体系的发展方向,是国家“十五”重點攻关项目,同时又是科技部创新基金重点支持项目,本文重点介绍了高速公路监控系统全程监控的硬件系统设计，其中主要介绍了交通事件自动检测和风光互补供电的设计，为实现减少路面交通事故，交通诱导控和降低设备营运成本效益，同时使高速公路服务水平的提高,即提高了高速公路的交通安全服务效率，智能诱导、预控交通，有效提高交通事故处理服务效率。风光互补供电作为清洁新能源，合理利用就是节约常规能源节约营运成本，具用良好的社会效益和经济效益。
参考文献
［1］李竣国; 高速公路视频交通事件检测系统［J］;中国交通信息产业; 2006年11期; 56-58
［2］叶航冶．风力发电机组的控制技术［M］．北京：机械工业出版社，2O02．
［3］桂长清，马伯岩．风能和太阳能发电系统中的储能电池［A］．节能环保和谐发展-2Oo7中国科协年会论文集［C］，2007
［文章编号］1006-7619（2009）04-17-268
［作者简介］刘树泉，男，湖南人，工程师 。