基于GIS的高速公路監控系統應用研究

張 強，楊澤平

(1.重慶高速公路有限公司;2.西南交通大學)

1 引言

高速公路的建設情況可以反映一個國家和地區的交通發達程度乃至經濟發展的整體水平，車速、交通量、通行能力是高速公路設計的基本依據，三者之間又是互為因果，我國高速公路建設在起步階段時其交通流量一般遠未達到設計容量，同時對高速公路的監控也存在明顯的不足。然而隨著我國經濟社會的快速發展，我國許多高速公路已經開始出現擁擠現象，與此同時隨著通車里程的不斷增加，高速公路發生災害的風險也隨之加大，表明對高速公路進行實時監控的研究和應用有著重要的現實意義。

現階段，國外發達國家在高速監控方面已經奠定了堅實理論基礎，并在實踐中積累了豐富的經驗，但是，其發展模式并不適合我國國情，而我國高速公路監控技術處于蓬勃發展階段，伴隨計算機技術和地理信息技術的不斷發展，對于融合了圖形編輯、資料管理、地理查詢、輔助決策等全方位管理功能的監控系統的研究和應用有著重要的現實和理論意義，地理信息系統(Geographic Information System，簡稱 GIS)為解決這一問題提供了一條有效途徑。

地理信息系統是人類生存、發展、進步密切相關的一門信息科學技術，其主要特征是儲存、管理、分析、與位置有關的信息，是空間信息科學的重要組成部分，其被廣泛應用于國民經濟管理、規劃建設等領域，交通信息與地理信息的同源關系使得GIS在交通領域得到開發應用。基于此，本文討論高速公路監控系統軟件功能設計，然后探討基于Super-Map Objects組件式開發的可視化監控平臺，最后對全文作了簡要總結。2 高速公路綜合監控系統功能模塊設計

2.1 高速公路綜合監控開發方式

將GIS系統應用于交通監控系統中符合綜合自動化發展趨勢，GIS與監控系統一體化的根本目的是實現二者的優勢互補，而實現GIS與監控系統集成一體化的方法主要有:(1)在監控系統中集成GIS的功能，但開發功能有限，且與信息管理系統的銜接很不方便;(2)在GIS中集成監控系統的功能;(3)通過數據庫實現關聯集成;(4)組件化方式;采用組件化模式，較好的實現監控系統和GIS系統圖形、數據顯示的一體化問題，可以方便地嵌入到通用的開發環境和很好地滿足要求實現的功能，本文所探討的高速公路監控系統就是基于組件式設計模式進行開發。

2.2 高速公路管理與信息化系統模式

高速公路監控系統由地面數據采集控制服務，通信接口裝置，區域管理監控站點，路用機電控制設備及高速公路綜合監控軟件組成，高速公路監控系統是一個地理范圍分布很廣的系統，從監控中心的硬件設備到高速公路沿線布設的一系列外場設備，都必須進行統一協調的管理。文中探討的高速公路監控系統是基于C/S架構的分布式網絡監控系統，由區域總中心和路段分中心的多級分層的分布式構架。相應地，其軟件也包括總中心和分中心兩類監控系統。基于統一管理、降低成本、提高效率的要求，一般高速公路監控管理系統由:區域監控管理中心、區域監控管理分中心的模式構建，區域中心為監控調度總中心，其權限在于可以監控整個區域內的設備和對分中心進行管理，其管理模式如圖1所示。

圖1 高速公路管理模式

監控系統分中心負責所轄路段的日常交通管理，實施道路設備的監視與控制職能，另外還需要向上一級區域監控中心上傳監控數據，為區域管理決策提供信息和數據。并與相關路段、隧道監控系統交換信息，對實時信息進行有效的發布，高速公路區域分中心是交通信息化建設的基礎站，其管理區域構成如圖2所示。

圖2 高速公路分中心管理結構

2.3 監控系統軟件功能設計

基于SuperMap Objects組件式的可視化監控平臺進行系統的開發，組件式GIS是由一系列可拆分、可協作、可裁減的GIS組件構成的具有高度伸縮性的GIS軟件平臺。對于同一規范的各種組件可以實現其無縫集成，可以使用數據采集與監視控制系統組件與GIS組件協同實現監控應用系統的功能從而形成緊湊的、一體化的可執行程序。

系統在管理分中心的應用軟件主要由數據采集與通信、電子地圖檢測、數據分析、設備用戶管理、數據庫服務五個部分組成，整個分中心軟件實現功能構成如圖3所示。

圖3 分中心監控軟件功能框圖

數據采集與通信實時采集監控計算機系統收集的外場設備狀態，電子地圖檢測匯集交通數據、緊急工作狀態和監控設備的工作狀態以及交通流量將其存入服務器數據庫;數據分析根據采集的相關控制數據，進行交通監控和統計、視頻圖像查詢工作，以及向可變情報板發布信息與控制命令。設備與用戶管理的主要功能是對用戶進行統一管理、系統維護信息和系統日志顯示等。GIS系統與監控系統相互聯系，兩個系統有數據交互，數據通過公用數據庫完成交互和共享，后臺數據庫與其共用，實現了GIS系統獨立開發而又與監控系統交互的目標，其功能劃分如圖4所示。

3 基于SuperMap的高速公路監控系統的設計

3.1 SuperMap簡介

SuperMap是超圖地理信息技術有限公司基于ActiveX/COM技術開發的組件式GIS軟件開發平臺，其中SuperMap Objects由一系列的AciveX組件構成，包括核心組件、空間分析組件、布局組件、三維組件、拓撲組件、圖例組件、數據表格組件、工作空間管理組件等多個可分拆的組件庫。編程人員在開發過程中可以選用自己最熟悉的開發語言，輕松地將電子地圖的常用功能組件嵌入到信息管理系統中，并且可以脫離SuperMap的軟件平臺運行。

圖4 監控軟件功能結構劃分

3.2 基于SuperMap的電子地圖監測系統的設計

(1)地圖數據設計

一般性條件約束:①操作反應時間不超過1秒，需要大量統計和計算的功能，反應時間不超過5 s;②數據庫服務器采用SQL Server 2008;③開發語言選擇為C#語言，C#主要是從C和C++繼承而來，是第一個組件導向(Componentoriented)的程序語言;④局域網協議:TCP/IP;使系統具有可維護性、可擴展性和安全性。

我校充分利用課堂四十分鐘時間，在閱讀教學過程中引導學生練習寫話。在進行讀寫結合訓練的初期，我們聚焦于如何尋找讀寫結合切入點，在閱讀教學中滲透寫法，尋找讀寫切入點，引導學生寫話，讓閱讀與寫作緊密結合。在文本教學時我們尋找語言訓練點，引導學生深化對文本的解讀，巧妙設計，內化語言運用，引導學生進行語言表達訓練，提高寫話能力。

需要完整的地圖基礎數據，既要包括城填、國道、省道、河流等一些基本的地理信息，也要包括專題的信息，如:隧道、情報板、攝像機等。空間要素分為區域空間要素、重點監控設備、救援相關三類;點狀要素可只采集一個點，注明其靜態屬性;線狀要素的采集應根據實際情況來采集，采集線狀要素的邊界點，理論上應采集所有曲率發生變化的點，盡量反應出線狀要素的基本的實際形狀和特征，并且要采集線狀要素的左右兩個邊界的點，注明其靜態屬性;面狀要素的采集類似于線狀要素，應采集所有的特征點、曲率發生變化的點，并且保證首尾閉合，本項目涉及的面狀要素較少。從要素的類別上可分為:區域對象元素、重點監控設備元素和救援資源對象。

GIS系統中涉及的數據包括圖形矢量數據、空間屬性數據和工程管理數據。空間屬性數據與工程管理數據均采用SQL Server數據庫來存儲，各地物屬性記錄的關鍵字為圖形文件中該地的設備ID號，由此便實現了地圖圖形文件與數據庫表的一一對應關系，如圖5所示。

圖5 圖形文件與SQL對應

對于高速公路上的設備來說，其信息是較為復雜，分為實時和靜態信息，實時信息為軟件需要監控，而靜態信息則是判斷設備信息的重要標志，其靜態信息存儲到空間數據庫中，而動態信息存放到SQL數據庫中。

(2)界面設計

系統采用Office 2007的ribbon按鈕模式，而非典型的菜單點選模式，在進行不同的工作時，Microsoft Office 2007的“面板”和“模塊”會發生相應的變化，用戶在軟件中菜單欄進行操作時，在面板選項中會自動出現相應模塊，用戶點擊此選項就會實現其操作，其優點是功能區收放自如。

(3)系統運行環境配置

引用標準:

GB8567計算機軟件產品開發文件編制指南;

GB/T 11457軟件工程術語;

GIS平臺選用SuperMap;

數據庫服務器采用SQL Server 2008;

開發平臺及語言選擇:VS2008(C#語言);

局域網協議:TCP/IP。

4 系統模塊功能的實現

4.1 GIS基礎功能

系統監控功能是以GIS功能為基礎來設計和實現。GIS功能是否完善直接關系著系統的功能的成敗。所以必須給予足夠的重視;總體而言，分為以下功能模塊:

(1)地圖導航、圖層管理;

(2)地圖設計、屬性查詢;

(3)空間查詢、SQL查詢、地圖量算;

(4)對象定位、浮動顯示信息。

4.2 設備的監控功能

設備可分為:情報板、攝像機、車檢器、氣象儀等，系統對情報板的功能可以分為:監聽和控制。監聽即獲取情報板當前顯示的內容，控制是改變情報板的顯示內容。

對攝像機的操作功能為監控其實時視頻，在GIS系統中展現出來，通過點擊地圖上的攝像機對象，在彈出菜單中選擇播放視頻即可以在系統右下方的視頻窗口中播放該攝像機對象的監控畫面，而對于系統中其他設備，可以讀取實時的信息，如獲取車檢器車流量、氣象儀(溫度、濕度等)等設備的信息。

5 總結

高速公路的信息化，主要是針對諸如電力設備、通信線路、火災險情、實時視頻等各種設備狀態的數字化，實現統一調度、管理和控制，隨著高速公路的建設公里數增加，信息點增多，若有機地結合的地理信息系統(GIS)，借助于GIS靈活、方便、強大的功能，最大程度上的避免信息點過多造成的誤讀、誤判和誤操作，會使集中管理更加方便、合理、快捷，也會使得高速公路的集中管理帶上一個新的高度，這是高速公路管理領域的必然趨勢，結果表明:實現了設備實時數據及其狀態的監視，完成GIS地理環境的圖形管理與分析，為用戶提供了直觀、友好、功能完善的可視化操作界面。

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