基于大數據及NB-IoT的農村道路交通安全監測與預警平臺的設計

韓樹河 王潔松 朱云峰

摘? ?要：文章以大數據、基于蜂窩的窄帶物聯網等技術為核心，以數據、場景為驅動，研究并設計出一種基于NB-IoT技術的農村道路交通安全監測及預警系統。該系統以農村道路狀況及大小客、貨車、農用機動車為主要監測對象，通過NB-IoT技術獲取道路和車輛相關信息，利用大數據技術對獲取數據分析研判并對安全隱患進行預警，為農村道路交通安全管理提供決策支撐。

關鍵詞：大數據;窄帶物聯網;農村道路;安全監測;預警系統

農村道路與城市道路交通安全管理相比，存在著道路技術標準低、車輛復雜、駕駛人員交通安全意識薄弱、監管不到位等一系列設計與管理方面的問題，導致農村道路交通安全問題日益突出，道路安全狀況令人堪憂，近年來，農村道路發生的交通事故占全國總量的60%。其中在農村道路上行駛的大小客、貨車，農用機動車等車輛，超載、超速、超員、無證上路等違規行為是影響道路交通安全和破壞道路路面的主要因素。黨的十九大提出要建設網絡強國、數字中國、智慧社會，推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合[1]，數字虛擬世界和物理世界的融合互通已成為時代大趨勢。作為物理世界最重要的城市基礎設施，交通與其他行業和系統的融合互通將是大勢所趨。為此，依托物聯網、大數據、移動互聯網、云計算技術實現傳統業務與智慧應用的聯合，以連接數據網絡、挖掘數據價值、提供快捷服務、重塑業務價值等完成傳統應用的轉型勢在必行。

1? ? 國內外研究現狀

1.1? 農村道路安全研究現狀

目前，國內外對于農村道路安全的相關研究相對較少，在知網上以農村道路交通安全監測與預警為主題的論文僅百余篇，相關研究主要以人為管理、勸導和設置相關道路標線和警示標志等為主，對于如何通過技術手段實現農村道路交通安全監測與預警的鮮有研究。

1.2? NB-IoT研究現狀

基于蜂窩的窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是萬物互聯網絡的一個重要分支。NB-IoT構建于蜂窩網絡，基于3GPP標準的技術，采用授權頻譜，具有低功耗、廣覆蓋、低成本、大連接、架構優的特點[2]，非常適合開展物聯網業務。NB-IoT下蜂窩結構的特殊性使得NB-IoT通信比傳統的通信技術有著更加良好的連接能力，為用戶提供了海量的信息[3]。在現有移動通信網絡平滑升級，應用場景非常廣泛。尤其是在2018年世界移動通信大會（MWC上海）期間，我國NB-IoT設備廠商及移動運營商共同推出了多款內置NB-IoT單模和NB-IoT/GPRS雙模的NB-IoT R14終端設備，并提供了針對NB-IoT的開放式實驗平臺和運營平臺（如中國移動的oneNET平臺），涵蓋智能追蹤、智能健康和可穿戴等多個領域，為NB-IoT應用于移動性場景提供了可能。

目前，NB-IoT技術主要應用在智能抄表、智能路燈等靜態監管領域，在快速移動的場景應用較少，隨著中國移動的oneNET等NB-IoT技術開放平臺的運用，以及NB-IoT R14終端設備的出現，將NB-IoT技術接入移動網絡，使應用于行駛車輛監測與定位成為可能，因此，應用于道路路況監測、指定車輛監測與定位的NB-IoT技術必將是道路交通安全管理的重要技術之一。

1.3? 大數據技術在農村道路安全研究現狀

目前大數據技術主要應用場景是在城市交通、高速公路交通管理中。大數據在交通管理、交通規劃、信息服務、公共交通等方向都有研究，未來應用范圍將持續擴大[4]，將在城市交通的各個方面進行拓展，通過對交通監控視頻分析判斷道路交通擁堵情況和對違章車輛拍攝及行為記錄。通過技術手段，對道路路況安全隱患進行研判和警示。隨著5G技術及萬物互聯時代的到來，利用NB-IoT帶寬消耗低，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡[5]，具有部署成本低、通信平滑、覆蓋廣、連接多、成本低、功耗低、架構優等特點，結合大數據技術對監測數據分析研判及預警，為農村道路交通安全監測預警和網格化管理提供了很好的技術方向。農村道路具有岔路多、車輛和路況環境復雜等特點，傳統的城市道路及高速道路所用的道路交通監控設備，不易在農村道路全面架設，易出現監管漏洞。基于NB-IoT技術，構建一個低成本、易管理的道路安全主動監測系統，利用大數據技術分析研判相關數據并預警，將為實現農村道路交通安全網格管理提供可行可靠的技術支撐。

2? ? 監測與預警平臺的設計

監測與預警平臺涉及5個方面的內容，總體架構如圖1所示。

2.1? 監測網絡的監測點布局優化策略

農村道路交通狀況具有一定的復雜性和多樣性，利用大數據技術和NB-IoT技術構建農村道路交通安全監測測系統，需要對監測點進行合理的布局。首先，采用大數據技術，分別從歷史數據和實時數據著手，對NB-IoT監測網絡的監測點進行初始化和優化。其次，分析歷年來監測路段交通事故的影響因素，從道路狀況、道路線性、安全設施、車輛狀況、環境等因素分析、判斷道路安全的監測點，初始化NB-IoT監測網絡的監測點。最后，比較分析監測點反饋數據與經驗數據，進一步分析監測路段交通事故的成因，檢驗基于NB-IoT技術監測網絡布局的合理性并進布局優化，并為改善道路監測狀況提供決策支撐。

2.2? 道路周邊環境和路況研判及預警機制

隨著公安及交管部門對于各級道路監控設施的布控逐漸全面，利用各類道路監控攝像設備，獲取被監控道路相關路況信息，并對路況信息進行研判，是分析道路交通狀況的最直接手段。NB-IoT通過部署相關傳感器可以監測相關路段、車輛的基本情況，具有易部署、成本低、可靠性等特點。本平臺將從這兩點出發，研究一種基于大數據技術的監測研判機制，對路況及過往車輛進行分析。

（1）由于農村道路所處位置的特殊性，往往會出現道路違規停車或堆放物品、路面濕滑、路面損壞、路面有霧氣或煙霧等狀況，是影響交通安全的重大隱患。利用NB-IoT技術及監控視頻圖像分析技術，獲取監測道路的路面損壞、路面障礙物、路面濕滑、路面結冰、路面能見度等信息，并利用大數據技術研判道路路況，對隱患問題發出預警。

（2）在農村道路中，存在著橋梁、涵洞、易沉降、沙石道路等路段。由于車輛的超限以及道路養護不及時，往往會出現道路塌陷、路面破損等情況，是道路交通安全的主要隱患之一。為此，運用NB-IoT技術，對道路中橋梁、涵洞、易沉降等道路的損壞情況進行實時監測，對超過監測閾值的路段，進行報警并及時上傳數據，為道路安全管理部門是否對問題路段進行養護提供決策支撐。

2.3? 車載車況及行駛狀態監測裝置

由于農村道路具有分支多、岔路多、彎路多等特點，因此不可能在所有道路節點都安裝監測及監控攝像設備，為此，本文提出了一種基于NB-IoT技術的車載車況及行駛狀態監測設備。

在農村道路行駛的車輛，主要以5種小車輛為主，其中大小客車、貨車、農機車占比較高，由于駕駛人法律意識淡薄以及監管不到位，這些車輛運營過程中存在著超載、超員、超速等現象，是農村道路交通安全的主要隱患。為此，論文以大小客車、貨車、農機車為研究對象，研究并設計一種基于NB-IoT技術的車載車況及行駛狀態監測設備。該設備具有以下幾個特點：

（1）低功耗、低價格、可靠性高、安裝維護簡易。

（2）采用NB-IoT技術實現監測設備與移動網絡實時通信，實現道路交通監管部門實時監測車輛狀況，實現監測車輛網絡互聯。

（3）利用NB-IoT技術結合傳感器等設備，獲取監測車輛的定位、運載、車速狀況以及車輛行駛過程中道路顛簸情況，并將監測信息及時傳給監測部門。

2.4? 農用車輛違章行為研判與預警系統

（1）已安裝監測設備的車輛違章行為的研判及預警。在本課題所構建的基于NB-IoT技術的農村道路交通安全網格化管理框架中，將大小客車、貨車、農機車作為主要的監測對象，通過在這些車輛上安裝一種基于NB-IoT技術的車載車況及行駛狀態監測設備（安裝在車輛的承重大梁），實時監測車輛的行駛狀態，并生成相關數據。利用大數據技術研究被監測車輛的運行狀態，對超載、超速等違章行為進行研判，標注違章車輛和違章路段，在關鍵路段進行違章警示，并通過系統將違章信息報備道路交通監管部門，實現技防和人管共同監管車輛違章;對車輛顛簸行為進行研判，標注顛簸路段地理信息，通過系統警示報備道路交通監管部門，為道路維護提供決策支撐。

（2）未安裝監測設備的車輛違章行為的研判及預警。在本文所構建的農村道路交通安全網格化管理框架中，除了大小客車、貨車、農機車等具有監測設備的車輛，還存在著其他類型車輛，對于這些車輛交通違法行為的研判，可以利用大數據技術，以道路監測點監控視頻信息為研究對象，從轄區、違章類型、違章地點、違章牌號、違章日期、違章來源6個維度分析研判交通違法情況。對于有號牌機動車，則根據違章次數、違章性質，判定違章等級，為交通安全網格化管理實施警示教育，為布置道路安全監管提供決策支撐;對于無號牌車輛、黑車、病車等特殊車輛，則利用大數據技術，通過網格化管理框架，確定車輛運行軌跡及轄區，為問題車輛排查提供決策支撐。

2.5? 農村道路交通安全監測數據分析系統

本文以網格化管理的理念，結合大數據和NB-IoT技術的特點，設計適合于農村道路交通安全管理的監測平臺，最終實現農村交通安全監測、預警及管理閉環。主要從以下幾點展開設計：

（1）基于網格化管理理念的農村道路交通安全監測系統應用及管理平臺的搭建。

（2）利用大數據技術對道路狀況進行研判，對道路路面管理及養護提供決策支撐。

（3）利用大數據技術對道路交通事故的時空特性進行研判，為事故黑點排查和事故預防提供決策支撐。

（4）利用大數據分析交通違法行為，定位違法車輛，為對違法人員的警示教育與處罰提供決策支撐。

3? ? 結語

農村道路具有岔路多、車輛復雜、路況環境復雜、不易監管等特點，通過構建基于NB-IoT和大數據技術應用到農村道路交通安全監測及預警平臺，利用NB-IoT獲取農村道路交通中車、路、環等相關監測信息，并利用移動網絡實現數據交互，大數據技術分析監測數據，對道路路況信息、環境信息、車輛運載信息、違法信息等進行研判，能夠提高農村道路交通安全管理效率，形成道路交通安全網格化管理模式，為減少農村道路交通安全事故起到積極意義。

[參考文獻]

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[5]范展宏.NB-IoT窄帶物聯網的現狀以及發展前景[J].數字通信世界，2018（10）：110-111.

Design of rural road traffic safety monitoring and warning

platform based on big data and NB-IoT

Han Shuhe， Wang Jiesong， Zhu Yunfeng

（JiangSu Vocational & Technical Shipping College， Nantong 226010， China）

Abstract：This paper researches and designs a rural road traffic safety monitoring and warning system based on NB-IoT technology， which is driven by data and scene， with big data and NB-IoT technology as the core. This system takes the rural road condition and passengers， trucks and agricultural motor vehicles as the main monitoring objects， obtains road and vehicle related information through NB-IoT technology. Using big data technology to obtain data analysis， research and judge， and early warning of potential safety hazards， to provide decision support for rural road traffic safety management.

Key words：big data; narrow band internet of things; rural road; safety monitoring; early warning system